玻璃切割難點何在?超快雷射+光束整形完美解決!

2020-12-03 科技有聊

智慧型手機的出現大大改變了人們的生活方式，而人們生活水平不斷提高也對智慧型手機提出了更高要求：除了系統、硬體等功能配置不斷升級外，手機外觀也成為各手機廠商角力的重點。在外觀材料的革新過程中，玻璃材料憑藉造型多變、抗衝擊性好、成本可控等諸多優點而受到廠家歡迎，並在手機上獲得越來越廣泛的應用，包括手機前蓋板、後蓋板、攝像頭蓋板、濾光片、指紋識別片、三稜鏡等。

儘管玻璃材料有著諸多優點，但其易碎的特點為加工過程帶來不少難題，如容易出現裂紋、邊緣毛糙等。此外，聽筒、前置攝像頭、指紋片等位置的異型切割也對加工工藝提出了更高要求。如何解決玻璃材料的加工難題、提升產品良率，成為業內共同的目標，推動玻璃切割技術的創新迫在眉睫。

玻璃切割工藝對比

傳統的玻璃切割工藝包括刀輪切割和CNC研磨切割。刀輪切割的玻璃崩邊大、邊緣粗糙，對玻璃的強度會大幅影響。而且刀輪切割的玻璃良率較低，材料利用率較低，切割完後還需進行複雜工序的後處理。刀輪進行異型切割時速度及精度會大幅下降，有些異型全面屏因轉角太小，根本無法用刀輪切割。CNC較刀輪的精度高，精度≤30μm，崩邊比刀輪小，約40μm，缺點是速度慢。

隨著雷射技術的發展，玻璃切割中也出現了雷射的身影。雷射切割的速度快，精度高，切口沒有毛刺而且不受形狀限制，崩邊一般小於80μm。

傳統雷射切割玻璃為消融機理，利用聚焦後的高能量密度的雷射將玻璃融化甚至氣化，高壓的輔助氣體則將殘餘的熔渣吹除。由於玻璃易碎，高重疊率的光斑會累積過度的熱在玻璃上，使玻璃龜裂，因此雷射無法使用高重疊率的光斑進行一次切割，通常使用振鏡進行高速掃描，將玻璃一層一層去除，一般的切割速度小於1mm/s。

各類加工工藝對比

圖片來源：OFweek雷射網

近年來超快雷射（或稱超短脈衝雷射）取得了飛速發展，尤其是在玻璃切割的應用上取得了非常優異的表現。英諾雷射便開發出專為脆性材料加工的定製化模組，搭配英諾雷射的超快雷射器，能將脆性材料切得更好、更快，使成本更進一步下降。

定製雷射模組（脆性材料切割模組）

圖片來源：英諾雷射

超快雷射加工原理

眾所周知，超快雷射器是指輸出雷射的脈衝寬度在皮秒（10-12秒）級別、或小於皮秒級別的脈衝雷射器，具備極高的峰值功率。

對玻璃等透明材料而言，當超高峰值功率的雷射被聚焦在透明材料內部時，材料內部由光傳播造成的非線性極化改變了光的傳播特性，使光束出現自聚焦現象（波前聚焦）。由於超快雷射的峰值功率極高，使脈衝在玻璃內不斷重複聚焦，在不發散的狀態下一路向下傳輸到材料內部，直至雷射的能量不足以繼續支持發生自聚焦現象。至此，雷射傳輸過的地方留下了如同絲線般的軌跡（直徑只有數個微米），將這些絲線連起來，對其施加應力，玻璃便會自行沿著絲線裂開。

這是玻璃被雷射改性過的結果，改性後的玻璃與原本的性質不同。而這樣的加工方式也確保了加工過程中不會對所涉及的空間範圍的周圍材料造成影響，從而做到了加工的「超精細」。

此外，非接觸式加工也可避免傳統機加方式切割容易發生崩邊、裂紋等問題，具有精度高、不產生微裂紋、破碎或碎片問題、邊緣抗破裂性高、無需衝洗、打磨、拋光等二次製造成本等優點，降低成本的同時大幅提高了工件良率及加工效率。

