Sử dụng laser Co2 để cắt kính và thủy tinh

Tại sao nên sử dụng Laser?

Khi nói đến gia công thủy tinh thì có rất nhiều phương pháp khác nhau. Mặc dù các phương pháp gia công đơn giản như sử dụng máy cắt kính hoặc cơ cấu kẹp nhưng khi nói đến độ chính xác, cắt laser là phương pháp đầu tiên được lựa chọn. Việc cắt kính bằng các phương pháp thông thường có hiệu quả, nhưng đối với các hình dạng phức tạp thì phương pháp cắt laser tạo độ tin cậy cao mà không cần thời gian, công sức và tránh lãng phí vật liệu đáng kể.

Phương pháp cắt laser trên thủy tinh có thể được thực hiện dễ dàng như cắt nhựa. Tuy nhiên, các thiết bị có giá cao hơn đáng kể và đòi hỏi người vận hành phải có kinh nghiệm.

Tuy nhiên, chúng tôi sẽ chia sẽ những gì bạn sẽ cần để cắt thủy tinh bằng tia laser cũng như một số cân nhắc về độ an toàn và làm thế nào để có được vết cắt sạch nhất.

ĐỊNH NGHĨA THỦY TINH

Thủy tinh có nhiều dạng khác nhau, tuy nhiên, 90% thủy tinh là sự pha trộn giữa hydroxit natri với hydroxit canxi và được chế tạo bằng phương pháp thủy tinh nổi, làm cho thủy tinh cực trong suốt và bằng phẳng. Thủy tinh gồm các loại:

• Thủy tinh màu (có phụ gia)
• Thủy tinh chì hoặc borosilicate
• Thủy tinh aluminosilicate (thông thường được gọi là nhôm trong suốt)
• Thủy tinh silic 96%
• Thủy tinh silic hợp nhất

Ngoài các loại này, để tăng tính an toàn thì thủy tinh còn trải qua một quá trình gia nhiệt đặc biệt. Khi thủy tinh vỡ nó phân tán thành những mảnh nhỏ để giảm nguy hiểm. Vì cách xử lý này, thủy tinh không thể cắt tại nhà.

Cách tốt nhất để gia công

Thủy tinh vôi Natri cacbonat là vật liệu dễ cắt và đơn giản nhất. Trong khi các loại thủy tính khác thường đòi hỏi các công cụ chuyên nghiệp cực kỳ đắt tiền và sự chuẩn bị đặc biệt. Điều này chủ yếu là do các loại khác có nhiệt độ nóng chảy cao hơn và được thiết kế để có khả năng chịu nhiệt và va đập tốt hơn.

Các yếu tố cần xem xét

Đối với nhà sản xuất thường sử dụng thủy tinh vôi Natri cacbonat vì nó là một trong những loại kính dễ cắt khi sử dụng tia laser. Trong trường hợp này, người ta nên xem xét các câu hỏi sau đây, vì chúng sẽ ảnh hưởng đến loại laser và công suất mà bạn sẽ cần phải thực hiện:

• Kính dày bao nhiêu? Về độ dày, vật liệu càng dày thì càng khó cắt. Có thể cần phải có nhiều nét cắt hoặc thậm chí điều chỉnh tiêu cự của laser để có thể cắt laser xuyên qua hoàn toàn một vật liệu dày.
• Làm thế nào để cắt chính xác? Nhiều nét cắt có xu hướng làm cho kích thước cắt không chính xác, do đó, nếu có thể thì giảm chúng xuống. Xét trường hợp nếu cắt một lần duy nhất thì độ chính xác sẽ phụ thuộc vào laser được sử dụng và thông số này có thể lấy được từ nhà sản xuất.
• Bạn có thể làm thủy tinh bị vỡ ? Đặc biệt là với các nét cắt nhiều lần, có khả năng giãn nở nhiệt từ quá trình gia nhiệt sẽ khiến nó bị nứt hoặc vỡ, vì vậy bạn nên xem xét các đặt tính của thủy tinh trước khi bạn cắt nó.

