CN107074611A - 通过将脉冲激光穿孔诱导到玻璃制品中进行玻璃切割的系统以及方法 - Google Patents

Abstract

激光切割激光波长透明玻璃制品的本发明方法的实施例包括将至少一种玻璃制品馈送到具有至少一个脉冲激光的脉冲激光组件中，其中该脉冲激光定义具有0.1‑100mm的长度的激光束焦线，该玻璃制品由两个端部部分，以及至少一个纵向设置在这些端部部分之间的侧表面组成。该方法进一步包括在该玻璃制品与该脉冲激光之间存在相对运动时，将至少一个穿孔线激光切割至该玻璃制品的该侧表面上，并且沿该至少一个穿孔线分离该玻璃制品以生产激光切割的玻璃制品。

Description

通过将脉冲激光穿孔诱导到玻璃制品中进行玻璃切割的系统 以及方法

相关申请的交叉引用

本申请涉及并要求于2014年7月11日提交的美国临时申请序列号62/023450(每个申请的内容通过引用以其本文结合在此)以及于2011年5月11日提交的美国临时申请序列号62/159573(每个申请的内容通过引用以其本文结合在此)的优先权。

技术领域

本披露总体上涉及玻璃切割，并且具体涉及使用具有这样的波长的脉冲激光进行玻璃切割，该玻璃对于该波长是基本上透明的。

背景

历史上，因为玻璃相对于其他材料的气密性、光学透明度以及优异的化学耐久性，玻璃已经用作用于各式各样的用途(包括包装食物、饮料以及药品)的优选材料。然而，由于通过涉及处理玻璃制品的玻璃破损而容纳在玻璃制品内的材料污染，已限制了玻璃制品(例如玻璃容器)的快速生产。

每个玻璃制品都有其自己的特定技术规格。例如，玻璃管要求精确的尺度公差、低计数的微粒以及适当的端部轮廓，以使能够在下游进行适当处置并且防止在运输期间破损。来自管制造过程的残留颗粒具有关键的敏感性，特别是对于药品玻璃管制造商。

因为每个玻璃制品一般具有其独特的规格，一般要求不同的处理步骤来制造和切割不同的玻璃制品，例如安瓿、小瓶、筒、注射器等等。因此，玻璃制品制造商具有对每种特定玻璃制品优化且定制的特定装置。

因此，存在对于形成玻璃制品的替代方法以及制造玻璃制品的相关装置的需要，特别是适用于玻璃制品组件以及形状的范围的玻璃切割装置以及方法。

概述

本披露的实施例针对使用脉冲激光组件来精确切割各种玻璃制品(无论形状和尺度)的系统以及方法。

根据本披露的一个实施例，提供了一种激光切割玻璃制品的方法。该方法包括将至少一种玻璃制品馈送到具有至少一个脉冲激光的脉冲激光组件中，其中该脉冲激光定义具有0.1-100mm的长度的激光束焦线，该玻璃制品(其对该脉冲激光是透明的)由两个端部部分，以及至少一个纵向设置在该两个端部部分之间的侧表面组成。该方法进一步包括在该玻璃制品与该脉冲激光之间存在相对运动的同时，通过以一定入射角沿该激光束焦线将该脉冲激光聚焦到该玻璃制品的该侧表面上来在该玻璃制品中激光切割至少一个穿孔线。该方法另外包括沿着该至少一个穿孔线分离该玻璃制品以产生激光切割的玻璃制品。

根据另一个实施例，提供了一种用于激光切割玻璃制品的系统。该系统包括可操作以形成玻璃制品的玻璃合成站，该玻璃制品由两个端部部分和纵向设置在端部部分之间的至少一个侧表面组成。该系统还包括玻璃切割站，该玻璃切割站包括脉冲激光组件和玻璃支撑组件，该脉冲激光组件可操作以在从该玻璃合成站接收的该玻璃制品中激光切割至少一个穿孔线，该玻璃支撑组件被配置为在该脉冲激光组件内的激光切割期间支撑该激光透明的玻璃制品，其中该脉冲激光组件和玻璃支撑组件相对于彼此是可移动的。该脉冲激光组件包括脉冲激光和定位在该脉冲激光的光束路径中以将该脉冲激光转换成激光束焦线的光学组件，该激光束焦线具有在0.1mm与100mm之间的范围内的长度。在该玻璃制品与该脉冲激光组件相对于彼此移动时，该脉冲激光被定向为沿该激光束焦线在该玻璃制品中将该穿孔线诱导至该玻璃制品的该侧表面上，以及该玻璃切割站下游的玻璃分离站并且被配置为在该穿孔线周围移除该玻璃制品的一部分以产生激光切割的玻璃制品。

附加特征以及优点将在以下详细描述中予以阐明，并且部分地从该描述中对本领域的技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被认识。

附图简要概述

图1A是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例将激光穿孔切割进相对于该脉冲激光组件旋转的圆柱管的截面示意图。

图1B是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例将激光穿孔切割进图1A的圆柱管的顶部示意图。

图2A是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例将激光穿孔切割进圆柱管的截面示意图，其中该脉冲激光组件围绕该圆柱管旋转。

