Khám phá tình trạng hiện tại và tiềm năng của quá trình xử lý bằng laser thủy tinh

Công nghệ sản xuất bằng laser đã có sự phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua, với ứng dụng chính là gia công bằng laser cho vật liệu kim loại. Cắt laser, hàn laser và phủ laser kim loại là một trong những quy trình quan trọng nhất trong quá trình gia công kim loại bằng laser. Tuy nhiên, khi nồng độ tăng lên, sự đồng nhất của các sản phẩm laser trở nên nghiêm trọng, hạn chế sự phát triển của thị trường laser. Do đó, để đột phá, ứng dụng laser phải mở rộng sang các lĩnh vực vật liệu mới. Các vật liệu phi kim loại thích hợp để ứng dụng laser bao gồm vải, thủy tinh, nhựa, polyme, gốm sứ, v.v. Mỗi vật liệu liên quan đến nhiều ngành công nghiệp, nhưng các kỹ thuật xử lý tiên tiến đã tồn tại, khiến việc thay thế bằng laser không phải là nhiệm vụ dễ dàng.

Để bước vào lĩnh vực vật liệu phi kim loại, cần phải phân tích xem tương tác laser với vật liệu có khả thi hay không và liệu có xảy ra phản ứng bất lợi hay không. Hiện nay, kính nổi bật là một lĩnh vực quan trọng có giá trị gia tăng cao và tiềm năng ứng dụng trong xử lý laser hàng loạt.

Không gian rộng lớn để cắt kính bằng laser

Kính là vật liệu công nghiệp quan trọng được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô, xây dựng, y tế và điện tử. Ứng dụng của nó trải dài từ các bộ lọc quang học quy mô nhỏ đo micrômet đến các tấm kính quy mô lớn được sử dụng trong các ngành công nghiệp như ô tô hoặc xây dựng.

Kính có thể được phân loại thành kính quang học, kính thạch anh, kính vi tinh thể, kính sapphire, v.v. Đặc điểm quan trọng của thủy tinh là độ giòn, gây ra những thách thức đáng kể cho các phương pháp chế biến truyền thống. Các phương pháp cắt kính truyền thống thường sử dụng các công cụ bằng hợp kim cứng hoặc kim cương, với quá trình cắt được chia thành hai bước. Đầu tiên, người ta tạo ra một vết nứt trên bề mặt kính bằng dụng cụ có đầu kim cương hoặc đá mài hợp kim cứng. Thứ hai, sử dụng biện pháp cơ học để tách kính dọc theo đường nứt. Tuy nhiên, những quy trình truyền thống này có những nhược điểm rõ ràng. Chúng tương đối kém hiệu quả, tạo ra các cạnh không đều, thường phải đánh bóng lại và tạo ra nhiều mảnh vụn và bụi. Hơn nữa, đối với các nhiệm vụ như khoan lỗ ở giữa tấm kính hoặc cắt các hình dạng không đều, các phương pháp truyền thống khá khó khăn. Đây là nơi mà những lợi thế của việc cắt kính bằng laser trở nên rõ ràng Năm 2022, doanh thu bán hàng của ngành công nghiệp kính Trung Quốc đạt khoảng 744,3 tỷ nhân dân tệ. Tỷ lệ thâm nhập của công nghệ cắt laser vào ngành công nghiệp kính vẫn đang ở giai đoạn đầu, cho thấy còn nhiều tiềm năng để ứng dụng công nghệ cắt laser thay thế.

Cắt kính bằng laser: Từ điện thoại di động trở đi

Quá trình cắt kính bằng laser thường sử dụng đầu hội tụ Bezier để tạo ra chùm tia laser có công suất cực đại và mật độ cao bên trong kính. Bằng cách tập trung chùm tia Bezier vào bên trong kính, nó sẽ làm bay hơi vật liệu ngay lập tức, tạo ra vùng bay hơi, vùng này sẽ nhanh chóng mở rộng để tạo thành các vết nứt trên bề mặt trên và dưới. Những vết nứt này tạo thành phần cắt gồm vô số lỗ rỗng nhỏ, có khả năng cắt xuyên qua các vết nứt ứng suất bên ngoài.

Với những tiến bộ đáng kể trong công nghệ laser, mức công suất cũng tăng lên. Tia laser xanh nano giây với công suất trên 20W có thể cắt kính hiệu quả, trong khi tia laser cực tím pico giây với công suất trên 15W có thể dễ dàng cắt kính dày dưới 2mm. Có những doanh nghiệp Trung Quốc có thể cắt kính dày tới 17mm. Cắt kính bằng laser có hiệu quả cao. Ví dụ, việc cắt một miếng kính có đường kính 10 cm trên một tấm kính dày 3 mm chỉ mất khoảng 10 giây bằng phương pháp cắt laser so với mất vài phút khi cắt bằng dao cơ học. Các cạnh được cắt bằng tia laser rất mịn, có độ chính xác khía lên tới 30μm, loại bỏ nhu cầu gia công thứ cấp cho các sản phẩm công nghiệp nói chung.

