DE102007018674A1

DE102007018674A1 - Method for forming through-holes in glass components

Info

Publication number: DE102007018674A1
Application number: DE200710018674
Authority: DE
Inventors: Carsten Busching
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-10-23
Also published as: WO2008128612A1

Abstract

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bilden von Durchgangslöchern in Bauteilen aus Glas wird das Bauteil in einer fleckförmigen Erwärmungszone auf eine Erwärmungstemperatur erwärmt, bei der das Glas sich zu verflüssigen beginnt. Daran anschließend wird die Erwärmungszone gekühlt, derart, daß sich entlang der Kontur der Erwärmungszone ein thermisch induzierter Spannungsriß bildet.In a method according to the invention for forming through holes in glass components, the component is heated in a spot-shaped heating zone to a heating temperature at which the glass begins to liquefy. Subsequently, the heating zone is cooled, such that a thermally induced stress crack forms along the contour of the heating zone.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden von Durchgangslöchern in Bauteilen aus Glas.The The invention relates to a method for forming through holes in Glass components.

Bei Verwendung von Bauteilen aus Glas beispielsweise in den Bereichen Architektur oder Autmobilverglasung, ist es häufig erforderlich, in den Bauteilen Durchgangslöcher zu bilden.at Use of glass components, for example in the areas Architecture or autoflash, it is often necessary in the components Through holes to build.

Es ist bekannt, Durchgangslöcher in Bauteilen aus Glas mittels spanender Bohrtechniken unter Verwendung von Diamantbohrern zu bilden. Nachteilig hierbei ist, daß die so gebildeten Bohrungen durch Polieren und Schleifen nachbearbeitet werden müssen und insbesondere in den Bereichen, in denen der Bohrer in das Glas eingetreten bzw. aus dem Glas ausgetreten ist, mit Mikrorissen behaftet sind.It is known through holes in glass components using machining drilling techniques using to form diamond drills. The disadvantage here is that the sun reworked holes by polishing and grinding Need to become and especially in the areas where the drill bit in the glass occurred or leaked from the glass, afflicted with microcracks are.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bilden von Durchgangsbohrungen in Bauteilen aus Glas anzugeben, bei dem die Wandungen der Durchgangslöcher eine hohe Oberflächenqualität aufweisen.Of the Invention is based on the object, a method for forming Indicate through holes in glass components where the Walls of the through holes have a high surface quality.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Lehre gelöst.These The object is achieved by the teaching defined in claim 1.

Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lehre besteht darin, das Bauteil durch Wärmeeinleitung in einer räumlich scharf begrenzten fleckförmigen Erwärmungszone, beispielsweise unter Verwendung von Laserstrahlung, zu erwärmen, wobei die Erwärmung so schnell er folgt, daß Druckspannungen vermieden oder gering gehalten sind, wobei die Bearbeitungstemperatur so gewählt wird, daß sich das Glas bei der Bearbeitungstemperatur zu verflüssigen beginnt. Beim Erreichen der Bearbeitungstemperatur kann sich das Glas ausdehnen und senkrecht zur Oberfläche des Bauteiles ausweichen. Nach der Erwärmung auf die Bearbeitungstemperatur wird das Bauteil abgekühlt, wobei Zugspannungen entstehen, die zum Zentrum der Erwärmung radial ausgerichtet sind und einen thermisch induzierten Spannungsriß zur Folge haben, durch den ein konisch begrenztes Materialvolumen unter Bildung der Durchgangsbohrung abgetrennt von dem Bauteil abgetrennt wird.Of the Basic idea of the teaching according to the invention is to heat the component in a spatially sharp component limited spotty Heating zone, For example, using laser radiation to heat, wherein the warming as soon as it follows that compressive stresses avoided or are kept low, with the processing temperature being selected that yourself the glass begins to liquefy at the processing temperature. When reaching the processing temperature, the glass can expand and vertical to the surface to dodge the component. After heating to the processing temperature is the component cooled, wherein tensile stresses arise, which are radial to the center of the heating aligned and a thermally induced stress crack result through which a conically limited volume of material under formation the through hole is separated separated from the component.