超快雷射加工玻璃的難點

英諾雷射的脆性材料切割模組便是利用超快雷射在材料內部的自聚焦現象進行切割、鑽孔，但應用超快雷射進行自聚集也存在一定難點。例如，使用高斯光束自聚焦成絲，至多只有一兩百微米的長度，而且成絲的強度、粗細不均勻，呈一端粗一端細。這便無法確保雷射作用於材料時成絲的穩定性。

英諾雷射通過光束整形解決了這一難點。一方面，英諾雷射自主開發的脆性材料切割模組通過空間分布的光束整形，將原本聚焦為一點的高斯光束變成沿軸線的線型聚焦光束，在很長的一個範圍內都有不錯的聚焦效果。而AOPICO皮秒系列（紅外雷射器）則通過特殊的運行模式，將脈衝在時間上進行光束整形。兩種光束整形的共同作用，實現了自聚焦的效果極大化。

AOPICO皮秒系列（紅外皮秒雷射器）

圖片來源：英諾雷射

整形後的成絲長度可達5mm以內，且粗細均勻，適合玻璃切割、鑽孔。由於成絲長度長，可完全覆蓋手機用的薄玻璃厚度，只需一次掃描即可完成整個切割輪廓的改性。視不同曲線而定，雷射切割的速度可從數十毫米每秒到一米每秒，切割速度是傳統雷射消融的數十倍以上。

加工案例展示

英諾雷射脆性材料切割模組搭配英諾雷射的皮秒雷射器，可以進行幾乎無錐度的切割及鑽孔，而且可以進行任意形狀的切割，滿足異型全面屏的各種加工需求。可加工的玻璃種類也更多，過去被認為無法加工的強化玻璃也可以加工。部分加工案例如下（以下圖片均由英諾雷射提供）：

