玻璃與塑料的粘合對于生產功能性部件而言非常重要，因為這些部件需要高透明度和高造型靈活性。典型應用包括室內和室外照明，通過精確的激光成型實現創新的玻璃塑料組合本文翻譯自KUNSTSTOFFEINTERNATIONAL雜志作者：Nam-PhongNguyen，JanSchabel例如：汽車前照燈（圖1）和觸摸操作元件（如顯示屏里的觸摸操作元件）。玻璃的成型能力有限，而塑料對熱和刮擦敏感，只能適應較低的使用溫度和溫度循環。缺點限制了這兩種材料的應用，而這些限制可以通過結合這兩種材料的特定優勢來克服。
通過二氧化碳激光輻射對玻璃樣品進行激光成型：將微結構以1mm的間距引入厚度為3mm的玻璃基板。這一點通過掃描系統實現，該掃描 系統可將激光束多次高速引導至玻璃基板上。受激光束撞擊時，材料蒸發。燒蝕的顆粒可以被看作黃色火焰 ?Fraunhofer ILT
玻璃一般通過粘合劑或粘合促進劑與塑料相結合，但前提是材料是相容的，并且熱膨脹系數不會在高溫下導致嚴重的機械應力問題。由于大多數玻璃不易潤濕，因此即使使用增粘劑，材料組合的數量也有限。它需要特殊的零件設計和復雜的工藝技術。而且，粘合劑的耐老化性也有限。
在德國北萊因-威斯特伐利亞州的HyTraM研究項目中，三個行業合作伙伴共同開發了一種混合制造工藝，可通過精確的激光束在玻璃和塑料之間建立混合連接。該工藝不使用助劑，因此不受上述限制。該兩步法工藝首先將微米和納米級結構引入玻璃，然后通過銩光纖激光器加熱塑料使熔體滲入型腔，從而在兩種材料之間建立連接。基于激光的加工技術的優勢是無接觸和精確的能量導入、結構幾何的高度靈活性以及高度自動化。
玻璃材料的激光成型
通過按規定的入射角構建樣品，在玻璃中產生凹槽。兩種不同的激光源均可用于該工序。利用二氧化碳激光器，掃描系統可將激光束高速引導至玻璃樣品上（標題圖）。憑借檢流計掃描鏡，這里的速度可以達到每秒數米。每次激光脈沖都會燒蝕材料。成型深度和密度可以通過行程量和掃描速度靈活調整。為了增加粘合強度，還可在玻璃樣品上引入多種結構。該工藝的優點是加工時間短，僅需要數秒。但是，需要注意的是，玻璃樣品在成型過程中會變熱。如果結構密度過高，熱應力會導致部件破裂。
圖1 玻璃塑料混合粘接結合了兩種材料的特定優勢。以典型應用汽車前照燈燈為例，它需要高透 明度和造型靈活性 ?Hella
利用超短脈沖（USP）激光源可以避開這些弊端。激光束的強聚焦和15ps（15*10–12s）的短脈沖時間會產生>10W/cm2的局部高強度峰值，它們會立即燒蝕材料。由于脈沖持續時間和材料升華時間短，幾乎察覺不到部件的加熱，因此該技術俗稱“冷燒蝕”。它能夠避免鉆孔處出現微裂紋和剝落，并使鉆孔壁獲得均勻的粗糙度，因此可以實現幾乎無損的工件加工。
圖2 基于激光的玻璃塑料粘合制造分兩道工序——左：激光成型，右：激光連接（來源：ILT， 圖：?Hanser）
USP成型的另一個優點是工藝的高精度。每一次照射都會燒蝕1μm層厚，因此幾乎可以在玻璃上生成任意結構。該工藝在項目過程中經過了改進，可提供極高的可重復性，而可重復性對于塑料玻璃的牢固粘合來說非常關鍵。由于激光脈沖的燒蝕率低，因此與二氧化碳激光成型相比，其加工時間明顯更長，達到了20-30s左右。
利用新的激光波長進行連接
銩光纖激光器被用于后續的連接。該激光器的發射波長為1940nm，發射的激光束在大多數工程聚合物的自然吸收范圍內。這種激光器通常用于透明塑料的透射焊接，因為它可以在不添加吸收促進劑（例如：炭黑）的情況下熔化塑料。其應用一般包括醫療和生物部件，如微流控芯片。在氣動卡盤中，塑料被夾在結構化玻璃樣品的下方，然后它們在高壓下被壓在一起。激光束穿透玻璃樣品并使塑料大面積熔化（圖2）。施加的粘合壓力使塑料熔體流入微結構和納塑料的固化帶來牢固的連接（圖3）。憑借這些結構，僅通過熔融的塑料及其表面的潤濕即可產生高粘附力。該結構以及因此形成的互鎖能夠產生剛性連接。這種方法不需要諸如粘合促進劑或粘合劑等其他材料。除了透明塑料外，還可以加入其他所需的顏色組合，從而為設計師提供了更大的設計自由度。
影響粘接強度的因素
接頭的機械強度不僅取決于塑料的機械性能，而且還取決于結構的密度和方向。結構密度和方向越大，產生的互鎖點越多，粘接強度也更高。但是，余料密度也降低了，而這將再次削弱結構。
圖3 接合后的玻璃塑料混合結構：成型玻璃樣 品（上）與聚碳酸酯平面樣品（下）形成了 牢固的連接。塑料微結構區域（中）10 mm x 20 mm的范圍被照射。由于兩個粘接的部件 具有高透明度，因此肉眼幾乎看不到熔融區域 ?Fraunhofer ILT
強度還取決于結構的方向。通過以相對于入射角的工作角度加工玻璃材料，它能夠在玻璃中產生凹槽（圖4）。由于塑料熔體的粘度很高，因此熔體流動可通過直徑約500μm的孔狀幾何結構來實現。如果凹槽沿相反的方向對齊，那么當塑料玻璃粘接處于負載狀態時，它將導致抗剪力和抗拉力。
結語
與其他接合工藝相比，基于激光的兩步法玻璃塑料連接簡化了工藝流程，直接連接減輕了重量并開辟了新的設計可能。在玻璃中產生微結構實現了兩種材料的互鎖連接。微結構的方向可以靈活調整來滿足部件的載荷要求，從而獲得最佳強度。盡管二氧化碳激光器可用于快速加工，但如果需要高粘接強度，超短脈沖激光源將更為適合，因為它能夠進行精確的燒蝕。
圖4 微結構的顯微圖（俯視圖）：玻璃是通過USP激光 束逐層燒蝕的。與 二氧化碳激光束加工相比，高精度燒蝕可以生成幾乎沒有任何損壞的結構 ?Fraunhofer ILT
未來，演示部件將被生產出來以說明新工藝在工業環境中的適用性。為了確定該工藝，還需進一步提高激光成型過程中的燒蝕率。此外，還需模擬樣品和演示件的包覆成型，包括微結構的填充。目前，通過Cadmould已可進行微觀仿真，但如果要在工業環境中使用，則應在項目范圍內進一步提高預測精度。
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