Die erfindungsgemäße Lehre ermöglicht das Bilden von Durchgangslöchern in Bauteilen aus Glas mit hoher Oberflächenqualität, die der Oberflächenqualität von polierten Glasoberflächen entspricht. Eine Nachbearbeitung der Wandungen der Durchgangslöcher ist damit erfindungsgemäß vermieden. Dies spart zusätzliche Arbeitsschritte und Zeit und damit Kosten.The inventive teaching allows forming through-holes in components of glass with high surface quality, which polished the surface quality of glass surfaces equivalent. A post-processing of the walls of the through holes is thus avoided according to the invention. This saves additional Steps and time and therefore costs.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei seiner Anwendung in dem Glas nicht oder nur in vernachlässigbar geringem Umfang Mikrorisse enstehen, die sich bei bekannten Verfahren bei Verwendung des Bauteiles ausdehnen und zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Bauteiles bereits bei der Bearbeitung oder im späteren Gebrauch führen können.One Another advantage of the method according to the invention is that at its use in the glass not or only in negligible Microcracks are formed to a small extent, resulting in known processes expand when using the component and cause damage or destruction of the component already during processing or in later use to lead can.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß spanende Werkzeuge nicht benötigt werden. Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens entstehen damit kein Staub oder ähnliche Bearbeitungsrückstände, so daß eine Reinigung des Bauteiles nach dem Bilden eines Durchgangsloches erfin dungsgemäß nicht erforderlicht ist.One particular advantage of the method according to the invention is that cutting Tools not needed become. In carrying out the inventive method do not cause dust or similar Processing residues, so that one Cleaning the component after forming a through hole inven tion not required is.

Ferner ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, daß Durchgangslöcher unterschiedlichen Durchmessers mit ein und derselben Vorrichtung gebildet werden können. Wird zur Erwärmung des Bauteiles beispielsweise ein Laser verwendet, dessen Strahlfleck die fleckförmige Erwärmungszone definiert, so können Durchgangslöcher unterschiedlichen Durchmessers dadurch gebildet werden, daß der Strahlfleck des Laserstrahles durch entsprechende Strahlformungsmittel vergrößert oder verkleinert wird.Further it is in the inventive method advantageous in that through holes differ Diameter can be formed with one and the same device. Becomes for warming the component used for example a laser, the beam spot the spot-shaped heating zone defined, so can Through holes different Diameter are formed by the beam spot of the laser beam is increased or decreased by appropriate Strahlformungsmittel.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Bearbeitungstemperatur so gewählt wird, daß sich das Glas bei der Bearbeitungstemperatur im niederviskosen Bereich befindet. Auf diese Weise kann sich das Glas beim Erreichen der Bearbeitungstemperatur ausdehnen und senkrecht zur Oberfläche des Bauteiles ausweichen, ohne daß durch eine zu hohe Viskosität des erweichten Glases unerwünschte Effekte entstehen.A advantageous development of the teaching of the invention provides that the processing temperature so chosen that will happen the glass at the processing temperature in the low-viscosity range located. In this way, the glass can reach when reaching the Extend machining temperature and perpendicular to the surface of the Dodge components without being through too high a viscosity the softened glass unwanted Effects arise.

Grundsätzlich kann die Erwärmung des Bauteiles in der Erwärmungszone auf beliebige geeignete Weise erfolgen, solange sichergestellt ist, daß das Bauteil lediglich in einer räumlich scharf begrenzten, fleckförmigen Erwärmungszone erwärmt wird. Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß zur Erwärmung des Bauteiles in der Erwärmungszone von einem Laser erzeugte Laserstrahlung verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform lassen sich Prozeßparameter des erfindungsgemäßen Verfahrens durch geeignete Wahl der Leistung des Lasers und der Größe seines Strahlflecks auf besonders einfache Weise einstellen.Basically the warming of the component in the heating zone be carried out in any suitable way as long as it is ensured that the component only in a spatially sharply demarcated, blotchy heating zone heated becomes. An extraordinary advantageous development of the teaching of the invention provides that for heating the Components in the heating zone laser radiation generated by a laser is used. At this embodiment can process parameters of inventive method by properly choosing the power of the laser and the size of its beam spot set in a particularly simple manner.

