有機玻璃的激光切割工藝

激光加工有機玻璃的激光機切割速度快、精度高，定位準(zhǔn)確?？缮a(chǎn)工藝禮品、面板鏡片機箱、模型玩具、廣告燈箱招牌展示用品、包裝盒等。

①切割效果好：切口不用火拋，非常光滑、光亮，沒有鋸齒紋，可一次性切割壓克力厚度20mm

②激光管質(zhì)量好、壽命長：國產(chǎn)機中最好的激光管，不但性能穩(wěn)定，壽命也很長(約8~14個月)，功率85W，包用半年

③整機性能卓越：可每天24小時連續(xù)不停機工作，臺灣原裝導(dǎo)軌，精確耐用

④切割速度快：如用于切割3mm厚度的壓克力板材

激光應(yīng)用于切割和焊接薄金屬板已有30年了，通過聚焦光束局部地加熱材料。這種方法靈活性好，經(jīng)濟效益高，在很多工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域大放異彩。其實玻璃有比金屬更低的熱傳導(dǎo)，所以激光應(yīng)該可以順理成章地應(yīng)用于玻璃的切割。事實上，一些公司早在70年代即開始發(fā)展成套系統(tǒng)，當(dāng)時使用的是千瓦輸出功率水平的CO2激光器。但是，因為功率水平高，對玻璃造成不容忽視的熱影響，以致融化局部材料，所以當(dāng)時的激光切割技術(shù)難以保證整齊、平滑的切割邊緣，在許多應(yīng)用場合中，仍然需要打磨切割邊緣。同時，當(dāng)時CO2激光器的價格非常昂貴，令人生畏。

激光引致分離

近來，一些工程人員和學(xué)者發(fā)現(xiàn)了應(yīng)用較低功率的激光器使玻璃分離，同時不對玻璃造成融化等熱影響的玻璃切割方法。這種方法說來復(fù)雜，涉及細(xì)節(jié)技術(shù)很多，其基本原理是利用激光引致的應(yīng)力使玻璃"分離"。期間，得益于封離型CO2激光器技術(shù)的發(fā)展和成熟，激光切割玻璃技術(shù)更顯得經(jīng)濟、實用。

在我們的研究中，使用平均輸出功率為150W的CO2激光器(Coherent公司的K-150型)，通過聚焦光路在玻璃表面形成橢圓型的聚焦點，橢圓的聚焦焦點保證了激光能量在切割線兩側(cè)的均勻的和最優(yōu)化的分布。玻璃強烈地吸收10.6微米的激光，所以幾乎所有的激光能量都被玻璃表面15微米吸收層所吸收，相對玻璃表面移動激光光點形成所需的切割線。選擇合適的移動速度，保證既有足夠的激光熱量在玻璃上形成局部的應(yīng)力紋樣分布(設(shè)定的切割線)，同時又不會將玻璃融化。

激光切割中另一個關(guān)鍵部件是淬火氣(水)嘴，隨著激光光點的移動，淬火氣(水)嘴將冷空氣(水)吹到玻璃表面，對受熱區(qū)域進行快速淬火，玻璃將沿著應(yīng)力最大的方向產(chǎn)生斷裂，從而將玻璃沿著設(shè)定的方向分離。

需要說明的是，為了引發(fā)玻璃產(chǎn)生斷裂，需要首先用機械法在切割線的起點劃出微小的起始裂痕。

選擇不同的激光功率、光點掃描速度等加工參數(shù)，應(yīng)力引致的斷裂深度可達100微米到數(shù)毫米，意味著使用激光法可一步切割深度為100微米到數(shù)毫米的玻璃。

因為這個過程依賴于熱致機械應(yīng)力，斷裂深度和切割速度與材料本身的膨脹系數(shù)很有關(guān)系。一般說來，適用于激光法進行切割的玻璃的膨脹系數(shù)最小應(yīng)為3.2x10-6K-1，所幸的是，多數(shù)普通玻璃都滿足這個要求。

與傳統(tǒng)的機械切割法相比，這種新的方法有幾個重要的優(yōu)點。首先，這是一步即可完成的、干燥的加工過程。邊緣光滑整齊，不需要后續(xù)的清潔和打磨。并且，激光引致的分離過程產(chǎn)生高強度、自然回火的邊緣，沒有微小裂痕。使用這種方法，避免了不可預(yù)料的裂痕和殘破，降低了次品率，提高了產(chǎn)量。

