本發(fā)明涉及激光加工領(lǐng)域，具體而言，涉及針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光雕刻加工是激光系統(tǒng)最常用的應(yīng)用。根據(jù)激光束與材料相互作用的機理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程，包括激光焊接、激光雕刻切割、表面改性、激光鐳射打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等；光化學(xué)反應(yīng)加工是指激光束照射到物體，借助高密度激光高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程。包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光雕刻刻蝕等。
激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度，靠光熱效應(yīng)來加工的。激光加工不需要工具、加工速度快、表面變形小，可加工各種材料。用激光束對材料進行各種加工，如打孔、切割、劃片、焊接、熱處理等。某些具有亞穩(wěn)態(tài)能級的物質(zhì)，在外來光子的激發(fā)下會吸收光能，使處于高能級原子的數(shù)目大于低能級原子的數(shù)目——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，若有一束光照射，光子的能量等于這兩個能相對應(yīng)的差，這時就會產(chǎn)生受激輻射，輸出大量的光能。
在激光加工領(lǐng)域，用高精度和高質(zhì)量的玻璃或水晶等脆性材料制成的二維或三維工件，如藍寶石或陶瓷等，是一個挑戰(zhàn)，也是一個技術(shù)難點。
制造商、加工商現(xiàn)在越來越多地使用三維的消費電子設(shè)備的脆性材料制成的三維基板和切割的基板，以滿足所需的工業(yè)設(shè)計要求。處理這些基板上的激光系統(tǒng)是具有挑戰(zhàn)性的。雖然已經(jīng)取得了一些嘗試的成果，但依舊沒有人能夠很好的處理這些材料，特別是在提高質(zhì)量或避免過大損耗上采取措施。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)，以提高激光加工效率。
第一方面，本發(fā)明實施例提供了針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)，包括基板，所述基板的材料為透明材質(zhì)；
在所述基板上設(shè)置有不透明的圖層，用于直接暴露于激光射線中；
所述不透明的圖層能夠明顯的吸收或散射入射激光的能量。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，所述不透明圖層在所述基板的表面，工作時，一個清晰的軌跡將被暴露在暴露區(qū)域內(nèi)的切線。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，預(yù)先根據(jù)被加工的材料的厚度和目標(biāo)的數(shù)值孔徑，計算所述軌跡的軌道規(guī)格。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，若零部件減少單獨運行時，基板的大小為大于或等于0.5mm，從剪線多余材料計算；
若從一個較大的單頁材料到幾個部分的削減，那么單個零件的設(shè)計必須為核算在基板的大小中。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，切割線應(yīng)位于表面。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第五種可能的實施方式，其中，多軸配置系統(tǒng)能保證零件，定位于激光束的激光束入射到90°±10°切割線的表面。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第六種可能的實施方式，其中，若基板為曲面，則激光束在凸表面發(fā)生。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第七種可能的實施方式，其中，若設(shè)計被限制的部分是從凹表面被切割，則光功率的光束路徑中的所有光學(xué)元件的組合中，需要處理的部分必須保持積極。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第八種可能的實施方式，其中，所述系統(tǒng)中的零件均為一次性零件。
結(jié)合第一方面，本發(fā)明實施例提供了第一方面的第九種可能的實施方式，其中，所述系統(tǒng)中的設(shè)計規(guī)格需要滿足一下的一種或多種條件，
尺寸精度–≤±15μM；
芯片尺寸≤100μ；
切割表面粗糙度≤1.5μ；
有效直線進給率≥10mm/s；
CPK≥1.3。
本發(fā)明實施例提供的針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)，采用結(jié)構(gòu)型設(shè)計的改進，與現(xiàn)有技術(shù)中的沒有人能夠很 好的處理這些材料，特別是在提高質(zhì)量或避免過大損耗上采取措施相比，其通過提供了針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)包括基板，所述基板的材料為透明材質(zhì)；在所述基板上設(shè)置有不透明的圖層，用于直接暴露于激光射線中；所述不透明的圖層能夠明顯的吸收或散射入射激光的能量。使得進行加工的時候能夠在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上提高效率和可靠性。
