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特域探討:玻璃激光加工的現(xiàn)狀與潛力

發(fā)布時間:2023-12-28 13:31:03閱讀量:

激光加工制造技術(shù)過去十多年發(fā)展迅猛,最主要的應(yīng)用是金屬材料的激光加工被充分挖掘,金屬的激光切割、焊接與熔覆加工等都是金屬激光加工的最重要的工藝。隨著集中度變高,激光產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重,成為了激光市場增長的局限。因此激光應(yīng)用要突破就要拓寬新的材料應(yīng)用端,激光適用的非金屬材料還有布匹纖維、玻璃、塑膠、聚合物、陶瓷等類型,每一種材料都涉及多個產(chǎn)業(yè),但是早已有成熟的加工工藝,激光要進(jìn)行替代并非容易。

要介入某非金屬材料領(lǐng)域,還要從實(shí)際分析激光與材料是否容易發(fā)生作用,是否會附帶產(chǎn)生不良反應(yīng)。目前來看,玻璃是具有高附加值以及是激光潛在批量加工應(yīng)用的一大領(lǐng)域。

激光切割玻璃

國內(nèi)外玻璃激光切割空間大

玻璃是一種重要的產(chǎn)業(yè)材料,應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)的諸多行業(yè),如汽車業(yè)、建筑業(yè)、醫(yī)療、顯示器、電子產(chǎn)品等,小到幾微米的小型光學(xué)過濾器、筆記本電腦平板顯示器的玻璃襯底,大到汽車業(yè)或建筑業(yè)等大規(guī)模制造領(lǐng)域所用的大尺寸的玻璃板。

玻璃可以分為光學(xué)玻璃、石英玻璃、微晶玻璃、藍(lán)寶石玻璃等類型。玻璃顯著的特點(diǎn)是硬脆性,給傳統(tǒng)加工帶來很大的困難。傳統(tǒng)玻璃切割手段通常采用硬質(zhì)合金或金剛石刀具,其切割流程分為兩個步驟。第一步,先用金剛石刀尖或硬質(zhì)合金砂輪在玻璃的表面產(chǎn)生一條裂紋;第二步就是采用機(jī)械手段將玻璃沿著裂紋線分割開。這些傳統(tǒng)工藝目前看來缺點(diǎn)是比較明顯的,一方面是加工效率較低,而且切邊不平滑,一般需要二次打磨,而且還帶來很多碎屑粉塵;另一方面是對于對于玻璃板中間開孔,又或者是一些異形切割,是很不容易處理,在這一方面激光切割玻璃的優(yōu)勢就非常明顯了。2022年我國玻璃行業(yè)銷售收入約7443億元。玻璃切割的激光工藝滲透率還處于初始階段,激光切割應(yīng)用的替代空間非常大。

激光切割玻璃從手機(jī)開始

玻璃激光切割常常是采用貝塞爾聚焦頭加工,通過貝塞爾光束產(chǎn)生高峰值功率、高峰值功 率密度激光,在玻璃內(nèi)部聚焦,瞬間氣化該區(qū)域材料產(chǎn)生一個氣化帶, 迅速向上下兩表面擴(kuò)散形成裂孔。由無數(shù)細(xì)小孔點(diǎn)組成切割截面,通過外部應(yīng)力斷裂實(shí)現(xiàn)切割。