攝像頭蓋板玻璃 T0.55 mm

康寧玻璃 T3 mm

霧面玻璃 T2 mm

藍寶石 T0.3 mm

全面屏TFT玻璃 T0.25 mm（雙層）

來源：https://laser.ofweek.com/2020-05/ART-240002-8300-30439824.html

相關焦點

  • 通過光束整形提高雷射增材製造SLM生產效率
    本文提出的解決方案是安裝了光束整形系統和在線監測系統來提高生產效率。光束整形系統是通過整形來改變光束能量的空間分布。選用CoCrW粉末作為研究對象。該粉末的熔化性能非常好。使用前對CoCrW粉末進行了預處理，粉末粒度不超過20微米。實驗時，每種光束光斑模式下採用兩套工藝參數進行實驗。對得到的樣品採用常規的檢測分析材料缺陷的辦法進行觀察分析。
  • 皮秒貝塞爾光束切割化學強化玻璃 | 中國雷射
    皮秒貝塞爾光束切割化學強化玻璃[J]. 中國雷射, 2019, 46(11): 1102010化學強化玻璃是通過離子交換工藝，將玻璃表面體積較小的鈉離子置換為體積較大的鉀離子，在玻璃表面形成深度為幾十微米的壓應力層的一種特殊玻璃。相對於普通玻璃，化學強化玻璃具有更高的機械強度和熱穩定性，被廣泛應用於手機、平板電腦等電子設備的顯示屏。
  • 雷射切割 —— 實現卓越的玻璃切割質量
    雷射燒蝕的玻璃加工機制與通過 熱衝擊形成切縫的 CO2 和 CO 雷射器的加工方式完全不同。雷射燒蝕實現劃線的方式是通過精準燒蝕真正去除材料。當施加功率足夠大的雷射、從 而在玻璃中激發非線性吸收時，就會實現燒蝕。這樣一來，就能通過局部密集加熱(熱燒蝕)或通過極高峰值功率直接破壞原子間的化學鍵(光燒蝕)，達到去除材料的目的。
  • 2020年中國雷射切割行業市場現狀和發展趨勢分析 超快雷射為下一...
    雷射切割是利用雷射束高功率密度的性質，將雷射匯聚到很小的光點上，將材料快速加熱，使其達到沸點後汽化形成空洞，再通過移動雷射光束在材料表面造成切縫，完成對加工物體的切割。工業雷射設備市場中，雷射切割應用最為廣泛，佔比達到39%，打標與焊接分列第二、三位，佔比分別為19%、12%。
  • 晶圓雷射切割技術的研究進展
    晶圓切割速度與雷射工作波長有關，長波長的雷射切割速度快，短波長的雷射切割速度慢。同時，切割質量與脈衝寬度有關，長脈衝雷射切割過程中材料與雷射相互作用時間長，熱效應區大，短脈衝的雷射切割時熱效應區較小，典型的雷射脈衝寬度為微秒級、納秒級和皮秒級，對應的熱擴散長度分別為900，1和 0.1 μm，但越短脈衝的雷射器價格越昂貴。
  • 雷射厚板切割的技術難點及解決辦法
    雷射切割機可對各種金屬板材進行高效、精細加工，但隨著板材厚度增加，切割質量也隨之下降。切割金屬厚板存在以下技術難點：穩態燃燒過程維持比較困難燃燒過程要持續進行，切縫頂部的溫度必須達到燃點。單獨靠鐵氧燃燒反應釋放的能量，實際上不能確保燃燒過程持續進行。
  • DOE光束整形器在雷射加工及材料處理領域的應用
    採用衍射光學元件（Difractive Optical Element，DOE）進行光束整形是近年發展起來的非常方便、靈活、功能強大的光束整形方式。DOE可適用於多種類型的輸入雷射（如單模高斯雷射、多模雷射等），在雷射焦面上形成指定的光斑形狀和光強分布，還可以實現在雷射傳播方向特定的光強分布。
  • 通過光束傳輸保證雷射切割的連續性、穩定性和過程可靠性
    利用雷射可以非常準確地切割複雜形狀的坯料，所切割的坯料不必再作進一步的處理。 利用雷射切割設備可切割4mm以下的不鏽鋼，在雷射束中加氧氣可切割8~10mm厚的不鏽鋼，但加氧切割後會在切割面形成薄薄的氧化膜。切割的最大厚度可增加到16mm,但切割部件的尺寸誤差較大。雷射切割設備的價格相當貴，約150美元以上。但是，由於降低了後續工藝處理的成本，所以，在大生產中採用這種設備還是可行的。
  • 雷射光束變換需求激增 衍射光學產品及其應用受重視
    隨著國內外市場對雷射光束變換的迫切需求，基於衍射光學的各類解決方案越來越受到市場的重視，尤其在平頂整形領域，多焦點切割等方面應用擁有核心自主智慧財產權。不僅如此，諸如分束、勻光、長焦深、渦旋光束、點陣、特徵圖形等元件及模塊在各領域也有重要應用。
  • 高斯光束整形為平頂光束的非球面鏡整形技術
    通常雷射器發出的雷射束的空間強度分布呈高斯分布，即高斯光束，而在很多雷射技術的應用中希望雷射光強是均勻分布的，比如，雷射打孔、刻槽，雷射材料加工，光學信息處理、存儲和記錄，雷射的醫學臨床應用等領域，都對光束的均勻性有較高的要求；在高功率固體雷射器和放大器的應用中，高斯光束的強度過於集中在中心部分，易導致雷射晶體和光學元件的損傷，而平頂光束把強度分散在整個光斑尺寸中
