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激光切割薄玻璃工艺

       当今,对于玻璃制品的质量要求越来越高,加工技 术除了要考虑不同的材料特性之外,还必须实现更为精密、细致和纯粹的加工结果,而创新的激光切割技术已经成为许多行业玻璃切割的标准。在电子等需求日益增长的市场,迫切需要玻璃切割的创新技术。

      传统的玻璃切割手段采用硬质合金或金刚石刀具,被广泛地用于许多应用当中,其切割流程分为两个步骤。首先玻璃被用金刚石刀尖或硬质合金砂轮,在玻璃的表面产生一条裂纹;之后,第二步就是采用机械手段将玻璃沿着裂纹线分割开。
      然而,采用该方法进行划刻和切割存在着一些缺陷。材料的去除会导致碎屑、碎块和微裂痕的产生,使切割边缘的强度降低,从而需要再进行一道清理工序。由此工艺带来的深裂纹通常不会垂直于玻璃表面,原因在于机械力所生成的分割线一般是非垂直的。而且,机械力作用于薄玻璃带来的产量损失也是一个负面因素。
上海嘉定激光打标加工
       以上这些缺陷能通过采用无应力玻璃以及进一步优化用于分割的工装得到改善。然而,对于垂直切割线和防止边缘碎屑/裂纹之间的系统性矛盾来说,要想完全避免仍不可能。激光技术的发展为这些质量问题带来了解决方案。
 
激光划线和分割
       与传统的机械切割工具不同,上海嘉定激光打标加工的激光束的能量以一种非接触的方式对玻璃进行切割。该能量对工件的指定部分进行加热,使其达到预先定义的温度。该快速加热的过程之后紧接着进行快速冷却,使玻璃内部产生垂直向的应力带,在该方向出现一条无碎屑或裂纹的裂缝(见图1)。因为裂缝只因受热而产生,而非机械原因而产生,所以不会有碎屑和微裂纹出现。因此,激光切割边缘的强度同传统划刻和分割方式相比是要更强的。精加工的需要也得到降低或根本不需要。另外,对出现玻璃碎块的状况也可完全避免。
 
       对于激光划刻来说,在激光束的加热及随后的冷却过程(见图2)作用下,玻璃表面被划出一条深度大约为100m(玻璃厚度的约10%)。玻璃随后能沿着划刻的方向被分割开来。因为该技术不产生任何玻璃碎块,切割边缘常见的毛边和低强度也得到了避免,后续的抛光和打磨的工序也不再需要了。更重要的是,相对传统方法分割的玻璃来说,经该手段加工的玻璃其耐碎度高达三倍。
       对于厚度在50m至1mm之间的玻璃,即使是只用一步完成整体的切割也是可能的(见图3)。分割以及后续的抛光、打磨、冲洗等步骤不再需要。切割边的强度能通过来自DIN-EN 843-1的标准化四点弯曲测试得到测量。一块玻璃被固定在两只滚轮上(见图4),在玻璃上表面通过另两个滚轮被用来产生所需的折弯力,在该作用力下玻璃能被分裂为两部分。该测试被重复大约100次,从而得到合适的关于分割可能性的可靠统计值(见图5)。
       在大多数情况下,激光划线和切割是大批量加工的选择。其优势在于很高的加工速度、高精度,以及简单的参数设置。然而,在切割许多不同的线条和加工时间足够的情况下,整体切割是一种更有吸引力的方法,因其具有干式冷却方式并且没有附加的切割步骤。在这两种情况下都会产生高质量的切割边缘。可见如果采用激光切割玻璃,完全能够在节省时间的同时,带来加工质量的提高。
 
生产中的激光切割
       将一项全新且成熟的技术移植到大批量生产线中,用于加工高科技产品并非易事。从客户的角度来说,在实施之前,该技术必须是一项自动化的、可靠的解决方案,不仅得到了充分证明,而且考虑到了经济性。实际操作中,创新技术的应用只在两种情况下有效:新产品的推出需要新的生产手段来实现创新特征或通过减少加工步骤来降低生产成本,或者是现有的生产遇到经济压力需要巨大的生产方式改良来缓解。
       在平板显示器行业,激光切割技术的推广花费了五年时间才在生产线中找到了自己的位置,前提是经历了数千小时在许多加工线上的应用验证。现在通常考虑用于存在玻璃破碎危险的新产品的生产,或者在电子行业中用于装有玻璃的通讯移动产品的制造,或者其他存在包含薄玻璃易碎部件的产品,如传感器、触控板或玻璃外壳。
       加工通常在洁净室中进行,正如生化行业一样,因为这些都是对传统切割或磨削步骤产生的微粒非常敏感的。例如,覆盖了DNA代码(生化条码)的基底材料或被激光切割成片的材料用于产品测试。对于激光切割技术来说,下一个最具有潜力的应用行业将是太阳能产业和汽车行业。
       正如激光技术在金属加工行业多年来的发展情况一样,用于玻璃加工的激光切割技术也将继续发展;该技术将被广泛应用在不同产品的加工中,替代传统的手段。然而,传统的玻璃加工方法在今后还将保持其在大多数玻璃制品加工中的重要地位,一般来说在这些应用中对切割边缘的加工质量要求不很高。
       激光外形切割是一项创新技术,将会在电子、汽车或建筑行业找到一席之地。除了激光切割玻璃之外,还有其他许多激光加工玻璃的手段都处在进一步开发和试验阶段,如钻孔、倒角,以及涂层去除等。这些工艺要求不同种类的激光,如绿激光。
       已经成熟的CO2 激光切割技术被用在加工其他易碎材料,如制造电子行业晶元的陶瓷材料。其他半导体行业常见的材料也都有望成为被激光加工的对象,只要其能通过测试并投入实际的生产当中。

 



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