CN108436297A - 一种针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置及分割方法 - Google Patents

一种针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置及分割方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置及分割方法，本发明将激光切割与气压裂片方法结合，分割装置结构为料斗安装在自动上料机构的丝杠上，搬运机构安装在料斗和物料传送带上方，自动抓取机构安装在搬运机构上，CCD成像系统或CMOS图像采集系统、激光器分别安装在物料传送带上方，裂片传送带与物料传送带衔接，裂片传送带上方安装多个气压裂片刀具，裂片传送带下方对应安装有多条分拣传送带，每条分拣传送带一端与一个裂片分拣箱相衔接，裂片传送带末端与一裂片分拣箱相衔接。本发明实现对单个样品同时多次裂片，得到N个裂片，N≥2，本发明可用于自动生产线对片状脆性材料进行高质量裂片及自动分拣，提高效率。

Description

一种针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置及分割方法
技术领域
本发明涉及激光加工及材料切割领域，尤其针对脆性材料的快速高质量切割提出激光加工与气压加工相结合的方法，该技术可以应用于板状、脆性材料切割加工的自动生产线。
背景技术
当前，随着能源和电子消费类产品的需求及市场的不断扩大，针对特种脆性材料如硅片、太阳能电池片、晶圆、陶瓷、石英和玻璃等脆性材料的快速加工需求与日俱增，这些材料的加工方法和技术的开发，具有巨大的市场和经济效益。光伏产业、消费电子产业及半导体产业等应用了大量的脆性材料，市场中迫切需要高质量、高效率的加工方法和装置，提高产品合格率及生产效率。因此针对太阳能电池板、蓝宝石晶圆、特种强化玻璃等脆性材料的裂片切割方法的研究一直是热点。
针对上述脆性材料的加工，以往主要采用机械加工(如切、削)、化学反应(如酸、碱、盐等溶液与材料发生反应)和电火花加工等方法。然而以上加工方法在实际操作中存在一些不足之处，比如采用机械加工时，脆性材料容易产生崩边，碎裂现象，也会在一定程度上改变材料的韧性和强度。采用化学方法加工脆性材料时，通常使用各种酸碱性试剂，对人体有潜在的危害，并且该方法加工效率低，不适合工业生产线的快速生产。采用电火花加工时，一般采用高电压放电使材料受热气化已达到切割的目的，加工过程中会产生较大的热影响区域，加工的平整性和均匀性仍无法满足一些领域的要求。
发明内容
本发明目的提供一种针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置及分割方法，首先利用激光对薄脆性材料进行划线切槽，然后采用高速气体压力方法快速裂片，同时通过多路激光同时划线切槽和设置多个气压式裂片刀具，实现对单个样品的同时多次裂片，既保持了激光加工的快速，高效，均匀和安全的特点，又克服了机械加工容易崩边，碎裂的缺点，为工业自动化生产提供了一种新型快速加工方法和装置。
本发明提供了一种针对片状脆性材料非接触式裂片的装置及方法，该方法将激光切割与气压弯曲剪裁方法结合，包括：包括：自动上料、物料传送、位置信息采集及激光划线、气压裂片及自动分拣、控制系统等多个子系统组成。其特征在于：自动上料系统将物料放于传送系统上，物料传送过程中，位置信息采集系统提取其位置信息，激光划线系统进行划线切槽，裂片装置利用线槽在外力作用下的应力集中效应使材料在应力集中处断裂的原理，通过高速气体压力将片状材料裂片，同时自动分拣，本装置中各子系统由控制系统协调控制。气压裂片机构及分拣系统可多级(N≥2)设置，实现多(N+1)裂片。该方法可用于自动生产线对片状脆性材料进行高质量裂片及自动分拣，提高效率。
本发明的技术方案为：
一种针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置，包括自动上料系统、搬运机构、CCD成像系统或CMOS图像采集系统、激光器、多个气压裂片刀具、裂片传送带、多个裂片分拣箱、多条分拣传送带、物料传送带，所述的自动上料系统由自动上料机构、料斗及自动抓取机构构成，其特征在于：料斗安装在自动上料机构的丝杠上，搬运机构安装在料斗和物料传送带上方，自动抓取机构安装在搬运机构上，CCD成像系统或CMOS图像采集系统、激光器分别安装在物料传送带上方，裂片传送带与物料传送带衔接，裂片传送带上方安装多个气压裂片刀具，裂片传送带下方对应安装有多条分拣传送带，每条分拣传送带一端与一个裂片分拣箱相衔接，裂片传送带末端与一裂片分拣箱相衔接。
所述的自动上料机构由伺服电缸或电机和丝杠组成，伺服电缸或电机与丝杠相连，丝杠带动料斗的每次抬升量为0.2mm～2mm。
所述的自动抓取机构为吸盘。
所述的物料传送带为中部带孔、下部设置真空腔室的传送带，通过真空负压将物料吸附于传送带上方，随传送带移动。
所述的激光器为高斯光束、贝塞尔光束或平顶光束激光器，同时发出单束或多束激光，功率范围为5W～30W，波长为220nm～1100nm。
所述的气压裂片刀具包括刀具气管接口、气管接头密封垫、刀具体上盖、刀具体密封垫、刀具体下盖，刀具气管接口通过法兰与刀具体上盖连接，并通过两个气管接头密封垫实现刀具气管接口与刀具体上盖的密封；刀具体下盖与刀具体上盖之间安装刀具体密封垫，三者并连接成一体，刀具体下盖设有两排出气孔，当高速气流通过时形成线状气刀。