  • 在超快雷射加工應用裡，空間光調製器還有這麼多種玩法
    儘管憑藉著強大優勢，超快雷射加工技術成為3C電子等領域中的新寵，但單焦點的超快雷射直寫加工技術仍然存在加工區域小、效率低的問題，不能同時滿足大幅面和高精度加工需求。空間光調製器的出現使得上述問題在很大程度上得以解決，空間光調製器可以對超快雷射光束的振幅、相位或者偏振等光學參數進行調控，配合一定光路設計就可以在材料加工區域得到任意的光場強度分布。
  • 「玻璃硬碟」,用雷射寫入數據
    現在，英國南安普敦大學的科學家展示了一種在石英玻璃中進行超快雷射寫入的新方法，該方法可生成各向異性的納米結構和對應的雙折射效應，且傳輸損耗可忽略不計。這項技術可通過平面光學器件實現實用的波前整形，並能對從紫外線到紅外的高功率雷射進行偏振光束整形，以及進行大容量光學數據存儲。他們的研究成果最近發表在國際頂尖光學期刊《Light: Science and Applications》雜誌上。
  • 萬瓦級雷射切割裝備及技術
    近年來，我國高鐵、核電、船舶、石油化工及航天航空等領域的高速發展，對雷射切割加工裝備和工藝技術提出了更高的需求，總的趨勢是向功率更高、速度更快、幅面更大、切割更厚、斷面更亮、更平直的方向發展。不管何種光源，其用於切割工藝方面的光束質量BPP值一般不能大於8mm·mrad，電光轉換效率不小於30％。光束傳導技術解決光束傳導技術難題對實現萬瓦級雷射裝備也極其重要。
  • 創鑫雷射專訪:單模塊雷射器有何作用?布局超高功率意義何在?
    唐純介紹說：「5000W單模塊雷射器有四個特點：一是國內單模塊功率最高；二是體積小，只有一個光模塊，簡化了模塊間的光路、電路、水冷等系統，結構簡單，故障隱患減少，可靠性提高；三是對高反材料切割穩定性提升；四是中薄板加工效率甚至優於傳統多模6000W多模雷射器，8mm以內不鏽鋼切割能快20％－50％。」
  • 透過消費電子風口看超快雷射加工,這些雷射企業你值得深入了解
    如此高的產量以及越發智能化的消費電子設備在進行加工時亟需引入與之匹配的先進技術，超快雷射加工就此映入眼帘。相對於其他加工方式而言，超快雷射加工具有非接觸性，可在超短時間內將光聚焦到一個點上，在不破壞材料內部構造的同時，迅速地侵蝕表層結構，從而實現平整而光滑的切割、焊接等各項工藝，因而超快雷射更適合用於精密電子產品的加工。
  • 如何搭建一個CO2雷射拋光玻璃系統?
    在透明晶體材料加工中，雷射波長範圍為9-11 μm的CO2雷射器，由於其波長特性，無法通過光纖進行傳導，光路的傳導只能使用傳統的鏡片組；同時，CO2雷射器對透明晶體的穿透性較差，故無法將光束聚焦於晶體內部進行精密加工。因此，CO2雷射器運用於晶體材料主要是表面加工，如雷射切割、雷射鑽孔、雷射表面雕刻等工藝。
  • 雷射切割功率逐步提高 萬瓦切割頭填補國內空白
    此外，伴隨著功率大幅提高，切割工藝也隨之發生了革命式的升級，在保證切割效率的同時還大大降低了用戶加工的成本，同時也解決了「厚碳鋼板生產不穩定」等老大難問題。到了2018年，12KW雷射切割機在各大展會上如雨後春筍般湧現，而在大族雷射、奔騰雷射推出15KW雷射切割設備之後，領創雷射、宏山雷射、邦德雷射、力星雷射等雷射設備廠商也均先後推出自己的15KW產品。2019年，大族雷射與奔騰雷射再次更新雷射切割的功率上限，推出20KW光纖雷射切割機並推向終端市場。
  • 合肥研究院等在雷射誘導擊穿光譜技術光束整形方面取得進展
    （LIBS）的光束整形研究方面取得新進展，相關成果以《雷射光束形狀對雷射誘導擊穿光譜法測定鋼鐵中錳、鉻元素的影響》為題，發表在Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 期刊上。
  • 浙江鈑金雷射切割
    與競爭對手相比，我們並沒有什麼特殊、保密的工藝，但通快設備帶來的質量和效率的提升，給了我們更大的發展空間，例如，通快折彎機精度可以達到正負3絲，這是個遠超同行的數字，此外，我們利用通快設備，生產效率可達競爭對手的3-5倍，這才是我們的優勢所在。一個企業在市場上獲得成功的基礎，光有硬體還是不夠的，還需要建立起覆蓋銷售、物料採購、生產計劃、成本核算到發貨等各個環節在內的全方面的管理系統。
  • 高斯光束整形系統的光學設計
    理論分析了高斯光束整形原理，並選擇超洛倫茲函數作為平頂光分布函數；根據能量守恆原理，推導了高斯光束整形系統中任意光線在入射面與出射面 的坐標變換關係。針對該系統的特點，使用 Zemax 程式語言( ZPL)編寫計算坐標變換的 ZPL 宏指令，並優化設計了高 斯光束整形系統。最後,利用金剛石單點車削法加工該非球面光學系統，並利用光束分析軟體對系統的整形效果進行了測試。