图2B是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例将激光穿孔切割进图2A的圆柱管的顶部示意图。

图3A示意性地描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例将激光束焦线定位至玻璃制品上。

图3B示意性地描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例沿图3A的激光束焦线在玻璃制品中诱导的穿孔。

图4示意性地描绘具有粗切割程序和下游热冲击和火焰抛光站的常规玻璃切割程序。

图5示意性地描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例在粗切割站下游使用的脉冲激光组件。

图6示意性地描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例设置在玻璃分离站(例如，热冲击装置)的上游的脉冲激光组件。

图7A示意性地描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例包括脉冲激光组件的带状玻璃制造装置的侧视图；

图7B示意性地描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例包括在图7A的带状玻璃制造装置中的脉冲激光组件和后续分离站的侧视图；

图8A是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例在管的穿孔切割期间的旋转脉冲激光组件的示意侧视图；

图8B是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例在切割后的旋转脉冲激光组件的示意侧视图；

图9是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例该旋转脉冲激光组件的示意前视图，其中激光可旋转地安装在该旋转脉冲激光组件上；以及

图10是描绘根据在此所示和所述的一个或多个实施例该旋转脉冲激光组件的示意前视图，其中激光与该旋转脉冲激光组件分离并且不可旋转地安装到该旋转脉冲激光组件上。

详细说明

现将详细参考用于利用脉冲激光处理制造玻璃制品的装置以及方法的实施例，其实例在附图中示出。

如图1A-2B的实施例中所示的，激光切割穿孔的方法包括将至少一种玻璃制品10馈送到具有至少一个脉冲激光的脉冲激光组件210。如在此所使用的，玻璃制品可包括各种组件，例如以及非通过限制的方式，管、玻璃片、筒、小瓶、注射器、注射器筒、真空容器、安瓿、瓶子、烧瓶、小药瓶、烧杯、球管、碗、罐、小容器、坛、槽、或类似物。虽然任何的这些玻璃制品类型可使用在此所述的脉冲激光穿孔方法学来切割，以下所述的实施例中的许多将聚焦于包括在药品级玻璃(特别是药管)中的脉冲激光穿孔。

如下所述，脉冲激光具有长度为0.1-100mm的激光束焦线220。参照图1B，玻璃制品10由端部部分12和14，以及至少一个纵向设置在端部部分12与14之间的侧表面16组成。如在此所使用的，“端部部分”可指圆柱管中的基部，而侧表面将构成该圆柱管的高度；然而，“端部部分”在所有实施例中不仅限于基部或与侧表面相邻的表面。如所示，图1A的圆柱管的侧表面是连续的；然而，玻璃片的侧表面16具有设置在端部部分12与14之间的侧边。

再次参考图1A，脉冲激光束焦线220以一定入射角将玻璃制品10中的至少一个穿孔线20诱导至玻璃制品10的侧表面16上。如所示，穿孔线20包括多个隔开的穿孔22，这些穿孔是通过脉冲激光刻进玻璃中的玻璃缺陷、凹口、压痕或孔。穿孔线20是多个精确的窄孔，其使穿孔线周围的后续分离更加容易。这些窄孔尺寸可由激光束焦线的点直径来指定。在示例性实施例中，激光束焦线可以具有在0.5-5μm或1-2μm之间的平均光斑直径。

穿孔22(其被描绘用于图1A-2B中的说明，且由此并非按比例绘制)典型地被均匀地隔开；然而，可以设想，间隔可以是随机的且不均匀的。在一个实施例中，穿孔线20可以是具有在200-800nm或300-500nm之间的尺寸的多个孔。可替代地，穿孔线在其间可包括1-30μm、或1-5μm、或1-3μm的间隔。穿孔间隔24可通过控制脉冲激光组件210和玻璃制品10的相对运动来精确诱导。在一个实施例中，在单次通过中，激光可用于产生高度控制的全线穿孔。可产生经诱导的吸收，使得在没有烧蚀且不熔化玻璃制品10的材料的情况下，在玻璃制品10的微结构中发生裂纹形成。这与典型地使用点聚焦激光来烧蚀材料相反，其中通常需要多次通过以完全穿透玻璃厚度。在进一步的对比中，烧蚀过程产生大量的碎片、更广泛的子表面损伤(大于约100μm)以及边缘碎裂，而本发明的脉冲激光组件210基本上降低或消除了这些有害的副作用。

如图1A-2B中所示，虽然穿孔线20跨侧表面16横向定向且平行于端部部分12和14，穿孔线20的其他安排是可能的，例如，沿侧表面16的对角线。虽然没有描绘，设想穿孔线20也可跨玻璃制品10的侧表面16纵向施用。

