CN106808091B - 针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，涉及激光加工领域。通过提供了针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，并且该系统包括基板，所述基板的材料为透明材质；在所述基板上设置有不透明的图层，用于直接暴露于激光射线中；所述不透明的图层能够明显的吸收或散射入射激光的能量。使得进行加工的时候能够在现有技术的基础上提高效率和可靠性。

Description

针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统

技术领域

本发明涉及激光加工领域，具体而言，涉及针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统。

背景技术

激光雕刻加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。激光热加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。

激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料。用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。某些具有亚稳态能级的物质，在外来光子的激发下会吸收光能，使处于高能级原子的数目大于低能级原子的数目——粒子数反转，若有一束光照射，光子的能量等于这两个能相对应的差，这时就会产生受激辐射，输出大量的光能。

在激光加工领域，用高精度和高质量的玻璃或水晶等脆性材料制成的二维或三维工件，如蓝宝石或陶瓷等，是一个挑战，也是一个技术难点。

制造商、加工商现在越来越多地使用三维的消费电子设备的脆性材料制成的三维基板和切割的基板，以满足所需的工业设计要求。处理这些基板上的激光系统是具有挑战性的。虽然已经取得了一些尝试的成果，但依旧没有人能够很好的处理这些材料，特别是在提高质量或避免过大损耗上采取措施。

发明内容

本发明的目的在于提供针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，以提高激光加工效率。

第一方面，本发明实施例提供了针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，包括基板，所述基板的材料为透明材质；

在所述基板上设置有不透明的图层，用于直接暴露于激光射线中；

所述不透明的图层能够明显的吸收或散射入射激光的能量。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述不透明图层在所述基板的表面，工作时，一个清晰的轨迹将被暴露在暴露区域内的切线。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，预先根据被加工的材料的厚度和目标的数值孔径，计算所述轨迹的轨道规格。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，若零部件减少单独运行时，基板的大小为大于或等于0.5mm，从剪线多余材料计算；

若从一个较大的单页材料到几个部分的削减，那么单个零件的设计必须为核算在基板的大小中。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，切割线应位于表面。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，多轴配置系统能保证零件，定位于激光束的激光束入射到90°±10°切割线的表面。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，若基板为曲面，则激光束在凸表面发生。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，若设计被限制的部分是从凹表面被切割，则光功率的光束路径中的所有光学元件的组合中，需要处理的部分必须保持积极。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述系统中的零件均为一次性零件。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第九种可能的实施方式，其中，所述系统中的设计规格需要满足一下的一种或多种条件，

尺寸精度–≤±15μM；

芯片尺寸≤100μ；

切割表面粗糙度≤1.5μ；

有效直线进给率≥10mm/s；

CPK≥1.3。

本发明实施例提供的针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，采用结构型设计的改进，与现有技术中的没有人能够很好的处理这些材料，特别是在提高质量或避免过大损耗上采取措施相比，其通过提供了针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，并且该系统包括基板，所述基板的材料为透明材质；在所述基板上设置有不透明的图层，用于直接暴露于激光射线中；所述不透明的图层能够明显的吸收或散射入射激光的能量。使得进行加工的时候能够在现有技术的基础上提高效率和可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1示出了本发明实施例所提供的针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统的基本结构图。

图中，1，图层；2，基板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

制造业大多数使用的是数控的，有线锯的和研磨车床的组合来制造这些零件。这个过程是缓慢的，并且需要多个步骤来制造零件，同时一个正常的工厂可能需要几百台机器来处理零件。这种方法是昂贵的，属于劳动密集型加工生产。

其中，激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的(如0.1mm左右)切缝，完成对材料的切割。

激光切割设备的价格相当贵，约150万元以上。随着眼前储罐行业的不断发展，越来越多的行业和企业运用到了储罐，越来越多的企业进入到了储罐行业。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以在大生产中采用这种设备还是可行的。

由于没有刀具加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术(CNC)装置。采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计(CAD)工作站来接受切割数据。

激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。

激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。

1)激光汽化切割

利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。

激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。

2)激光熔化切割

激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等)，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。

激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。

3)激光氧气切割

激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。

4)激光划片与控制断裂

激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，然后施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和CO2激光器。

控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。

一些制造商已经尝试使用上述激光切割这些零件的机器。这些机器通常只能切割二维零件，质量低。在基板成型过程中建立和实施的设计规则很少，以确保零件与激光加工机兼容。此外，目前在这些机器中创建的零件，必须经过研磨加工，以达到所需的尺寸公差和质量。

为了克服这些限制，并建立一个有效的制造计划，用于处理这些基板上的激光机，我们已经定义了几个设计规则，实施时，显着降低成本和提高生产率的激光加工。

激光系统设计制造部分由非晶,微晶体或单晶材料脆性材料。原材料(基质)的形式输入到系统通常在所需的材料厚度的平板(2d)或材料形状创建通过增长过程或通过形成平面材料的形状通过成型工艺(3d)，在准备部分要被切割的机器中，有几个设计规则，实施细节如下，即，本申请所提供的针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，包括基板，所述基板的材料为透明材质；

