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激光加工玻璃、陶瓷和蓝宝石解决方案

2013-06-04 09:12
棒棒书香
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  ——玻璃,蓝宝石和陶瓷是普遍应用于微加工技术和精细加工的材料。然而,它们给传统的制造工艺带来了越来越多的挑战,这种挑战也给强大的超短脉冲激光器赢得了更多机会。

  这些材料优质的属性对很多产品来说是不可或缺的:玻璃用来制作智能手机的显示屏,显示屏有着钢化的外壳 ;陶瓷坚硬,化学性质稳定,可用来制作电子零部件和电路基板,以及电气绝缘体。蓝宝石极其坚硬,耐划伤,适合用于半导体和 LED 技术。但玻璃、 陶瓷、 和蓝宝石有个共同点就是很难加工。由于它们易碎而且都是非常坚硬的材料,他们挑战着铣、 钻、 磨等传统制造工艺的极限。加工这些材料时刀具磨损快,并且需要好几个加工环节才能得到足够好的加工质量。

  在坚硬、易碎的材料上使用激光光束

  激光光束在坚硬、易碎的材料特别能展现出良好的效果。它们不会磨损且能聚焦到最小直径。扫描振镜能灵活定位光束,能几乎满足各种形状轮廓的加工需要。超短脉冲激光器(图1)特别适合加工易碎的材料。对于小于10皮秒的激光脉冲,在热传导到周边的材料上之前,被加工区域的材料已经汽化了。只要激光参数精确调整到和应用相匹配,那么就不需返工。

为了将超短脉冲激光的卓越特性应用到高生产率要求的工业制造中,通快按比例增加了皮秒激光光器TruMicro 5000的输出功率

图1:为了将超短脉冲激光的卓越特性应用到高生产率要求的工业制造中,

通快按比例增加了皮秒激光光器TruMicro 5000的输出功率。

  对可见光以及近红外的光谱范围内的光来说,很多像玻璃这样的宽带隙电介质是透光的。然而,高强度的皮秒脉冲能通过多光子电离产生自由电子。大量连续的电离进一步释放电荷载体,这些电荷载体能够破坏材料中的化学键,最终达到烧蚀材料的目的。

  低热输入避免产生裂缝

  当加工易碎材料时,避免产生小裂缝是经常要遇到的挑战,这些小裂缝会削弱零部件的强度。产生裂缝的一个原因是过度的热量进入了零部件。热量导致材料膨胀,加快了裂缝的生成。适当的加工策略可以防止小裂纹的形成。这其中就包括精准定义加工参数,如脉冲能量、 脉冲重叠度、 重复频率、 焦点直径和激光加工次数。最佳工作点取决于材料、 加工形状、加工时间和质量的要求,并通过应验试验加以确认。位于德国南部Ditizingen的Trumpf公司和德国西部 Aachen的Fraunhofer激光技术研究所开展联合研究,发展了优化激光加工脆性材料效果的理论基础。

  不同标准可用来评估质量:零部件的弯曲强度(用来测量材料的断裂强度,裂缝会使断裂强度降低)、切割边缘粗糙度以及边缘视觉效果。切割边缘的情况可以通过光学显微镜以及借助扫描电子显微镜来测量。(图二)

激光加工的蓝宝石微结构的扫描电镜图像

图2:激光加工的蓝宝石微结构的扫描电镜图像

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