Blog Solutions pour le traitement des céramiques techniques

Découpe et perçage de céramique

Dans cet article, Louise May, ingénieure d’applications senior chez Luxinar, discute des défis et des solutions de Luxinar pour le traitement des céramiques techniques.

Introduction

Les céramiques techniques englobent une gamme de matériaux solides inorganiques présentant une multitude de caractéristiques uniques et souhaitables, notamment la résistance à la compression, une dureté élevée, la résistance à la corrosion et la capacité de fonctionner à des températures très élevées sans dégradation. En tant que telles, les céramiques techniques sont idéales pour relever les défis d’ingénierie dans des applications allant de l’aérospatiale à l’électronique. Cependant, les propriétés intrinsèques qui rendent les céramiques si utiles posent des défis de fabrication particuliers. Dans cet article, nous regardons comment Luxinar, l'un des principaux fabricants britanniques de sources laser CO2, ont relevé ces défis avec une référence particulière à l'alumine, un matériau céramique utilisé dans l'industrie de l'emballage électronique.

Alumine

Alumine (Al2O3), un matériau céramique préparé à partir d'oxyde d'aluminium de haute pureté, est largement utilisé dans l'industrie de l'emballage électronique, où il sert de substrat pour des composants tels que des composants photovoltaïques et des LED haute luminosité. L'alumine offre une stabilité à haute température (1000 1500 à 3.5 XNUMX°C) ; faible densité (XNUMX g/cm3); dureté et résistance à l'usure élevées (dureté Rockwell de HRA80-90) ; bonne isolation électrique (résistivité électrique 1015Ω·cm avec résistance d'isolation de 15kV/mm) ; résistance à la corrosion; et conductivité thermique (20 à 30 W/MK), ce qui le rend adapté aux applications de conduction et de dissipation thermique.

Outre les applications électroniques, l'alumine est utilisée dans l'industrie aérospatiale, par exemple comme matériau d'isolation thermique pour les avions, dans la fabrication de dispositifs médicaux, comme matériau d'isolation de moteurs pour l'automobile et dans la construction mécanique pour la production de roulements et d'usure. pièces résistantes.

Défis de fabrication

L'alumine, comme d'autres types de céramiques techniques, est frittée à partir de matériaux inorganiques, ce qui donne des pièces cuites d'une dureté extrême, difficiles à couper, percer ou tracer. Bien que possibles, les procédés d'usinage traditionnels utilisant des outils diamantés présentent un certain nombre d'inconvénients car ils ont un cycle de vie limité et doivent être remplacés régulièrement. De plus, comme les céramiques techniques sont des matériaux fragiles, l’usinage peut induire des contraintes mécaniques pouvant entraîner une fracture. De plus, pour les composants céramiques minces de quelques millimètres d’épaisseur, l’outillage et les processus de post-usinage supplémentaires ajoutent des coûts et des délais importants à la fabrication du produit fini.

La solution de Luxinar

Basé au Royaume-Uni avec des bureaux commerciaux en Europe, en Chine et aux États-Unis, Luxinar est l'un des principaux fabricants de sources laser CO2 depuis plus de 25 ans. Ses lasers sont utilisés dans le monde entier pour des applications telles que les secteurs de l'électronique, des dispositifs médicaux et de l'automobile pour traiter une large gamme de matériaux, notamment la céramique, les plastiques, les textiles, le papier et les feuilles.

En ce qui concerne spécifiquement l'alumine, les lasers de Luxinar divisent les feuilles d'alumine par traçage. Dans ce processus, un laser CO2 est utilisé pour percer une série de trous borgnes étroitement espacés dans la céramique, pénétrant environ un tiers à la moitié de l'épaisseur du matériau. Chaque trou est foré à l’aide d’une seule impulsion laser, la profondeur du trou étant contrôlée par la durée de l’impulsion généralement de 1 ms. Le matériau est affaibli le long de la ligne tracée et peut être brisé mécaniquement pour séparer les composants.

Luxinar a également mené des recherches pour déterminer les paramètres optimaux pour la découpe laser CO2 des plaques céramiques d’alumine. Notre objectif était d’évaluer l’adéquation de la découpe laser CO2 pour les plaques de céramique d’alumine d’une épaisseur de 2,0 mm, 2,3 mm, 3,0 mm, 5,5 mm et 6,8 mm (voir Figure 1 et Figure 2) et d’évaluer la qualité des bords du matériau après la découpe.