在所述基板2上设置有不透明的图层1，用于直接暴露于激光射线中；

所述不透明的图层1能够明显的吸收或散射入射激光的能量。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，

所述不透明图层1在所述基板2的表面，工作时，一个清晰的轨迹将被暴露在暴露区域内的切线。

优选的，预先根据被加工的材料的厚度和目标的数值孔径，计算所述轨迹的轨道规格。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，若零部件减少单独运行时，则基板2的大小为大于或等于0.5mm，从剪线多余材料计算；

若从一个较大的单页材料到几个部分的削减，那么单个零件的设计必须为核算在基板2的大小中。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，

切割线应位于表面。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，

多轴配置系统能保证零件，定位于激光束的激光束入射到90°±10°切割线的表面。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，

若基板2为曲面，则激光束在凸表面发生。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，

若设计被限制的部分是从凹表面被切割，则光功率的光束路径中的所有光学元件的组合中，需要处理的部分必须保持积极。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，

所述系统中的零件均为一次性零件。

优选的，针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统中，

所述系统中的设计规格需要满足一下的一种或多种条件，

尺寸精度–≤±15μM；

芯片尺寸≤100μ；

切割表面粗糙度≤1.5μ；

有效直线进给率≥10mm/s；

CPK≥1.3。

具体设计时可分为两种情况，分别是二维基底和三维基底，

二维基底的情况下，

1，该系统中的基板材料是透明的；

2，在基板的表面上没有不透明的涂层，直接暴露于激光；

3，表面接触到激光的材料表面的涂层是确定的；

4，任何涂层的光学性质和衬底的表面粗糙度是这样的，存在明显的吸收或散射的入射激光能量；

5，如果一个不透明涂层在整个基体上，一个清晰的轨迹将被暴露在暴露区域内的切线。轨道的最小宽度计算从目标的数值孔径和被加工的脆性材料的厚度。比如，如果被加工的材料是0.7mm厚玻璃和最终目标的数值孔径为0.7，轨道的大小应～0.5mm；

6，多层的二维材料可以叠加和切割，无论是单独或同时；

如果零部件减少单独运行时，基板的大小为，有≥0.5mm从剪线多余材料计算。

如果从一个较大的单页材料到几个部分的削减，那么单个零件的设计必须为核算在内。

三维基板的情况下，(除了二维基板的设计规则还包括如下规则)。

1，衬底必须准备为二维衬底定义。必须遵循以下附加的设计规则；

2，切割线应位于表面，多轴配置系统能保证零件，定位于激光束的激光束入射到90°±10°切割线的表面。该零件必须设计以适应这种加工要求；

3，对于曲面，激光束更倾向于在凸表面发生。这可能需要部分被削减；

4，如果设计被限制这样的部分是从凹表面被切割，光功率的光束路径中的所有光学元件的组合，包括必须处理的部分必须保持积极；

5，零件通常被处理，一次；

6，在某些情况下，可以从一个较大的基板上成型，同时或按顺序处理。在这种情况下，每一个单独的部分在大的基板，必须设计为描述。

本申请上述内容所提供的针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，针对加工脆性材料的行业正在寻求解决方案,不仅可以节省成本,而且将大大提高质量和生产率。由于更高的精度使得激光系统通常是首选。无数次实验和改进,但从来没有人能够开发出激光过程并且有效的控制成本。当前激光技术需要大量的后期处理,完全违背了在基质激光切割应用的目的。

我们已经定义的设计规则，激光机器可以处理这些材料并且具有高质量和高生产率的应用过程。已制定的设计规则，并创建了一个标准的高质量激光切割行业的制造与应用推广。典型的性能体现从而可以实现，以下是这些设计规则，包括：尺寸精度–≤±15μM；芯片尺寸≤100μ；切割表面粗糙度≤1.5μ；有效直线进给率≥10mm/s；CPK≥1.3。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，其特征在于，包括基板，所述基板的材料为透明材质；

在所述基板上设置有不透明的图层，用于直接暴露于激光射线中；

所述不透明的图层能够明显的吸收或散射入射激光的能量，所述不透明图层在所述基板的表面，工作时，一个清晰的轨迹将被暴露在暴露区域内的切线，预先根据被加工的材料的厚度和目标的数值孔径，计算所述轨迹的轨道规格，若零部件减少单独运行时，基板的大小为大于或等于0.5mm，从剪线多余材料计算；

若从一个较大的单页材料到几个部分的削减，那么单个零件的设计必须为核算在基板的大小中，切割线应位于表面，多轴配置系统能保证零件，定位于激光束的激光束入射到90°±10°切割线的表面，若基板为曲面，则激光束在凸表面发生，若设计被限制的部分是从凹表面被切割，则光功率的光束路径中的所有光学元件的组合中，需要处理的部分必须保持积极，所述系统中的设计规格需要满足以 下的一种或多种条件，

尺寸精度≤±15μM；

芯片尺寸≤100μ；

切割表面粗糙度≤1.5μ；

有效直线进给率≥10mm/s；

CPK≥1.3。

2.根据权利要求1所述针对二维和三维脆性材料基板进行加工的激光系统，其特征在于，所述系统中的零件均为一次性零件。