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

Công nghệ sản xuất laser đã phát triển nhanh chóng trong thập kỷ qua, với ứng dụng chính là gia công 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 gia công laser kim loại. Tuy nhiên, khi nồng độ laser tăng lên, tính 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, các ứng dụng laser phải mở rộng sang các lĩnh vực vật liệu mới. Các vật liệu phi kim loại phù hợp cho 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 gia công tiên tiến đã tồn tại, khiến việc thay thế laser không phải là một 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, thủy tinh nổi bật là một lĩnh vực chính có giá trị gia tăng cao và tiềm năng cho các ứng dụng gia công laser theo mẻ.

Không gian rộng lớn để cắt kính bằng laser

Kính là một 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 kính trải rộng từ các bộ lọc quang học cỡ nhỏ đo micromet đến các tấm kính cỡ 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 nổi bật của kính là độ giòn, gây ra những thách thức đáng kể cho các phương pháp gia công truyền thống. Các phương pháp cắt kính truyền thống thường sử dụng dụng cụ hợp kim cứng hoặc kim cương, với quy trình cắt được chia thành hai bước. Đầu tiên, một vết nứt được tạo ra trên bề mặt kính bằng dụng cụ có đầu kim cương hoặc đá mài hợp kim cứng. Thứ hai, các phương pháp cơ học được sử dụng để tách kính dọc theo đường nứt. Tuy nhiên, các quy trình truyền thống này có những nhược điểm rõ ràng. Chúng tương đối kém hiệu quả, dẫn đến các cạnh không đều, thường cần đánh bóng lại và tạo ra nhiều mảnh vụn và bụi. Hơn nữa, đối với các công việc như khoan lỗ ở giữa các tấm kính hoặc cắt các hình dạng không đều, các phương pháp truyền thống khá khó khăn. Đây là lúc những ưu điểm của công nghệ 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

Cắt laser kính thường sử dụng đầu hội tụ Bezier để tạo ra các chùm tia laser có công suất đỉnh và mật độ cao bên trong kính. Bằng cách hội tụ chùm tia Bezier bên trong kính, nó làm bay hơi vật liệu ngay lập tức, tạo ra một vùng bốc hơi, nhanh chóng mở rộng và tạo thành các vết nứt trên bề mặt trên và dưới. Các vết nứt này tạo thành mặt cắt bao gồm vô số lỗ rỗng nhỏ, cho phép 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. Laser xanh nano giây với công suất hơn 20W có thể cắt kính hiệu quả, trong khi laser cực tím pico giây với công suất hơn 15W dễ dàng cắt kính dày dưới 2mm. Có những doanh nghiệp Trung Quốc có thể cắt kính dày tới 17mm. Cắt kính bằng laser tự hào có hiệu suất cao. Ví dụ, cắt một mảnh kính đường kính 10cm trên kính dày 3mm bằng laser chỉ mất khoảng 10 giây so với vài phút bằng dao cơ học. Các cạnh cắt bằng laser rất mịn, với độ chính xác cắt khía lên đến 30μm, loại bỏ nhu cầu gia công thứ cấp cho các sản phẩm công nghiệp thông thường.

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 tiên phong áp dụng công nghệ này, sử dụng cắt laser trên nắp kính camera và đã có bước đột phá 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 cường đáng kể năng lực xử lý kính. Cắt laser đã trở nên phổ biến trong gia công linh kiện kính cho điện thoại di động. Xu hướng này chủ yếu được thúc đẩy bởi các thiết bị tự động để gia công laser mặt kính camera, thiết bị cắt laser cho ống kính bảo vệ camera và thiết bị thông minh để khoan laser lên đế kính.

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

Màn hình gắn trên xe hơi tiêu tốn rất nhiều tấm kính, đặc biệt là cho màn hình điều khiển trung tâm, hệ thống dẫn đường, camera hành trình, v.v. Ngày nay, nhiều phương tiện sử dụng 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 trên ô tô, với màn hình lớn và nhiều màn hình, cùng với màn hình cong 3D đang dần trở thành xu hướng chủ đạo trên thị trường. Tấm kính che màn hình gắn trên xe hơi được sử dụng rộng rãi nhờ những đặc tính vượt trội, và kính màn hình cong chất lượng cao có thể mang lại trải nghiệm tối ưu hơn cho ngành công nghiệp ô tô. Tuy nhiên, độ cứng và độ giòn cao của kính đặt ra một thách thức cho quá trình gia công.

Màn hình kính gắn trên ô tô yêu cầu 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 màn hình 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, phá vỡ thủ công, định hình CNC và vát mép, cùng các bước khác. Vì là gia công cơ học nên nó gặp phải các vấn đề như hiệu suất thấp, chất lượng kém, năng suất thấp và chi phí cao. Sau khi cắt bánh xe, gia công CNC một hình dạng kính nắp điều khiển trung tâm ô tô có thể mất tới 8-10 phút. Với tia laser cực nhanh trên 100W, có thể cắt kính 17mm trong một lần; 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 gia công 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 laser trở nên khó khăn, nhưng laser femto giây có thể được sử dụng để khắc trên kính thạch anh. Đây là một ứng dụng của laser femto giây để gia công chính xác và khắc trên kính thạch anh. Công nghệ laser femto giây là một công nghệ xử lý tiên tiến đang 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. Công nghệ làm mát bằng laser thay đổi theo nhu cầu thị trường đang thay đổi. Là một nhà sản xuất máy làm lạnh giàu kinh nghiệm, luôn cập nhật dây chuyền sản xuất máy làm lạnh nước của mình để phù hợp với xu hướng thị trường, Máy làm lạnh laser siêu nhanh CWUP-Series của TEYU Chiller Manufacturer 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 một công nghệ mới xuất hiện trong hai đến ba năm trở lại đây, ban đầu xuất hiện ở Đức. Hiện tại, chỉ có một số đơn vị ở Trung Quốc, chẳng hạn như Huagong Laser, Viện Quang học và Cơ học tinh xảo Tây An và Công nghệ hàn Harbin Hit, 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 và có thể đạt được mối hàn chặt chẽ giữa các tấm kính dày 3mm. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu cũng đang 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 một khi hoàn thiện, chúng chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng trong một số lĩnh vực ứng dụng cao cấp.