Um eine für die Erwärmung des Bauteiles in der Erwärmungszone ausreichende Absorption der Laserstrahlung durch das Glas zu erzielen, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgenannten Ausführungsform vor, daß Laserstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen etwa 400 und etwa 5.000 nm verwendet wird.Around one for the warming of the component in the heating zone to achieve sufficient absorption of the laser radiation through the glass, sees an advantageous development of the aforementioned embodiment ago that laser radiation with one wavelength between about 400 and about 5,000 nm is used.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Erwärmungszone nach der Erwärmung durch Konvektion gekühlt wird.A Another advantageous development of the teaching of the invention provides that the heating zone after heating cooled by convection becomes.

Falls entsprechend den jeweiligen Anforderungen erforderlich oder wünschenswert, kann die Erwärmungszone nach der Erwärmung jedoch auch mittels einer Kühleinrichtung gekühlt werden, wie dies eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre vorsieht.If required or desirable according to the respective requirements, can the heating zone after heating but also by means of a cooling device chilled be, as is another advantageous development of the teaching of the invention provides.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre sehen vor, daß die Temperatur des Bauteiles in der Erwärmungszone während des Bearbeitungsvorganges gemessen wird und/oder daß die Leistung des Lasers in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur gesteuert oder geregelt wird. Bei diesen Ausführungsformen ist die Prozeßsteuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinfacht.Other advantageous developments of the teaching of the invention provide that the temperature of the component in the heating zone during the Machining process is measured and / or that the power of the laser in dependence is controlled or regulated by the measured temperature. at these embodiments is the process control the method according to the invention simplified.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei bilden alle in den Patentansprüchen beanspruchten, beschriebenen oder in der Zeichnung dargestellten Merkmale für sich genommen oder in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.The Invention will now be described with reference to an embodiment with reference on the attached Drawings closer explained. In this case, all claimed in the claims, described or in the drawing features taken alone or in any combination together the subject of the invention, regardless of their summary in the claims as well as independently from their description or representation in the drawing.

Es zeigt:It shows:

1 eine stark schematisierte Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Verfahrens und 1 a highly schematic side view of an apparatus for carrying out an embodiment of the method according to the invention and

2 ein Foto eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildeten Durchgangsloches in Form einer Durchgangsbohrung. 2 a photo of a through hole formed by the method according to the invention in the form of a through hole.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 dargestellt, die einen Laser 4 aufweist, der bei Betrieb Laserstrahlung 6 mit einem kreisförmig begrenzten Stahlfleck erzeugt. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Festkörperlaser mit einer Wellenlänge von 1.064 nm.In 1 is an embodiment of a device according to the invention 2 shown a laser 4 having, during operation, laser radiation 6 produced with a circular limited steel spot. This embodiment is a solid-state laser with a wavelength of 1064 nm.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird in einer aus Kalk-Natron bestehenden Glasscheibe mit einer Stärke von 2 mm ein kreisförmiges Durchgangsloch mit einem Durchmesser von ca. 5 mm gebildet.at the present embodiment is in a lime-soda glass pane with a thickness of 2 mm a circular through hole formed with a diameter of about 5 mm.

