Обработка стекла ультракороткими импульсами

Промышленные лазеры Комментариев к записи Обработка стекла ультракороткими импульсами нет

Применение ультракоротких импульсных лазеров в производстве  электроники

Лазерные производители получают заказы и повышенный интерес к ультракоротким импульсным лазерным технологиям от производителей бытовой электроники для резки хрупких материалов, таких как стекло и сапфир. По словам Йохана Дейла, менеджера линейки продуктов Coherent, было признано, что резка стекла для экранов мобильных телефонов со сверхбыстрыми лазерами имеет «большой потенциал», но до этого момента апробация замедлилось. Теперь, однако, Deile отметил, что Coherent получил первые значительные заказы на оборудование для резки стекла для следующего поколения потребительских электронных продуктов, добавив, что технология в настоящее время внедряется в производство.

Другие  ультрабыстрых лазеров сообщают об аналогичной тенденции более широкого применения лазерной технологии в секторе бытовой электроники. Французский производитель ультракоротких импульсных лазеров Amplitude Systèmes работает с производителями мобильных телефонов, по словам вице-президента по продажам Vincent Rouffiange, и  последние три года разрабатывает процессы обработки прозрачных материалов, таких как стекло или сапфир с помощью фемтосекундных лазерных импульсов. Д-р Herman Chui, старший директор по маркетингу продуктов на Spectra-Physics Lasers, в настоящее время принадлежащий MKS Instruments, отметил, что некоторые сверхбыстрые лазерные процессы уже используются в производстве бытовой электроники, но далее сказал, что принятие их еще не широко. «Существует намного больше возможностей для использования сверхбыстрых лазеров в бытовой электронике», — сказал он.

Конечно, есть потенциал для ультракоротких импульсных лазеров — работающих на пикосекундной или фемтосекундной длительности импульсов — для замены механических инструментов для резки стекла в бытовой электронике. При таких коротких длительностях импульса энергия, вносимая в часть с каждым импульсом лазерного излучения, огромна; сверхбыстрые лазеры способны к процессу, известному как холодная абляция, благодаря чему материал удаляется без какого-либо проникновения епла в окружающую его часть детали, благодаря  из-за свойствам лазерных импульсов.

Обработка стекла с ультракоротким импульсным лазером несколько отличается от обработки металла, и существуют различные способы создания разреза в стекле с помощью лазера. Одним из них является филаментация, которую Deile назвал «зрелым процессом» и тем, который  «уже принят сейчас» производителями бытовой электроники. Здесь ультракороткие импульсы не удаляют  материал стекла, но изменяют его, чтобы создать тонкую трещину  внутри стекла, которая служит слабым местом для разрыва.

«Существуют различные процессы лазерной резки, но с точки зрения резки стекла, мы считаем, что лазерная филаментация  (лазерная резка стекла управляемым терморасклыванием *-прим. перев.)- лучший способ сделать это», сказал Дейл. Coherent-Rofin рекомендует использовать пикосекундный лазер и предлагает свои лазеры SmartCleave для филаментации стекла.

Механические методы, используют  алмазную пилу для скрайбирования, затем разламывают стекло, затем шлифуют и полируют, чтобы получить гладкую  поверхность, являются преобладающим средством для резки стекла для бытовой электроники. Однако они ограничены резкой по прямым линиям, и они также производят частицы стекла, что особенно вредно для окружающей среды в чистых помещениях в производстве электроники.

«Основная причина использования лазера заключается в том, что вы можете исключит часть этапов  процесса и, следовательно, сэкономить деньги», объяснил Чуй, имея в виду способность лазера производить очень хорошую кромку, что означает, что этапы последующей обработки, такие как шлифовка и полировка, в  какой-то степени не требуются .

Другими преимуществами использования лазера над механической обработкой являются то, что лазер дает большую гибкость, отметил Дейл. Лазер не ограничивается резкой по прямым линиям и может вырезать более сложную геометрию, что является большим плюсом для резки криволинейных экранов, предлагаемых  на последних моделях от ряда поставщиков телефонов. «Лазерный процесс может принести много преимуществ для резки фасонного (фигурного) стекла», — сказал он.

Лазерная филаментация также является гибкой с точки зрения смеси материалов, добавил Дейл. Лазер может вырезать много разных типов стекла различной толщины, а также пакеты стекла с несколькими слоями одного или того же или другого материала. Лазерный процесс не генерирует пыль или частицы, потому что это процесс, который только модифицирует стекло, а затем разделяет стекло вдоль трещины. Это также дает намного более высокий выход по сравнению с механическим процессом, а также более эффективеность — лазер потребляет меньше энергии, чем инструменты механической обработки.