Deux lasers Luxinar ont été utilisés. Le premier était la source laser CO 2 scellée SR 15i avec une puissance de sortie allant jusqu’à 175W et conçue avec une alimentation RF intégrée. L’appareil est hermétiquement fermé, et l’interface de commande simple et la conception mécanique compacte de l’unité permettent une intégration facile dans les machines de traitement industrielles à base de laser. Le second est le OEM 65iX, un laser CO₂ étanche - une solution compacte qui peut également être facilement intégrée dans les lignes de production de traitement industriel. Ce laser a une puissance de sortie allant jusqu’à 650 W et utilise une conception à résonateur unique produisant une lumière laser avec une polarisation linéaire et une qualité de faisceau de K> 0,8. 

Les principaux paramètres de test de puissance, de cycle de service, de fréquence, etc. sont présentés dans le tableau 1.

Tableau 1: Paramètres recommandés par Luxinar pour la découpe de feuilles de céramique d’alumine d’épaisseurs allant de 2.0 mm à 6.8 mm
Céramique d'alumine épaisseurZonePuissanceCycle d'La fréquenceGaz d'assistanceVitesse de coupe 
2.0mmSR15i sources laser130W40%700HzAir comprimé 3.5 bars500mm / min 
2.3mmSR15i sources laser130W40%500HzAir comprimé 6 bars350mm / min 
3.0mmSR15i sources laser75W20%500HzAir comprimé 6 bars10mm / min 
5.5mml'OEM 65iX sources laser120W10%250HzAir comprimé 6 bars10mm / min 
6.8mml'OEM 65iX sources laser200-210W% 15.1.25 kHz à 2 kHzAir comprimé 6 bars10mm / min 

Les résultats ont démontré que les lasers CO2 peuvent couper efficacement des matériaux en céramique d'alumine avec des bords lisses et propres et un minimum de scories. Sur la base de nos recherches, nous sommes parvenus aux conclusions et recommandations supplémentaires suivantes :

  1. L'utilisation d'une fréquence, d'un cycle de service et d'une vitesse de traitement plus faibles permet de réduire l'accumulation de chaleur, de réduire les contraintes internes du matériau, de prévenir efficacement les fissures et les fissures, dans le but d'obtenir la meilleure qualité de coupe.
  2. Pour les feuilles de céramique d'alumine d'une épaisseur inférieure à 5 mm, la focalisation du laser doit être sur la surface du matériau, tandis que pour celles d'une épaisseur supérieure à 5 mm, la focalisation doit être légèrement en dessous de la surface, environ 1 à 1.5 mm, pour faciliter un transfert d'énergie plus efficace. dans le matériau, assurant une répartition uniforme de la chaleur, réduisant les contraintes thermiques et optimisant la qualité de coupe, tout en réduisant le risque de fissuration et de scories de fond.
  3. La pression élevée du gaz (6 bars) réduit efficacement les scories de fond et la carbonisation au bord du matériau. De plus, envisagez d’utiliser l’oxygène comme gaz d’assistance.
  4. Pour le traitement de toutes les céramiques d'alumine, il est recommandé d'installer un dispositif antireflet dans le trajet de délivrance du faisceau laser (ATFR) pour éviter les dommages aux composants optiques causés par les faisceaux réfléchis.

Conclusion

Luxinar a démontré que le traitement au laser CO₂ des céramiques techniques, qu'il s'agisse de découpe, de traçage ou de perçage, est une méthode précise et efficace qui permet d'obtenir des bords lisses et propres et un minimum de scories. La dureté du matériau ne pose aucun problème et la nature sans contact du processus laser signifie qu'il n'y a pas d'usure de l'outil, minimisant ainsi les temps d'arrêt et éliminant les coûts associés au remplacement de l'outil.

Ses sources laser CO₂ économiques sont conçues pour être intégrées dans des machines industrielles, où elles peuvent fonctionner dans des environnements difficiles. Si vous souhaitez plus d'informations sur la façon dont Luxinar peut vous aider à améliorer vos procédés de fabrication en matière de céramiques techniques, veuillez nous contacter au info@luxinar.com

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