Zum Bilden des Durchgangsloches in der Glasscheibe 8 wird der Laserstrahl des Lasers 4 auf die Glasscheibe 8 gerichtet, wobei die Laserstrahlung von dem Glas der Glasscheibe 8 in einer durch den Strahlfleck des Laserstrahles definierten, scharf begrenzten Erwärmungszone absorbiert und die Glasscheibe 8 hierdurch in der Erwärmungszone erwärmt wird. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Erwärmungszone mit einer Laserleistung von ca. 400 W für etwa 5,5 sec. erwärmt, und zwar auf eine Beareitungstemperatur, die größer als die Transformationstemperatur des Glases ist, so daß das Glas in der Erwärmungszone in den niederviskosen Bereich übergeht. Aufgrund der gewählten Prozeßparameter wird die Glasscheibe 8 in der Erwärmungszone so schnell bis über die Transformationstemperatur erwärmt, daß die Einleitung von Druckspannungen vermieden oder gering gehalten ist. Nach dem Übergang des Glases in der Erwärmungszone in den niederviskosen Bereich kann sich das Glas ausdehnen und senkrecht zur Oberfläche der Glasscheibe 8 ausweichen.To form the through hole in the glass sheet 8th becomes the laser beam of the laser 4 on the glass 8th directed, with the laser radiation from the glass of the glass 8th absorbed in a defined by the beam spot of the laser beam, sharply defined heating zone and the glass 8th thereby heated in the heating zone. In the present embodiment, the heating zone is heated with a laser power of about 400 W for about 5.5 sec., To a tempering temperature which is greater than the transformation temperature of the glass so that the glass in the heating zone is in the low-viscosity range passes. Due to the selected process parameters, the glass pane 8th heated in the heating zone so fast to above the transformation temperature that the introduction of compressive stresses is avoided or kept low. After the transition of the glass in the heating zone to the low-viscosity region, the glass may expand and be perpendicular to the surface of the glass sheet 8th dodge.

Daran anschließend wird der Laser 4 abgeschaltet, so daß sich die Glasscheibe 8 in der Erwärmungszone 8 abkühlt. Hierbei entstehen Zugspannungen, die zum Zentrum der Erwärmung radial ausgerichtet sind und zu einem thermisch induzierten Spannungsriß führen, dessen Kontur durch die Kontur der Erwärmungszone festgelegt ist. Durch den Spannungsriß wird ein konisch begrenztes Materialvolumen 10 aus der Glasscheibe 8 herausgetrennt, wobei in der gewünschten Weise ein Durchgangsloch gebildet wird.Then the laser becomes 4 shut off, so that the glass pane 8th in the heating zone 8th cools. This results in tensile stresses, which are radially aligned to the center of the heating and lead to a thermally induced stress crack whose contour is determined by the contour of the heating zone. The stress crack becomes a conically limited volume of material 10 out of the glass 8th separated out, wherein in the desired manner, a through hole is formed.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auf einfache Weise das Bilden von Durchgangslöchern in Bauteilen aus Glas. Das Durchgangsloch kann hierbei nach Art einer Durchgangsbohrung ausgebildet sein, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 der Fall ist. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, den Laserstrahl und das Bauteil während der Bearbeitung relativ zueinander zu bewegen, so daß der Bearbeitungsvorgang nach Art eines Trepaniervorgangs ausgestaltet ist.The method according to the invention makes it possible in a simple manner to form through-holes in components made of glass. The through hole may in this case be designed in the manner of a through hole, as in the embodiment according to FIG 1 the case is. It is according to the invention, however, also possible to move the laser beam and the component during processing relative to each other, so that the machining operation is designed in the manner of a Trepaniervorgangs.

2 zeigt ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gebildetes Durchgangsloch in einer Glasscheibe. Es ist ersichtlich, daß die Wandungen des Durchgangsloches eine hohe Oberflächenqualität aufweisen. 2 shows a formed by the method according to the invention through hole in a glass sheet. It can be seen that the walls of the through hole have a high surface quality.

Claims

A method of forming through holes in glass components, wherein the component is heated in a spot heating zone to a heating temperature at which the glass begins to liquefy, and then the heating zone is cooled thereafter such that along the contour of the Heating zone forms a thermally induced stress crack.

Method according to claim 1, characterized in that that the Machining temperature selected that will happen the glass at the processing temperature in the low-viscosity range located.

Method according to claim 1 or 2, characterized that to warming of the component in the heating zone laser radiation generated by at least one laser is used.

Method according to claim 3, characterized that laser radiation with a wavelength between about 400 nm and about 5,000 nm is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that heating zone after heating cooled by convection becomes.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that heating zone after heating by means of a cooling device chilled becomes.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Temperature of the component in the heating zone during the Machining process is measured.

Method according to claim 7 and 3 or 4, characterized that the Power of the laser depending is controlled or regulated by the measured temperature.