玻璃塑料连接的激光工艺创新！

       玻璃与塑料的粘合对于生产功能性部件而言非常重要，因为这些部件需要高透明度和高造型灵活性。典型应用包括室内和室外照明，通过精确的激光成型实现创新的玻璃塑料组合。例如：汽车前照灯（图1）和触摸操作元件（如显示屏里的触摸操作元件）。玻璃的成型能力有限，而塑料对热和刮擦敏感，只能适应较低的使用温度和温度循环。缺点限制了这两种材料的应用，而这些限制可以通过结合这两种材料的特定优势来克服。

图1 玻璃塑料混合粘接结合了两种材料的特定优势。以典型应用汽车前照灯灯为例，它需要高透 明度和造型灵活性 ©Hella

       通过二氧化碳激光辐射对玻璃样品进行激光成型：将微结构以1mm的间距引入厚度为3mm的玻璃基板。这一点通过扫描系统实现，该扫描 系统可将激光束多次高速引导至玻璃基板上。受激光束撞击时，材料蒸发。烧蚀的颗粒可以被看作黄色火焰 。

       玻璃一般通过粘合剂或粘合促进剂与塑料相结合，但前提是材料是相容的，并且热膨胀系数不会在高温下导致严重的机械应力问题。由于大多数玻璃不易润湿，因此即使使用增粘剂，材料组合的数量也有限。它需要特殊的零件设计和复杂的工艺技术。而且，粘合剂的耐老化性也有限。

玻璃材料的激光成型

       通过按规定的入射角构建样品，在玻璃中产生凹槽。两种不同的激光源均可用于该工序。利用二氧化碳激光器，扫描系统可将激光束高速引导至玻璃样品上（标题图）。凭借检流计扫描镜，这里的速度可以达到每秒数米。每次激光脉冲都会烧蚀材料。成型深度和密度可以通过行程量和扫描速度灵活调整。为了增加粘合强度，还可在玻璃样品上引入多种结构。该工艺的优点是加工时间短，仅需要数秒。但是，需要注意的是，玻璃样品在成型过程中会变热。如果结构密度过高，热应力会导致部件破裂。

       利用超短脉冲（USP）激光源可以避开这些弊端。激光束的强聚焦和15ps（15*10–12s）的短脉冲时间会产生>10W/cm²的局部高强度峰值，它们会立即烧蚀材料。由于脉冲持续时间和材料升华时间短，几乎察觉不到部件的加热，因此该技术俗称“冷烧蚀”。它能够避免钻孔处出现微裂纹和剥落，并使钻孔壁获得均匀的粗糙度，因此可以实现几乎无损的工件加工。

图2 基于激光的玻璃塑料粘合制造分两道工序——左：激光成型，右：激光连接（来源：ILT， 图：©Hanser）

       USP成型的另一个优点是工艺的高精度。每一次照射都会烧蚀1μm层厚，因此几乎可以在玻璃上生成任意结构。该工艺在项目过程中经过了改进，可提供极高的可重复性，而可重复性对于塑料玻璃的牢固粘合来说非常关键。由于激光脉冲的烧蚀率低，因此与二氧化碳激光成型相比，其加工时间明显更长，达到了20-30s左右。

利用新的激光波长进行连接

       铥光纤激光器被用于后续的连接。该激光器的发射波长为1940nm，发射的激光束在大多数工程聚合物的自然吸收范围内。这种激光器通常用于透明塑料的透射焊接，因为它可以在不添加吸收促进剂（例如：炭黑）的情况下熔化塑料。其应用一般包括医疗和生物部件，如微流控芯片。在气动卡盘中，塑料被夹在结构化玻璃样品的下方，然后它们在高压下被压在一起。激光束穿透玻璃样品并使塑料大面积熔化（图2）。施加的粘合压力使塑料熔体流入微结构和纳塑料的固化带来牢固的连接（图3）。凭借这些结构，仅通过熔融的塑料及其表面的润湿即可产生高粘附力。该结构以及因此形成的互锁能够产生刚性连接。这种方法不需要诸如粘合促进剂或粘合剂等其他材料。除了透明塑料外，还可以加入其他所需的颜色组合，从而为设计师提供了更大的设计自由度。

图3 接合后的玻璃塑料混合结构：成型玻璃样 品（上）与聚碳酸酯平面样品（下）形成了 牢固的连接。塑料微结构区域（中）10 mm x 20 mm的范围被照射。由于两个粘接的部件 具有高透明度，因此肉眼几乎看不到熔融区域 ©Fraunhofer ILT

影响粘接强度的因素

       接头的机械强度不仅取决于塑料的机械性能，而且还取决于结构的密度和方向。结构密度和方向越大，产生的互锁点越多，粘接强度也更高。但是，余料密度也降低了，而这将再次削弱结构。

图4 微结构的显微图（俯视图）：玻璃是通过USP激光 束逐层烧蚀的。与 二氧化碳激光束加工相比，高精度烧蚀可以生成几乎没有任何损坏的结构 ©Fraunhofer ILT

       强度还取决于结构的方向。通过以相对于入射角的工作角度加工玻璃材料，它能够在玻璃中产生凹槽（图4）。由于塑料熔体的粘度很高，因此熔体流动可通过直径约500μm的孔状几何结构来实现。如果凹槽沿相反的方向对齐，那么当塑料玻璃粘接处于负载状态时，它将导致抗剪力和抗拉力。

结语

       与其他接合工艺相比，基于激光的两步法玻璃塑料连接简化了工艺流程，直接连接减轻了重量并开辟了新的设计可能。在玻璃中产生微结构实现了两种材料的互锁连接。微结构的方向可以灵活调整来满足部件的载荷要求，从而获得最佳强度。尽管二氧化碳激光器可用于快速加工，但如果需要高粘接强度，超短脉冲激光源将更为适合，因为它能够进行精确的烧蚀。

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