Các loại công nghệ cắt & Laser

Nói chung, thủy tinh có thể được cắt bằng cách áp dụng tia laser năng lượng cao để làm tan chảy nó. Hai phương pháp gia công khác bao gồm khắc và khắc sâu.

Cắt laser: thủy tinh mỏng (khi sử dụng các quy trình làm mát chuyên dụng) hoặc thủy tinh màu có thể được cắt ở công suất cao (400 W).

Khắc laser: Thông thường, khắc laser có thể loại bỏ từ 0,5 đến 3mm khỏi bề mặt vật liệu, nhưng do thủy tinh có nhiệt độ nóng chảy cao nên thông số này sẽ giảm.

Khắc axit chỉ loại bỏ khoảng 0,02mm vật liệu.

Mục tiêu của khắc laser và khắc axit laser về cơ bản tạo ra một điểm trên bề mặt giống như cách bạn làm với một công cụ khắc thủy tinh truyền thống, nhưng với laser thì có độ chính xác cao hơn. Nó cho điểm sâu hơn, sử dụng một trong hai phương pháp này tùy thuộc vào ứng dụng của bạn,độ dày và loại thủy tinh.

Laser thích hợp để cắt

Có hai loại laser được sử dụng phổ biến.

Laser sóng liên tục: Loại laser này liên tục cung cấp năng lượng trong quá trình cắt và nó làm nóng thủy tinh đến mức hóa hơi.

Laser xung: Loại laser này nén năng lượng để cắt trong một khoảng thời gian  ngắn. Loại laser này cho phép đạt được mật độ năng lượng và nhiệt độ cao và làm cho việc cắt tổng thể tốt hơn với ít biến dạng hơn.

Giữa hai loại, xung laser đắt hơn do vật liệu cấu tạo và thiết bị điện tử phát xung.

Bước sóng thích hợp để cắt

Nói chung, sẽ không thể cắt thủy tinh bằng tia laser có bước sóng trong phổ nhìn thấy vì thủy tinh trong suốt, có nghĩa là rất ít năng lượng laser trong phổ này được hấp thụ.

Thủy tinh màu có sắc tố vốn có, điều này làm cho nó dễ bị đánh dấu hơn bằng tia laser nhìn thấy với bước sóng thích hợp (sóng sẽ được hấp thụ bởi thủy tinh màu).

Có một ngoại lệ: Nếu cường độ ánh sáng Laser cao đến mức nó có khả năng ion hóa không khí, chùm sáng tập hội tụ này có thể khiến thủy tinh bị nứt bằng cách làm nóng không khí xung quanh nó.

CHỌN MỘT BƯỚC SÓNG

Nói chung, bước sóng phổ biến nhất để cắt kính là 10.600nm, hoặc ánh sáng hồng ngoại từ laser CO₂. Ở bước sóng này, nó liên kết Si – O và các hạt thủy tinh hấp thụ khoảng 80% ánh sáng, do đó tạo cắt xuyên qua vật liệu này.

Một bước sóng khác thường được sử dụng là 355nm, trong vùng UV. Bạn có thể tự hỏi tại sao lại sử dụng phương pháp cắt UV?. Câu trả lời là bước sóng UV nhỏ hơn cho phép diện tích cắt nhỏ hơn, từ đó dẫn đến ít bị nứt và ảnh hưởng nhiệt trên kính. Thông thường, laser UV được sử dụng cho các quy trình cắt công nghiệp cho các sản phẩm như màn hình điện thoại và thiết bị vi điện tử. Trong khi đó laser CO₂ thường được sử dụng để cắt kính ở mức tiêu dùng và thiết kế.

TÍNH AN TOÀN

Khi nói đến gia công laser trên thủy tính thì có một vài quy tắc đơn giản nhưng quan trọng:

• Đeo kính bảo vệ để ngăn chặn bước sóng laser. Kính phải có mật độ quang tối thiểu OD 3+ để ngăn hầu hết ánh sáng chiếu vào mắt bạn.
• Đối với laser CO₂, công suất định mức khoảng 10.600nm (10,6 um).
• Đối với laser UV, công suất định mức khoảng 355nm.
• Đừng nhìn thẳng vào chùm tia laser.
• Đừng để tay gần gần đường đi của tia laser.
• Sử dụng bộ thông gió đầy đủ cho laser.
• Sử dụng găng tay khi xử lý vận hành máy.