如图1A中所示，为了将多个穿孔22递送到玻璃制品10中，在玻璃制品10与脉冲激光(特别地激光束焦线220)之间必然存在某些相对运动。例如，如图1A所示，玻璃制品10可以支撑在由卡盘240构件旋转的心轴230上。玻璃制品10与旋转心轴230一起旋转，并且从而相对于脉冲激光组件210移动。这种相对运动跨玻璃制品10的侧表面16横向产生穿孔线20。可替代地，如图2A中所示，设想的是，脉冲激光组件210可在玻璃制品10周围旋转以达成促进穿孔线20的形成的相对运动。各种组件被认为适于旋转脉冲激光组件210。例如，脉冲激光组件210可以安装在旋转三脚架上或附接至旋转臂。虽然图1A-2B中的相对运动是旋转运动，平移或其他模式的相对运动也被认为是合适的。此外，激光束焦线的移动(如下所述)可由镜式电流计控制。

此外，虽然图1A-2B描绘玻璃制品10相对于脉冲激光组件210的运动或反过来脉冲激光组件210相对于玻璃制品10的运动，两个组件可同时移动。特别如图6中所示，设想的是，玻璃制品10可平移移动，例如当脉冲激光组件210围绕玻璃制品10旋转时通过输送机120。因此，脉冲激光组件210可能不总是以如图2A中所描绘的圆形路径旋转，因为脉冲激光组件210必须考虑玻璃制品10的同时运动。结果是，脉冲激光组件210可以非圆形路径(例如，螺旋形路径)旋转。不受理论的束缚，在其中快速连续生产和切割部件的玻璃制造中，其中玻璃制品10和脉冲激光组件210同时处于运动中的实施例可增加玻璃生产速度和效率。

如上所述以及如图8A和8B中所描绘的，脉冲激光组件210可包括旋转臂205，该旋转臂被配置为围绕玻璃制品10旋转激光束焦线220。如所示，脉冲激光组件210包括耦接到旋转臂205并可与旋转臂205一起旋转的一个或多个反射镜215A-C。虽然描绘了三个反射镜215A-C，设想的是，可利用更多或更少的反射镜来调整激光束焦线220的方向。例如，设想的是，激光束装置218(其供应脉冲激光)可紧邻光学组件211设置，以借此降低所使用的反射镜的数量；然而，激光束装置218的重量可以使得其在图8A中所描绘的旋转臂205上的位置是更合适的。再次参照图8A，当旋转臂205旋转时，全部耦接至旋转臂205的激光束装置218、反射镜215A-C、以及光学组件211全部随其旋转。在穿孔线20如图8A中所示地被诱导之后，激光束焦线220可在切开管11如图8B中所描绘的从母管(即，玻璃制品10)分离时暂时停止。切割母管10的额外切割可通过将母管重新馈送到图8A的脉冲激光组件210来执行。为了进一步说明，图9描绘了旋转脉冲激光组件210(其以侧视图描绘于图8A中)的前视图。

在图10中所示的替代性实施例中，设想的是，激光束装置218是固定的并且与脉冲激光组件210的旋转臂205分离，同时光学组件211和反射镜215A仍处于与旋转臂205旋转中。虽然激光束装置218是固定的，激光束焦线220仍指向移动反射镜215A和光学组件211，这借此使得脉冲激光束焦线220无论如何能够围绕玻璃制品10旋转地移动。

玻璃制品10的其他负载和支撑组件将在以下描述。在开发玻璃制品10内的穿孔线20时，玻璃制品10可沿穿孔线分离以如下所述地生产切割的玻璃制品10。

穿孔22可使用在时间上紧密隔在一起的高能短持续时间脉冲的脉冲来完成。例如，激光束脉冲持续时间可以在约1皮秒与约100皮秒之间，或小于10皮秒，或在约5皮秒与约20皮秒之间。这些脉冲可以以高重复率(例如，kHz或MHz)重复。例如，脉冲重复频率可以在10kHz与1000kHz之间、或者在10kHz与100kHz之间、或者小于10kHz的范围内。

激光束的波长被选择为使得要被激光处理的玻璃制品10对于激光的波长是透明的。例如，波长可以小于约1.8μm，或者在约900至约1200nm之间。在示例性实施例中，脉冲激光束具有诸如1064nm、532nm、355nm或266nm的波长。合适的实例是具有1064nm的波长的Nd:YAG激光、具有1030nm的波长的Y:YAG激光。没有其他着色(特别是具有低铁含量)的硼硅酸盐或钠钙玻璃从约350nm到约2.5μm是光学透明的。

如图1A中所示，可将激光束焦线220以一定入射角供应至侧表面，该入射角可取决于各种因素(例如所希望的穿孔尺寸)而变化。例如，入射角可垂直于侧表面、或对于材料的表面小于或等于约45度。

可以基于脉冲持续时间、脉冲能量和焦线直径来选择激光束的强度，使得优选地没有显著的烧蚀或显著的熔化，但优选地只有在玻璃的微结构中的裂纹形成。优选地选择激光的脉冲能量使得激光束焦线中的强度产生经诱导的吸收，其沿焦线220导致材料的局部加热，由于诱导进材料的热应力的结果，这进而导致了沿焦线的裂纹形成。在一个或多个实施例中，激光束可以具有在材料处测量的小于700μJ、或小于约500μJ、或小于约250μJ的平均激光能量。

