Hiện nay công nghệ laser đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực kinh tế - xã hội, đặc biệt là trong công nghiệp. Laser đã được sửa dụng rộng rãi để gia công vật liệu như: khắc, cắt, hàn, đục lỗ… Trong đó, công nghệ khắc bằng chùm tia laser đã trở nên rất phổ biến và chiếm một thị phần khá lớn trong thị trường laser công nghệp trên thế giới. Tùy theo từng loại laser, bước sóng hoạt động, công suất phát… chùm tia laser có thể khắc được trên hầu hết các loại vật liệu như: kim loại, hợp kim, gỗ, nhựa, gốm… Thủy tinh cũng là một loại vật liệu có thể được khắc rất tốt bằng chùm tia laser. Về cấu tạo, thủy tinh được tạo thành từ silic oxit nóng chảy và kết tinh lại dưới dạng cấu trúc vô định hình. Nó đã được sử dụng rất phổ biến trong đời sống thường ngày như: làm đồ chứa nước: chai, lọ, cốc, ly… hoặc làm tấm kính chắn trong ôtô, kính ngăn trong nhà, kính cách âm. Ngoài ra thủy tinh còn được ứng dụng trong nhiều ngành nghề như: thủ công mỹ nghệ, trang trí, quà tặng, các chi tiết trong chế tạo máy… Do đó nhu cầu về gia công và chế tác thủy tinh cũng chiếm một vị trí khá lớn trên thị trường hiện nay. Tuy vậy, thủy tinh lại là một trong những vật liệu cứng và rất khó khắc.

Một số phương pháp truyền thống để khắc trên thủy tinh như dùng dao kim cương, dùng axit ăn mòm. Hiện tại, công nghệ khắc laser trên thủy tinh được sử dụng phổ biến nhất bởi nó có khả năng tối ưu hóa thời gian khắc, có thể khắc được nhiều chi tiết phức tạp với độ chính xác rất cao. Và đặc biệt, laser là công nghệ duy nhất cho phép khắc được các hình ảnh 3D nằm bên trong khối thủy tinh. Vật liệu thủy tinh có một đặc tính quan trọng đó là nó trong suốt đối với ánh sáng nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Khi sử dụng một chùm sáng laser kết hợp có mật độ hội tụ đủ cao sẽ có thể làm nóng chảy silic oxit tại các điểm bên trong khối thủy tinh từ đó tạo thành các vết khắc laser dưới bề mặt vật liệu. Đây chính là nguyên lý của kỹ thuật khắc laser 3D trong khối thủy tinh trong suốt. Cũng có nhiều loại laser được sử dụng để khắc thủy tinh, ví dụ như laser khí CO₂, laser excimer, laser rắn… trong đó loại laser rắn Nd:YAG Q-switched phát bức xạ tại bước sóng hòa ba bậc hai (532 nm) với nhiều ưu điểm để khắc thủy tinh như: vết khắc sắc nét, độ ổn định cao, giá thành hợp lý… Kết hợp với hệ quét tia laser galvo và bàn máy 3D sẽ cho phép khắc được các hình ảnh 3D rất chi tiết với tốc độ khắc rất nhanh bên trong các khối thủy tinh.

Do đó, nhằm nghiên cứu, chế tạo tích hợp một hệ thiết bị khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh dựa trên các module và linh kiện bán thành phần trên thị trường, giúp đảm bảo chất lượng và độ ổn định của thiết bị trong quá trình sử dụng, nhóm nghiên cứu Trung Tâm Công Nghệ Laser, Viện Ứng dụng công nghệ phói hợp với ThS. Đỗ Xuân Tiến - chủ nhiệm đề tài -  thực hiện đề tài: “Nghiên cứu, chế tạo tích hợp hệ thiết bị khắc 3D trong thủy tinh sử dụng laser bước sóng 532 nm”. Cùng với đó đề tài cũng tiến hành thử nghiệm khắc laser 3D bên trong một số loại vật liệu trong suốt phổ biến như thủy tinh, pha lê, acrylic… từ đó xây dựng quy trình đầy đủ về quá trình khắc laser 3D nhằm thu được các sản phẩm có chất lượng tốt nhất. Hệ thiết bị này có thể được sử dụng để khắc các đối tượng hình dạng bất kỳ bên trong vật liệu thủy tinh với độ sắc nét, độ ổn định cao và thời gian thực hiện rất nhanh, nó được dùng trong các lĩnh vực như kiến trúc, xây dựng, trang trí, quà tặng… hoặc trong bất kỳ lĩnh vực nào khác có sử dụng các vật liệu thủy tinh nói chung.

Sau thời gian thực hiện, đề tài đã đạt được các kết quả cụ thể như sau:

Trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu và thiết bị tương tự trên thế giới, cũng như dựa trên các kinh nghiệm chế tạo các thiết bị khắc laser trong công nghiệp, đã thu được các kết quả sau:

- Phân tích, thiết kế hệ thống và các thành phần cấu thành của một hệ thiết bị khắc laser 3D trong thủy tinh.

- Thiết kế kỹ thuật hệ thống, lựa chọn các khối thiết bị tích hợp dựa trên trình độ công nghệ và giá thành chấp nhận được.

- Xây dựng quy trình gia công chạm khắc trong thủy tinh bằng chùm tia laser; lắp ráp, thử nghiệm các module và tích hợp sản phẩm.

- Đánh giá các thông số sản phẩm khắc laser trong thủy tinh, và thử nghiệm thiết bị với các chất lượng khắc khác nhau. C

Đã nghiên cứu, chế tạo tích hợp được một hệ thiết bị khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh sử dụng nguồn phát laser rắn Nd:YAG 532nm hiện có trong Phòng thí nghiệm, cụ thể bao gồm:

- Nghiên cứu hệ thống laser Nd:YAG 532nm, chế độ hoạt động, các cổng ghép nối giao tiếp ngoại vi.

- Thiết kế, chế tạo hệ điều khiển các thông số laser lối ra sử dụng màn hình cảm ứng HMI.

- Ghép nối tích hợp hệ lái tia laser galvo với bàn di chuyển 3 trục XYZ, card điều khiển PCI; thử nghiệm hoạt động đồng bộ với phần mềm điều khiển từ máy tính.

- Nắm bắt và sử dụng thành thạo một số phần mềm thiết kế đối tượng 3D, phần mềm xử lý file dữ liệu và khắc laser 3D.

- Thử nghiệm khắc laser 3D bên trong một số vật liệu trong suốt như thủy tinh, pha lê, acrylic…

Đề tài về cơ bản đã đáp ứng được các mục tiêu đề ra, thực hiện đầy đủ và có chất lượng các nội dung khoa học và công nghệ liên quan cũng như có tính mới về áp dụng lý thuyết tối ưu hóa vào xây dựng công nghệ. Nhóm đề tài rất mong muốn được tiếp tục nghiên cứu, phát triển các sản phẩm của đề tài dưới dạng nghiên cứu sâu hơn, nâng cao khả năng thích ứng của sản phẩm với các ứng dụng trong các thiết bị chuyên dụng có sử dụng laser rắn, cải thiện độ ổn định và các điều kiện hoạt động của thiết bị.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18344/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)