Cần lưu ý rằng laser CO₂ sử dụng vỏ nhựa trong suốt để bạn có thể quan sát sản phẩm . Điều này nói chung là an toàn, miễn là nhựa được sử dụng hấp thụ ánh sáng CO₂ tương tự như thủy tinh và đủ dày. (Một ví dụ là acrylic.) Nhưng bạn vẫn nên đeo kính bảo hộ, vì một chùm tia laser có thể đốt cháy nhanh chóng acrylic; Kính là một dụng cụ bảo vệ phụ luôn được khuyên dùng.

Bắt đầu

Để cắt kính bằng laser, bạn sẽ cần làm theo một vài bước, tương tự như những gì bạn sẽ làm trên máy in 3D:

1. Tìm vật liệu(thủy tinh) bạn muốn cắt.
2. Đảm bảo rằng chúng có kích thước phù hợp với máy laser của bạn.
3. Để sử dụng máy cắt laser, bạn sẽ cần tạo một file DXF. Quy trình này sẽ khác nhau tùy thuộc vào phần mềm bạn sử dụng.
4. Sử dụng các thiết bị bảo vệ cá nhân (kính bảo hộ và găng tay).
5. Đặt thủy tính vào máy và bật hệ thống thông gió (thường là quạt).
6. Tải file và bắt đầu cắt hoặc khắc laser
7. Nếu tia laser không cắt hết lớp kính, hãy tăng nét cắt hoặc sử dụng kìm để làm cho kính vỡ ra sạch sẽ.
8. Sử dụng nước lạnh hoặc dầu có thể giúp ích, nhưng nó cũng có thể khiến sản phẩm bị vỡ ở những khu vực không mong muốn. Nên thử nghiệm với một mảnh thủy tinh đầu tiên.
9. Một khi thủy tinh đã được cắt, các cạnh có thể cực kỳ sắc bén vì vậy bạn có thể cần phải mài chúng.

Máy cắt laser

Drill Digilab LC40

Máy khắc laser được yêu thích của chúng tôi là Drillac Digilab LC40. Loại laser CO₂ 40 watt có khả năng đánh dấu thủy tinh để khắc và cắt.

Mô hình này đặc biệt vì nó có camera thông minh tích hợp cho phép người dùng căn chỉnh các vật thể có hình dạng phức tạp để xử lý.

Samurai UV Marking System

Hệ thống đánh dấu tia cực tím Samurai sử dụng tia UV để cung cấp ánh sáng ở bước sóng 355nm khắc các bề mặt như thủy tinh.

Giống như Drillac Digilab, nó không thể cắt trực tiếp qua kính. Tuy nhiên, với phương pháp khắc tự động, nó có thể tạo ra các hình dạng phức tạp hơn so với khắc thủ công. Bước sóng thấp hơn có một số lợi thế so với laser CO₂ là khả năng tạo các điểm nhỏ hơn để có các đường khắc tốt hơn.

Picosecond Lasers from Coherent/Rofin

Laser HyperRapid NX từ Coherent / Rofin là sản phẩm hàng đầu về cả giá cả và chức năng. Công nghệ SmartCleave của nó cho phép cắt các vật liệu thủy tinh và gốm bằng xung laser cực đại có công suất rất lớn, nhanh chóng phát xung (lên đến 4 triệu xung mỗi giây) để cắt vật liệu.

Ưu điểm của hệ thống này là nó có thể tạo ra tia UV, nhìn thấy và ánh sáng hồng ngoại để cho phép cắt và khắc tối ưu. Ngoài ra, thời gian phát xung cực ngắn của tia laser này ngăn chặn các hiệu ứng nhiệt gây ra các vết nứt ứng suất trong quá trình cắt.