การสำรวจสถานะปัจจุบันและศักยภาพของการประมวลผลด้วยเลเซอร์กระจก

เทคโนโลยีการผลิตด้วยเลเซอร์ได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา โดยมีการประยุกต์ใช้หลักคือการประมวลผลด้วยเลเซอร์สำหรับวัสดุโลหะ การตัดด้วยเลเซอร์ การเชื่อมด้วยเลเซอร์ และการหุ้มโลหะด้วยเลเซอร์ ถือเป็นกระบวนการที่สำคัญที่สุดในกระบวนการแปรรูปโลหะด้วยเลเซอร์ อย่างไรก็ตาม เมื่อความเข้มข้นของเลเซอร์เพิ่มขึ้น การทำให้ผลิตภัณฑ์เลเซอร์เป็นเนื้อเดียวกันก็รุนแรงขึ้น ซึ่งเป็นข้อจำกัดต่อการเติบโตของตลาดเลเซอร์ ดังนั้น เพื่อที่จะก้าวข้ามขีดจำกัด การประยุกต์ใช้เลเซอร์จึงจำเป็นต้องขยายขอบเขตไปสู่วัสดุใหม่ๆ วัสดุที่ไม่ใช่โลหะที่เหมาะสำหรับการใช้งานด้วยเลเซอร์ ได้แก่ ผ้า แก้ว พลาสติก พอลิเมอร์ เซรามิก และอื่นๆ วัสดุแต่ละชนิดเกี่ยวข้องกับหลายอุตสาหกรรม แต่ก็มีเทคนิคการประมวลผลที่ก้าวหน้าอยู่แล้ว ทำให้การทดแทนด้วยเลเซอร์ไม่ใช่เรื่องง่าย

ในการเข้าสู่วงการวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ จำเป็นต้องวิเคราะห์ว่าปฏิกิริยาเลเซอร์กับวัสดุนั้นเป็นไปได้หรือไม่ และจะเกิดปฏิกิริยาไม่พึงประสงค์หรือไม่ ปัจจุบัน กระจกเป็นสาขาสำคัญที่มีมูลค่าเพิ่มสูงและมีศักยภาพสำหรับการใช้งานการประมวลผลด้วยเลเซอร์แบบแบตช์

พื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับการตัดกระจกด้วยเลเซอร์

กระจกเป็นวัสดุอุตสาหกรรมสำคัญที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์ ก่อสร้าง การแพทย์ และอิเล็กทรอนิกส์ การใช้งานมีตั้งแต่ฟิลเตอร์ออปติคัลขนาดเล็กระดับไมโครเมตร ไปจนถึงแผงกระจกขนาดใหญ่ที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น ยานยนต์หรือก่อสร้าง

กระจกสามารถแบ่งประเภทได้เป็น กระจกออปติคอล กระจกควอตซ์ กระจกไมโครคริสตัลไลน์ กระจกแซฟไฟร์ และอื่นๆ คุณสมบัติที่สำคัญของกระจกคือความเปราะบาง ซึ่งเป็นความท้าทายอย่างมากสำหรับวิธีการแปรรูปแบบดั้งเดิม วิธีการตัดกระจกแบบดั้งเดิมมักใช้เครื่องมือโลหะผสมแข็งหรือเพชร โดยกระบวนการตัดแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน ขั้นตอนแรก รอยแตกจะเกิดขึ้นบนพื้นผิวกระจกโดยใช้เครื่องมือปลายเพชรหรือล้อเจียรโลหะผสมแข็ง ประการที่สอง ใช้กลไกทางกลเพื่อแยกกระจกตามแนวรอยแตก อย่างไรก็ตาม กระบวนการแบบดั้งเดิมเหล่านี้มีข้อเสียที่ชัดเจน คือ ประสิทธิภาพค่อนข้างต่ำ ส่งผลให้ขอบกระจกไม่สม่ำเสมอ ซึ่งมักต้องขัดถูเป็นครั้งที่สอง และก่อให้เกิดเศษและฝุ่นจำนวนมาก นอกจากนี้ สำหรับงานต่างๆ เช่น การเจาะรูตรงกลางแผ่นกระจกหรือการตัดรูปทรงที่ไม่สม่ำเสมอ วิธีการแบบดั้งเดิมค่อนข้างท้าทาย นี่คือจุดที่ข้อได้เปรียบของการตัดกระจกด้วยเลเซอร์ปรากฏชัดเจน ในปี พ.ศ. 2565 รายได้จากการขายของอุตสาหกรรมกระจกจีนอยู่ที่ประมาณ 744,300 ล้านหยวน อัตราการเจาะตลาดของเทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ในอุตสาหกรรมกระจกยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น ซึ่งบ่งชี้ถึงช่องว่างสำคัญในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการตัดด้วยเลเซอร์ทดแทน

