Дослідження поточного стану та потенціалу лазерної обробки скла

Технологія лазерного виробництва зазнала швидкого розвитку протягом останнього десятиліття, а її основним застосуванням є лазерна обробка металевих матеріалів. Лазерне різання, лазерне зварювання та лазерне плакування металів є одними з найважливіших процесів у лазерній обробці металів. Однак, зі збільшенням концентрації, гомогенізація лазерних виробів стає серйозною, що обмежує зростання ринку лазерів. Тому, щоб пробитися на ринок, лазерне застосування має розширитися в нові матеріальні області. Неметалеві матеріали, придатні для лазерного застосування, включають тканини, скло, пластмаси, полімери, кераміку тощо. Кожен матеріал охоплює кілька галузей промисловості, але вже існують зрілі методи обробки, що робить заміну лазера непростим завданням.

Щоб увійти в галузь неметалевих матеріалів, необхідно проаналізувати, чи можлива взаємодія лазера з матеріалом і чи виникнуть побічні реакції. Наразі скло виділяється як основна галузь з високою доданою вартістю та потенціалом для застосування в пакетній лазерній обробці.

Великий простір для лазерного різання скла

Скло – це важливий промисловий матеріал, який використовується в різних галузях промисловості, таких як автомобілебудування, будівництво, медицина та електроніка. Його застосування варіюється від невеликих оптичних фільтрів, що вимірюють мікрометри, до великомасштабних скляних панелей, що використовуються в таких галузях, як автомобілебудування або будівництво.

Скло можна розділити на оптичне скло, кварцове скло, мікрокристалічне скло, сапфірове скло та інші. Важливою характеристикою скла є його крихкість, що створює значні труднощі для традиційних методів обробки. Традиційні методи різання скла зазвичай використовують твердосплавні або алмазні інструменти, причому процес різання поділяється на два етапи. По-перше, на поверхні скла створюється тріщина за допомогою алмазного інструменту або шліфувального круга з твердого сплаву. По-друге, для розділення скла вздовж лінії тріщини використовуються механічні засоби. Однак ці традиційні процеси мають очевидні недоліки. Вони відносно неефективні, призводять до нерівних країв, які часто потребують вторинного полірування, а також утворюють багато сміття та пилу. Крім того, для таких завдань, як свердління отворів посередині скляних панелей або різання неправильної форми, традиційні методи є досить складними. Саме тут стають очевидними переваги лазерного різання скла. У 2022 році дохід від продажів у скляній промисловості Китаю склав приблизно 744,3 мільярда юанів. Рівень проникнення технології лазерного різання в скляну промисловість все ще перебуває на початковій стадії, що вказує на значний простір для застосування технології лазерного різання як заміни.

Лазерне різання скла: від мобільних телефонів і далі

Для лазерного різання скла часто використовується фокусуюча головка Без'є для генерації лазерних променів високої пікової потужності та щільності всередині скла. Фокусуючи промінь Без'є всередині скла, він миттєво випаровує матеріал, створюючи зону випаровування, яка швидко розширюється, утворюючи тріщини на верхній та нижній поверхнях. Ці тріщини утворюють ділянку різання, що складається з незліченних крихітних точок пор, що дозволяє досягти різання крізь зовнішні тріщини, спричинені напруженням.

Зі значним прогресом у лазерних технологіях також зросли рівні потужності. Наносекундний зелений лазер потужністю понад 20 Вт може ефективно різати скло, тоді як пікосекундний ультрафіолетовий лазер потужністю понад 15 Вт без зусиль ріже скло товщиною менше 2 мм. Існують китайські підприємства, які можуть різати скло товщиною до 17 мм. Лазерне різання скла може похвалитися високою ефективністю. Наприклад, різання скляного шматка діаметром 10 см на склі товщиною 3 мм займає лише близько 10 секунд за допомогою лазерного різання порівняно з кількома хвилинами за допомогою механічних ножів. Краї, вирізані лазером, гладкі, з точністю надрізу до 30 мкм, що усуває необхідність вторинної обробки для загальнопромислових виробів.

