一、超快激光切割厚玻璃行業(yè)市場與應用需求

1、應用行業(yè)

蓋板玻璃因其優(yōu)異的光學性能與獨特的耐磨性而應用于車載顯示屏，車載顯示屏的不斷變革推動蓋板玻璃快速發(fā)展，蓋板玻璃在車載顯示屏行業(yè)將會具有廣闊的應用前景。

光伏玻璃是光伏電池組件輔材的一種，由于市場需求旺盛，光伏玻璃的供應一直處于供不應求的狀態(tài)。光伏玻璃加工過程中必不可少的一道工序即是切割分片。

2、應用需求

玻璃材質(zhì)的特點是硬脆性，給加工帶來很大的困難，特別是超厚玻璃的切割加工，一直以來是一個技術難題。傳統(tǒng)的超厚玻璃切割手段采用硬質(zhì)合金或金剛石刀具，切割流程分為兩個步驟：切割流程分為兩個步驟,第一步用金剛石刀尖或硬質(zhì)合金砂輪，在玻璃的表面產(chǎn)生一條裂紋，第二步采用機械手段將玻璃沿著裂紋線分割開。對超厚玻璃的切割，采用傳統(tǒng)的切割方法進行劃刻和切割存在著一些缺陷：一是材料的去除會導致碎屑、碎塊和微裂痕的產(chǎn)生，使切割邊緣的強度降低，從而需要再進行一道CNC精磨工序；二是刀具易磨損，需要定期更換，屬于易耗品，切割成本高；三是這種方法僅能切割直線，對于異形圖案切割比較困難，成品良率低。因此，對于玻璃厚度≥1mm的產(chǎn)品，特別是超厚玻璃的切割如5mm厚的玻璃，甚至12mm厚的玻璃，激光切割作為一種精密加工技術正逐漸成為玻璃深加工的主要工藝方法。

超快激光切割技術優(yōu)勢

①加工適應性強，能加工高硬度、高熔點及脆性材料等材質(zhì)材料，解決了傳統(tǒng)加工工藝中無法切割異形圖形的難題

②光斑易于控制，能聚焦到微米量級，可滿足定點加工、精細加工等加工精度要求極高的工藝需求

③加工效率高，切割2mm厚玻璃速度可達800mm/s以上，可免去后續(xù)打磨工序節(jié)約材料

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絲或者貝塞爾光束切割兩種方式中一種。

01 成絲切割

成絲加工原理主要在于超快激光通過聚焦頭聚焦獲得具有高峰值功率密度的微米級光束，作用在玻璃材料上時，光束中心光強度比邊緣低，使得材料中心折射率比邊緣變化大，光束中心傳播速度比邊緣慢，光束出現(xiàn)非線性光學克爾效應來產(chǎn)生自聚焦（波前聚焦），繼續(xù)提升功率密度，直到達到某個能量閾值，材料產(chǎn)生低密度等離子體，降低材料中心折射率，實現(xiàn)光束散焦。成絲切割即是這種原理實現(xiàn)的一種可行的玻璃切割工藝，當超快激光束通過玻璃材料傳播時，同時存在克爾自聚焦和等離子體散焦，光束在兩者動態(tài)平衡中能實現(xiàn)長距離傳播，在材料中形成微米級的絲孔，這種絲孔在玻璃中能延展幾毫米的深度。

圖1.成絲切割原理

02 貝塞爾光束激光切割

貝塞爾光束是一種由長距離干涉產(chǎn)生的激光束，允許能量集中在透明材料內(nèi)部傳播而不會發(fā)生衍射，使用光束整形生成的貝塞爾光束允許對受輻射材料進行深度燒蝕，這對于形成具有高縱橫比的納米通道特別有用，如圖2(b)所示。因此，可以鉆入幾毫米厚、直徑非常小(小于2微米)且形狀基本均勻的玻璃層。使用貝塞爾光束進行納米通道鉆孔的優(yōu)勢在于，激光束的形狀決定了孔的尺寸。在控制貝塞爾梁的形狀時，可以更好地控制鉆孔。因此，與迄今為止使用的方法相比，它是一種更簡單、更可控且重現(xiàn)性更好的方法，具有工業(yè)規(guī)模玻璃微加工所需的質(zhì)量和加工精度。