«Лазерная система может производить гораздо больше деталей, чем одна машина с ЧПУ, и одна лазерная система может заменить многие десятки станков с ЧПУ», — заявил Дейл. Механические процессы также требуют воды для охлаждения и разделения, что приводит к осложнениям — вам необходимо рециркулировать воду, очистить и высушить детали, все из которых не обнаружены при лазерной обработке.

Выбор длительности импульса

По словам Дейла, Пикосекундые импульсы  (10-12 секунд) являются наилучшим выбором для филаментации в терминах взаимодействия между лазерным импульсом и стеклом. Для поддержания трещины требуется более длительное время взаимодействия лазерного материала. Coherent-Rofin использует пакетный режим при работе своего пикосекундного лазера для филаментации, создавая пачку из  нескольких импульсов с несколькими десятками наносекунд между ними.

«Тип используемого лазера зависит от качества процесса, — пояснил Чуй. Также необходимо учитывать длину волны лазера; более короткая длина волны может фокусироваться в меньший размер  и вырезать более тонкие детали. Тем не менее, потери на преобразование растут к более короткой длине волны, поэтому, исходя из стоимости на ватт, более короткая длина волны значительно дороже, согласно Чуй. В общем, более короткие длины волн лучше, но экономически это может не иметь смысла. «Ультрафиолетовый наносекундный лазер даст очень узкий рез», — сказал он. «Если размер элемента менее важен, но минимальное повреждение, вызванное воздействием тепла, имеет решающее значение, тогда вы можете перейти к инфракрасному пикосекундному или инфракрасному фемтосекундному ипмульсу».

Amplitude Systèmes предлагает фемтосекундный (10-15 секунд) процесс для резки стекла. Компания запустила свой модуль Glass на Photonics West 2017 в январе, результат трехлетней работы по обработке прозрачных материалов, таких как стекло или сапфир с фемтосекундными лазерными импульсами. Используемый метод Amplitude Systèmes отличается от стандартной технологии ультрабыстрой лазерной обработки , используемой для металлов, а также отличается от филаментации. «Металлы гораздо легче понять с точки зрения сверхбыстрой обработки; с материалами, такими как стекло и сапфир, технология основана на нелинейном поглощении », — пояснил« Rouffiange »Amplitude Systèmes.

Исследование Amplitude Systèmes по воздействию сверхбыстрых импульсов на прозрачные материалы было обусловлено отраслевыми требованиями, в основном, из сектора бытовой электроники, согласно Rouffiange, для резки упрочненного  и неупрочненного стекла, а также сапфира.

Модуль компании Glass производит узкий и удлиненный пучок, так что энергия импульса поглощается очень тонким каналом, обычно шириной 2 мкм по всей толщине материала. Этот процесс не удаляет  материал, пояснил Руффяндж; вместо этого высокая пиковая мощность фемтосекундных импульсов создает микротрещины внутри стекла или сапфира и, прикладывая небольшое количество напряжения, лист разделяется в данном направлении.

Рис. Amplitude Systemes разработала свой  модуль Glass для резки стекла или сапфира с фемтосекундными импульсами

Рис. Amplitude Systemes разработала свой модуль Glass для резки стекла или сапфира с фемтосекундными импульсами

Модуль «Glass» геометрически формирует пучок для поглощения одной и той же энергии по толщине материала, а также во времени, применяя последовательность импульсов. Таким образом, метод применяет локальное  напряжение внутри материала, чтобы сделать разрез, который, отмечает Руффанге, характеризуется  низкой шероховатостью и не содержит стружки.

По словам Руффанге, фемтосекундные импульсы оказывают отличное влияние на стекло и сапфир, чем  обработка пикосекундными импульсами. Вместо того, чтобы производить локальные модификации или пустоты, этот метод создает однородно ориентированные и контролируемые микротрещины. Это дает высококачественный разрез.

Стекло и сапфир прозрачны на длине волны 1030 нм. Однако высокая интенсивность фемтосекундных импульсов вызывает многофотонное поглощение в фокальной точке. Таким образом, пиковая мощность импульса очень важна, объяснил Руффианге, поэтому используются фемтосекундные импульсы.

