Установка для лазерной резки сверхтонких стекол

Установка для резки сверхтонких стекол.

создана установка для лазерной резки сверхтонкого листового стекла толщиной 0,1-0,5 мм. Такие стекла применяются в электронной промышленности при изготовлении солнечных батарей и к ним предъявляются высокие требования по устойчивости к перепадам температур.

Традиционно пластины из стекол толщиной 0,1-0,5 мм вырезаются либо механической обработкой алмазным инструментом пакета из 20-100 пластин, либо резкой алмазным резцом пластин по одной. При этом на кромках пластин образуются микродефекты, от которых в дальнейшем начинается разрушение материала. Резка с помощью лазерного сквозного или лазерного управляемого термораскалывания не создает на кромках пластин микродефектов, и поэтому такие пластины из тонкого стекла имеют большую прочность и более устойчивы к перепадам температур, чем пластины, вырезанные традиционными способами. По данным [1], прочность повышается на 30-40% для силикатного стекла толщиной 4 мм, для более тонких стекол ожидается ещё больший эффект. Это позволяет уменьшить толщину стеклянных пластин, тем самым уменьшив массу, или уложиться в более высокие требования по защитным свойствам.

Установка использует CO₂ – лазер мощностью 50 Вт, работающий на длине волны 10,6 мкм. Стеклянная заготовка устанавливается на координатный столик, имеющий возможность перемещаться по двум координатам и поворачиваться на необходимый угол. Заготовка удерживается вакуумным прижимом. Для установки точек начала резов, а также для контроля качества реза служит видеокамера с объективом, дающим 15-кратное увеличение участка стеклянной пластины. Предусмотрен блок контроля, следящий за давлением воздуха на входе пневмосистемы, наличием протока жидкости в системе охлаждения лазера, достаточным уровнем хладагента и выводящий на переднюю панель установки тревожный сигнал.

Производилась резка силикатных стекол толщиной 0,12, 0,17, 0,27 мм. Для пластин стекла разной толщины отдельно подбирались параметры проведения процесса.

Пластины толщиной 0,27 мм достаточно толстые для того, чтобы их можно было резать методом лазерного управляемого термораскалывания. При скорости 270-300 мм/с, плотности мощности 3-4 Вт/мм² глубина микротрещины составляла 60-75 мкм. Дальнейшее докалывание микротрещины в стекле производилось вручную.

При ручном докалывании результат работы сильно зависит от мастера, производящего докалывание. Неверный выбор точки приложения усилия, направления докалывания, силы растягивания могут повредить деталь из тонкого стекла.

Определенные трудности возникли при осуществлении резов, пересекающихся под углом 45 градусов. Оказалось, что в месте пересечения остается после докалывания реза кусок материала. Это происходит потому, что в этом месте получается неудачное для докалывания сочетание напряжений, и трещина в стекле уходит в сторону.  Поэтому для проведения резов под 45 градусов была принята такая схема: вначале вырезаются и докалываются все стороны детали, пересекающиеся под прямым угллом, обрезки стекла удаляются, а затем проводятся резы под 45 градусов к существующим.

При резке методом сквозного термораскалывания этой особенности не наблюдается, но появляются другие нюансы. Был зафиксировано, что при резке у края заготовки линия реза отклоняется от прямой линии на 0,07-0,2 мм при скоростях резки 50-100 мм/с, в зависимости от расстояния до края заготовки. Уход линии реза обусловлен как особенностями  процесса образования трещины, так и механическими причинами (нестабильность положения столика, ненадежность удержания вакуумного прижима), неднородностью стекла. Оказалось, что режим сквозного термораскалывания более чувствителен к мешающим факторам, чем режим лазерного управляемого термораскалывания, и поэтому оказалось необходимым строже выдерживать режимы. Однако резка методом сквозного термораскалывания не требует докалывания после резки. Так как это преимущество может оказаться весьма важным, для повышения точности используются повышенные скорости резки и повышенные плотности мощности излучения. При скорости резки 160-180 мм/с, плотности мощности 4-5,5 Вт/мм² отклонения линии реза не превышает 30-40 мкм.

Для стекла толщиной 0,17 мм также был подобраны режимы резки с помощью сквозного термораскалывания и лазерного управляемого термораскалывания. Однако на этом стекле режим управляемого термораскалывания неустойчив, и при одних и тех же режимах глубина микротрещины колебалась в больших пределах, от 60 мкм до появления сквозной трещины. Частично удалось увеличить стабильность процесса выбором оптимальных размеров пучка излучения на поверхности материала и выбором оптимальной скорости, но, так как сквозной термораскалывание позволило получить большую стабильность и повторяемость процесса, было решено использовать именно его для последующей работы. При той же плотности мощности 4-5,5 Вт/мм² сквозная трещина возникала при скоростях 200-210 мм/с.

Стекло толщиной 0,12 мм было весьма затруднительно разрезать с помощью лазерного управляемого термораскалывание, так как глубина микротрещины здесь была ещё более нестабильной, чем для стекла толщиной 0,17 мм. Кроме того, процесс оказался ещё более подвержен влиянию дестабилизирующих факторов, нежели при резке более толстых стекол. Пластины лучше передают тепло из зоны, в которой производится нагрев лазерным лучом, к столику, благодаря своей относительно малой толщине. Поэтому любое нарушение контакта, даже не по всей площади, между пластиной и столиком, приводило к изменению картины распределения напряжений в стекле. Была предпринята попытка использовать теплоизолирующую прокладку между столиком и стеклянной пластиной, но это решение имело свои недостатки, в частности, прокладка страдала от воздействия излучения лазера.

Выяснилось также, что режимы резки стали сильно зависеть от размеров стеклянной пластины. Так, при размерах заготовки 20х20 мм микротрещина возникала при скорости 380 мм/с, а на заготовке размерами 80х80 мм требовалось снижение скорости до 280-290 мм/с при той же плотности мощности излучения. В конечном итоге, для резки стекла толщиной 0,12 мм также был выбрано сквозное термораскалывание. Резка производится со скоростью 250-260 мм/с, плотность мощности 4-5,5 Вт/мм².

В результате проведенной работы были найдены режимы для резки стекол толщиной 0,12, 0,17 и 0,27 мм методом сквозного термораскалывания. Достигнута точность резки 30-40 мкм, скорость резки от 160 мм/с для стекла толщиной 0,27 мм, до 260 мм/с для стекла толщиной 0,12 мм. Выявлено, что при существующем уровне соблюдения условий проведения процесса очень трудно добиться стабильного проведения резки методом лазерного управляемого термораскалывания для стекол толщиной 0,12-0,17 мм. Для стекла толщиной 0,27 мм резка с помощью лазерного управляемого термораскалывания возможна, но для промышленного применения метода необходимо разработать простой и надежный способ докалывания микротрещины, не зависящий от оператора.