การตัดกระจกด้วยเลเซอร์: จากโทรศัพท์มือถือเป็นต้นไป

การตัดกระจกด้วยเลเซอร์มักใช้หัวโฟกัสเบซิเยร์เพื่อสร้างลำแสงเลเซอร์ที่มีกำลังสูงสุดและความหนาแน่นสูงภายในกระจก โดยการโฟกัสลำแสงเบซิเยร์ภายในกระจก ลำแสงจะระเหยวัสดุทันที ก่อให้เกิดโซนระเหย ซึ่งจะขยายตัวอย่างรวดเร็วจนเกิดรอยแตกบนพื้นผิวด้านบนและด้านล่าง รอยแตกเหล่านี้ก่อตัวเป็นชิ้นส่วนตัดที่ประกอบด้วยจุดรูพรุนเล็กๆ จำนวนมาก ทำให้สามารถตัดผ่านรอยแตกที่เกิดจากความเค้นภายนอกได้

ด้วยความก้าวหน้าครั้งสำคัญด้านเทคโนโลยีเลเซอร์ ระดับพลังงานจึงเพิ่มขึ้นเช่นกัน เลเซอร์สีเขียวระดับนาโนวินาทีที่มีกำลังมากกว่า 20 วัตต์ สามารถตัดกระจกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขณะที่เลเซอร์อัลตราไวโอเลตระดับพิโควินาทีที่มีกำลังมากกว่า 15 วัตต์ สามารถตัดกระจกที่มีความหนาต่ำกว่า 2 มิลลิเมตรได้อย่างง่ายดาย ปัจจุบันมีบริษัทจีนหลายแห่งที่สามารถตัดกระจกที่มีความหนาสูงสุด 17 มิลลิเมตรได้ การตัดกระจกด้วยเลเซอร์มีประสิทธิภาพสูง ยกตัวอย่างเช่น การตัดกระจกขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 เซนติเมตร บนกระจกหนา 3 มิลลิเมตรด้วยการตัดด้วยเลเซอร์ใช้เวลาเพียงประมาณ 10 วินาที เมื่อเทียบกับการใช้มีดกลที่ต้องใช้เวลาหลายนาที ขอบที่ตัดด้วยเลเซอร์มีความเรียบเนียน มีความแม่นยำของรอยบากสูงสุดถึง 30 ไมโครเมตร จึงไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องจักรขั้นที่สองสำหรับผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรมทั่วไป

การตัดกระจกด้วยเลเซอร์เป็นพัฒนาการที่ค่อนข้างใหม่ เริ่มต้นเมื่อประมาณหกถึงเจ็ดปีที่แล้ว อุตสาหกรรมการผลิตโทรศัพท์มือถือเป็นหนึ่งในกลุ่มแรกๆ ที่นำการตัดด้วยเลเซอร์มาใช้กับฝาครอบกระจกกล้อง และได้รับความนิยมเพิ่มขึ้นอย่างมากจากการนำอุปกรณ์ตัดแบบเลเซอร์ที่มองไม่เห็นมาใช้ ด้วยความนิยมของสมาร์ทโฟนแบบเต็มหน้าจอ การตัดด้วยเลเซอร์ที่แม่นยำของแผงกระจกหน้าจอขนาดใหญ่ทั้งแผงจึงช่วยเพิ่มขีดความสามารถในการประมวลผลกระจกได้อย่างมาก การตัดด้วยเลเซอร์กลายเป็นเรื่องธรรมดาสำหรับการประมวลผลส่วนประกอบกระจกสำหรับโทรศัพท์มือถือ แนวโน้มนี้ได้รับแรงผลักดันหลักจากอุปกรณ์อัตโนมัติสำหรับการประมวลผลด้วยเลเซอร์สำหรับฝาครอบกระจกโทรศัพท์มือถือ อุปกรณ์ตัดด้วยเลเซอร์สำหรับเลนส์ป้องกันกล้อง และอุปกรณ์อัจฉริยะสำหรับการเจาะพื้นผิวกระจกด้วยเลเซอร์

กระจกหน้าจออิเล็กทรอนิกส์ที่ติดตั้งบนรถยนต์กำลังค่อยๆ นำการตัดด้วยเลเซอร์มาใช้

หน้าจอติดรถยนต์ใช้แผงกระจกจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับหน้าจอควบคุมส่วนกลาง ระบบนำทาง กล้องติดรถยนต์ และอื่นๆ ปัจจุบัน รถยนต์พลังงานใหม่หลายรุ่นติดตั้งระบบอัจฉริยะและหน้าจอควบคุมส่วนกลางขนาดใหญ่ ระบบอัจฉริยะได้กลายเป็นมาตรฐานในรถยนต์ ด้วยหน้าจอขนาดใหญ่และหลายจอ รวมถึงหน้าจอโค้ง 3 มิติที่กำลังได้รับความนิยมในตลาด แผงกระจกสำหรับหน้าจอติดรถยนต์ได้รับความนิยมอย่างแพร่หลายเนื่องจากคุณสมบัติที่โดดเด่น และกระจกหน้าจอโค้งคุณภาพสูงสามารถมอบประสบการณ์การใช้งานที่เหนือระดับยิ่งขึ้นสำหรับอุตสาหกรรมยานยนต์ อย่างไรก็ตาม ความแข็งและความเปราะของกระจกที่สูงเป็นความท้าทายในการแปรรูป

