如何在雷射玻璃加工下同時獲得成本、品質、速度

日期：2025/03/31

一項優化品質與產量並降低總成本的顯示器生產案例研究

作者：Travis Schneider
職位：業務開發經理，Aerotech

成本、品質、速度 - 真的無法兼得嗎？

有句老話說：「成本、品質、速度，你只能選擇兩個。」這句話點出了購買決策時必須做出的基本權衡。例如，購買汽車時，一輛耐用且做工精良的車輛，若同時擁有優秀的加速性能，通常價格就會較高。這種成本、品質與速度的平衡適用於大多數產品的購買決策，這三者的綜合表現通常決定了產品的價值。

當然，我們都希望能夠「兼得一切」，即在最低的成本下獲得最高的性能（通常與速度或產量相關）與品質。在電子製造業中，這是一個巨大的挑戰。消費者對於產品品質的要求越來越高，希望產品能提供更高的性能（例如更高的螢幕解析度、更快的刷新率等），但同時又希望價格合理，換句話說，他們希望獲得最划算的選擇。

那麼，手機顯示器製造商該如何在降低製造成本的同時，最大化提供價值給客戶？本文的案例研究將展示如何透過優化的運動控制解決方案與卓越的機械設計，顯著提升雷射切割製程的速度與跟蹤性能，最終提高產量與品質，並大幅提升企業的利潤。

顯示器切割的考量因素

當生產手機、平板電腦或筆記型電腦的顯示器時，製造商通常使用高精度的自動化系統，搭配雷射掃描頭，以實現精確且高速的螢幕材料切割。據統計，2020 年全球生產了約 12 億片 手機顯示器，相當於每秒生產 38 塊。

要滿足這類應用的需求，生產設備必須具備最高性能，包括：
• 高幾何精度與動態性能的機械與光學系統
• 高精度反饋系統的高效控制器

這些要素的組合，使製造商能夠提升產品品質標準，同時提高產量，而不影響良率。

最佳化顯示器切割性能的關鍵在於，將機器的所有運動元件整合成一個完整的系統。這些運動元件（如圖 1 所示）需要協調運作，以確保基板與雷射束之間的相對移動精準同步，並控制雷射的發射。

圖 1：高性能運動控制系統的四個主要運動元件

當切割速度超過 5 米/秒 時，這些元件的設計、安裝與協調將大幅影響產能與良率。若機台剛性不足、馬達功率不足、雷射掃描頭的動態能力不夠，或者光學系統的解析度無法適應所需的工作距離，都會導致製程不穩定，並降低整體生產能力。

因此，為了在保持切割品質的同時，最大化產量並降低生產成本，採用系統性的方法來選擇與整合這些元件至關重要。

案例研究：手機顯示器切割

設計權衡

為了探討顯示器切割機的設計決策如何影響實際性能，本文以雷射掃描頭作為變數，對比兩種不同的設計方案。

此設備的高階目標如下：
1.最大化生產量
機器應該在最短時間內切割最多的顯示器，以最大化產能。
目標指標：單位時間內完成的切割數量。

2.確保高品質切割
手機的精緻外觀與順滑邊緣，要求零件之間的高精度匹配。
目標指標：切割路徑的誤差需小於 12 微米（µm）。

3.降低單片顯示器的切割成本
市場趨勢要求以最低成本提供最高性能與品質的設備。
目標指標：每片顯示器的生產成本（需同時符合品質要求）。

在此案例中，將分析一款假設的手機顯示器（但其幾何特徵基於實際數據）。這款顯示器的切割路徑包含 8 個半徑轉角，並且要求整體的峰值誤差小於 12 微米（µm）。

圖 2：手機顯示器範例，標示出 8 個需切割的轉角

雷射掃描頭的性能考量

雷射掃描頭透過高速驅動兩個振鏡馬達來控制雷射束的位置，以進行精確切割。這些馬達透過高解析度數位編碼器來確保其角度位置的精準度。

在本研究中，我們比較了兩款 Aerotech 雷射掃描頭：

圖 3：雷射掃描頭的基本工作原理示意圖

結果與優化

使用 AGV20-HP(O)-2 掃描頭時，誤差達 46.4 微米，超過標準值。相反，AGV20-XPO-E2 在 4.36 m/s 切割速度下，誤差僅 9.3 微米，符合標準。

若進一步增加雷射掃描頭的焦距（從 250mm 增加到 500mm），可以將切割速度提升至 8.73 m/s，同時仍保持可接受的誤差範圍。

這樣的優化使：
• 產能翻倍（每秒 10 塊 → 20 塊）
• 單片顯示器的成本減半（$0.05 → $0.025）

Aerotech 的優勢

透過數據驅動的分析與系統性設計，製造商可以在品質、速度與成本之間取得最佳平衡。Aerotech 憑藉 50 多年的運動控制經驗，致力於幫助客戶優化製程，並提供高精度、自動化的解決方案，滿足最嚴苛的製造需求。