玻璃與塑料的粘合對于生產(chǎn)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(yīng)用包括室內(nèi)和室外照明，通過精確的激光成型實現(xiàn)創(chuàng)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(yīng)較低的使用溫度和溫度循環(huán)。缺點限制了這兩種材料的應(yīng)用，而這些限制可以通過結(jié)合這兩種材料的特定優(yōu)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(jié)構(gòu)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(tǒng)實現(xiàn)，該掃描 系統(tǒng)可將激光束多次高速引導(dǎo)至玻璃基板上。受激光束撞擊時，材料蒸發(fā)。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(jié)合，但前提是材料是相容的，并且熱膨脹系數(shù)不會在高溫下導(dǎo)致嚴(yán)重的機械應(yīng)力問題。由于大多數(shù)玻璃不易潤濕，因此即使使用增粘劑，材料組合的數(shù)量也有限。它需要特殊的零件設(shè)計和復(fù)雜的工藝技術(shù)。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(yè)合作伙伴共同開發(fā)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(jié)構(gòu)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(shù)的優(yōu)勢是無接觸和精確的能量導(dǎo)入、結(jié)構(gòu)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(guī)定的入射角構(gòu)建樣品，在玻璃中產(chǎn)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(tǒng)可將激光束高速引導(dǎo)至玻璃樣品上（標(biāo)題圖）。憑借檢流計掃描鏡，這里的速度可以達(dá)到每秒數(shù)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(diào)整。為了增加粘合強度，還可在玻璃樣品上引入多種結(jié)構(gòu)。該工藝的優(yōu)點是加工時間短，僅需要數(shù)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(jié)構(gòu)密度過高，熱應(yīng)力會導(dǎo)致部件破裂。
圖1 玻璃塑料混合粘接結(jié)合了兩種材料的特定優(yōu)勢。以典型應(yīng)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(chǎn)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(xù)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(shù)俗稱“冷燒蝕”。它能夠避免鉆孔處出現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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(jié)構(gòu)。該工藝在項目過程中經(jīng)過了改進，可提供極高的可重復(fù)性，而可重復(fù)性對于塑料玻璃的牢固粘合來說非常關(guān)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(dá)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(xù)的連接。該激光器的發(fā)射波長為1940nm，發(fā)射的激光束在大多數(shù)工程聚合物的自然吸收范圍內(nèi)。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(yīng)用一般包括醫(yī)療和生物部件，如微流控芯片。在氣動卡盤中，塑料被夾在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)和納塑料的固化帶來牢固的連接（圖3）。憑借這些結(jié)構(gòu)，僅通過熔融的塑料及其表面的潤濕即可產(chǎn)生高粘附力。該結(jié)構(gòu)以及因此形成的互鎖能夠產(chǎn)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(shè)計師提供了更大的設(shè)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(jié)構(gòu)的密度和方向。結(jié)構(gòu)密度和方向越大，產(chǎn)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(jié)構(gòu)。
圖3 接合后的玻璃塑料混合結(jié)構(gòu)：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(jié)構(gòu)區(qū)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(qū)域 ?Fraunhofer ILT
強度還取決于結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。如果凹槽沿相反的方向?qū)R，那么當(dāng)塑料玻璃粘接處于負(fù)載狀態(tài)時，它將導(dǎo)致抗剪力和抗拉力。
結(jié)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(shè)計可能。在玻璃中產(chǎn)生微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了兩種材料的互鎖連接。微結(jié)構(gòu)的方向可以靈活調(diào)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) ?Fraunhofer ILT
未來，演示部件將被生產(chǎn)出來以說明新工藝在工業(yè)環(huán)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(jié)構(gòu)的填充。目前，通過Cadmould已可進行微觀仿真，但如果要在工業(yè)環(huán)境中使用，則應(yīng)在項目范圍內(nèi)進一步提高預(yù)測精度。
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