圖2.貝塞爾光束

圖3.玻璃表面經(jīng)貝塞爾光束成絲孔后表面形態(tài)(SEM拍照放大2500倍)

03 裂片工藝

超快激光脈沖經(jīng)過成絲切割頭或者貝塞爾頭切割頭聚焦在玻璃內(nèi)形成貫穿絲孔，直線電機控制玻璃工件相對于激光束進行運動來生成等間距的眾多絲孔，通過優(yōu)化絲孔間距產(chǎn)生沿切割路徑方向的微裂紋，如下圖4所示。但此時玻璃還未出現(xiàn)分離，需要通過裂片工藝進行裂片才能得到最終產(chǎn)品。圖5分步說明了超快激光切割玻璃的過程。

圖4.玻璃經(jīng)超短激光脈沖穿孔后形成裂紋

圖5.超快激光切割玻璃步驟

說明：紅色虛線為超短脈沖激光切割路徑，聚焦后光斑直徑數(shù)個微米，藍色為CO2激光器裂片路徑，裂片光斑直徑通常數(shù)毫米，確保其激光能量被吸收同時不會損傷玻璃。

玻璃裂片方式一般可分為機械裂片或者加熱裂片方式兩種。機械裂片是指對存在微裂紋的玻璃施加機械作用力，機械裂片有一定幾率產(chǎn)生相對較大崩邊，而且對于異形切割有較大限制。加熱裂片是指沿絲孔軌跡加熱(常見采用CO2激光器加熱)，增加微裂紋處的應力，使玻璃沿微裂紋斷裂，達到切斷的目的。這樣的加工方式也確保了加工過程中不會對所涉及的空間范圍的周圍材料造成影響，從而做到了超精細加工。

貝塞爾光束激光切割技術優(yōu)勢

①  避免發(fā)生崩邊、裂紋等問題

②  精度高，不產(chǎn)生微裂痕、破碎或碎片問題，邊緣抗破裂性高

③  無需沖洗、打磨、拋光等二次制造成本，降低成本的同時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決方案

01 切割裂片設備

杰普特提供的厚玻璃切割解決方案，采用高功率紅外皮秒激光+貝塞爾切割系統(tǒng)，最大單次切割厚度6mm(兩次切割可達12mm)，具備光束質(zhì)量好，聚焦光斑小，功率波動小等優(yōu)點，可以對各種光學玻璃進行快速切割，具有切割速度快、崩邊小、無錐度等優(yōu)勢。精密光路設計保障高質(zhì)量的激光傳輸，保障穩(wěn)定的加工品質(zhì)及設備的工作穩(wěn)定性。

圖6.設備外觀圖

圖7.樣品圖片

02 異形細節(jié)

圖8.異形圖案加工后細節(jié)

03 崩邊

圖9.崩邊（小于10μm）

4、我們的優(yōu)勢

此外，杰普特脆性材料產(chǎn)品線可定制自動化加工系統(tǒng)或其它需求，可以實現(xiàn)全自動上下料，為客戶減少人工成本。

杰普特可提供切割，鉆孔，打碼等一整套玻璃加工解決方案。隨著智能制造的發(fā)展，二維碼追溯系統(tǒng)在各行業(yè)中應用中越來越廣泛，杰普特可以提供玻璃打二維碼，相比其它標記方式，具有標記清晰、持久并可有效防偽，可與生產(chǎn)線上的其他設備集成，提高生產(chǎn)線的自動化程度，運行成本低，插電即可。打標速度快且標記一次成型，能耗小，運行成本低。大大地為廠商節(jié)約成本。

圖10.毛玻璃外輪廓切割&鉆孔

圖11.光玻璃外鉆孔

圖12.隱形二維碼（0.2mm×0.2mm）

圖13.隱形二維碼點深度（<80μm）

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注：部分圖片素材源自網(wǎng)絡

參考文獻

1.陳志鴻、劉建黨等 蓋板玻璃在車載顯示屏中的市場前景和應用，來源：玻璃雜志 

2.Laroui, Sami. “Glass Cutting Using Bessel Beams.” Cailabs, 21 Mar. 

3.2019, https://blog.cailabs.com/en/glass-cutting-using-bessel-beams/.