如今,玻璃材料因造型多样、抗冲击性强、成本可控制等大量优点,在平板显示制造(FPD)以及汽车和建筑领域的传统窗口应用方面被广泛使用。虽然玻璃材料有许多优点,但其易碎性却给加工过程造成了不少困难,比如容易产生裂纹、边缘粗糙等问题。在这些行业中,对激光玻璃切割的需求日益增加,并且要求切割过程要有更高的精度、更快的速度和更强的灵活性(比如切割曲线和图案)。怎样解决玻璃材料的加工难题、提高产品的良率,已经成为业内共同的追求。

机械切割的局限性
图1 传统方式玻璃切割.(a)(b)刀轮切割示意图及效果.(c)(d)CNC研磨切割示意图及效果
这些机械切割方式在切割边缘会出现微裂纹和碎屑,还会有崩边现象。不仅如此,机械切割在切割边缘产生的残余应力会使玻璃基板的机械强度(抗断裂性)降低。与此同时,机械切割法或许需要诸如研磨、抛光等多种后处理步骤来解决上述问题,这势必会增加额外的生产时间与成本。
激光切割很少需要甚至不需要后续清洁或打磨工作,所以能减少工艺环节数量。尽管激光切割工作台的资本成本高于机械系统,但因其无需额外配置打磨机,其总投资低于机械加工系统。因为对后处理和清洁工作的需求降低,激光切割比机械切割更环保,水资源耗用也更少甚至无需用水。
超快激光切割的优势
随着激光技术的不断发展,激光开始应用于玻璃切割领域。激光玻璃切割能够解决前面提到的许多问题。
首先,激光切割属于非接触切割,这种方式彻底解决了微裂纹和剥落碎屑的问题。
除此之外,激光切割基本不会在玻璃中产生残余应力,进而使边缘强度得到了提高。
众所周知,超快激光器是指输出激光的脉冲宽度在皮秒(10-12 s)级别、或小于皮秒级别的脉冲激光器,具备极高的峰值功率。
对玻璃等透明材料而言,当超高峰值功率的激光被聚焦在透明材料内部时,材料内部由光传播造成的非线性极化改变了光的传播特性,使光束出现自聚焦现象(波前聚焦)。由于超快激光的峰值功率极高,使脉冲在玻璃内不断重复聚焦,在不发散的状态下一路向下传输到材料内部,直至激光的能量不足以继续支持发生自聚焦现象。至此,激光传输过的地方留下了如同丝线般的轨迹(直径只有数个微米),将这些丝线连起来,对其施加应力,玻璃便会自行沿着丝线裂开。
这是玻璃被激光改性过的结果,改性后的玻璃与原本的性质不同。而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,从而做到了加工的“超精细”。
如今对曲线切割的需求量越来越大,尤其在手机制造行业,制造商们希望生产几何形状更复杂的屏幕,超快激光优势更加显著(如图2)。

图2 超快激光切割在屏幕异形切割优势
此外,非接触式加工也可避免传统机加方式切割容易发生崩边、裂纹等问题,具有精度高、不产生微裂纹、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等优点,降低成本的同时大幅提高了工件良率及加工效率。
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