2021-09-29 09:35
来源:
手机狂魔小小爱
超快激光切割厚玻璃行业市场与应用需求
01 应用行业
盖板玻璃因其优异的光学性能与独特的耐磨性而应用于车载显示屏，车载显示屏的不断变革推动盖板玻璃快速发展，盖板玻璃在车载显示屏行业将会具有广阔的应用前景。
光伏玻璃是光伏电池组件辅材的一种，由于市场需求旺盛，光伏玻璃的供应一直处于供不应求的状态。光伏玻璃加工过程中必不可少的一道工序即是切割分片。
02 应用需求
玻璃材质的特点是硬脆性，给加工带来很大的困难，特别是超厚玻璃的切割加工，一直以来是一个技术难题。传统的超厚玻璃切割手段采用硬质合金或金刚石刀具，切割流程分为两个步骤：切割流程分为两个步骤,第一步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，第二步采用机械手段将玻璃沿着裂纹线分割开。对超厚玻璃的切割，采用传统的切割方法进行划刻和切割存在着一些缺陷：一是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CNC精磨工序；二是刀具易磨损，需要定期更换，属于易耗品，切割成本高；三是这种方法仅能切割直线，对于异形图案切割比较困难，成品良率低。因此，对于玻璃厚度≥1mm的产品，特别是超厚玻璃的切割如5mm厚的玻璃，甚至12mm厚的玻璃，激光切割作为一种精密加工技术正逐渐成为玻璃深加工的主要工艺方法。
超快激光切割技术优势
加工适应性强，能加工高硬度、高熔点及脆性材料等材质材料，解决了传统加工工艺中无法切割异形图形的难题
光斑易于控制，能聚焦到微米量级，可满足定点加工、精细加工等加工精度要求极高的工艺需求
加工效率高，切割2mm厚玻璃速度可达800mm/s以上，可免去后续打磨工序节约材料
2超快激光切割玻璃原理
超快激光器切割玻璃一般采用成丝或者贝塞尔光束切割两种方式中一种。
01 成丝切割
成丝加工原理主要在于超快激光通过聚焦头聚焦获得具有高峰值功率密度的微米级光束，作用在玻璃材料上时，光束中心光强度比边缘低，使得材料中心折射率比边缘变化大，光束中心传播速度比边缘慢，光束出现非线性光学克尔效应来产生自聚焦（波前聚焦），继续提升功率密度，直到达到某个能量阈值，材料产生低密度等离子体，降低材料中心折射率，实现光束散焦。成丝切割即是这种原理实现的一种可行的玻璃切割工艺，当超快激光束通过玻璃材料传播时，同时存在克尔自聚焦和等离子体散焦，光束在两者动态平衡中能实现长距离传播，在材料中形成微米级的丝孔，这种丝孔在玻璃中能延展几毫米的深度。
图1.成丝切割原理
02 贝塞尔光束激光切割
贝塞尔光束是一种由长距离干涉产生的激光束，允许能量集中在透明材料内部传播而不会发生衍射，使用光束整形生成的贝塞尔光束允许对受辐射材料进行深度烧蚀，这对于形成具有高纵横比的纳米通道特别有用，如图2(b)所示。因此，可以钻入几毫米厚、直径非常小(小于2微米)且形状基本均匀的玻璃层。使用贝塞尔光束进行纳米通道钻孔的优势在于，激光束的形状决定了孔的尺寸。在控制贝塞尔梁的形状时，可以更好地控制钻孔。因此，与迄今为止使用的方法相比，它是一种更简单、更可控且重现性更好的方法，具有工业规模玻璃微加工所需的质量和加工精度。
图2.贝塞尔光束
图3.玻璃表面经贝塞尔光束成丝孔后表面形态(SEM拍照放大2500倍)
03 裂片工艺
超快激光脉冲经过成丝切割头或者贝塞尔头切割头聚焦在玻璃内形成贯穿丝孔，直线电机控制玻璃工件相对于激光束进行运动来生成等间距的众多丝孔，通过优化丝孔间距产生沿切割路径方向的微裂纹，如下图4所示。但此时玻璃还未出现分离，需要通过裂片工艺进行裂片才能得到最终产品。图5分步说明了超快激光切割玻璃的过程。
图4.玻璃经超短激光脉冲穿孔后形成裂纹
图5.超快激光切割玻璃步骤
说明：红色虚线为超短脉冲激光切割路径，聚焦后光斑直径数个微米，蓝色为CO2激光器裂片路径，裂片光斑直径通常数毫米，确保其激光能量被吸收同时不会损伤玻璃。
玻璃裂片方式一般可分为机械裂片或者加热裂片方式两种。机械裂片是指对存在微裂纹的玻璃施加机械作用力，机械裂片有一定几率产生相对较大崩边，而且对于异形切割有较大限制。加热裂片是指沿丝孔轨迹加热(常见采用CO2激光器加热)，增加微裂纹处的应力，使玻璃沿微裂纹断裂，达到切断的目的。这样的加工方式也确保了加工过程中不会对所涉及的空间范围的周围材料造成影响，从而做到了超精细加工。
贝塞尔光束激光切割技术优势
避免发生崩边、裂纹等问题
精度高，不产生微裂痕、破碎或碎片问题，边缘抗破裂性高
无需冲洗、打磨、抛光等二次制造成本，降低成本的同时大幅提高了工件良率及加工效率
3杰普特脆性材料切割解决方案
01 切割裂片设备
杰普特提供的厚玻璃切割解决方案，采用高功率红外皮秒激光+贝塞尔切割系统，最大单次切割厚度6mm(两次切割可达12mm)，具备光束质量好，聚焦光斑小，功率波动小等优点，可以对各种光学玻璃进行快速切割，具有切割速度快、崩边小、无锥度等优势。精密光路设计保障高质量的激光传输，保障稳定的加工品质及设备的工作稳定性。
图6.设备外观图
图7.样品图片
02 异形细节
图8.异形图案加工后细节
03 崩边
图9.崩边（小于10μm）
4我们的优势
此外，杰普特脆性材料产品线可定制自动化加工系统或其它需求，可以实现全自动上下料，为客户减少人工成本。
杰普特可提供切割，钻孔，打码等一整套玻璃加工解决方案。随着智能制造的发展，二维码追溯系统在各行业中应用中越来越广泛，杰普特可以提供玻璃打二维码，相比其它标记方式，具有标记清晰、持久并可有效防伪，可与生产线上的其他设备集成，提高生产线的自动化程度，运行成本低，插电即可。打标速度快且标记一次成型，能耗小，运行成本低。大大地为厂商节约成本。
图10.毛玻璃外轮廓切割&钻孔
图11.光玻璃外钻孔
图12.隐形二维码（0.2mm×0.2mm）
图13.隐形二维码点深度（<80μm）
参考文献
1.陈志鸿、刘建党等 盖板玻璃在车载显示屏中的市场前景和应用，来源：玻璃杂志
2.Laroui, Sami. “Glass Cutting Using Bessel Beams.” Cailabs, 21 Mar.
3.2019, https://blog.cailabs.com/en/glass-cutting-using-bessel-beams/.
来源： HiPA Equipment
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