DE102005009696B3

DE102005009696B3 - Vorrichtung und Verfahren sowie Verwendung des Verfahrens zum Laserbearbeiten einer Oberfläche eines transparenten oder transluzenten Werkstücks

Info

Publication number: DE102005009696B3
Application number: DE102005009696A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Philipp
Original assignee: Tampoprint GmbH
Current assignee: Tampoprint GmbH
Priority date: 2005-02-24
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2025-02-25
Also published as: ITPD20060043A1; US20060186100A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren sowie eine Verwendung des Verfahrens zum Bearbeiten einer Oberfläche eines transparenten oder transluzenten Werkstücks mittels eines Laserstrahls, mit einem Auflagetisch für das Werkstück, einer Halterung für den den Laserstrahl aussendenden Laser sowie einem Antrieb zum Transport des Werkstücks auf dem Auflagetisch unter dem Laserstrahl, wobei mehrere Laser in der Halterung angeordnet sind und dass die mehreren Laser nebeneinander und quer zur Transportrichtung des Werkstücks angeordnet sind, wobei die Arbeitsbereiche der mehreren Laser aneinander angrenzen oder sich überlappen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines transparenten oder transluzenten Werkstücks mittels Laserstrahlen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung sowie die Verwendung dieses Verfahrens.

Aus der DE 198 13 711 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Glasfliese bekannt, bei welchem auf die Rückseite der Fliese eine Dekorschicht flächig deckend aufgebracht und auf die Dekorschicht eine ein Dekormuster bestimmende Maske aufgebracht werden. Dann werden die von der Maske nicht bedeckten Teile der ersten Dekorschicht zum Beispiel durch Sandstrahlen, Ätzen oder mittels eines Laserstrahls abgetragen. Das Herstellen der Maske in Form einer Gummimaske, Plottermaske oder dergleichen ist sehr aufwändig und es muss für jede Glasfliese eine separate Maske hergestellt werden. Beim Sandstrahlen müssen Vorkehrungen getroffen werden, um das Strahlmittel und Bearbeitungsstäube abzusaugen. Außerdem können mit diesem Verfahren keine scharfen Ränder am Dekor erzeugt werden. Beim Ätzverfahren fallen Abfallstoffe an, die aufwändig entsorgt werden müssen. Lediglich die Verwendung eines Laserstrahls ist umweltfreundlich, wobei der Laserstrahl großflächig die Maske abfährt und lediglich die von der Maske nicht bedeckten Flächen bearbeitet. Ein weiterer Nachteil wird darin gesehen, dass beim Sandstrahlverfahren die gestrahlte Oberfläche matt und somit nicht mehr durchsichtig ist. Durchsichtige bearbeitete Flächen können mit dem Sandstrahlverfahren nicht hergestellt werden.

Aus der DE 103 04 371 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten der Oberflächen transparenter Werkstoffe mittels Laserstrahl bekannt geworden. Dabei durchdringt der Laserstrahl den Werkstoff und trifft auf dessen Rückseite auf ein absorbierendes Material, sodass die Energie des Laserstrahls in thermische Energie umgewandelt wird. Wegen des Kontakts zwischen der zu bearbeitenden Oberfläche des Werkstücks und der Platte aus absorbierendem Material wird ein wesentlicher Teil der thermischen Energie auf die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks übertragen. Dort findet eine lokale Verdampfung oder Abschmelzen kleinster Bereiche der Oberfläche statt. Dieses Verfahren ist zwar wesentlich umweltfreundlicher als ein Sandstrahl- oder Ätzverfahren, jedoch aufgrund der Verwendung einer Platte aus absorbierendem Material großtechnisch nicht durchführbar.

