входит в состав холдинга ОАО «Швабе»

 

Лазерное технологическое оборудование для резки стекла и других материалов

 

В.С.Кондратенко,

П.Д.Гиндин

У. ФайстелъШ.Акер

   

 

   Метод лазерного управляемого термораскапывания хрупких неметаллических материалов был впервые разработан в бывшем
Советском Союзе в 80-х годах (см., например, Мачулка ГА. "Лазерная обработка стекла", М., "Советское радио", 1979г., 136 с. - прим.
составителей), но ТОЛЬКО В 1992-1994 годах ОН прошел процедуру международного патентования. Этот метод получил впервые
широкое распространение при прецизионном раскрое листового стекла для плоских дисплейных панелей (РРО), включая
жидкокристаллические экраны (IСО) и плазменные дисплейные панели (РОР), о чем свидетельствуют многочисленные публикации
и массовый выпуск соответствующего оборудования на основании купленных лицензий.

   Отличительная особенность метода лазерного управляемого термораскалывания заключается в том, что разделение материала
происходит не за счет его испарения вдоль линии резки (как это происходит, например, при лазерном скрайбировании), а за счет
образования разделяющей трещины под действием напряжений растяжения, возникающих при поверхностном нагреве материала
лазерным излучением и последующем охлаждении зоны нагрева с помощью хладагента [1] Условие поверхностного нагрева стекла
является обязательным и обеспечивается лучом СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм. В отличие от объемного нагрева при сквозном
термораскалывании стекла с помощью АИГ-лазера с длиной волны 1,06 мкм поверхностный нагрев в сочетании с охлаждением зоны
нагрева с помощью хладагента обеспечивает повышение скорости термораскалывания более чем в 100 раз.

   Рассмотрим вкратце механизм процесса лазерного управляемого термораскалывания. При облучении поверхности материала
лазерным излучением, для которого материал является непрозрачным (для стекла, например, это излучение ИК диапазона), во
внешних его слоях возникают значительные напряжения сжатия, которые, однако, к разрушению не приводят. Это объясняется тем,
что, как правило, прочность материала на сжатие в несколько раз выше, чем прочность на растяжение или изгиб. При выходе
нагретого участка из зоны воздействия лазерного излучения начинается охлаждение поверхностных слоев материала. При подаче
хладагента вслед за лазерным пучком происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый
градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях напряжений растяжения, превышающих предел
прочности,которые приводят к образованию микротрещины, проникающей вглубь материала до внут­ренних прогретых слоев,
испытывающих напряжения сжатия. Таким образом, в материале на границе зон нагрева и охлаждения, то есть в месте
максимального градиента температур "нагрев - охлаждение", образуется микротрещина, глубина которой определяется
распределением термоупругих напряжений, зависящим от целого ряда причин.

   К числу факторов, имеющих первостепенное значение для процесса лазерного управляемого термораскалывания,
следует отнести:

  • параметры лазерного пучка, а именно: длину волны и плотность мощности лазерного излучения, размеры и форму лазерного
    лучка на поверхности разделяемого материала;
  • скорость относительного перемещения лазерного пучка и материала;
  • теплофизические   свойства,   количество  и условия подачи хладагента в зону нагрева;
  • теплофизические и механические свойства разделяемого  материала, его толщину и состояние поверхности.

   Для оптимизации режимов лазерного управляемого термораскалывания для различных материалов необходимо учитывать
взаимосвязь между основными параметрами, характеризующими этот процесс.
   К преимуществам указанного метода резки в первую очередь следует отнести:

  • высокая скорость резки;
  • высокая точность при размерной резке;
  • наиболее низкая энергоемкость процесса лазерного
  • управляемого термораскалывания по сравнению   с другими известными способами резки;
  • высокая  чистота   процесса,   основанная на безотходности процесса разделения;
  • нулевая ширина реза ;
  • повышение в два раза механической прочности получаемых изделий по сравнению с другими традиционными способами резки;
  • возможность полной автоматизации процесса размерной резки.

Метод лазерного управляемого термораскалывания обеспечивает эффективную прецизионную резку следующих материалов:

  • любые типы стекла, включая кварцевое стекло;
  • любые типы керамики;
  • ситаллы;
  • монокристаллический кварц;                
  • сапфир;
  • кремний;
  • арсенид галлия;
  • ниобат и танталат лития;     
  • карбид кремния.

   Достигнутые технические параметры метода лазерного управляемого термораскалывания:

  • скорость резки - до 2000 мм/сек;
  • толщина материала - от 0,03 до 30 мм;
  • ширина реза равна нулю;
  • минимальный размер отрезаемой заготовки 0,03 мм;
  • максимальный размер - неограничен;
  • мощность лазерного излучения от 20 до 200 Вт.