Pri izbiri stroja za lasersko rezanje keramike mnogi inženirji domnevajo, da večja laserska absorpcija samodejno pomeni lažjo obdelavo. V resnici je učinkovitost laserskega rezanja odvisna od ravnovesja med absorpcijo laserja, toplotno prevodnostjo, toplotnim raztezanjem in odpornostjo proti razpokam.
Čeprav silicijev nitrid (Si₃N₄) absorbira lasersko energijo bolje kot aluminijev oksid (Al₂O₃), ostaja ena najtežjih inženirskih keramik za obdelavo zaradi svoje izjemne občutljivosti na toplotne obremenitve.
Ta članek primerja laserje z vlakni QCW, 355 nm UV nanosekundne laserje in pikosekundne laserje za industrijsko proizvodnjo.
Lastnosti materiala, ki vplivajo na lasersko rezanje
| Lastnina | Aluminijev oksid (Al₂O₃) | Silicijev nitrid (Si₃N₄) | Vpliv na lasersko rezanje |
| Absorpcija 1064 nm | 5–10% | 25–40% | Aluminijev oksid pogosto zahteva absorpcijski premaz; Si₃N₄ absorbira bolje, vendar razvije veliko večjo toplotno obremenitev. |
| 355 nm absorpcije | 40–50% | 50–65% | UV-obdelava je učinkovita za oba materiala, z nekoliko boljšo absorpcijo za Si₃N₄. |
| Toplotno raztezanje | 7–8 ppm/stopino | 2,8–3,3 ppm/stopinjo | Nižja ekspanzija povzroči večjo preostalo napetost in tveganje za razpoke. |
| Toplotna prevodnost | 22–32 W/m·K | 16–22 W/m·K | Si₃N₄ počasneje odvaja toploto, kar povečuje akumulacijo toplote. |
1. Fiber laser QCW 1064 nm
Aluminijev oksid
Zrel proizvodni proces
Široko okno obdelave
Stabilno konturno rezanje
Visoka produktivnost
Glavna omejitev je nizka infrardeča absorpcija, ki se običajno reši z vpojnim premazom pred rezanjem.
Težavnost: ★★☆☆☆
Silicijev nitrid
Čeprav Si₃N₄ bolje absorbira infrardečo svetlobo, je veliko bolj nagnjen k termičnemu razpokanju.
Tipične težave vključujejo:
Skozi-mikrorazpoke debeline
Krušenje robov
Zakasnjeno pokanje
Zmanjšana hitrost rezanja zaradi skeniranja plitve-plasti
Procesno okno je bistveno ožje kot pri aluminijevem oksidu.
Težavnost: ★★★★★
2. 355 nm UV nanosekundni laser
Aluminijev oksid
UV lasersko rezanje je že zrela industrijska rešitev.
Tipične prednosti vključujejo:
Majhna HAZ
Stabilna obdelava mikro{0}}luknjic
Majhno drobljenje
Visok proizvodni donos
Težavnost: ★★☆☆☆
Silicijev nitrid
UV-laserji močno zmanjšajo toplotno škodo, vendar ne morejo popolnoma odpraviti toplotnega stresa.
Industrijska proizvodnja običajno zahteva:
Večja moč laserja (20–30 W)
Plitvo rezanje- z več prehodi
Pomožni dušikov-plin visoke čistosti
Optimizirane strategije hlajenja
V primerjavi z aluminijevim oksidom je čas obdelave običajno 50–100 % daljši.
Težavnost: ★★★★☆
3. Pikosekundni laser
Aluminijev oksid
Pikosekundni laserji zagotavljajo:
Skoraj-nič HAZ
Brez prenovljene plasti
Odlična kakovost robov
Stabilna natančna obdelava
Težavnost: ★★☆☆☆
Silicijev nitrid
Ultrakratki impulzi znatno zmanjšajo nastanek razpok, vendar Si₃N₄ še vedno zahteva:
Nižja impulzna energija
Več prepustnic za skeniranje
Daljši čas obdelave
Učinkovitost proizvodnje na splošno ostaja 30 % nižja od glinice.
Težavnost: ★★★☆☆
Primerjava težavnosti
| Aplikacija | Lažji material |
| QCW konturno rezanje | Al₂O3 |
| UV natančno rezanje | Al₂O3 |
| Vrtanje mikro{0}}lukenj | Al₂O3 |
| Ultra{0}}tanke podlage | Al₂O3 |
| Pikosekundna natančna obdelava | Al₂O₃ (rahlo) |
Zakaj je silicijev nitrid težji?
Največji izziv ni laserska absorpcija.
Namesto tega ima silicijev nitrid več neugodnih lastnosti:
Nižja toplotna prevodnost
Izjemno nizka toplotna razteznost
Visoka preostala toplotna obremenitev
Večja občutljivost na razpoke
Ožje procesno okno
Posledično tudi pri UV ali pikosekundnih laserjih proizvajalci običajno potrebujejo:
Več rezalnih prehodov
Nižja energija na prehod
Močnejše hlajenje
Daljši čas obdelave
Zaradi teh dejavnikov je Si₃N4 bistveno težje obdelati kot aluminijev oksid v množični proizvodnji.
Priporočene laserske rešitve
| Aplikacija | Priporočena rešitev |
| Stroškovno{0}}učinkovito konturno rezanje | 150 W QCW vlakneni laser + aluminijev oksid |
| Natančna mikro{0}}obdelava | 355 nm UV nanosekundni laser |
| Tanke podlage Si₃N₄ | 20–30 W UV laser + več-prehodno rezanje + pomočnik dušika |
| Najvišja zanesljivost Si₃N₄ komponent | 355 nm pikosekundni laser + napredno hlajenje |
Zaključek
Medtem ko silicijev nitrid absorbira lasersko energijo učinkoviteje kot aluminijev oksid, je zaradi slabega odvajanja toplote in izjemno visoke občutljivosti na toplotne obremenitve ena najzahtevnejših keramik za lasersko obdelavo.
Za-industrijsko proizvodnjo z visokim izkoristkom 355 nm UV-laserji ostajajo prednostna rešitev za natančno obdelavo Si₃N₄, medtem ko so QCW laserji z vlakni bolj primerni za visoko{2}}učinkovito obdelavo aluminijevega oksida.
Potrebujete lasersko rešitev za napredno keramiko?
YCLASERje specializirano za natančno lasersko rezanje keramičnih podlag Al₂O₃, Si3N₄, AlN, ZrO₂, SiC, DBC in DPC. Zagotavljamo brezplačno testiranje vzorcev, optimizacijo procesov in prilagojene laserske rešitve za izdelavo prototipov in množično proizvodnjo.Pišite nam, da se pogovorimo o vaši prijavi.
