Лазерная резка стекла без сколов

Когда вам нужно сделать сложные разрезы, лазерная резка стекла может быть отличным выбором.

Стекло по своей природе является как прозрачным, так и отражающим. Как лазерный луч может разрезать такой материал?

Эта статья посвящена лазерной резке стекла. Я расскажу о том, как резать стекло лазером, и о возможных проблемах, с которыми вы можете столкнуться при резке стекла на лазере.

Как вырезать стекло лазером

Лазерная резка позволяет вырезать из стекла сложные изогнутые геометрические формы. Высокоэнергетические CO ₂ -лазеры мощностью 30 Вт и выше являются лучшим выбором для резки стекла. По мере увеличения толщины стекла увеличивается и необходимая мощность лазера. Лазер высокой мощности может быстрее разрезать стекло.

Создание дизайна

Первым делом нужно сделать необходимые рисунки, которые затем будут вырезаны из стекла.

Вы можете использовать любое программное обеспечение CAD/CAM по вашему выбору, которое экспортирует файлы в формат, поддерживаемый вашим программным обеспечением для управления лазером.

Ниже приведены некоторые популярные программы САПР и поддерживаемые ими форматы экспортных файлов.

Программное обеспечение	Формат файла
Adobe Illustrator	AI, DXF, JPG, SVG, SVGZ, PDF и EPS
Inkscape	SVG, SVGZ, PDF, EPS/EPSi, LaTeX и HPGL
Autodesk Fusion 360	SVG, DXF, IPT, DWG, SKP и DWG
Laser CAD	CDR, DXF и PLT

Выполнение пробных разрезов

Чтобы узнать правильные настройки, необходимые для резки определенного типа стекла, вам придется выполнить несколько пробных резов.

Тестируя различные параметры мощности лазера, скорости и подачи, вы можете найти правильные настройки для типа материала, который вы режете.

Да, это приводит к потерям материала, но выполнение тестовых распилов позволяет вам понять, какой материал вы режете. Кроме того, правильная настройка резки убережет вас от дорогостоящих ошибок.

Делаем разрез

Как только вы определите оптимальные настройки, вы сможете эффективно резать стекло. Это сводит к минимуму потери материала и помогает обрабатывать больше вырезов из заданного листа стекла.

Охлаждение обработанной лазером кромки стекла с помощью воздуха сводит к минимуму микротрещины, которые могут образоваться на пути резки. Это также приводит к более гладкому резу.

Лазерная резка стекла. Основы и виды стекла

Стекло – это прозрачный твердый некристаллический материал. Они изготавливаются путем плавления кварца, содержащего диоксид кремния (SiO ₂ ) в качестве строительного блока.

Расплавленный жидкий диоксид кремния не перекристаллизуется при охлаждении. Вместо этого он медленно становится аморфным твердым телом, которое заполняет все свои пробелы на микроскопическом уровне.

Это помогает добиться гладкой кромки среза на стекле.

Стекло прозрачно в диапазоне видимого света (380-780 нм), поскольку оно позволяет видимому свету проходить сквозь него, не захватывая его энергию на атомном уровне.

Однако для ультрафиолетового света стекло непрозрачно, так как электроны SiO ₂ захватывают его энергию.

Лазерная резка является важной частью производства стекла, поскольку только с помощью точного разреза можно получить желаемую форму и размер стекла.

Длина волны используемого лазера зависит от стекла. Однако большинство видов стекла можно резать с помощью CO2-лазера, работающего на длине волны 10 600 нм.

Виды стекла для лазерной резки

Сегодня наиболее широко используемой формой стекла являются известково-натриевые стекла.

Оно настолько широко используется, что когда кто-то говорит о стекле, скорее всего, имеет в виду стекло с натриевой известью.

75% производимых в настоящее время стекол также представляют собой известково-натриевое стекло.

Типичными стеклами, которые можно резать лазером, являются боросиликатные, силикатные, свинцовые, алюмосиликатные и стекловолоконные.

Витражи также можно резать с помощью лазера, и они легированы цветными добавками для различных декоративных целей. К сожалению, в результате они сильно подвержены переломам.

Лазерная резка не ограничивается только этими стеклами. Можно резать другие обработанные стекла, такие как закаленное стекло, ламинированное, термоупрочненное, отражающее и матовое стекло.

Вам нужно будет использовать мощные лазеры с небольшим лазерным лучом для резки таких твердых стекол.

Ниже приведен список различных типов стекла и соответствующих лазерных резаков для них.