各种成分被认为适用于本披露的玻璃制品。例如，玻璃可以是铝硅酸盐玻璃，如碱性铝硅酸盐或碱土金属铝硅酸盐玻璃。可替代地，玻璃可以包括硼硅酸盐玻璃或钠钙玻璃。在一个实施例中，玻璃可以是可离子交换的，使得玻璃成分可以经受离子交换用于机械强化玻璃制品10的以下形成。玻璃成分可以是如由ASTM标准E438.92定义的‘类型1a’和‘类型1b’玻璃成分。在一些实施例中，类型1a和类型1b玻璃对于诸如药物应用的用途而言具有合适的化学耐久性。玻璃成分可以包括大于约1.0mol.％硼和/或含硼化合物，包括但不限于B₂O₃。在另一个实施例中，形成玻璃制品的玻璃成分包括小于或等于约1.0mol.％的硼的氧化物和/或含硼的化合物。在这些实施例的一些中，玻璃成分中的硼的氧化物和/或含硼化合物的浓度可以小于或等于约0.5mol.％、小于或等于约0.4mol.％、或甚至小于或等于约0.3mol.％。在这些实施例的一些中，玻璃成分中的硼的氧化物和/或含硼化合物的浓度可以小于或等于约0.2mol.％、或甚至小于或等于约0.1mol.％。在一些其他实施例中，玻璃成分基本上不含硼和含硼化合物。此外，玻璃制品可包括其他组分(例如，诸如蓝宝石或硒化锌的晶体)，这些组分对激光的波长是透明的。本披露主要集中在玻璃成分；然而，设想的是，也可以使用本发明的方法学来切割其他结构(例如蓝宝石和锌管)。

对于玻璃制品所考虑的各种厚度、直径和长度对于本揭露的实施例而言被认为是合适的。例如，实施例对于从小于8mm至超过40mm的管直径以及约0.3至约2.mm或约0.mm至约1.1mm的管壁厚度将是有效的。管的长度也可以变化。在一个实施例中，管可被预先切割以供应至脉冲激光组件，因此预先切割的管可具有可基于制造商的需求变化的有限长度。可替代地，管可不被切割而供应至脉冲激光组件，并且因此在被脉冲激光组件切割之前基本上具有连续的长度。

参照图5，示出了一种用于激光切割玻璃制品10的系统。具体地，该系统包括设置在玻璃切割站200的上游的玻璃合成站110，其包括脉冲激光组件210。如在此所使用的，玻璃合成站110可以包括用于从熔化玻璃形成玻璃制品的形成装置、玻璃熔化装置、玻璃拉制装置、玻璃成型装置、或用于重新成型玻璃的设备。玻璃合成站110可以利用连续或间歇的工艺。在一个实施例中，玻璃合成站110包括用于玻璃形成的Vello下拉装置、Danner玻璃形成装置、以及其他常规的或未来开发的拉制或形成工艺。可替代地，如以下所述的以及如图7A和7B中所描绘的，玻璃合成站110可包括带状玻璃吹制装置。

此外，玻璃合成站110还可以包括除了拉制之外执行初始切割的装置。例如，管可以首先在拉制器切割器机器中被拉制并且初始地切割。此外，玻璃合成站110可以包括管重新拉制装置，例如，套管重新拉制装置，其将圆形管重新形成为圆形和椭圆形的形状。

再次参照图5，玻璃切割站200除了脉冲激光组件210以外也可包括玻璃支撑组件120，该脉冲激光组件激光切割从玻璃合成站110所接收的玻璃制品10中的穿孔线。虽然在此的玻璃切割站200仅描绘一个脉冲激光组件210，设想的是，玻璃切割站200可包括额外的脉冲激光或额外的玻璃切割装置(未示出)。玻璃支撑组件可包括在由脉冲激光组件210进行激光切割期间支撑玻璃制品10的全部组件。在一个实施例中，玻璃支撑组件包括设置在玻璃切割站200与玻璃合成站110之间的输送机120。另外，系统500可以进一步包括设置在玻璃切割站200与玻璃分离站140之间的输送机120。

玻璃支撑组件可包括当脉冲激光组件旋转或如图2A中所描绘的相对于玻璃制品10移动时保持玻璃制品10在适当位置的组件。另外，玻璃制品10可以包括用于相对于脉冲激光组件210旋转或移动玻璃制品10的设备。参照图1A的实施例，玻璃支撑组件是由同轴卡盘240旋转的可旋转心轴230。虽然常规的切割方法在高温下操作并且因此要求耐热成分(例如钢)，在此所述的脉冲激光组件产生非常少的热，并且其产生的是微观性的局部热。其结果是，在某些实施例中，玻璃支撑组件120(例如心轴230)可以期望地包括顺从性夹持材料，例如与玻璃制品10接触的聚合物夹持材料。聚合物夹持材料可以包括弹性体材料，例如橡胶。可替代地，聚合物夹持材料还可包括聚四氟乙烯。在另外的实施例中，玻璃支撑组件(例如心轴230)可包括非接触支撑物。例如，该非接触支撑物是水平空气轴承。