一种利用上述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置的分割方法，其特征在于按以下步骤进行：自动上料系统的自动上料机构将材料托盘中待切割的片状脆性材料向上提升至取料位置，自动抓取机构从物料托盘中取出一片片状脆性材料放于物料传送带上，物料传送过程中，CCD成像系统或CMOS图像采集系统提取材料位置信息，激光器按材料位置信息对片状脆性材料进行划线切槽，划线切槽完成后，物料传送带继续运动将片状脆性材料送往裂片传送带，气压裂片刀具利用片状脆性材料上的线槽在外力作用下会出现应力集中并致使片状脆性材料在应力集中处断裂的原理，通过高速气体压力将处于下方片状脆性材料进行裂片，裂片后的片状脆性材料并掉落到对应的分拣传送带上，各对应的分拣传送带将裂片后的片状脆性材料送至裂片分拣箱，完成片状脆性材料的裂片和分拣，实现片状脆性材料的N个裂片，N≥2。
所述的激光器对材料进行划线切槽的深度为材料厚度的1/3～2/3。
本发明既保持了激光加工的快速，高效，均匀和安全的特点，又克服了机械加工容易崩边，碎裂的缺点，为工业自动化生产提供了一种新型快速加工方法和装置。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图。
图2为发明的工艺流程示意图。
图3为本发明装置的气压裂片刀具结构示意图。
图4为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
结合附图对本发明一步的描述(图1所示针对一裂五片的分割装置为例描述裂片过程。本装置通过改变裂片刀具、裂片传送带、分拣箱、激光束等的数量可实现一裂多(N≥2)片的功能)。
如图1、图2所示，本发明装置包括：自动上料系统、搬运机构4、CCD成像系统5、激光器6、二个气压裂片刀具7、裂片传送带8(也可四条传送带构成一个整体，图1中采用二条传送带构成一个整体)、三个裂片分拣箱9、二条分拣传送带10、物料传送带11，所述的自动上料系统由自动上料机构1、料斗2及自动抓取机构构成，所述的自动上料机构1由电机和丝杠组成，电机与丝杠相连，丝杠带动料斗2的每次抬升量为0.2mm～2mm；所述的动抓取机构为取料吸盘3，料斗2安装在上料机构1的丝杠上，搬运机构4安装在料斗2和物料传送带11上方，取料吸盘3安装在搬运机构4上，CCD成像系统5、激光器6分别安装在物料传送带11上方，两条裂片传送带8与物料传送带11衔接，每条裂片传送带8上方安装一个二个气压裂片刀具7，每条裂片传送带8下方安装有一分拣传送带10，每条分拣传送带10一端与一裂片分拣箱9相衔接，其中一条裂片传送带8末端与一裂片分拣箱9相衔接。所述的物料传送带11为中部带孔、下部设置真空腔室的传送带，通过真空负压将材料吸附于传送带上方，随传送带移动。所述的激光器为高斯光束激光器，同时发出四束激光，功率范围为5W～30W，波长为220nm～1100nm，对片状的脆性材料进行划线切割。所述的裂片传送带、物料传送带安装的高度相同，并呈一条直线。
如图3所示，所述二个气压裂片刀具7包括刀具气管接口16、气管接头密封垫15、刀具体上盖14、刀具体密封垫13、刀具体下盖12，刀具气管接口16通过法兰与刀具体上盖14连接，并通过两个气管接头密封垫15实现具气管接口16与刀具体上盖14的密封；刀具体下盖12与刀具体上盖14之间安装刀具体密封垫13，三者并连接成一体，刀具体下盖14设有两排出气孔，当高速气流通过时形成线状气刀。
本发明装置中没有具体描述的各机构及部件均为现有结构。
如图4所示，本发明的的分割方法，其特征在于按以下步骤进行：自动上料系统的自动上料机构将材料托盘中待切割的片状脆性材料向上提升至取料位置，自动抓取机构从物料托盘中取出一片片状脆性材料放于物料传送带上，物料传送过程中，CCD成像系统或CMOS图像采集系统提取材料位置信息，激光器按材料位置信息对片状脆性材料进行划线切槽，划线切槽完成后，物料传送带继续运动将片状脆性材料送往裂片传送带，气压裂片刀具利用片状脆性材料上的线槽在外力作用下会出现应力集中并致使片状脆性材料在应力集中处断裂的原理，通过高速气体压力将处于下方片状脆性材料进行裂片，裂片后的片状脆性材料并掉落到对应的分拣传送带上，各对应的分拣传送带将裂片后的片状脆性材料送至裂片分拣箱，完成片状脆性材料的裂片和分拣，实现片状脆性材料的N个裂片，N≥2。所述的激光器对材料进行划线切槽的深度为材料厚度的1/3～2/3。
本发明装置的工作说明：
1.取料及定位：上料机构1由电机带动丝杠将物料托盘2中待切割的片状脆性材料向上提升至取料位置，取料吸盘3从物料托盘2中取出一片片状脆性材料，通过搬运装置4保持水平直线移动，将原料片状脆性材料放置到物料传送带11上，放置时保持片状脆性材料的一侧边缘与物料传送带11一侧边缘平齐，物料传送带通过负压将片状脆性材料吸附在物料传送带11面上。
2.CCD拍照及划线：物料传送带11将原料片状脆性材料传送至CCD成像系统5下方时，CCD相机对片状脆性材料进行拍照，提取片状脆性材料在物料传送带11上的位置信息，完成拍照后，物料传送带11将片状脆性材料传送至激光器6(一路或多路)下方，激光器根据片状脆性材料的位置信息对薄片进行划线切槽，划线切槽完成后，物料传送带11继续运动将片状脆性材料送往裂片传送带8。
3.气压裂片及分拣：裂片分拣为二工位裂片传送带8,片状脆性材料运动至裂片传送带8对应的裂片位置时，各工位对应的气动裂片刀具7同时通入高压空气，空气从刀具下盖的直列气孔排出，在片状脆性材料外侧形成气压，压力造成划线切槽处应力集中，最终片状脆性材料将沿着划线位置断裂，于是悬于裂片传送带8外侧或两侧的片状脆性材料被切断，切断的片状脆性材料并掉落到对应的分拣传送带10上，各对应的分拣传送带10将裂片后的片状脆性材料送至裂片分拣箱9，完成片状脆性材料的裂片和分拣。