Cắt kính bằng laser là một phát triển tương đối mới, bắt đầu từ khoảng sáu đến bảy năm trước. Ngành sản xuất điện thoại di động là một trong những ngành áp dụng sớm nhất, sử dụng công nghệ cắt laser trên nắp kính camera và trải qua sự phát triển vượt bậc với sự ra đời của thiết bị cắt laser tàng hình. Với sự phổ biến của điện thoại thông minh toàn màn hình, việc cắt laser chính xác toàn bộ tấm kính màn hình lớn đã tăng đáng kể năng lực xử lý kính. Cắt laser đã trở nên phổ biến trong quá trình gia công linh kiện kính cho điện thoại di động. Xu hướng này chủ yếu được thúc đẩy bởi thiết bị tự động để xử lý laser mặt kính điện thoại di động, thiết bị cắt laser cho ống kính bảo vệ máy ảnh và thiết bị thông minh để khoan laser lên bề mặt kính.

Kính màn hình điện tử gắn trên ô tô đang dần được áp dụng công nghệ cắt laser

Màn hình gắn trên ô tô tiêu tốn rất nhiều tấm kính, đặc biệt là màn hình điều khiển trung tâm, hệ thống dẫn đường, camera hành trình, v.v. Ngày nay, nhiều loại xe năng lượng mới được trang bị hệ thống thông minh và màn hình điều khiển trung tâm cỡ lớn. Hệ thống thông minh đã trở thành tiêu chuẩn trong ô tô, với màn hình lớn và nhiều màn hình, cũng như màn hình cong 3D dần trở thành xu hướng chủ đạo trên thị trường. Tấm kính che màn hình gắn trên ô tô được sử dụng rộng rãi do có những đặc tính tuyệt vời và kính màn hình cong chất lượng cao có thể mang lại trải nghiệm tuyệt vời hơn cho ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, độ cứng và độ giòn cao của thủy tinh gây ra thách thức cho quá trình chế biến.

Màn hình kính gắn trên ô tô đòi hỏi độ chính xác cao và dung sai của các thành phần kết cấu lắp ráp rất nhỏ. Các lỗi kích thước lớn trong quá trình cắt lưới vuông/thanh có thể dẫn đến các vấn đề lắp ráp. Các phương pháp gia công truyền thống bao gồm nhiều bước như cắt bánh xe, bẻ thủ công, định hình CNC và vát mép, cùng nhiều bước khác. Vì là quá trình gia công cơ học nên nó gặp phải những vấn đề như hiệu suất thấp, chất lượng kém, năng suất thấp và chi phí cao. Sau khi cắt bánh xe, gia công CNC hình dạng kính nắp điều khiển trung tâm của một chiếc xe có thể mất tới 8-10 phút. Với tia laser cực nhanh trên 100W, có thể cắt kính 17mm chỉ trong một lần cắt; tích hợp nhiều quy trình sản xuất giúp tăng hiệu quả lên 80%, trong đó 1 tia laser bằng 20 máy CNC. Điều này cải thiện đáng kể năng suất và giảm chi phí xử lý đơn vị.

Các ứng dụng khác của tia laser trong thủy tinh

Kính thạch anh có cấu trúc độc đáo, khiến việc cắt tách bằng tia laser trở nên khó khăn, nhưng tia laser femto giây có thể được sử dụng để khắc trên kính thạch anh. Đây là ứng dụng của tia laser femto giây để gia công chính xác và khắc trên kính thạch anh. Công nghệ laser Femtosecond là công nghệ xử lý tiên tiến phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, với độ chính xác và tốc độ xử lý cực cao, có khả năng khắc và xử lý ở cấp độ micromet đến nanomet trên nhiều bề mặt vật liệu khác nhau  Công nghệ làm mát bằng laser thay đổi theo nhu cầu thay đổi của thị trường. Là một nhà sản xuất máy làm lạnh giàu kinh nghiệm luôn cập nhật máy làm lạnh nước  Dây chuyền sản xuất theo kịp xu hướng thị trường, Máy làm lạnh laser siêu nhanh CWUP-Series của Nhà sản xuất TEYU Chiller có thể cung cấp các giải pháp làm mát hiệu quả và ổn định cho laser pico giây và femto giây với công suất lên đến 60W.

Hàn kính bằng laser là công nghệ mới xuất hiện trong hai đến ba năm trở lại đây, ban đầu xuất hiện ở Đức. Hiện nay, chỉ có một số ít đơn vị tại Trung Quốc như Huagong Laser, Viện Quang học và Cơ học chính xác Tây An và Công nghệ hàn Harbin đã đột phá được công nghệ này. Dưới tác động của tia laser xung cực ngắn, công suất cao, sóng áp suất do tia laser tạo ra có thể tạo ra các vết nứt nhỏ hoặc tập trung ứng suất trong kính, có thể thúc đẩy liên kết giữa hai mảnh kính  Kính liên kết sau khi hàn rất chắc chắn, có thể hàn khít giữa các tấm kính dày 3mm. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu cũng sẽ tập trung vào việc hàn phủ kính với các vật liệu khác. Hiện tại, các quy trình mới này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi theo lô, nhưng khi hoàn thiện, chúng chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực ứng dụng cao cấp.