邊緣質(zhì)量

定性地描述在一張1.5毫米厚的玻璃片上三個不同的切痕之間的動態(tài)差異。玻璃切割的邊緣干凈沒有裂片和裂痕，不需要后續(xù)處理工序。因為激光是非接觸工具，沒有工具的磨損問題，從而可保證持續(xù)、均勻的切割厚度和邊緣質(zhì)量。作為比較，3(b)顯示了使用金屬輪進行切割的邊緣，可以看到沿著切割線存在各種殘余張力成份。3(c)是金剛石砂輪切割的結(jié)果，可看到很多微小的裂痕，對于許多應(yīng)用來說，需要打磨切割邊緣。

為了定量地評價邊緣質(zhì)量，根據(jù)ISO3274，應(yīng)使用Stylus輪廓測量儀對激光切割的邊緣進行測量。權(quán)威測量顯示，平均粗糙度(Ra)小于0.5微米。

邊緣強度

因為邊緣質(zhì)量優(yōu)秀，以及加熱/淬火過程中的自然回火效應(yīng)，激光切割的邊緣強度非常高。Jena的Otto-Schott-Insititut研究所根據(jù)DIN5230011參數(shù)做了獨立的測試，相關(guān)數(shù)據(jù)已公開發(fā)布。采用這種新方法，與機械法加工后又打磨的樣品相比，邊緣強度提高了30%左右。

厚度和切割速度

限制切割速度的有3個因素：玻璃的厚度、材料的熱膨脹系數(shù)、以及激光器的輸出功率。在這個測試中，我們使用150W輸出功率的CO2激光器切割a=7.2 x 10-6、厚度為1.1mm的玻璃，直線切割，速度為500mm/秒。作為比較，硬質(zhì)金屬輪切割同樣厚度同種玻璃的速度可達1500mm/秒。但是，即使是在注重速度的應(yīng)用中，這種差異也將被激光切割所帶來的經(jīng)濟性和質(zhì)量優(yōu)勢所彌補。同時，我們都相信，進一步的加工過程優(yōu)化以及采用更高輸出功率的激光器進行切割都會容易地將加工速度提高2至3倍。

曲線切割

因為裂痕是精確地沿著激光光束所劃出的痕跡,激光引致的分離可以切劃出非常精確的曲線圖案。事實上，我們所做的實驗也證明了無論直線或是曲線，激光切割都能連續(xù)地、精確地完成設(shè)定圖案，重復(fù)性可達+50μm。所以激光可以進行曲線和三維圖形的精確切割。

應(yīng)用

長遠(yuǎn)來說，激光引致的分離技術(shù)將在許多玻璃的切割應(yīng)用中取代機械法。近期，激光切割已在下述的三個應(yīng)用領(lǐng)域中顯示強大的技術(shù)優(yōu)勢，它們是：CRTS，平板顯示，以及汽車的風(fēng)擋玻璃等的切割等。

有些應(yīng)用需要對玻璃進行特殊的后續(xù)處理，比如，某些安全玻璃元件須經(jīng)溫度硬化處理，以及多數(shù)帶硅鍍層的平板顯示器元件必須經(jīng)過溫度退火等。激光引致分離法也配合這些特殊的后處理，我們用激光法切割了100個4mm厚的玻璃片，在特殊熱處理過程中，沒有一片被破壞。

有機玻璃的特點及透光率

　　有機玻璃是開發(fā)較早的一種重要熱塑性塑料，具有透明性、穩(wěn)定性和耐候性，易染色、易加工，外觀優(yōu)美，在建筑業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。
　　在建筑方面，有機玻璃主要應(yīng)用于采光體、屋頂、棚頂、樓梯和室內(nèi)墻壁護板等方面。近年來，有機玻璃在高速公路和高級道路的照明燈罩和汽車燈具方面的應(yīng)用也相當(dāng)快。隨著大城市飯店、賓館和高級住宅的興建，采光體發(fā)展迅速，采用有機玻璃擠出板制成的采
　　光體具有整體結(jié)構(gòu)強度高、自重輕、透光率高和安全性能好等特點，與無機玻璃采光裝置相比，具有很大的優(yōu)越性。
　　在衛(wèi)生潔具方面，有機玻璃可制作浴缸、洗臉盆、化妝臺等產(chǎn)品。由于有機玻璃浴缸具有外觀豪華、有深度感、容易清洗、強度高、質(zhì)量輕和使用舒適等特點，近年來得到了廣泛的應(yīng)用。
　　目前，美國和日本已在法律中作出強制性規(guī)定，中小學(xué)和幼兒園建筑必須采用有機玻璃。隨著我國法律的不斷完善，預(yù)計在不久的將來也會作出相應(yīng)的規(guī)定。同時，我國各地加快了城市建設(shè)步伐，采用有機玻璃制作的街頭標(biāo)志、廣告燈箱和電話亭等也將大量出現(xiàn)，因而有機玻璃發(fā)展空間很大，市場前景十分廣闊。