Стекло	Тип лазера	Длина волны
Содово-лаймовые стаканы	YAG-лазер	1064 нм
Витражи	СО 2 лазер	10 600 нм
Боросиликатное стекло	УФ-лазер	355 нм
Силикатное стекло	CO₂ лазер	10 600 нм
Стекловолокно	CO₂ лазер	9 300 нм или 10 600 нм
Кварцевое стекло	CO₂ лазер	9 300 нм или 10 600 нм
Алюмосиликатное стекло	CO₂ лазер	9 300 нм или 10 600 нм
Свинцовый хрусталь	CO₂ лазер	9 300 нм или 10 600 нм

Оптимальные настройки для лазерной резки стекла

Мощность лазера

При резке стекла необходимо использовать лазер мощностью от 30 Вт до 800 Вт в зависимости от толщины и структурного состава стекла.

Высокоэнергетические CO ₂ -лазеры являются отраслевым стандартом для резки стекла. Это связано с тем, что их рабочая длина волны имеет разумную скорость поглощения на стекле.

Скорость резки

Толщина стекла влияет на скорость резки, которую можно достичь с помощью лазера.

Увеличивая мощность лазера, вы можете резать стекло с большей скоростью.

Как правило, для лазера мощностью 80 Вт и стекла толщиной 0,10 дюйма рекомендуется скорость резки около 15 дюймов в минуту.

Рабочая зона

Рабочая зона лазерного резака является важным аспектом, который следует учитывать.

Вы должны выбрать лазерный резак в зависимости от размера стеклянных листов, которые вы планируете использовать.

Для малого бизнеса настольный лазерный резак — хороший выбор. Настольные лазеры относительно доступны по цене и занимают минимум места.

В случае крупного бизнеса или промышленности оптимальным выбором будут промышленные лазерные резаки.

Поскольку стекло достаточно тяжелое, чтобы оставаться устойчивым при лазерной резке, в большинстве случаев вам не потребуется крепление при лазерной резке стекла.

При использовании низкоплотного стекла его лучше приклеивать на двухсторонний скотч или какой-либо крепеж, не оставляющий царапин на поверхности стекла.

Воздушная помощь

Для лазерной обработки стекла рекомендуется использовать сжатый воздух высокого давления с малогабаритным лазерным соплом.

Вспомогательный воздух охлаждает кромку лазерной резки и помогает ограничить развитие микротрещин по пути реза.

Линзы

При выборе линз для работы со стеклом выбирайте те, которые имеют сертификацию по стандартам ISO-10110 для использования с кристаллами и стеклянными материалами.

Короткофокусный лазерный объектив с увеличенной глубиной резкости — это то, что вам нужно для лазерной резки стекла. Это обеспечивает фокусировку лазерного луча в маленьком фокусном пятне на толстом стекле.

Рекомендуемые настройки объектива для эффективной резки стекла: фокусное расстояние 2 дюйма, глубина резкости 0,03 дюйма (DoP) и размер пятна 0,001 дюйма.

Вытяжная система

При лазерной резке стекла видимый дым или пары не образуются из-за общего отсутствия примесей.

Тот факт, что образующиеся пары не видны, не обязательно означает, что они не вредны.

Токсичность образующихся паров будет зависеть от добавок, добавленных к материалу. Например, некоторые витражи при лазерной резке выделяют темные видимые пары.

Всегда лучше иметь хорошую вентиляцию для вашего лазерного резака. Он может быстро удалять образующиеся пары и предотвращает коррозию и окрашивание деталей машины.

Как улучшить качество резки стекла

Чтобы получить ровный срез на стекле, накройте поверхность влажным бумажным полотенцем или аппликационной лентой. Это ограничивает образование микротрещин на стекле и помогает получить чистый срез.

На протяжении всего разреза необходимо поддерживать стабильное фокусное расстояние. Не изменяйте высоту лазера после начала резки. Изменение высоты лазера иногда может привести к неровным разрезам на плоскости стекла.

После долгих часов работы линза лазера покрывается дымом и остатками, что снижает плотность лазера и приводит к неравномерному разрезу.

Регулярная очистка линзы важна для того, чтобы ваша линза прослужила долго.

Лучшим методом очистки линз является использование спиртовых растворов с содержанием спирта не менее 90%. Также можно использовать ацетон.

Длина волны лазера, толщина стекла, размер пятна, коэффициент поглощения, мощность, скорость и структура стекла являются одними из основных параметров, влияющих на качество резки.

Чтобы получить качественную резку, вам придется оптимизировать эти параметры.

Преимущества лазерной резки стекла

Хотя существуют и другие традиционные методы резки стекла, они имеют ряд недостатков.

Острые резаки, такие как дисковый резак, используют отрезной диск с V-образным профилем, изготовленный из карбида вольфрама или поликристаллического алмаза, для надрезания стекол.

Он создает линию излома и ослабляет стекло вдоль траектории надреза. При приложении давления стекло разбивается на две части, так как оно ослабевает по пути.

При такой разметке и разбивании стекла образуются микротрещины, и срез не будет идеально перпендикулярен поверхности стекла.