Es sind auch Vorrichtungen bekannt, mit denen plattenförmige Produkte mittels eines Laserstrahls bearbeitet werden können. Dabei wird der Laserstrahl in eine verfahrbare Optik umgelenkt, wobei die Optik in x- und in y-Richtung verfahren werden kann. Zwar können auf diese Weise Vektorbilder erzeugt werden, da aber die Optik mit ihrem Umlenkspiegel und dem Linsensystem eine nicht vernachlässigbare Masse aufweist, können nur kleine Beschleunigungen und Verzögerungen erzielt werden. Diese Vorrichtung arbeitet nach Art eines Plotters.

Es ist auch bekannt, dass die Optik nur zeilenweise verfahren wird. Hierdurch können nur Rasterbilder erzeugt werden, aber die Optik muss wesentlich seltener beschleunigt und abgebremst werden. Diese Vorrichtung arbeitet nach Art eines Nadel- oder Inkjet-Druckers. Mit beiden Vorrichtungen können Flächen von ca. 1200 mm × 600 mm in ca. einer Stunde bearbeitet werden. Dabei steht die Optik stets über dem zu bearbeitenden Punkt.

Aus der DE 43 04 953 C2 ist ein Verfahren zur Ausbildung einer entfernbaren Oberflächenschicht auf einem Substrat aus Glaskeramik, Glas oder Keramik bekannt. Dieses Verfahren dient zum Zwecke der Reinigung. Hierfür wird ein Laserstrahl linienförmig über die Oberfläche des Substrats geführt und die Oberfläche angeschmolzen. Aus der nächstkommenden DE 103 28 617 A1 ist ein Kennzeichnungsverfahren und -vorrichtung bekannt, bei dem die Oberfläche eines Flachglases mittels eines Laserstrahl z.B. mit Buchstaben, einem Strichcode, einem Punktcode oder mit einem Logo gekennzeichnet wird. Eine vollflächige Dekoration des Flachglases ist mit einer derartigen Vorrichtung aber nicht möglich bzw. wäre zu zeitaufwändig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und/oder ein Verfahren bereitzustellen, mit welchem auf einfache, preiswerte und schnelle Art und Weise transparente oder transluzente Werkstücke mittels eines Laserstrahls bearbeitet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.

Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung muss das Werkstück lediglich auf den Auflagetisch aufgelegt und unter den Laserstrahlen hindurch transportiert werden, so dass die Laserstrahlen das Werkstück bearbeiten können. Auf diese Weise können nicht nur kleinformatige sondern auch großflächige Werkstücke mit Laserstrahlen entweder vollflächig bearbeitet oder mit einer Vielzahl von Mustern versehen werden.

Dabei sind erfindungsgemäß mehrere Laser in einer Halterung angeordnet, wobei die mehreren Laser über die gesamte Breite des Werkstücks angeordnet sind, deren Arbeitsbereiche aneinander angrenzen oder sich sogar überlappen. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die Bearbeitungsgeschwindigkeit gesteigert werden kann, da die mehreren Laser das Werkstück gleichzeitig bearbeiten können. Auf diese Weise können großflächige Muster erzeugt werden, indem die Ränder der Teilmuster fließend ineinander übergehen und dadurch nicht mehr erkenntlich sind. Außerdem kann bei einem die gesamte Breite des Werkstücks erfassenden Arbeitsbereich der mehreren Laser gänzlich auf einen Schlitten zum Verfahren von Lasern oder von Ablenkmittel von Laserstrahlen verzichtet werden. Die Arbeitsbereiche können auch so angeordnet sein, dass jeweils übernächste Arbeitsbereiche den anderen Arbeitsbereichen in Transportrichtung vorgelagert sind, so dass diese Arbeitsbereiche zeitlich versetzt zu den anderen bearbeitet werden. Überlappungen der Arbeitsbereiche sind dadurch einfacher realisierbar.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Halterung für die Laser einen Schlitten aufweist, der zum Verfahren der Laser und/oder für ein Ablenkmittel für die Laserstrahlen dient. An diesem Schlitten sind entweder die Laser montiert, sodass die Laser zum Beispiel quer zur Transportrichtung des Werkstücks über diesem verfahren werden können. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Laser ortsfest montiert sind und mittels des Schlittens lediglich ein Ablenkmittel, zum Beispiel ein Spiegel verfahren wird. Dies hat den Vorteil, dass wesentlich geringere Massen bewegt werden müssen, sodass zum Einen höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen realisiert werden können, zum Anderen der Schlitten selbst sowie dessen Antrieb kleiner gebaut werden können.