Claims (8)

1.一种针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置，包括自动上料系统、搬运机构、CCD成像系统或CMOS图像采集系统、激光器、多个气压裂片刀具、裂片传送带、多个裂片分拣箱、多条分拣传送带、物料传送带，所述的自动上料系统由自动上料机构、料斗及自动抓取机构构成，其特征在于：料斗安装在自动上料机构的丝杠上，搬运机构安装在料斗和物料传送带上方，自动抓取机构安装在搬运机构上，CCD成像系统或CMOS图像采集系统、激光器分别安装在物料传送带上方，裂片传送带与物料传送带衔接，裂片传送带上方安装多个气压裂片刀具，裂片传送带下方对应安装有多条分拣传送带，每条分拣传送带一端与一个裂片分拣箱相衔接，裂片传送带末端与一裂片分拣箱相衔接。
2.根据权利要求1所述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置，其特征在于：所述的自动上料机构由伺服电缸或电机和丝杠组成，伺服电缸或电机与丝杠相连，丝杠带动料斗的每次抬升量为0.2mm～2mm。
3.根据权利要求1所述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置，其特征在于：所述的自动抓取机构为吸盘。
4.根据权利要求1所述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置，其特征在于：所述的物料传送带为中部带孔、下部设置真空腔室的传送带，通过真空负压将物料吸附于传送带上方，随传送带移动。
5.根据权利要求1所述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置，其特征在于：所述的激光器为高斯光束、贝塞尔光束或平顶光束激光器，同时发出单束或多束激光，功率范围为5W～30W，波长为220nm～1100nm。
6.根据权利要求1所述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置，其特征在于：所述的气压裂片刀具包括刀具气管接口、气管接头密封垫、刀具体上盖、刀具体密封垫、刀具体下盖，刀具气管接口通过法兰与刀具体上盖连接，并通过两个气管接头密封垫实现刀具气管接口与刀具体上盖的密封；刀具体下盖与刀具体上盖之间安装刀具体密封垫，三者并连接成一体，刀具体下盖设有两排出气孔，当高速气流通过时形成线状气刀。
7.一种利用权利要求1－6之一所述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置的分割方法，其特征在于按以下步骤进行：自动上料系统的自动上料机构将材料托盘中待切割的片状脆性材料向上提升至取料位置，自动抓取机构从物料托盘中取出一片片状脆性材料放于物料传送带上，物料传送过程中，CCD成像系统或CMOS图像采集系统提取材料位置信息，激光器按材料位置信息对片状脆性材料进行划线切槽，划线切槽完成后，物料传送带继续运动将片状脆性材料送往裂片传送带，气压裂片刀具利用片状脆性材料上的线槽在外力作用下会出现应力集中并致使片状脆性材料在应力集中处断裂的原理，通过高速气体压力将处于下方片状脆性材料进行裂片，裂片后的片状脆性材料并掉落到对应的分拣传送带上，各对应的分拣传送带将裂片后的片状脆性材料送至裂片分拣箱，完成片状脆性材料的裂片和分拣，实现片状脆性材料的N个裂片，N≥2。
8.根据权利要求7所述针对片状脆性材料非接触式裂片分割装置的分割方法，其特征在于：所述的激光器对材料进行划线切槽的深度为材料厚度的1/3～2/3。
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