Трещины на неправильном пути приведут к потерям материала, так как вам придется повторять весь процесс заново. Это также потратит ваше время, деньги и другие ресурсы.

Резка стекол с помощью отрезных кругов ограничивается резкой только по прямым линиям. Что делать, если вы хотите создать кривые и вырезать фигуру внутри стекла?

В этом случае на помощь приходит лазерная резка. Лазеры могут легко вырезать практически любую сложную форму.

Лазерная резка нашла применение в обработке стекла уже много десятилетий и прошла долгий путь.

В большинстве промышленных установок лазер режет стекло, нагревая и расплавляя линию падения и охлаждая срез холодной струей воздуха или воздушно-жидкостной смеси.

Это приводит к точному и контролируемому образованию трещин в стекле. Он также предотвращает образование микротрещин и не требует дополнительной обработки (шлифовки/полировки).

Хотя лазерная резка дороже, чем обычная резка стекла, она имеет ряд преимуществ.

Лазерная резка — это чистый бесконтактный процесс, обеспечивающий высококачественную обработку поверхности без сколов на кромках.

Среди трех основных типов лазеров (CO ₂, кристаллический и волоконный лазеры) CO ₂ является лучшим выбором для резки стекла.

Резка стекла CO ₂ лазером

Лазеры CO ₂ являются популярным выбором для многих потребительских и промышленных применений для резки стекла.

Используя CO ₂ -лазер, вы можете свести к минимуму потери материала и сократить время работы за счет более быстрой и точной резки стекла по сравнению с другими лазерами.

Инфракрасная длина волны CO ₂ -лазера 10 600 нм идеально подходит для лазерной резки стекла, поскольку коэффициент поглощения энергии на этой рабочей длине волны составляет 80%.

Большинство CO ₂ -лазеров используют одноэтапную технику контролируемого разрушения (лазерное скрайбирование) для разрезания стекла.

Он делает это, расплавляя стекло ниже его температуры перехода и охлаждая его с помощью форсунки для охлаждающей жидкости.

Этот метод разрезает стеклянную поверхность в сочетании с поверхностным охлаждением. Это хорошая техника для резки толстых стекол.

Техника контролируемого разрушения требует меньшей мощности и позволяет резать с гораздо большей скоростью. Этот метод также дает хорошую прочность кромки из-за отсутствия микротрещин.

При резке стекла в высокотемпературной среде микротрещины, образовавшиеся в процессе, не могут сохраняться. Вместо этого они будут перестраиваться, чтобы заполнить промежутки, чтобы получить твердую поверхность разреза.

Вы можете резать стекло толщиной 0,14 дюйма со скоростью от 43 до 67 изображений в минуту, используя CO ₂ -лазер мощностью от 700 до 1300 Вт.

Витражное стекло толщиной 0,02 дюйма можно разрезать с помощью CO2-лазера мощностью 400 Вт со скоростью ~ 50 изображений в минуту, используя 100% мощности лазера. Для эффективной резки вы также можете использовать подачу воздуха.

Резка стекла УФ-лазерами

Рабочая длина волны УФ-лазера 355 нм может быть сфокусирована в узком месте (<10 микрометров) для создания высокой интенсивности, необходимой для резки стекла.

С помощью УФ-лазера можно резать боросиликатное стекло толщиной 0,007 дюйма со скоростью ~ 47,2 дюйма в минуту. Уменьшая толщину еще больше, вы можете резать на гораздо более высоких скоростях.

В таких лазерах накопление тепла на стекле можно свести к минимуму за счет использования малого размера лазерного пятна и высокоскоростного сканирующего гальванометра.

УФ-лазеры в основном используются для промышленной резки стекла, и такие стекла используются во многих различных устройствах бытовой электроники, таких как телевизоры, смартфоны и многое другое.

Резка стекла короткоимпульсными лазерами

Импульсные лазеры работают, отправляя лазерные лучи с повторяющейся частотой импульсов. По мере того, как частота повторения уменьшается, между каждым импульсом может накапливаться больше энергии.

Импульсный лазер — хороший выбор для резки тонких стекол. Их рабочий диапазон составляет от наносекунд до фемтосекунд.

Такие лазеры используют вариации длительности импульса, энергии импульса и частоты импульса для резки различных стекол.

Он работает путем создания каналов микротрещин от поверхности к задней части, которые развиваются распространяющимся лазерным лучом.

Короткоимпульсный лазер не создает проблем с созданием слоя расплавленного стекла и очищает поверхность стекла от такого мусора.

Они также уменьшают тепловую ударную волну, воздействующую на стекло, поскольку отрезанный материал испаряется, даже не распространяя тепло.

Таким образом, он не создает зон расплавления вдоль пути лазера и препятствует развитию микротрещин в стекле.

