本文刊登于《激光制造商情》2014年10月刊
藍寶石是目前應用廣泛的一種材料，其同時具有耐劃傷、耐沖擊與柔性的各種性能。藍寶石長期以來用于制作手表保護玻璃或相機鏡頭的防護玻璃罩和濾光玻璃，現在其也越來越多地應用于制作手機屏幕。藍寶石玻璃由無色的合成剛玉板（即采用熔融氧化鋁生產的多種礦物質）構成。事實上，嚴格說來藍寶石并不是一種玻璃，因其并不具備玻璃質的無定形結構，而是一種晶體結構。由于其莫氏硬度為9，藍寶石在所有透明材料中硬度排名第二，僅次于鉆石。
由于藍寶石獨有的特性，與通常用于顯示器行業的化學強化玻璃相比，更具優勢。藍寶石材料硬度高但易碎，因此只有借助先進的激光加工技術,才可有效地應用于批量生產。為此,來自于德國羅伊特林根的高科技設備制造商Manz集團根據客戶需求已經成功研發出兩種獨特的工藝流程，這兩項工藝各自優勢在于：采用微秒級短脈沖激光器的“熱”激光束切割;采用超短脈沖“冷”激光加工法(所謂超短脈沖激光器的脈沖持續時間只有幾個皮秒)。“冷”激光加工能夠提供更好的斷面質量，但是它們通常比用于熱激光切割藍寶石、能夠產生高達300W的平均輸出功率的光纖激光器更昂貴。
說明：用激光束切割脆性材料時，材料會在相互作用區域內熔化，需借助工藝氣體從切邊移除。
無微裂紋，無崩邊
“熱”激光切割適用于切割蓋板玻璃的外輪廓和內輪廓，比如用于安裝相機、LED或揚聲器的孔。通常情況下，玻璃基底厚度不超過1毫米，切割后經過拋光減薄，最終厚度在600-800微米之間。在這種情況下，切割就是一種熔化的過程：通過將能量傳遞到接觸面的方式來熔化加工材料，在相對高壓氣體的作用下，熔體從相互作用區吹出來。如此一來，在切邊上不會有熔體殘留，再次冷卻固化而損害切邊質量。使用“熱”激光工藝加工藍寶石時，藍寶石不會產生微裂紋或崩邊。該法提高了藍寶石切割的強度和耐彎性。
使用“熱”切割工藝時，可以使用多種惰性氣體：這樣，就可以隔絕氧氣，從而對邊緣性質產生積極的影響。根據客戶需求，可以靈活配置脈沖寬度、氣體、壓力、速度以及工藝重復（即“加工”的次數）等參數。雖然切割的結果會有所不同，但切邊有一個共同點：它們都呈90度直角。
Manz集團研發出的激光系統可最多同時使用四個激光，因此可同時處理四個基底——最大切割速度達每秒50毫米。這種并行運行模式顯著了提高了實際的激光操作時間，與其他系統相比，采用這種模式的Manz系統的生產量更高。激光頭和基底沿垂直方形配合移動，從而能夠切割各種二維幾何形狀。
說明：一個激光系統采用多個激光頭，因此，能夠達到最大的生產效率，優化了操作時間。
可獲得白色斷面的超短脈激光
使用皮秒級激光對藍寶石玻璃進行“冷”加工時，所切割的材料不是被熔化而是被氣化了。由于脈沖持續時間非常短，產生的脈沖峰值能量非常高，才使得氣化得以實現。激光切割頭采用永久式安裝，不再沿線性軸移動。激光束通過高速振鏡轉移。除此之外，皮秒級激光不再以光纖傳輸，而是利用反射鏡片進行自由光路傳輸。
與采用熱激光光束相比,采用皮秒級激光的“冷”加工方法，可獲得更高的切邊質量，同時邊緣的粗糙度更低。盡管熱切割的產量可能更高，但為了滿足質量要求，必要時仍需對其產生的黑色斷面進行費力的打磨。這正是皮秒級激光器的主要優勢所在：盡管其加工速度在一定程度上低于“熱”激光束切割的速度，但能直接提高白色切邊的質量，并降低其粗糙度。由此，之后的打磨將變得為輕松了（如果有必要打磨的話）。雖然皮秒級激光器的購置成本比光纖激光器更高,但是除了能夠得到更好的邊緣質量，這種超短脈沖激光器還具有更多其他優勢，這些優勢更證明了它的物超所值：微秒級激光器加工的切割面有一個傾斜面或“錐度”，一般不超過10度。這提高了顯示屏幕的強度。利用高斯強度分布，可輕松從邊緣上移除的強度不同的材料。
客戶所期望的、能夠提高顯示屏強度的另一種技術要求是對接觸面進行的倒角處理——對斷面進行的局部倒角處理，如以45度角削掉30-50毫米（深度）的材料。同樣，只有皮秒級激光器才能實現這種倒角處理——由工藝參數設置而定。即便有鍍膜的藍寶石基底，皮秒級激光器仍能對其進行切割，因為這皮秒級激光器只會對表面造成極小的損傷。采用“熱”切割工藝對帶有鍍膜的材料進行干凈利落的切割是不可行的，因為表面會被熔化，膜層也會因此受損。
長期以來，如何采用藍寶石基底來制作智能手機的防護蓋板,一直是困擾業界的一大技術難題。而現在,Manz集團向客戶提供了兩種而不是一種可能的激光工藝,在解決這一技術難題的同時,更能為客戶實現生產成本的降低。客戶可以從中選擇更合適的工藝來滿足生產過程中特定需求，以達到他們的預期——這也是Manz集團的工程師們致力于為客戶解決的問題。
說明：根據所選擇的工藝，您既可以選擇質量更好的白色切邊，也可以選擇質量稍低的黑色切邊進行激光切割。
作者：
Dmitrij Walter博士，Manz AG
Dmitrij Walter 博士是位于德國羅伊特林根市的Manz AG激光與光學器件研發部的主管。他在斯圖加特大學射線工具研究院獲得激光工藝研發博士學位。
Branislav Urban，Manz AG
Branislav Urban在Walter博士的研發小組里擔任工藝工程師，專攻激光消融、鉆孔和切割領域。他是一位電氣工程師，持有斯洛伐克特倫頓大學的學位證書。
聯系人: Dr. Dmitrij Walter，Manz AG
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