Bei einer Weiterbildung ist das Ablenkmittel ein Scansystem. Scansysteme, die auch als Schreibkopfsysteme bezeichnet werden, besitzen zwei verschwenkbar gelagerte Spiegel, über welche ein Laserstrahl in Richtung der zu bearbeitenden Fläche, d.h. des Arbeitsbereiches abgelenkt wird, ohne dass das Scansystem verfahren werden muss. Die Größe des Arbeitsbereichs beträgt z.B. 120 mm × 120 mm. Nachdem dieser Arbeitsbereich bearbeitet worden ist, wird das Scansystem zum benachbarten Arbeitsbereich verfahren. Das Verschwenken der Spiegel ist problemlos in sehr kurzer Zeit möglich, da dabei nur sehr kleine Massen bewegt werden müssen.

Indem sich die Halterung quer über den Auflagetisch erstreckt, ist gewährleistet, dass alle Bereiche des Werkstücks von den Laserstrahlen erfasst werden können. Dies bedeutet aber auch, dass bei verfahrbaren Lasern das Scansystem zusammen mit den Lasern verfahren wird. Sind die Laser ortsfest, dann werden die Laserstrahlen z.B. mittels eines Lichtleiters zum Scansystem geführt.

Da bei der Verwendung von mehreren Lasern die Bearbeitungsgeschwindigkeit so weit gesteigert kann, dass das Werkstück mit einer Transportgeschwindigkeit von 3 bis 5 m/min transportiert werden kann, besteht die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung als Inline-Vorrichtung für eine Flachglasproduktionsanlage auszugestalten. Dabei kann der Antrieb für das Werkstück ein Bandvorschub, ein Rollenvorschub oder ein Tischvorschub sein.

Die eingangs genannte Aufgabe wird auch mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 10 aufweist.

Durch den Transport des Werkstücks während der Laserbearbeitung und die Verwendung mehrerer Laser können Muster erzeugt werden, deren Abmessungen größer sind als die mit einem Laserstrahl maximal erreichbaren Bereiche, d.h. größer als der Arbeitsbereich eines Lasers. Außerdem können mathematische Kurven erzeugt werden, zum Beispiel Lissajou-Figuren erzeugt werden. Die Figur muss also nicht im Voraus berechnet werden, sondern wird durch geeignete Ansteuerung der Antriebe erzeugt.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Werkstück mit den Laserstrahlen gerastet, insbesondere in Form eines Punktrasters bearbeitet. Dabei können die Punkte gleiche oder unterschiedliche Größen aufweisen bzw. kann der Abstand zwischen den Punkten unterschiedlich groß sein (autotypisches Verfahren). Eine andere Variante sieht vor, dass das Werkstück im Halbtonverfahren bearbeitet wird. Schließlich kann auch die Bearbeitungstiefe variieren, wodurch dreidimensionale Bilder erzeugt werden können.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das Werkstück mit einem Endlosmuster sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung versehen werden. Dabei gehen die Ränder des Musters fließend ineinander über.

Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren das Werkstück an seiner den Laserstrahlen zugewandten und/oder an seiner den Laserstrahlen abgewandten Oberseite bearbeitet werden kann. Das Werkstück kann also in einem Arbeitsdurchgang auf beiden Seiten bearbeitet werden. Dabei kann die bearbeitete Oberfläche rau (matt) oder glatt sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sowohl Echtglas als auch Kunstglas bearbeitet werden, wobei das Glas auch eingefärbt sein kann. Ist lediglich die Oberfläche eingefärbt, so kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diese Oberfläche abgetragen werden. Befindet sich unter dieser Oberfläche eine andere Farbe, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein zweifarbiges Werkstück erzeugt werden. Es können auch Metalle, Kunststoff, Holz und der gleichen bearbeitet werden.

Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Fokus eines Laserstrahls auf einen Bereich zwischen den beiden Oberflächen, insbesondere die Mitte des Werkstücks gerichtet, so dass der bearbeitete Bereich im Werkstück eingeschlossen bleibt und das Werkstück weiterhin unversehrte Oberflächen besitzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich besonders zum Bearbeiten von flachen Werkstücken, wie Flachglas, Türen, Wände, Raumteiler, Tischplatten und dergleichen, insbesondere in der industriellen Fertigung und der Massenproduktion. Es können hohe Geschwindigkeiten erzeugt werden, da die zu bewegenden Massen vernachlässigbar klein sind.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

Die Zeichnung zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Lasern.
Die Zeichnung zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines transparenten Werkstücks 12, welches auf einem hinteren Ende eines Auflagetischs 14 aufliegt. Dieser Auflagetisch besitzt zum Beispiel eine Länge von 6000 mm und eine Breite von 1800 mm. Am Auflagetisch 14 ist ein Transportband 16 vorgesehen, welches als Antrieb 18 für das Werkstück 12 dient. Quer über den Auflagetisch 14 erstreckt sich eine Halterung 20, an welcher die Laser 22 an einem Schlitten 24 in Richtung des Doppelpfeils 26 verfahrbar gelagert sind. Wird das Werkstück 12 in Transportrichtung 28 unter der Halterung 20 hindurchgeführt, dann wird mittels der Laser 22 jeweils ein Arbeitsbereich 30 auf dem Werkstück 12 bearbeitet. Im Schlitten 24 befindet sich ein Scansystem mit verschenkbaren Spiegeln, mit denen die Laserstrahlen ohne Verschiebung der Laser 22 oder des Halters 20 innerhalb des Arbeitsbereichs 30 verfahren werden können. Das Werkstück 12 kann dabei schrittweise oder kontinuierlich unter dem Halter 20 hindurchgeführt werden. Nach der Bearbeitung oder Fertigstellung des Arbeitsbereichs 30 werden die Laser 22 über den Schlitten 24 und das Werkstück 12 wird mittels des Antriebs 18 zum benachbarten Arbeitsbereich 30 verfahren, so dass die Arbeitsbereiche 30 der Laserstrahlen aneinander angrenzen oder geringfügig überlappen. Auf diese Weise kann die gesamte Oberfläche des Werkstücks 12 mit mehreren Lasern 22 bearbeitet werden. Befindet sich das Werkstück 12 auf der anderen Seite des Auflagetischs 12, kann es von diesem mit einer geeigneten Vorrichtung abgenommen werden.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind an der Halterung 20 mehrere, insgesamt elf Laser 22 befestigt, wobei diese Laser 22 nicht über einen Schlitten verfahrbar sondern starr fixiert sind. Die Laser 22 können gleichzeitig betrieben werden, sodass sie alle nebeneinander liegenden Arbeitsbereiche 30 des Werkstücks 12 gleichzeitig bearbeiten können. Die Arbeitsbereiche 30 können auch abwechselnd in Transportrichtung 28 vor und zurückverlagert sein, so dass sich die Scansysteme, die ebenfalls in Transportrichtung 28 vor und zurückverlagert sind, nicht gegenseitig behindern. Das Werkstück 12 kann also kontinuierlich unter der Halterung 12 hindurchtransportiert werden und wird dabei über seine gesamte Breite bearbeitet. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel grenzen die Arbeitsbereiche 30 aneinander an. Die Ablenkmittel für die Laserstrahlen können aber auch so eingestellt sein, dass sich die Arbeitsbereiche 30 in den Randbereichen überlappen.
Mit dem Antrieb 18 kann das Werkstück 12 nicht nur in Transportrichtung 28 sondern auch entgegen dieser Transportrichtung 28 bewegt werden, wodurch mathematische Kurven, wie Lissajou-Figuren erzeugt werden können. Die dargestellte Vorrichtung 10 kann auch als Inline-Vorrichtung in einer Flachglasproduktionsanlage verwendet werden. Dabei wird der Auflagetisch 14 permanent mit Werkstücken 12 bestückt, die nach der Bearbeitung kontinuierlich am anderen Ende entnommen werden.
Die Werkstücke 12 können jeweils mit gleichen Mustern oder programmgesteuert mit unterschiedlichen Mustern versehen werden, wobei auch die Möglichkeit besteht, dass jeder Arbeitsbereich 30 ein anderes Dekor aufweist. Außerdem können die Dekore größer sein, als ein einziger Arbeitsbereich 30 eines Lasers und es können sowohl auf der Oberseite als auch auf der Unterseite Muster in die Glasplatte eingraviert werden. Im Bereich der Halterung 20 ist außerdem eine Absaugvorrichtung vorgesehen, die eventuell auftretende Stäube, Glassplitter, Dämpfe oder dergleichen absaugt.
Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren ist nicht nur umweltfreundlich sondern auch sehr flexibel hinsichtlich der zu verarbeitenden Muster, die z.B. in Form von gespeicherten Daten in eine die Laser ansteuernde Steuerung eingegeben werden können. Diese Musterdaten können auch vom Kunden vorgegeben oder bereit gestellt werden.