参照图3A和3B，玻璃切割站200的脉冲激光组件210可包括光学组件211，该光学组件定位于脉冲激光的光束路径中以将脉冲激光转换成激光束焦线。在一个实施例中，光学组件211包括具有被配置为产生激光束焦线220的球面像差的聚焦光学元件216。光学组件211可包括环形光圈213，该环形光圈在聚焦光学元件216之前定位于激光220的光束路径中，该环形光圈213被配置为阻挡在激光束中央的一个或多个光线。聚焦光学元件216可以是球形切割的凸透镜，例如具有非球形自由表面的圆锥形棱镜，例如轴棱镜。任选地，光学组件211可以进一步包括附加的组件，例如附加的光学元件219；然而，对于轴棱镜聚焦光学元件，可消除透镜或可合并多个附加透镜。

参照图3A和3B，在沿焦长l的激光束焦线220b使用合适的激光强度下，在激光束焦线220b的重合区域中，延伸的激光束焦线220b在玻璃制品10中产生穿孔22。图5B的此穿孔22关联长度L的激光束焦线部分220c。激光束焦线220b的平均光斑直径在此通过参考符号D来表示。如图1A和2A中所示，穿孔22延伸穿过玻璃制品10的整个厚度。在图3B所描绘的替代实施例中，穿孔22可以不延伸玻璃制品的整个层厚度d；然而，这种类型的穿孔线可能没有充足地弱化玻璃以及穿孔线(其中穿孔延伸穿过整个厚度)，借此潜在地要求更多后续处理和加工步骤以分离围绕穿孔线20的玻璃。

可被施用以产生焦线220的关于光学组件和脉冲激光的额外细节以及其中这些光学组件可被施用的代表性光学设置详细描述于标题为“用超快激光束光学器件进行堆叠透明材料切割，破坏性层和其他层(Stacked Transparent Material Cutting WithUltrafast Laser Beam Optics,Disruptive Layers And Other Layers)”的Corning美国专利申请SP13-383PZ/4936.1003-001以及前述欧洲申请号EP 13 151 296中，其传授内容通过引用以其全文结合在此。

不受理论束缚，使用脉冲激光组件210的系统提供了优于常规系统(例如，主要用于制药管制造的图4的常规系统)的显著改进。参照图4的系统400，在玻璃合成站110中产生的玻璃制品10暴露于粗切割站130，典型地为被配置成在玻璃制品10中传播破损25(或破损线)的机械裂纹棒。不像由脉冲激光组件210提供的精确切割，粗切割站130更可能在玻璃制品10中产生不期望的碎屑和颗粒，这对于药品级玻璃是高度不期望的。虽然图4-6描绘的是，退出玻璃合成站110的玻璃制品10事先被预先切割，这主要仅是为了描绘的目的而做的。完全设想的是玻璃制品10可具有连续拉制长度离开玻璃合成站210。

再次参照常规图4，在粗切割站130的下游，玻璃制品10可被馈送到玻璃分离站140。玻璃分离站140可以包括用于劈开玻璃的CO₂激光。可替代地，玻璃分离站140可以包括用于分离玻璃的机械应力组件。此外，如图4中所示，玻璃分离站140还可以包括用于沿破损线25分离玻璃的热冲击装置142、144。即使在分离之后，在切割的玻璃制品10中可能存在不想要的颗粒和粗糙边缘。因此，该系统可能需要鼓风机150来移除不想要的颗粒，以及火焰抛光站160以适当地处理玻璃制品10的端部。此外，玻璃制品10将还需要经历另外的处理步骤170，例如洗涤以确保玻璃中不再存在颗粒。

相比之下，参照图5的本发明实施例，系统500可在包括脉冲激光组件210的玻璃切割站200的上游包括切割站130。上游切割站130可以包括围绕穿孔线20的机械裂纹棒，CO₂激光或用于在玻璃制品中传播破损25的另一种合适装置。不受理论束缚，由粗切割站130产生的破损25可由通过脉冲激光组件210所诱导的穿孔线20平滑化。通过施用粗切割之后的激光诱导穿孔，可使玻璃分离140更容易且所产生的玻璃制品10具有更好的端部轮廓，这限制或消除了玻璃分离站140下游的进一步处理。不受理论束缚，脉冲激光穿孔的精确度极大地限制了分离之后的碎屑和颗粒形成。因此，最小化或消除了玻璃分离之后的进一步处理步骤。

进一步如图5中所示的，玻璃分离站140在一些实施例中可包括附加的热处理或附加的激光处理；然而，设想玻璃制品10可以围绕穿孔线20自发地经受分离。不受理论的束缚，在粗切割站130之后立刻激光切割玻璃制品的可能优点是利用在从玻璃合成站110拉制之后的玻璃制品10的升高的温度。这允许在玻璃制品10冷却至室温时进行分离。可替代地，如图5中所示，玻璃分离站140可包括热冲击装置142、144。具体地，热冲击装置142、144可包括加热元件142，例如氢/氧燃烧器或CO₂激光。此外，热冲击装置140可以包括在加热元件142下游的冷却元件144。