ตะแกรงกระจกแบบติดตั้งบนรถยนต์ต้องการความแม่นยำสูง และความคลาดเคลื่อนของชิ้นส่วนโครงสร้างที่ประกอบแล้วนั้นน้อยมาก ความคลาดเคลื่อนของมิติที่มากในระหว่างการตัดตะแกรงสี่เหลี่ยม/แท่งอาจนำไปสู่ปัญหาการประกอบ วิธีการประมวลผลแบบดั้งเดิมประกอบด้วยหลายขั้นตอน เช่น การตัดด้วยล้อ การหักด้วยมือ การขึ้นรูปด้วยเครื่อง CNC และการปาดมุม เป็นต้น เนื่องจากเป็นกระบวนการทางกล จึงมีปัญหาต่างๆ เช่น ประสิทธิภาพต่ำ คุณภาพต่ำ อัตราผลผลิตต่ำ และต้นทุนสูง หลังจากการตัดด้วยล้อแล้ว การตัดด้วยเครื่อง CNC ของกระจกครอบแผงควบคุมกลางรถยนต์เพียงชิ้นเดียวอาจใช้เวลานานถึง 8-10 นาที ด้วยเลเซอร์ความเร็วสูงพิเศษมากกว่า 100 วัตต์ สามารถตัดกระจกขนาด 17 มม. ได้ในครั้งเดียว การรวมกระบวนการผลิตหลายขั้นตอนเข้าด้วยกันจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้ถึง 80% ซึ่งเลเซอร์ 1 ตัวเทียบเท่ากับเครื่อง CNC 20 เครื่อง ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและลดต้นทุนการประมวลผลต่อหน่วยได้อย่างมาก

การประยุกต์ใช้เลเซอร์อื่นๆ ในกระจก

กระจกควอตซ์มีโครงสร้างเฉพาะตัว ทำให้ยากต่อการตัดด้วยเลเซอร์ แต่เลเซอร์เฟมโตวินาทีสามารถนำมาใช้กัดกร่อนบนกระจกควอตซ์ได้ นี่คือการประยุกต์ใช้เลเซอร์เฟมโตวินาทีสำหรับการตัดเฉือนที่แม่นยำและการกัดกร่อนบนกระจกควอตซ์ เทคโนโลยีเลเซอร์เฟมโตวินาทีเป็นเทคโนโลยีการประมวลผลขั้นสูงที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยความแม่นยำและความเร็วในการประมวลผลที่สูงมาก สามารถกัดกร่อนและประมวลผลบนพื้นผิววัสดุต่างๆ ได้ในระดับไมโครเมตรถึงนาโนเมตร เทคโนโลยีการระบายความร้อนด้วยเลเซอร์จะแตกต่างกันไปตามความต้องการของตลาดที่เปลี่ยนแปลงไป ในฐานะผู้ผลิตเครื่องทำความเย็นที่มีประสบการณ์ซึ่งปรับปรุงสายการผลิต เครื่องทำความเย็นด้วยน้ำ ให้สอดคล้องกับแนวโน้มของตลาด เครื่องทำความเย็นเลเซอร์ความเร็วสูงรุ่น CWUP ของผู้ผลิตเครื่องทำความเย็น TEYU สามารถมอบโซลูชันการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพและเสถียรสำหรับเลเซอร์พิโควินาทีและเฟมโตวินาทีที่มีกำลังสูงสุด 60 วัตต์

การเชื่อมกระจกด้วยเลเซอร์เป็นเทคโนโลยีใหม่ที่ปรากฏขึ้นในช่วงสองถึงสามปีที่ผ่านมา โดยเริ่มแรกพบในประเทศเยอรมนี ปัจจุบันมีเพียงไม่กี่หน่วยงานในประเทศจีน เช่น Huagong Laser, Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics และ Harbin Hit Weld Technology ที่สามารถพัฒนาเทคโนโลยีนี้ได้ ภายใต้การทำงานของเลเซอร์พัลส์ระยะสั้นพิเศษกำลังสูง คลื่นความดันที่เกิดจากเลเซอร์สามารถสร้างรอยแตกขนาดเล็กหรือความเข้มข้นของความเค้นบนกระจก ซึ่งช่วยส่งเสริมการยึดติดระหว่างกระจกสองแผ่น กระจกที่เชื่อมติดกันหลังการเชื่อมมีความแข็งแรงมาก และสามารถเชื่อมติดแน่นระหว่างกระจกหนา 3 มม. ได้ ในอนาคต นักวิจัยกำลังมุ่งเน้นไปที่การเชื่อมกระจกซ้อนทับกับวัสดุอื่นๆ ด้วย ปัจจุบัน กระบวนการใหม่เหล่านี้ยังไม่ได้รับการนำไปใช้อย่างแพร่หลาย แต่เมื่อพัฒนาจนสมบูรณ์แล้ว จะมีบทบาทสำคัญในการใช้งานระดับสูงบางประเภทอย่างไม่ต้องสงสัย