Amplitude Systèmes обычно получает запросы на резку стекла толщиной в несколько сотен микрон для бытовой электроники, но показала, что эта технология эффективна при резке стекла толщиной 2 мм. Должна быть обеспечена достаточная энергетическое поглощение по толщине материала, и поэтому энергия лазера и длина удлиненного луча должны быть адаптированы в зависимости от толщины материала.

Настройка амплитудной системы может быть организована так, чтобы либо луч был зафиксирован, и образец перемещался, либо, если образец большой и не может быть обработан, тогда модуль стекла и лазер можно перемещать по координатной системе.

«Наше ощущение состоит в том, что сверхбыстрая обработка стекла может быть реализована очень скоро в бытовой электронике, потому что этот процесс улучшает производительность», — прокомментировал Rouffiange, ссылаясь на технику Amplitude Systèmes. «В ближайшие два квартала некоторые производители мобильных телефонов могли бы реализовать эти методы в своей продукции».

Доходность важна, ее определяет скорость резки, отметил Руфьяндж. Амплитудные системы могут достигать скорости резания фемтосекундным лазером 3 м/с .

Предстоящая работа

В то время как сверхбыстрые лазеры уже начинают применяться в производстве бытовой электроники,  использование технологии все еще на ранней стадии. «Существует много процессов, которые должны быть  приняты с применением лазерных технологий, — комментирует Чуй. «Одно дело — продемонстрировать, что вы можете сделать этот процесс, а другой — реализовать его при производстве большого объема. На этом фронте много работы.

«Лазер он увеличивает производительность  и снижает затраты», — продолжил он. «Для большинства приложений это ключевое. Это уже экономически выгодно с точки зрения затрат на производительность для некоторых процессов, а в других случаях необходимо добиться большего прогресса ».

Deile из Coherent отметил, что ультракороткие импульсные лазеры не являются узким местом с точки зрения производительности. «Узкое место на самом деле находится на стороне системы перемещения; мы не можем перемещать оси, не можем манипулировать заготовкой достаточно быстро, чтобы использовать то, что могут делать лазеры, в большинстве случаев », — сказал он.

Фемтосекундные инфракрасные лазеры теперь могут достигать 100 Вт, что является относительно высокой мощностью — MKS Instruments продемонстрировала свой Spectra-Physics Spirit 1030-100 в Laser World of Photonics в Мюнхене в июне, который может поставлять фемтосекундные импульсы при мощности 100 Вт инфракрасной области. «Там работают исследования и с гораздо более высокой мощностью, но проблема с мощностью более 100 Вт заключается в том, что с более короткими импульсами вам нужно перейти к более высокой частоте повторения, чтобы получить результат», — пояснил Чуй. «Вы не можете вкладывать слишком много энергии в очень короткий импульс с медленной частотой повторения, не нанося ущерба, то есть того, что именно вы пытаетесь избежать.

«Задача состоит в том, что системы перемещения, чтобы справляться с высокими  скоростями повторения, достигли своих пределов, в частности, гальво-сканеры», — добавил он. «Люди ищут другие варианты, такие как полигональные сканеры, чтобы получить более высокую скорость сканирования».

Существуют и другие этапы обработки в производстве бытовой электроники, где могут играть роль ультракороткие импульсные лазеры, такие как резка или сверление небольших отверстий или пазов. Этим элементам обычно требуются прямые боковые стенки, согласно Deile, поэтому используется процесс, называемый абляцией снизу вверх (Bottom-up ablation), при котором угол режущей кромки можно контролировать для создания сужающихся конусных кромок.

Также возможно использование абляцию  сверху вниз (Top-down ablation) с использованием ультракоротких импульсных лазеров и, например, для изготовления фаски, для удаления любых острых краев, чтобы экран дисплея был менее восприимчивым к трещине и расколу  при ударе. «Это процесс, который отрасль также хочет принять, чтобы заменить механическую полировку и шлифовку», — отметил Дейл.

«Если вы посмотрите, насколько зрелы эти процессы и состояние принятия в производстве, то филаментация — зрелый процесс и сейчас применяется, — добавил Дейл. «В настоящее время также принимается абляция снизу вверх, в то время как абляция сверху вниз для снятия фаски все еще находится в стадии разработки».

Оригинал статьи на английском языке: https://www.lasersystemseurope.com/feature/making-clean-break

Рекомендуем для Вас

Leave a comment

You must be logged in to post a comment.


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top