进一步如图5中所示的，脉冲激光组件210消除了如图4中所描绘的火焰抛光160的需要，或极大地最小化火焰抛光时间，因为脉冲激光组件210产生这样的精确窄穿孔线并且允许这样的方形干净断裂。不受理论的束缚，进行火焰抛光160以收口玻璃制品的边缘；然而，火焰抛光可能产生次要的问题，像是在硼硅酸盐管的情况下玻璃挥发物的沉积，这是药物产品中不希望的水解表面污染问题的来源。因此，有益的是脉冲激光组件210降低或消除此火焰抛光过程以便限制玻璃挥发物。

此外，系统500可以可任选地包括鼓风机150以移除微粒，或额外的处理170步骤(例如清洗)以移除松散的颗粒。要重申，在药物玻璃领域中，颗粒去除具有显著的重要性。

参照图6的系统600，脉冲激光组件210可直接从玻璃合成站110接收玻璃制品，并且从而消除图5中所示的玻璃制品10的粗切割130。虽然不限于这些实施例，但脉冲激光组件210可以是图9和10中所描绘的实施例。此外，离开玻璃合成站110的连续管可直接供应至脉冲激光组件用于激光穿孔。在该系统600中，玻璃分离站140可以利用热冲击；然而，还设想的是玻璃制品可在玻璃制品10从玻璃合成站110冷却至室温时围绕穿孔线20自发地分离。因此，该系统600可仅在玻璃制品10的切割中利用脉冲激光组件。系统600描绘了鼓风150、火焰抛光160、以及额外处理的可选步骤；然而，这些步骤中的一个或全部不是必需的。

图5和6中所描绘的系统500和600替换了各种装置，例如用于管切割的裁剪和上釉机(Trim and Glaze Machine，TGM)。TGM可被想象为具有运行过其中央的宽广运送机的大炉。TGM接取过大的玻璃管、加热端部并且然后以冷钝金属物体冲击所需的点。这会导致玻璃破裂。对于其他端部重复该过程，其中输送机保持玻璃，使得切割将在正确的位置。裁剪步骤之后的端部的品质仍然展现了碎屑并且不与管的轴线成直角。因此，一旦适当的长度但具有粗糙的边缘，同时在两端上火焰加工玻璃管以降低分岔并且强化端部以供运输。本发明实施例产生小量的亚微米颗微粒-无边缘“碎屑”，而TGM产生大尺寸的微粒(具有热玻璃)。此外，本发明实施例具有精确的尺度公差且因此具有高的材料利用性，而TGM装置在裁剪过程中浪费了5％的玻璃。由脉冲激光产生的端部的几何品质优于火焰加工的端部。

此外，本发明脉冲激光组件210极大地改善了用于生产小瓶的玻璃条带机器的性能。参照图7A和7B，描绘了玻璃条带机器300。通常，玻璃条带310由辊314形成且以处理方向318(在图7A中从左到右)在输送机316上输送。玻璃312在接触辊314之前由加热源熔化，这些辊将玻璃312重新成型成玻璃条带310。玻璃条带310一般具有在处理方向318上的长度和远小于该长度的厚度(由辊314之间的区域决定)。该厚度被定义为玻璃条带310的顶侧311与底侧313之间的距离。玻璃条带310的顶侧311和底侧313基本上是平面的。当玻璃条带310以处理方向移动时，更多的热玻璃312被模制以形成玻璃条带310，使得玻璃条带310在玻璃条带310的现有部分沿处理方向318移动时被连续地产生。玻璃条带310可搁置在输送机316上，同时输送机316可以在处理方向318上移动并且沿着玻璃条带310承载。

玻璃条带310在处理方向318上被承载，并且型坯342由吹头340形成。吹头340可以在处理方向318上以与玻璃条带310大约相同的速度移动，并且与玻璃条带310的顶侧311接触。吹头340将气体吹进玻璃条带310并且形成型坯342，该型坯在处理方向318上与玻璃条带310一起移动。如在此所使用的，“型坯”指的是下挂的玻璃，该下挂玻璃是通过机械力(例如但不限于由位于玻璃条带310上方的吹头340所吹出的气体)从玻璃条带310的一部分形成的。型坯342从玻璃条带310悬挂并且至少部分地通过从吹头340所吹出的气体拉长。型坯342可以是中空的并且可以在玻璃条带310处在由吹头340形成的玻璃条带310中的孔处结合。

然后将型坯342成形为玻璃制品10。在一个实施例中，型坯342由糊剂模具360密封，该糊剂模具被移动成与型坯342对准。糊剂模具360可以具有两个侧部，它们在一起以完全包围型坯342。糊剂模具360可以在处理方向318上以与移动玻璃条带310的输送机316相同的速度移动，并且一般可与已经形成型坯342的吹头340对准。糊剂模具360具有与待形成的玻璃制品10的外部形状相对应的内部形状。吹头340继续将气体吹进型坯342，且型坯342膨胀，使得其填充糊剂模具360的内部形状，从而形成期望的玻璃制品10的形状。