如今激光器技術(shù)有了很大的突破,功率方面也提升了很多,納秒綠光激光器20W以上的,可以很好地切割玻璃,15W以上的皮秒紫外激光器,可輕松切割2mm以下厚度的玻璃,目前已知國內(nèi)已經(jīng)有企業(yè)可以做17mm厚度的玻璃切割。采用激光切割玻璃效率非常高,假設(shè)要在一塊3mm厚玻璃上切割直徑10厘米的玻璃片,機(jī)械刀要花費(fèi)幾分鐘,而激光切割只需要10多秒;切割邊沿平滑,崩邊精度可達(dá)30μm,對于一般性的工業(yè)產(chǎn)品要求,基本上不需要二次打磨加工。采用激光切割玻璃,是最近六七年才逐漸開始的,較早展開的行業(yè)是手機(jī)制造,在激光的攝像頭玻璃蓋板上采用了激光切割,后來行業(yè)內(nèi)有一款激光隱形切割設(shè)備火了一陣。手機(jī)全面屏流行后,整版大屏玻璃采用激光精密切割,玻璃加工產(chǎn)能得到大幅提升,如今在手機(jī)產(chǎn)品上涉及玻璃的部件采用激光切割已經(jīng)是標(biāo)配。這一手機(jī)消費(fèi)產(chǎn)品帶動的主要有手機(jī)蓋板玻璃激光加工自動化設(shè)備,攝像頭保護(hù)鏡片激光切割設(shè)備,玻璃基板激光打孔智能裝備等。

車載電子屏幕玻璃逐漸采用激光切割

車載汽車屏幕消耗很多玻璃板,特別是中控屏、導(dǎo)航儀、行車記錄儀等。現(xiàn)在許多新能源汽車采用了智能系統(tǒng)與超大幅面中控屏。智能系統(tǒng)成為汽車的標(biāo)配,大屏多屏、3D曲面屏正逐步成為市場主流。車載蓋板玻璃憑借著優(yōu)異特性而廣泛應(yīng)用于車載顯示屏,一款優(yōu)質(zhì)的車載曲面屏玻璃可以為汽車行業(yè)帶來更極致的體驗(yàn)。高硬度、高脆性的玻璃對加工來說卻是一個難題。

車載電子屏幕

車載玻璃屏要求精度較高,裝配的結(jié)構(gòu)件的公差很小,如果方形/條形屏切割的時候尺寸誤差大會導(dǎo)致裝配不了。傳統(tǒng)加工方式需要刀輪開料、人工掰片、CNC外形、倒角磨邊等多個工序加工,由于是機(jī)械式加工,因此存在效率低、質(zhì)量差、良率低、成本高的問題。刀輪開料后,CNC加工一片汽車中控蓋板玻璃外形耗時長達(dá)8-10分鐘。100W以上功率的超快激光器,實(shí)現(xiàn)17mm玻璃一刀切;整合多個生產(chǎn)工序,效率提升80%,1臺激光=20臺CNC。極大提升了產(chǎn)能,降低了單位加工成本。

激光在玻璃的其它應(yīng)用

石英玻璃結(jié)構(gòu)較為特殊,采用激光不容易進(jìn)行分裂切割,但是飛秒激光可以在石英玻璃上進(jìn)行刻蝕,這是一項(xiàng)利用飛秒激光對石英玻璃進(jìn)行精細(xì)加工和刻蝕的應(yīng)用。飛秒激光技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種先進(jìn)加工技術(shù),具有極高的加工精度和速度,可以在各種材料表面進(jìn)行微米至納米級別的刻蝕和加工。

超快激光冷水機(jī)

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激光焊接玻璃則是近兩三年才出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù),最早出現(xiàn)在德國,目前國內(nèi)也僅有華工激光、西安光機(jī)所、哈工大焊接等少數(shù)幾個單位突破了這項(xiàng)技術(shù)。在高功率、超短脈沖激光的作用下,激光產(chǎn)生的壓力波能夠在玻璃中產(chǎn)生微裂紋或應(yīng)力集中,這些微裂紋或應(yīng)力集中可以促進(jìn)兩塊玻璃之間的鍵合。焊接后的玻璃粘合非常牢固,已經(jīng)可以做到3mm厚度玻璃之間的緊密焊接。未來,研究人員還在關(guān)注玻璃與其它材料的搭接焊。目前這些新工藝尚未形成批量應(yīng)用,但未來工藝成熟后,必將在一些高端應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

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