A kerámia lézervágó gép kiválasztásakor sok mérnök azt feltételezi, hogy a nagyobb lézerabszorpció automatikusan könnyebb megmunkálást jelent. Valójában a lézeres vágási teljesítmény a lézerelnyelés, a hővezető képesség, a hőtágulás és a repedésállóság közötti egyensúlytól függ.
Bár a szilícium-nitrid (Si3N4) jobban nyeli el a lézerenergiát, mint az alumínium-oxid (Al2O3), továbbra is az egyik legnehezebben feldolgozható mérnöki kerámia, mivel rendkívül érzékeny a hőterhelésre.
Ez a cikk összehasonlítja a QCW szálas lézereket, a 355 nm-es UV nanoszekundumos lézereket és az ipari gyártáshoz használt pikoszekundumos lézereket.
A lézeres vágást befolyásoló anyagtulajdonságok
| Ingatlan | Alumínium-oxid (Al2O3) | Szilícium-nitrid (Si3N4) | Hatás a lézeres vágásra |
| 1064 nm abszorpció | 5–10% | 25–40% | Az alumínium-oxid gyakran nedvszívó bevonatot igényel; A Si3N4 jobban felszívódik, de sokkal nagyobb hőfeszültséget fejleszt ki. |
| 355 nm abszorpció | 40–50% | 50–65% | Az UV feldolgozás mindkét anyag esetében hatékony, a Si3N4 esetében valamivel jobb abszorpció. |
| Hőtágulás | 7-8 ppm/fok | 2,8-3,3 ppm/fok | Az alacsonyabb tágulás nagyobb maradékfeszültséget és repedésveszélyt okoz. |
| Hővezetőképesség | 22–32 W/m·K | 16–22 W/m·K | A Si3N4 lassabban vezeti el a hőt, növelve a hőfelhalmozódást. |
1. QCW 1064 nm Fiber Laser
Alumínium-oxid
Érett gyártási folyamat
Széles feldolgozási ablak
Stabil kontúrvágás
Magas termelékenység
A fő korlát az alacsony infravörös elnyelés, amelyet általában a vágás előtt abszorpciós bevonattal oldanak meg.
Nehézségi fok: ★★☆☆☆
Szilícium-nitrid
Bár a Si3N4 jobban nyeli el az infravörös fényt, sokkal hajlamosabb a termikus repedésre.
A tipikus problémák a következők:
Vastagsági mikrorepedéseken keresztül-
Élek forgácsolása
Késleltetett repedés
Csökkentett vágási sebesség a sekély{0}}réteg-szkennelés miatt
Az eljárási ablak lényegesen szűkebb, mint az alumínium-oxid esetében.
Nehézségi fok: ★★★★★
2. 355 nm UV-nanoszekundumos lézer
Alumínium-oxid
Az UV lézervágás már kiforrott ipari megoldás.
A tipikus előnyök közé tartozik:
Kis HAZ
Stabil mikro{0}}furatok megmunkálása
Alacsony forgácsolás
Magas termelési hozam
Nehézségi fok: ★★☆☆☆
Szilícium-nitrid
Az UV lézerek nagymértékben csökkentik a hőkárosodást, de nem tudják teljesen megszüntetni a hőterhelést.
Az ipari termelés általában megköveteli:
Nagyobb lézerteljesítmény (20-30 W)
Több-menetes sekély vágás
Nagy-tisztaságú nitrogén segédgáz
Optimalizált hűtési stratégiák
Az alumínium-oxiddal összehasonlítva a feldolgozási idő jellemzően 50-100%-kal hosszabb.
Nehézségi fok: ★★★★☆
3. Picoszekundumos lézer
Alumínium-oxid
A pikoszekundumos lézerek:
Közel{0}}nulla HAZ
Nincs átdolgozott réteg
Kiváló élminőség
Stabil precíziós megmunkálás
Nehézségi fok: ★★☆☆☆
Szilícium-nitrid
Az ultrarövid impulzusok jelentősen csökkentik a repedésképződést, de a Si₃N₄ továbbra is megköveteli:
Alacsonyabb impulzusenergia
Több szkennelési pass
Hosszabb megmunkálási idő
A gyártási hatékonyság általában 30%-kal alacsonyabb, mint az alumínium-oxidnál.
Nehézségi fok: ★★★☆☆
Nehézségi összehasonlítás
| Alkalmazás | Könnyebb Anyag |
| QCW kontúrvágás | Al2O3 |
| UV precíziós vágás | Al2O3 |
| Mikro-lyukfúrás | Al2O3 |
| Ultra-vékony felületek | Al2O3 |
| Picoszekundumos precíziós megmunkálás | Al2O3 (enyhén) |
Miért nehezebb a szilícium-nitrid?
A legnagyobb kihívás nem a lézerabszorpció.
Ehelyett a szilícium-nitrid számos kedvezőtlen tulajdonságot kombinál:
Alacsonyabb hővezető képesség
Rendkívül alacsony hőtágulás
Magas maradék hőfeszültség
Nagyobb repedésérzékenység
Szűkebb folyamatablak
Ennek eredményeként a gyártóknak általában még UV vagy pikoszekundumos lézereknél is szükségük van:
Több vágási menet
Alacsonyabb energia menetenként
Erősebb hűtés
Hosszabb feldolgozási idő
Ezek a tényezők jelentősen megnehezítik a Si3N4 feldolgozását, mint az alumínium-oxid tömeggyártásban.
Ajánlott lézeres megoldások
| Alkalmazás | Ajánlott megoldás |
| Költséghatékony{0}}kontúrvágás | 150 W QCW Fiber Laser + Alumina |
| Precíziós mikro{0}}megmunkálás | 355 nm UV nanoszekundumos lézer |
| Vékony Si3N4 szubsztrátok | 20–30 W UV lézer + több-menetes vágás + nitrogén asszisztens |
| A legnagyobb megbízhatóságú Si₃N₄ alkatrészek | 355 nm-es pikoszekundumos lézer + fejlett hűtés |
Következtetés
Míg a szilícium-nitrid hatékonyabban nyeli el a lézerenergiát, mint az alumínium-oxid, gyenge hőelvezetése és rendkívül magas hőterhelési érzékenysége miatt a lézeres feldolgozás egyik legnagyobb kihívást jelentő kerámiája.
A nagy hozamú ipari gyártáshoz a 355 nm-es UV lézerek továbbra is a precíziós Si₃N₄ megmunkálási megoldások, míg a QCW szálas lézerek jobban megfelelnek a nagy-hatékonyságú timföldfeldolgozásnak.
Lézeres megoldásra van szüksége a fejlett kerámiákhoz?
YCLASERAl2O3, Si3N4, AlN, ZrO2, SiC, DBC és DPC kerámia hordozók precíziós lézeres vágására specializálódott. Ingyenes mintatesztelést, folyamatoptimalizálást és testreszabott lézeres megoldásokat kínálunk mind prototípus-, mind tömeggyártáshoz.Lépjen kapcsolatba velünk, hogy megbeszéljük jelentkezését.