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，并配合所附附圖，作詳細說明如下。
附圖說明
為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本發(fā)明的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。
圖1示出了本發(fā)明實施例所提供的針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。
圖中，1，圖層；2，基板。
具體實施方式
下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發(fā)明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。因此， 以下對在附圖中提供的本發(fā)明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發(fā)明的范圍，而是僅僅表示本發(fā)明的選定實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
制造業(yè)大多數(shù)使用的是數(shù)控的，有線鋸的和研磨車床的組合來制造這些零件。這個過程是緩慢的，并且需要多個步驟來制造零件，同時一個正常的工廠可能需要幾百臺機器來處理零件。這種方法是昂貴的，屬于勞動密集型加工生產(chǎn)。
其中，激光切割是利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加熱至汽化溫度，蒸發(fā)形成孔洞，隨著光束對材料的移動，孔洞連續(xù)形成寬度很窄的(如0.1mm左右)切縫，完成對材料的切割。
激光切割設(shè)備的價格相當(dāng)貴，約150萬元以上。隨著眼前儲罐行業(yè)的不斷發(fā)展，越來越多的行業(yè)和企業(yè)運用到了儲罐，越來越多的企業(yè)進入到了儲罐行業(yè)。但是，由于降低了后續(xù)工藝處理的成本，所以在大生產(chǎn)中采用這種設(shè)備還是可行的。
由于沒有刀具加工成本，所以激光切割設(shè)備也適用生產(chǎn)小批量的原先不能加工的各種尺寸的部件。激光切割設(shè)備通常采用計算機化數(shù)字控制技術(shù)(CNC)裝置。采用該裝置后，就可以利用電話線從計算機輔助設(shè)計(CAD)工作站來接受切割數(shù)據(jù)。
激光切割是利用經(jīng)聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質(zhì)，從而實現(xiàn)將工件割開。激光切割屬于熱切割方法之一。
激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。
1)激光汽化切割
利用高能量密度的激光束加熱工件，使溫度迅速上升，在非常短的時間內(nèi)達到材料的沸點，材料開始汽化，形成蒸氣。這些蒸氣的噴出速度很大，在蒸氣噴出的同時，在材料上形成切口。材料的汽化熱一般很大，所以激光汽化切割時需要很大的功率和功率密度。
激光汽化切割多用于極薄金屬材料和非金屬材料(如紙、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。
2)激光熔化切割
激光熔化切割時，用激光加熱使金屬材料熔化，然后通過與光束同軸的噴嘴噴吹非氧化性氣體(Ar、He、N等)，依靠氣體的強大壓力使液態(tài)金屬排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金屬完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。
激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金屬的切割，如不銹鋼、鈦、鋁及其合金等。
3)激光氧氣切割
激光氧氣切割原理類似于氧乙炔切割。它是用激光作為預(yù)熱熱源，用氧氣等活性氣體作為切割氣體。噴吹出的氣體一方面與切割金屬作用，發(fā)生氧化反應(yīng)，放出大量的氧化熱；另一方面把熔融的氧化物和熔化物從反應(yīng)區(qū)吹出，在金屬中形成切口。由于切割過程中的氧化反應(yīng)產(chǎn)生了大量的熱，所以激光氧氣切割所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度遠遠大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧氣切割主要用于碳鋼、鈦鋼以及熱處理鋼等易氧化的金屬材料。
4)激光劃片與控制斷裂
激光劃片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面進行掃描，使材料受熱蒸發(fā)出一條小槽，然后施加一定的壓力，脆性材料就會沿小槽處裂開。激光劃片用的激光器一般為Q開關(guān)激光器和CO2激光器。
控制斷裂是利用激光刻槽時所產(chǎn)生的陡峭的溫度分布，在脆性材料中產(chǎn)生局部熱應(yīng)力，使材料沿小槽斷開。
一些制造商已經(jīng)嘗試使用上述激光切割這些零件的機器。這些機器通常只能切割二維零件，質(zhì)量低。在基板成型過程中建立和實施的設(shè)計規(guī)則很少，以確保零件與激光加工機兼容。此外，目前在這些機器中創(chuàng)建的零件，必須經(jīng)過研磨加工，以達到所需的尺寸公差和質(zhì)量。
為了克服這些限制，并建立一個有效的制造計劃，用于處理這些基板上的激光機，我們已經(jīng)定義了幾個設(shè)計規(guī)則，實施時，顯著降低成本和提高生產(chǎn)率的激光加工。