Лазерне різання скла – це відносно недавній розвиток, який розпочався приблизно шість-сім років тому. Виробництво мобільних телефонів було серед перших, хто почав використовувати лазерне різання скляних кришок камер, і пережило сплеск популярності з появою пристрою для лазерного невидимого різання. Зі зростанням популярності смартфонів із повним екраном, точне лазерне різання цілих скляних панелей з великим екраном значно збільшило потужності з обробки скла. Лазерне різання стало поширеним явищем, коли йдеться про обробку скляних компонентів для мобільних телефонів. Ця тенденція була зумовлена, головним чином, автоматизованим обладнанням для лазерної обробки скла кришок мобільних телефонів, пристроями для лазерного різання захисних лінз камер та інтелектуальним обладнанням для лазерного свердління скляних підкладок.

Автомобільне електронне скло для екранів поступово переходить на лазерне різання

Екрани, встановлені в автомобілях, споживають багато скляних панелей, особливо для центральних екранів керування, навігаційних систем, відеореєстраторів тощо. Сьогодні багато автомобілів на нових джерелах енергії оснащені інтелектуальними системами та великими центральними екранами керування. Інтелектуальні системи стали стандартом в автомобілях, а великі та багатоекранні екрани, а також вигнуті 3D-екрани поступово стають мейнстрімом на ринку. Скляні покривні панелі для екранів, встановлених в автомобілях, широко використовуються завдяки своїм чудовим характеристикам, а високоякісне вигнуте скло для екранів може забезпечити найкращий досвід для автомобільної промисловості. Однак висока твердість і крихкість скла створюють труднощі для обробки.

Скляні екрани, встановлені на автомобілях, вимагають високої точності, а допуски зібраних конструкційних компонентів дуже малі. Великі похибки розмірів під час різання квадратних/пруткових екранів можуть призвести до проблем зі складанням. Традиційні методи обробки включають кілька етапів, таких як різання колесом, ручне ламання, формування на ЧПК та зняття фаски, серед іншого. Оскільки це механічна обробка, вона страждає від таких проблем, як низька ефективність, низька якість, низький вихід продукції та висока вартість. Після різання колесом, обробка скла центрального керуючого щитка автомобіля на ЧПК може тривати до 8-10 хвилин. За допомогою надшвидких лазерів потужністю понад 100 Вт скло товщиною 17 мм можна різати за один хід; інтеграція кількох виробничих процесів підвищує ефективність на 80%, де 1 лазер дорівнює 20 верстатам з ЧПК. Це значно підвищує продуктивність та знижує витрати на обробку одиниці продукції.

Інші застосування лазерів у склі

Кварцове скло має унікальну структуру, що ускладнює його розрізання лазерами, але фемтосекундні лазери можна використовувати для травлення кварцового скла. Це застосування фемтосекундних лазерів для прецизійної обробки та травлення кварцового скла. Фемтосекундна лазерна технологія - це швидко розвиваючася передова технологія обробки останніх років, з надзвичайно високою точністю та швидкістю обробки, здатна виробляти травлення та обробку на мікронному та нанометровому рівнях на різних поверхнях матеріалів. Технологія лазерного охолодження змінюється залежно від змінних вимог ринку. Як досвідчений виробник чилерів, який оновлює свої виробничі лінії водяних чилерів відповідно до ринкових тенденцій, надшвидкі лазерні чилери серії CWUP від ​​виробника чилерів TEYU можуть забезпечити ефективні та стабільні рішення для охолодження пікосекундних та фемтосекундних лазерів потужністю до 60 Вт.

Лазерне зварювання скла – це нова технологія, яка з'явилася протягом останніх двох-трьох років, спочатку в Німеччині. Наразі лише кілька установ у Китаї, такі як Huagong Laser, Сіаньський інститут оптики та точної механіки та Harbin Hit Weld Technology, досягли успіху в цій технології. Під дією потужних лазерів з надкороткими імпульсами хвилі тиску, що генеруються лазерами, можуть створювати мікротріщини або концентрації напружень у склі, що може сприяти з'єднанню двох шматків скла. З'єднане скло після зварювання дуже міцне, і вже зараз можна досягти щільного зварювання між склом товщиною 3 мм. У майбутньому дослідники також зосередяться на наплавленому зварюванні скла з іншими матеріалами. Наразі ці нові процеси ще не отримали широкого застосування в серіях, але після їх розробки вони, безсумнівно, відіграватимуть важливу роль у деяких високотехнологічних сферах застосування.