如图7A中所示，多个吹头340和糊剂模具360可被连续地循环成与连续产生的玻璃条带310接触。如此，吹头340、糊剂模具360和移动玻璃条带310的输送机316全部以大约相同的速度移动。

然后，糊剂模具360打开并从形成的玻璃制品10撤回，该玻璃制品从玻璃条带310悬挂。一旦糊剂模具360被移除，玻璃制品10的形状和尺寸是将与玻璃条带310分离的最终玻璃制品10的形状和尺寸。然后从玻璃条带310撤回吹头340，仅留下玻璃条带310和附接的玻璃制品10。玻璃条带310和玻璃制品10继续由输送机316在处理方向318上移动。玻璃制品10冷却至硬的固体状态。冷却可以通过暴露于环境条件为渐进的，或可以是强制冷却过程。

常规的玻璃条带机器可通过机械过程将玻璃制品10从其所附接的玻璃条带310分离。这种过程可以产生大于约200微米的玻璃碎屑。然而，在此所述的激光处理方法以及装置可从玻璃条带310分离玻璃制品10并且不形成大于200微米的玻璃碎屑或其他碎片。例如，在不同的实施例中，来自激光处理的碎片可以是小尺寸的，例如小于约200微米、小于约100微米、小于约50微米、小于约25微米、或甚至小于约10微米。

参照图7B，脉冲激光组件210可在其中激光束焦线可对小瓶的颈部施加穿孔的位置处来定向于输送机316附近。在这个实施例中，脉冲激光组件210可以围绕玻璃制品10旋转，或者当脉冲激光束焦线入射于玻璃制品10的颈部上时，输送机316可旋转玻璃制品10。在穿孔20被诱导之后，玻璃制品10被馈送到玻璃分离站，例如围绕穿孔20分离玻璃制品的热冲击装置。

在常规的高温形成方法(特别是条带方法)中，玻璃制品(例如小瓶)由这样的方法形成，该方法涉及通过直接暴露于火焰来将玻璃管暴露于高温，同时轧制管的玻璃以形成封闭的容器底部。如在此所使用的，使用条带机器的方法不是“高温”的。相反，在条带机器中，玻璃是在相对低的形成温度下由糊剂模具模制的。相比之下，在此所述的条带机器方法并不使用高温以供玻璃形成，并且因此硼基本上不挥发。因此，与常规的高温形成的玻璃制品相比，由条带方法形成的玻璃制品中的脱层被极大地减少。

对于本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本披露内容的精神或范围的情况下可以进行各种修改和变化。由于本领域技术人员可能发生结合本发明的精神和实质对所公开的实施例加以修改组合、产生子组合和变体，所以本发明应当解释为包括在所附权利要求及其等效物的范围之内的每一事项。

Claims (42)

1.一种激光切割玻璃制品的方法，包括：

将至少一种玻璃制品馈送到具有至少一个脉冲激光的脉冲激光组件中，其中所述脉冲激光定义具有0.1-100mm的长度的激光束焦线，所述玻璃制品由两个端部部分以及纵向设置在所述两个端部部分之间的至少一个侧表面组成；

在所述玻璃制品与所述脉冲激光之间存在相对运动的同时，通过以一入射角沿所述激光束焦线将所述脉冲激光聚焦到所述玻璃制品的所述侧表面上来在所述玻璃制品中激光切割至少一个穿孔线，其中所述玻璃制品对所述脉冲激光的波长是透明的；并且

沿着至少一个穿孔线分离所述玻璃制品以产生激光切割的玻璃制品。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述脉冲激光的波长小于约1.8μm。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述玻璃制品是管。

4.如权利要求3所述的方法，其中被馈送到所述脉冲激光组件的所述管是从玻璃合成站递送的连续管。

5.如权利要求3所述的方法，其中被馈送到所述脉冲激光组件的所述管是预先切割的管。

6.如权利要求1或2或3所述的方法，其中所述玻璃制品选自由以下各项组成的组：筒、小瓶和注射器。

7.如权利要求1-6所述的方法，其中每个穿孔延伸过所述玻璃制品的厚度。

8.如权利要求1或2或3或5所述的方法，进一步包括在用所述脉冲激光切割之前切割所述玻璃制品。

9.如权利要求1所述的方法，其中所述预先切割是通过机械开裂或激光切割实现的。

10.如权利要求1所述的方法，其中所述玻璃制品的分离通过热冲击、通过围绕所述穿孔线的机械应力、或其组合而发生。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述玻璃制品包括硼硅酸盐玻璃、钠钙玻璃或铝硅酸盐玻璃。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述穿孔线是具有在300-500nm之间的尺寸和1-30μm的其间间距的多个孔。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述玻璃制品与所述脉冲激光之间的相对运动通过所述脉冲激光跨所述玻璃制品的所述侧表面的移动来定义。

