Khi chọn máy cắt laser gốm, nhiều kỹ sư cho rằng khả năng hấp thụ tia laser tự động cao hơn có nghĩa là gia công dễ dàng hơn. Trong thực tế, hiệu suất cắt laser phụ thuộc vào sự cân bằng giữa độ hấp thụ laser, độ dẫn nhiệt, độ giãn nở nhiệt và khả năng chống nứt.
Mặc dù silicon nitride (Si₃N₄) hấp thụ năng lượng laser tốt hơn alumina (Al₂O₃), nhưng nó vẫn là một trong những loại gốm kỹ thuật khó xử lý nhất vì nó cực kỳ nhạy cảm với ứng suất nhiệt.
Bài viết này so sánh laser sợi quang QCW, laser nano giây UV 355 nm và laser pico giây trong sản xuất công nghiệp.
Đặc tính vật liệu ảnh hưởng đến việc cắt Laser
| Tài sản | Nhôm (Al₂O₃) | Silicon Nitrua (Si₃N₄) | Tác động đến việc cắt Laser |
| Sự hấp thụ 1064nm | 5–10% | 25–40% | Alumina thường yêu cầu lớp phủ hấp thụ; Si₃N₄ hấp thụ tốt hơn nhưng phát triển ứng suất nhiệt cao hơn nhiều. |
| Sự hấp thụ 355nm | 40–50% | 50–65% | Quá trình xử lý bằng tia cực tím có hiệu quả đối với cả hai vật liệu và khả năng hấp thụ Si₃N₄ tốt hơn một chút. |
| Sự giãn nở nhiệt | 7–8 trang/phút/độ | 2,8–3,3 ppm/độ | Độ giãn nở thấp hơn gây ra ứng suất dư và nguy cơ nứt cao hơn. |
| Độ dẫn nhiệt | 22–32 W/m·K | 16–22 W/m·K | Si₃N₄ tản nhiệt chậm hơn, làm tăng khả năng tích tụ nhiệt. |
1. Laser sợi quang QCW 1064nm
nhôm
Quy trình sản xuất trưởng thành
Cửa sổ xử lý rộng
Cắt đường viền ổn định
Năng suất cao
Hạn chế chính là khả năng hấp thụ tia hồng ngoại thấp, thường được giải quyết bằng lớp phủ hấp thụ trước khi cắt.
Độ khó: ★★☆☆☆
Silicon Nitrua
Mặc dù Si₃N₄ hấp thụ ánh sáng hồng ngoại tốt hơn nhưng nó lại dễ bị nứt nhiệt hơn nhiều.
Các vấn đề điển hình bao gồm:
Thông qua-các vết nứt nhỏ có độ dày
Sứt mẻ cạnh
Nứt chậm
Giảm tốc độ cắt do quét lớp nông
Cửa sổ quy trình hẹp hơn đáng kể so với alumina.
Độ khó: ★★★★★
Tia laser nano giây tia cực tím 2. 355 nm
nhôm
Cắt laser UV đã là một giải pháp công nghiệp trưởng thành.
Ưu điểm điển hình bao gồm:
HAZ nhỏ
Gia công lỗ vi-ổn định
sứt mẻ thấp
Năng suất sản xuất cao
Độ khó: ★★☆☆☆
Silicon Nitrua
Laser UV làm giảm đáng kể thiệt hại do nhiệt nhưng không thể loại bỏ hoàn toàn ứng suất nhiệt.
Sản xuất công nghiệp thường yêu cầu:
Công suất laser cao hơn (20–30 W)
Cắt nông nhiều{0}}đường chuyền
Khí hỗ trợ nitơ có độ tinh khiết cao-
Chiến lược làm mát được tối ưu hóa
So với alumina, thời gian xử lý thường dài hơn 50–100%.
Độ khó: ★★★★☆
3. Laser Pico giây
nhôm
Laser picosecond cung cấp:
Gần{0}}0 HAZ
Không có lớp đúc lại
Chất lượng cạnh tuyệt vời
Gia công chính xác ổn định
Độ khó: ★★☆☆☆
Silicon Nitrua
Các xung siêu ngắn làm giảm đáng kể sự hình thành vết nứt, nhưng Si₃N₄ vẫn yêu cầu:
Năng lượng xung thấp hơn
Nhiều lượt quét hơn
Thời gian gia công dài hơn
Hiệu quả sản xuất nhìn chung vẫn thấp hơn 30% so với alumina.
Độ khó: ★★★☆☆
So sánh độ khó
| Ứng dụng | Vật liệu dễ dàng hơn |
| Cắt đường viền QCW | Al₂O₃ |
| Cắt tia cực tím chính xác | Al₂O₃ |
| Khoan lỗ siêu nhỏ | Al₂O₃ |
| Chất nền siêu mỏng | Al₂O₃ |
| Gia công chính xác Pico giây | Al₂O₃ (một chút) |
Tại sao Silicon Nitride lại khó khăn hơn?
Thách thức lớn nhất không phải là sự hấp thụ tia laser.
Thay vào đó, silicon nitride kết hợp một số đặc điểm bất lợi:
Độ dẫn nhiệt thấp hơn
Độ giãn nở nhiệt cực thấp
Ứng suất nhiệt dư cao
Độ nhạy vết nứt lớn hơn
Cửa sổ quy trình hẹp hơn
Kết quả là, ngay cả với tia UV hoặc tia laser pico giây, nhà sản xuất thường cần:
Nhiều đường cắt hơn
Năng lượng thấp hơn trên mỗi lần vượt qua
Làm mát mạnh hơn
Thời gian xử lý lâu hơn
Những yếu tố này làm cho Si₃N₄ khó xử lý hơn đáng kể so với alumina trong sản xuất hàng loạt.
Giải pháp Laser được đề xuất
| Ứng dụng | Giải pháp được đề xuất |
| Cắt đường viền hiệu quả về chi phí- | Laser sợi quang 150 W QCW + Alumina |
| Gia công vi mô chính xác | Laser nano giây tia cực tím 355nm |
| Chất nền Si₃N₄ mỏng | Laser UV 20–30 W + Cắt-nhiều đường + Hỗ trợ nitơ |
| Thành phần Si₃N₄ có độ tin cậy cao nhất | Laser Picosecond 355 nm + Làm mát nâng cao |
Phần kết luận
Mặc dù silicon nitride hấp thụ năng lượng laser hiệu quả hơn alumina nhưng khả năng tản nhiệt kém và độ nhạy ứng suất nhiệt cực cao khiến nó trở thành một trong những loại gốm thách thức nhất trong xử lý laser.
Đối với sản xuất công nghiệp-năng suất cao, laser UV 355 nm vẫn là giải pháp ưu tiên để gia công Si₃N₄ chính xác, trong khi laser sợi QCW phù hợp hơn với xử lý alumina hiệu suất cao-.
Cần một giải pháp laser cho gốm sứ tiên tiến?
YCLASERchuyên cắt laser chính xác các chất nền gốm Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, ZrO₂, SiC, DBC và DPC. Chúng tôi cung cấp thử nghiệm mẫu miễn phí, tối ưu hóa quy trình và các giải pháp laser tùy chỉnh cho cả tạo mẫu và sản xuất hàng loạt.Liên hệ với chúng tôi để thảo luận về ứng dụng của bạn.
