Při výběru keramického laserového řezacího stroje mnoho inženýrů předpokládá, že vyšší absorpce laseru automaticky znamená snadnější obrábění. Ve skutečnosti závisí výkon laserového řezání na rovnováze mezi absorpcí laseru, tepelnou vodivostí, tepelnou roztažností a odolností proti prasklinám.
Ačkoli nitrid křemíku (Si₃N₄) absorbuje laserovou energii lépe než oxid hlinitý (Al₂O₃), zůstává jednou z nejobtížněji zpracovatelných technických keramik kvůli své extrémní citlivosti na tepelné namáhání.
Tento článek porovnává vláknové lasery QCW, 355 nm UV nanosekundové lasery a pikosekundové lasery pro průmyslovou výrobu.
Vlastnosti materiálu, které ovlivňují řezání laserem
| Vlastnictví | Alumina (Al₂O3) | Nitrid křemíku (Si₃N₄) | Vliv na řezání laserem |
| absorpce 1064 nm | 5–10% | 25–40% | Alumina často vyžaduje absorpční povlak; Si₃N₄ lépe absorbuje, ale vyvíjí mnohem vyšší tepelné namáhání. |
| absorpce 355 nm | 40–50% | 50–65% | UV zpracování je účinné pro oba materiály, s mírně lepší absorpcí Si3N4. |
| Tepelná roztažnost | 7–8 ppm/stupeň | 2,8–3,3 ppm/stupeň | Nižší roztažnost způsobuje vyšší zbytkové napětí a riziko vzniku trhlin. |
| Tepelná vodivost | 22–32 W/m·K | 16–22 W/m·K | Si₃N₄ odvádí teplo pomaleji a zvyšuje akumulaci tepla. |
1. Vláknový laser QCW 1064 nm
Alumina
Zralý výrobní proces
Široké okno pro zpracování
Stabilní obrysové řezání
Vysoká produktivita
Hlavním omezením je nízká absorpce infračerveného záření, která se běžně řeší savým povlakem před řezáním.
Obtížnost: ★★☆☆☆
Nitrid křemíku
Přestože Si₃N₄ lépe absorbuje infračervené světlo, je mnohem náchylnější k tepelnému praskání.
Mezi typické problémy patří:
Prostřednictvím-mikrotrhlin tloušťky
Vylamování hran
Zpožděné praskání
Snížená řezná rychlost díky skenování v mělké{0}}vrstvě
Procesní okno je výrazně užší než u oxidu hlinitého.
Obtížnost: ★★★★★
2. 355 nm UV nanosekundový laser
Alumina
Řezání UV laserem je již vyzrálé průmyslové řešení.
Mezi typické výhody patří:
Malé HAZ
Stabilní obrábění mikro-otvorů
Nízká tříska
Vysoký produkční výnos
Obtížnost: ★★☆☆☆
Nitrid křemíku
UV lasery výrazně snižují tepelné poškození, ale nemohou zcela eliminovat tepelné namáhání.
Průmyslová výroba obvykle vyžaduje:
Vyšší výkon laseru (20–30 W)
Více-průchodové mělké řezání
Vysoce čistý dusík asistující plyn
Optimalizované strategie chlazení
Ve srovnání s oxidem hlinitým je doba zpracování obvykle o 50–100 % delší.
Obtížnost: ★★★★☆
3. Pikosekundový laser
Alumina
Pikosekundové lasery poskytují:
Téměř -nulový HAZ
Žádná přetypovaná vrstva
Vynikající kvalita hran
Stabilní přesné obrábění
Obtížnost: ★★☆☆☆
Nitrid křemíku
Ultrakrátké pulzy výrazně snižují tvorbu trhlin, ale Si₃N₄ stále vyžaduje:
Nižší pulzní energie
Více skenovacích průchodů
Delší doba obrábění
Účinnost výroby obecně zůstává o 30 % nižší než u oxidu hlinitého.
Obtížnost: ★★★☆☆
Srovnání obtížnosti
| Aplikace | Jednodušší materiál |
| QCW obrysové řezání | Al203 |
| Přesné řezání UV | Al203 |
| Mikro{0}}vrtání otvorů | Al203 |
| Ultra-tenké substráty | Al203 |
| Pikosekundové přesné obrábění | Al₂O₃ (mírně) |
Proč je nitrid křemíku obtížnější?
Největší výzvou není laserová absorpce.
Místo toho nitrid křemíku kombinuje několik nepříznivých vlastností:
Nižší tepelná vodivost
Extrémně nízká tepelná roztažnost
Vysoké zbytkové tepelné namáhání
Větší citlivost na trhliny
Užší procesní okno
V důsledku toho i u UV nebo pikosekundových laserů výrobci obvykle potřebují:
Více řezných průchodů
Nižší energie na průchod
Silnější chlazení
Delší doba zpracování
Tyto faktory činí Si3N4 podstatně obtížněji zpracovatelným než oxid hlinitý při hromadné výrobě.
Doporučená laserová řešení
| Aplikace | Doporučené řešení |
| Nákladově-efektivní řezání kontur | 150W Vláknový laser QCW + Alumina |
| Přesné mikro{0}}obrábění | 355 nm UV nanosekundový laser |
| Tenké Si3N4 substráty | 20–30 W UV laser + více-průchodové řezání + asistent dusíku |
| Nejvyšší spolehlivost Si₃N₄ komponenty | 355 nm pikosekundový laser + pokročilé chlazení |
Závěr
Zatímco nitrid křemíku absorbuje laserovou energii efektivněji než oxid hlinitý, jeho špatný odvod tepla a extrémně vysoká citlivost na tepelné namáhání z něj činí jednu z nejnáročnějších keramik pro laserové zpracování.
Pro průmyslovou výrobu s vysokým{0}}výtěžkem zůstávají 355nm UV lasery preferovaným řešením pro přesné obrábění Si₃N₄, zatímco vláknové lasery QCW jsou vhodnější pro vysoce-účinné zpracování oxidu hlinitého.
Potřebujete laserové řešení pro pokročilou keramiku?
YCLASERse specializuje na přesné laserové řezání keramických substrátů Al₂O₃, Si₃N₄, AlN, ZrO₂, SiC, DBC a DPC. Poskytujeme bezplatné testování vzorků, optimalizaci procesů a přizpůsobená laserová řešení pro prototypování i hromadnou výrobu.Kontaktujte nás pro projednání vaší žádosti.