Увеличивая энергию импульса, можно создавать более длинные трещины в стекле. Однако контроль глубины за счет регулировки пульса будет сложной задачей. В большинстве случаев образуется грубый срез, иногда требующий полировки.

Проблемы лазерной резки стекла

Высокая начальная стоимость

Хотя лазерные резаки обеспечивают хорошие результаты резки, они сравнительно дороже, чем традиционное оборудование для резки стекла.

Первоначальные инвестиции, необходимые для лазерной резки, могут быть серьезным ограничением.

Потребность в экспертизе

Лазерные резаки сами по себе являются прецизионным оборудованием. Ему нужен обученный оператор и хорошее техническое обслуживание.

Программное обеспечение, используемое для управления лазерами, также требует обучения.

Ограничения лазеров

Есть несколько ограничений, о которых вам нужно знать при резке стекла лазером.

Ограничения лазеров непрерывного действия при резке стекла

В лазерах непрерывного действия лазерный луч создает широкую зону расплава. В результате увеличивается термическая ударная волна, действующая на стекло, и образуются микротрещины на пути реза.

Из-за тепловой ударной волны тепло легко передается в окружающую среду и образует перелитый слой стеклянных осколков.

Лазеры непрерывного действия также повреждают поверхность стекла и оставляют много мусора на поверхности. Опять же, это требует последующей обработки стекла и увеличивает ваши расходы.

Ограничения CO ₂ -лазеров при резке стекла

Лазеры CO ₂ с мощностью в киловаттном диапазоне используются для процесса, называемого двухступенчатым лазерным процессом плавления и испарения. В этом процессе лазер увеличивает температуру стекла выше температуры трансформации стекла.

Этот тип резки стекла подходит только для промышленных условий, так как требует нагрева стекла и поддержания температуры отжига в диапазоне от 510 °C до 600 °C.

Ограничения волоконных лазеров при резке стекла

Волоконный лазер не сможет резать стекло так же эффективно, как CO ₂ -лазер. Длина волны волоконного лазера находится за пределами диапазона поглощения стекла. Их длина волны колеблется от 780 нм до 2200 нм.

Это означает, что волоконный лазер может гравировать стеклянные поверхности, но не может резать.

Хотя волоконный лазер с примесью иттербия лучше режет стекло по сравнению с традиционным волоконным лазером на основе титана-сапфира, CO ₂ -лазер может превзойти их обоих.

Заключение

Суть в том, что лазерные резаки превосходно обеспечивают постоянное качество резки стекла, которое не может обеспечить механическая техника резки.

Несмотря на то, что механическая техника изначально может показаться дешевой, вам придется выполнять обширную постобработку после резки, что может дорого обойтись.

Лазерная резка позволяет точно разрезать стекло, уменьшая потери материала и повышая производительность, позволяя вырезать формы различной геометрии.

Это также уменьшает количество процессов, которым подвергается лист стекла, прежде чем он приобретет желаемую окончательную форму. В результате постобработка и очистка требуются лишь в некоторых случаях.

Хотя лазерная резка является превосходной техникой, она не может полностью заменить ручную резку. Это в основном связано со значительными первоначальными инвестициями, необходимыми для лазерной резки.

При использовании лазера для резки стекла вам придется проявлять особую бдительность, так как существует высокая вероятность преломления и отражения лазерного луча в разных направлениях.

Прежде чем приступить к работе с любым лазерным оборудованием, вы должны знать о рисках, опасностях и мерах контроля, связанных с лазерной безопасностью.

Убедитесь, что вы работаете только с лазерами, надевая защитные очки и одежду с длинными рукавами. Кроме того, осколки стекла могут быть острыми, поэтому обращайтесь с ними с особой осторожностью.

Лазерная резка уже широко применяется при резке гнутого стекла. Такие стекла широко используются во многих современных гаджетах.

Сейчас самое время заняться лазерной резкой стекла, поскольку это инновационная и постоянно развивающаяся область. Многие отрасли промышленности, в настоящее время обрабатывающие стекло, используют лазеры из-за их гибкости.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли лазером резать стекло?

Лазер может резать стекло с высокой точностью и минимальными потерями материала. Кроме того, лазеры могут резать стекло многих сложных форм без образования микротрещин, которые в противном случае были бы невозможны.

Можно ли лазером CO ₂ резать стекло? 

Лазер CO ₂ может резать стекло с большой эффективностью. Инфракрасная длина волны CO ₂ -лазера 10 600 нм идеально подходит для резки стекла, поскольку на этой длине волны он поглощает больше лазерной энергии.

Может ли волоконный лазер резать стекло?

Волоконный лазер может резать стекло, но не так хорошо, как углекислотный. Это связано с тем, что длина волны волоконного лазера (780–2200 нм) находится за пределами диапазона поглощения стекла.