14.如权利要求1所述的方法，其中在所述玻璃制品与所述脉冲激光之间的相对运动通过所述玻璃制品相对于所述脉冲激光的移动来定义。

15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在所述玻璃制品与所述脉冲激光之间的相对运动通过所述玻璃制品的平移移动和所述脉冲激光的旋转移动来定义。

16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，进一步包括火焰抛光所述激光切割的玻璃制品以沿着穿孔线使边缘光滑。

17.一种用于激光切割至少一种玻璃制品的系统，包括：

玻璃合成站，其可操作以形成至少一种玻璃制品，所述玻璃制品由两个端部部分和纵向设置在所述两个端部部分之间的至少一个侧表面组成；

玻璃切割站，包括脉冲激光组件和玻璃支撑组件，所述脉冲激光组件可操作以在从所述玻璃合成站接收的所述玻璃制品中激光切割至少一个穿孔线，所述玻璃支撑组件被配置为在所述脉冲激光组件内的激光切割期间支撑所述玻璃制品，其中所述脉冲激光组件和所述玻璃支撑组件相对于彼此是可移动的，并且其中所述脉冲激光组件包括

脉冲激光，以及

光学组件，其定位于所述脉冲激光的光束路径中以将所述脉冲激光转换成激光束焦线，所述激光束焦线具有在0.1mm与100mm之间的范围内的长度，

其中在所述玻璃制品和所述脉冲激光组件相对于彼此移动的同时，所述脉冲激光被定向为沿所述激光束焦线在所述玻璃制品中将所述至少一个穿孔线诱导到所述玻璃制品的所述侧表面上，其中所述玻璃制品对于所述脉冲激光的波长是透明的；以及

玻璃分离站，在所述玻璃切割站的下游并且被配置为在所述穿孔线周围移除所述玻璃制品的一部分以产生激光切割的玻璃制品。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述玻璃制品是管。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述管是在所述玻璃合成站中产生的连续管。

20.如权利要求18所述的系统，其中所述管在被递送到所述玻璃切割站之前是预先切割的管。

21.如权利要求17所述的系统，其中所述玻璃制品选自由以下各项组成的组：筒、小瓶和注射器。

22.如权利要求17所述的系统，其中所述光学组件包括配置成产生所述激光束焦线的聚焦光学元件。

23.如权利要求17或22所述的系统，其中所述玻璃支撑组件包括设置在所述玻璃切割站与所述玻璃合成站之间的输送机。

24.如权利要求17、22或23所述的系统，并且进一步包括在所述脉冲激光组件上游的切割站。

25.如权利要求17所述的系统，其中所述玻璃分离站包括热冲击装置、机械应力部件、或其组合。

26.如权利要求25所述的系统，其中所述热冲击装置包括选自由以下各项组成的组中的加热元件：氢/氧燃烧器、CO₂激光器、以及其组合。

27.如权利要求26所述的系统，其中所述热冲击装置包括在所述加热元件下游的冷却元件。

28.如权利要求17所述的系统，其中所述玻璃支撑组件包括与所述玻璃制品接触的聚合物夹持材料。

29.如权利要求28所述的系统，其中所述聚合物夹持材料是橡胶。

30.如权利要求17所述的系统，其中所述玻璃支撑组件包括非接触支撑物。

31.如权利要求30所述的系统，其中所述非接触支撑物是水平空气轴承。

32.如权利要求17所述的系统，其中所述玻璃支撑组件包括被配置为旋转所述玻璃制品的可旋转主轴卡盘组件。

33.如权利要求17所述的系统，其中所述脉冲激光组件包括被配置为围绕所述玻璃制品旋转的旋转臂。

34.如权利要求33所述的系统，其中所述脉冲激光组件包括耦接到所述旋转臂并可与所述旋转臂一起旋转的一个或多个反射镜。

35.如权利要求33所述的系统，其中所述脉冲激光和所述光学组件被耦接到所述旋转臂并可与所述旋转臂一起旋转。

36.如权利要求33所述的系统，其中所述光学组件被耦接到所述旋转臂并可与所述旋转臂一起旋转，同时所述脉冲激光是静止的但与所述光学组件连通。

37.如权利要求33所述的系统，其中所述玻璃支撑组件包括输送机，所述输送机可操作以在所述旋转臂围绕所述玻璃制品旋转时移动所述玻璃制品。

38.如权利要求17-37所述的系统，其中所述玻璃合成站包括Vello下拉装置、Danner玻璃形成装置、或带状玻璃吹制装置。

39.如权利要求1-16所述的方法或如权利要求17-37所述的系统，其中所述脉冲激光具有小于约500μJ的平均激光能量。

40.如权利要求1-16所述的方法或如权利要求17-39所述的系统，其中所述脉冲激光具有在约10皮秒与约100皮秒之间的脉冲持续时间。

41.如权利要求1-16所述的方法或如权利要求17-39所述的系统，其中所述脉冲激光具有小于10皮秒的脉冲持续时间。

42.如权利要求1-16所述的方法或如权利要求17-41所述的系统，其中所述脉冲激光具有在10kHz与1000kHz之间的脉冲重复频率。