Claims

Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines transparenten oder transluzenten Werkstücks (12) mittels eines Laserstrahls, mit einem Auflagetisch (14) für das Werkstück (12), einer Halterung (20) für den den Laserstrahl aussendenden Laser (22) sowie einem Antrieb (18) zum Transport des Werkstücks (12) auf dem Auflagetisch (14) unter dem Laserstrahl, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Laser (22) in der Halterung (20) angeordnet sind und dass die mehreren Laser (22) nebeneinander und quer zur Transportrichtung (28) des Werkstücks (12) angeordnet sind, wobei die Arbeitsbereiche (30) der mehreren Laser (22) aneinander angrenzen oder sich überlappen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) einen Schlitten (24) für die Laser (22) und/oder für ein Ablenkmittel für die Laserstrahlen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkmittel ein Scan- oder Schreibkopfsystem ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkmittel und ein Laser eine Einheit bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (24) quer zur Transportrichtung (28) verfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (20) sich quer über den Auflagetisch (14) erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass übernächste Arbeitsbereiche (30) der mehreren Laser (22) den anderen Arbeitsbereichen in Transportrichtung vorgelagert sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Inline-Vorrichtung für eine Flachglasproduktionsanlage ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (18) zum Transport des Werkstücks (12) ein Bandvorschub, Rollenvorschub oder Tischvorschub ist.
Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (12) während der Laserbearbeitung transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Laser (22) gleichzeitig betrieben werden, derart, dass die Arbeitsbereiche (30) in den Randbereichen aneinander angrenzen oder sich überlappen.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) mit den Laserstrahlen gerastert, insbesondere in Form eines Punktrasters bearbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) im Halbtonverfahren bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) autotypisch bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) an seiner den Laserstrahlen zugewandten und/oder abgewandten Oberfläche bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungstiefe variiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Punktrasterung die Punkte unterschiedliche Größen aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass flache Produkte, wie Flachglas, Türen, Wände, Raumteiler, Tischplatten bearbeitet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Ablenkmittel senkrecht zum Auflagetisch (14) verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (12) während der Laserbearbeitung kontinuierlich transportiert wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 19 für die Bearbeitung von Glas oder Kunstglas (Kunststoff), Holz, Metalle oder eine Kombination hiervon.