激光系統(tǒng)設(shè)計制造部分由非晶,微晶體或單晶材料脆性材料。原材料(基質(zhì))的形式輸入到系統(tǒng)通常在所需的材料厚度的平板(2d)或材料形狀創(chuàng)建通過增長過程或通過形成平面材料的形狀通過成型工藝(3d)，在準(zhǔn)備部分要被切割的機器中，有幾個設(shè)計規(guī)則，實施細節(jié)如下，即，本申請所提供的針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)，包括基板，所述基板的材料為透明材質(zhì)；
在所述基板2上設(shè)置有不透明的圖層1，用于直接暴露于激光射線中；
所述不透明的圖層1能夠明顯的吸收或散射入射激光的能量。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，
所述不透明圖層1在所述基板2的表面，工作時，一個清晰的軌跡將被暴露在暴露區(qū)域內(nèi)的切線。
優(yōu)選的，預(yù)先根據(jù)被加工的材料的厚度和目標(biāo)的數(shù)值孔徑，計算所述軌跡的軌道規(guī)格。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，若零部件減少單獨運行時，則基板2的大小為大于或等于0.5mm，從剪線多余材料計算；
若從一個較大的單頁材料到幾個部分的削減，那么單個零件的設(shè)計必須為核算在基板2的大小中。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，
切割線應(yīng)位于表面。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，
多軸配置系統(tǒng)能保證零件，定位于激光束的激光束入射到90°±10°切割線的表面。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，
若基板2為曲面，則激光束在凸表面發(fā)生。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，
若設(shè)計被限制的部分是從凹表面被切割，則光功率的光束路徑中的所有光學(xué)元件的組合中，需要處理的部分必須保持積極。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，
所述系統(tǒng)中的零件均為一次性零件。
優(yōu)選的，針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)中，
所述系統(tǒng)中的設(shè)計規(guī)格需要滿足一下的一種或多種條件，
尺寸精度–≤±15μM；
芯片尺寸≤100μ；
切割表面粗糙度≤1.5μ；
有效直線進給率≥10mm/s；
CPK≥1.3。
具體設(shè)計時可分為兩種情況，分別是二維基底和三維基底，
二維基底的情況下，
1，該系統(tǒng)中的基板材料是透明的；
2，在基板的表面上沒有不透明的涂層，直接暴露于激光；
3，表面接觸到激光的材料表面的涂層是確定的；
4，任何涂層的光學(xué)性質(zhì)和襯底的表面粗糙度是這樣的，存在明顯的吸收或散射的入射激光能量；
5，如果一個不透明涂層在整個基體上，一個清晰的軌跡將被暴露在暴露區(qū)域內(nèi)的切線。軌道的最小寬度計算從目標(biāo)的數(shù)值孔徑和被加工的脆性材料的厚度。比如，如果被加工的材料是0.7mm厚玻璃和最終目標(biāo)的數(shù)值孔徑為0.7，軌道的大小應(yīng)～0.5mm；
6，多層的二維材料可以疊加和切割，無論是單獨或同時；
如果零部件減少單獨運行時，基板的大小為，有≥0.5mm從剪線多余材料計算。
如果從一個較大的單頁材料到幾個部分的削減，那么單個零件的設(shè)計必須為核算在內(nèi)。
三維基板的情況下，(除了二維基板的設(shè)計規(guī)則還包括如下規(guī)則)。
1，襯底必須準(zhǔn)備為二維襯底定義。必須遵循以下附加的設(shè)計規(guī)則；
2，切割線應(yīng)位于表面，多軸配置系統(tǒng)能保證零件，定位于激光束的激光束入射到90°±10°切割線的表面。該零件必須設(shè)計以適應(yīng)這種加工要求；
3，對于曲面，激光束更傾向于在凸表面發(fā)生。這可能需要部分被削減；
4，如果設(shè)計被限制這樣的部分是從凹表面被切割，光功率的光束路徑中的所有光學(xué)元件的組合，包括必須處理的部分必須保持積極；
5，零件通常被處理，一次；
6，在某些情況下，可以從一個較大的基板上成型，同時或按順序處理。在這種情況下，每一個單獨的部分在大的基板，必須設(shè)計為描述。
本申請上述內(nèi)容所提供的針對二維和三維脆性材料基板進行加工的激光系統(tǒng)，針對加工脆性材料的行業(yè)正在尋求解決方案,不僅可以節(jié)省成本,而且將大大提高質(zhì)量和生產(chǎn)率。由于更高的精度使得激光系統(tǒng)通常是首選。無數(shù)次實驗和改進,但從來沒有人能夠開發(fā)出激光過程并且有效的控制成本。當(dāng)前激光技術(shù)需要大量的后期處理,完全違背了在基質(zhì)激光切割應(yīng)用的目的。
我們已經(jīng)定義的設(shè)計規(guī)則，激光機器可以處理這些材料并且具有高質(zhì)量和高生產(chǎn)率的應(yīng)用過程。已制定的設(shè)計規(guī)則，并創(chuàng)建了一個標(biāo)準(zhǔn)的高質(zhì)量激光切割行業(yè)的制造與應(yīng)用推廣。典型的性能體現(xiàn)從而可以實現(xiàn)，以下是這些設(shè)計規(guī)則，包括：尺寸精度–≤±15μM；芯片尺寸≤100μ；切割表面粗糙度≤1.5μ；有效直線進給率≥10mm/s；CPK≥1.3。
以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。