DE102007040801A1

DE102007040801A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Trennen von Materialien mit Schwächungslinien

Info

Publication number: DE102007040801A1
Application number: DE102007040801A
Authority: DE
Inventors: August Spitzfaden; Werner Krauss; Edgar Bauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-05

Abstract

Verfahren, Verwendung und Vorrichtung zum Trennen oder Vereinzeln von Materialien mittels Druckwellen. Die Vorrichtung weist zum Platzieren der Materialien einen Bearbeitungstisch (7) auf, dem ein Druckwellenerzeuger, insbesondere ein Stoßwellenerzeuger (3) zugeordnet ist. Ein Markierungslaser (9) erzeugt einen Laserstrahl, der mit der Fokusachse des Stoßwellenerzeugers (3) korreliert, so dass die zu trennenden Materialien mittels Transporthebel (13) und zugehöriger Anschlussleiste (14) exakt zum Fokus des Stoßewellenerzeugers bewegt werden können. Beim Auslösen der Stoßwelle durchläuft diese das zu trennende Material (1), welches eine Perforierung (2) aufweist, was zur Rissbildung entlang der Perforierung (2) führt. Eine pneumatische Vorspannungseinrichtung (12) unterstützt den Brechvorgang mit einem vordefinierbaren Kraftmoment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen oder Vereinzeln von Materialien unter Verwendung von Druckwellen.
Es sind Vorrichtungen bekannt, die durch mechanische Mittel plattenförmige Materialien (z. B. Keramik) teilen. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 10 2005 023 238 B3 oder der DE 103 11 693 B3 bekannt. Die Vereinzelung der Platten erfolgt über einen Brechstempel bzw. über ein Brechschwert, welches an der Bruchlinie angesetzt wird. Mit einem gewissen Anpressdruck werden die plattenförmigen Materialien geteilt.
Die Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass durch steife mechanische Krafteinwirkung die Platte nicht frei schwingen kann, wodurch häufig Beschädigungen an den Brechkanten erzeugt werden.
Weiterhin unterliegt der Brechstempel einem Verschleiß, was weiterhin zu einem inhomogen Bruchbild führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen oder Vereinzeln von Materialien unter Verwendung von Druckwellen zu schaffen, welche keinen mechanischen Verschleiß aufweist, die Platte mechanisch nicht begrenzt (freies Schwingen ermöglicht und damit keine Rückkopplung der Schwingung erzeugt), und eine homogene Bruchstelle generiert.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 25 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren teilt die zu trennenden Materialien mittels Druckwellen, insbesondere mit fokussierenden Druck- oder Stosswellen, wie sie aus der Stosswellenlithotripsie zur Zertrümmerung von Steinen in menschlichen oder tierschen Körperhöhlenbekannt sind. Die DE 197 33 233 C1 beschreibt eine Stosswellenquelle bestehend aus einem kalottenförmigen Träger der auf der Innen- und Außenseite mit piezoelektrischen Elementen belegt ist, die jeweils elektrisch miteinander kontaktiert und mit einem Hochspannungsgenerator verbunden sind. Durch gleichzeitige Ansteuerung der Piezoelemente mit Hochspannungsimpulsen werden Schalldruckwellen erzeugt, die sich aufgrund der kallottenförmigen Anordnung der Piezoelemente in einem Punkt fokussieren. In diesem Punkt, dem Fokuspunkt, werden Druckspitzen > 50 MPa erzielt. Die Stosswellenerzeugung kann auch durch das bekannte magnetische oder elektrohydraulische Prinzip erzielt werden.
Die zu trennenden Materialien werden mit Schwächungslinien versehen, die in der Regel durch Ritzen, Laser-Sacklochungen oder durch thermische Verfahren erzeugt werden. Die zu trennenden Materialien sind bruchempfindlich wie z. B. Keramik, Stein, Glas oder Siliziumwafer. Es können aber auch spröde Kunststoffmaterialien geteilt werden, in welche spezielle Füllmaterialien eingearbeitet sind, die zu einem exakten vordefiniertem Bruchbild in den Schwächungslinien führen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Druckwellenerzeuger, insbesondere eine Stosswellenquelle auf, die über einen Haltearm an den Bearbeitungstisch gekoppelt ist. Die Stosswellenquelle ist mit einem Koppelpolster ausgestattet, welches eine möglichst verlustfreie Schallübertragung zum Bearbeitungsobjekt ermöglicht. Die Höhe des Koppelpolsters ist derart ausgeführt, dass der Stosswellenfokus am Ende des Koppelpolsters und somit an der Eintrittstelle des Bearbeitungsobjektes liegt. Ein an der Vorrichtung befestigter Markierungseinrichtung, z. B. ein Markierungslaser, zeigt die Fokusachse des Stosswellenerzeugers, wodurch eine exakte Positionierung des Bearbeitungsobjektes erfolgen kann. Eine Steuereinheit versorgt den Stosswellenerzeuger sowie den Markierungslaser. Der Stosswellenerzeuger und der Markierungslaser sind austauschbar, damit die Brechvorrichtung je nach Bearbeitungsobjekt angepasst werden kann. Der Stosswellenerzeuger kann zum Beispiel auch einen linienförmigen Fokus aufweisen, dem dann ein Markierungslaser mit einer Markierungslinie zugewiesen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen
1a eine Seitenansicht eines keramischen Plattenmaterials an dem der Brechvorgang erläutert wird,
1b eine Draufsicht des keramischen Plattenmaterials,
2 eine komplette Darstellung einer Brechvorrichtung,
3 eine Ansicht des Stosswellenerzeugers mit Haltearm und Bearbeitungstisch,
4 eine Draufsicht des Bearbeitungstisches mit weiteren Funktionselementen,
5 eine Seitenansicht in der Schnittdarstellung des Bearbeitungstisches,
6 eine Schnittdarstellung einer Stosswellenquelle mit Koppelpolster,
7 eine Schnittdarstellung einer Druckwellenquelle nach dem ballistischem Prinzip mit Koppelelement.
1a und 1b zeigen schematisch ein keramisches Plattenmaterial 1, welches an der Perforierung 2 getrennt werden soll. Die Trennung erfolgt über eine Druckimpulsquelle, deren Druckmaximum, also der Fokus 4 am Anfang der Schwächungslinie 2 ins Plattenmaterial 1 eindringt.
Zusätzlich wird eine Kraft 5 in das Plattenmaterial 1 eingebracht. Die Stoßwellenquelle dient als mechanische Gegenkraft. Dadurch wird ein Kraftmoment um die Schwächungslinie 2 eingeleitet.
Die Schallwellen durchlaufen das keramische Plattenmaterial 1 und führen zur Rissbildung entlang der Perforierung 2, wodurch sich das Plattenmaterial 1 teilt.
Die Teilstücke selbst bleiben dabei unbeschädigt. Nur wenn Materialbeschädigungen zum Beispiel Haarrisse vorliegen kommt es auch zu Brüchen in den Teilstücken, was jedoch ein positiver Nebeneffekt ist, weil dadurch minderwertige Materialien im Vorfeld ausselektiert werden können. Es besteht somit auch die Möglichkeit gezielt nach Materialfehlern zu suchen.
Die 2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Brechvorrichtung 6 mit den zugehörigen Funktionseinheiten. An dem hier dargestellten Bearbeitungstisch 7 werden vorwiegend plattenförmige Materialien mit mehreren Perforationen vereinzelt. Das Plattenmaterial 1 wird auf dem Bearbeitungstisch 7 an der elastischen Anschlagleiste 14 positioniert und kann über den Transporthebel 13 in transversaler Richtung bewegt werden. Ein Markierungslaser 9 der an dem Stativ 10 fixiert ist gibt optisch den Ort des Stosswellenfokus 4 der Stosswellenquelle 3 vor, der sich als Lichtfleck auf dem keramischen Plattenmaterial 1 abbildet. Über den Transporthebel 13 wird nun das keramische Plattenmaterial 1 transversal so weit verschoben, bis der Lichtfleck des Markierungslasers 9, der den Stosswellenfokus 4 repräsentiert, exakt auf die Perforierung 2 zeigt. Anstatt des Markierungslasers 9 kann auch eine weggesteuerte transversale Führung eingesetzt werden. Zur Trennung des keramischen Plattenmaterials 1 wird der Fußschalter 11 betätigt, der über die Hebevorrichtung 15 die Stosswellenquelle 3 in vertikaler Richtung bis zum Keramikmaterial 1 bewegt und beim Erreichen der Endstellung (Berührung des Stosswellenquelle am Plattenmaterial 1) einen Stosswellenimpuls auslöst. Zeitgleich mit der Auslösung des Stosswellenimpulses wird die pneumatische Vorspanneinrichtung 12 aktiviert, welche mittels Luftdruck eine Kraft auf das Keramikmaterial 1 ausübt, wodurch eine homogene Bruchstelle durch eine Kraftmomenteinleitung entlang der Perforierung 2 verursacht wird. Mit dem Transporthebel 13 wird nächste Perforierung des keramischen Plattenmaterials 1 auf den Lichtfleck des Markierungslasers 9 bewegt, wobei das bereits getrennte Material in die schräge Auffangplatte 16 geschoben wird.
Die 3 zeigt einen Bearbeitungstisch 7 in der Ansicht von unten. Diese Detailansicht zeigt die auf dem vertikal verschiebbaren Haltearm 15 befestigten Stosswellenquelle 3, deren Fokusachse mit dem Laserstrahl 17 korreliert.
Die 4 zeigt eine Draufsicht des Bearbeitungstisches 7. Das zu trennende Plattenmaterial 1 wird an der Anschlagleiste 14 angelegt und mit dem Transporthebel 13 transversal verschoben, so dass die Schwächungslinie 2 sich im Laserstrahl 17 bzw. im Stosswellenfokus 4 befindet. Kurz vor dem Auslösen der Stosswelle erzeugt die pneumatische Vorspanneinrichtung 12 einen Luftstrom der auf das keramische Plattenmaterial 1 eine definierte Kraft ausübt. Dadurch wird ein Kraftmoment um die Schwächungslinie 2 des Plattenmateriales 1 eingeleitet. Die Stärke der Luftdruckkraft ist in der nicht dargestellten Pneumatikeinheit vorwählbar. Anstatt der pneumatische Vorspanneinrichtung 12 können auch mechanische Vorspanneinrichtungen, welche eine Krafteinleitung um die Schwächungslinie 2 des Plattenmaterials 1 erzeugen, eingesetzt werden. Das zu trennende keramische Plattenmaterial 1 kann eine mit elektronischen Bauteilen bestückte Leiterplatten sein, die im Nutzen gefertigt wird. Daher ist es vorteilhaft eine berührungslose pneumatische Vorspannrichtung zu verwenden, die das Keramikmaterial und die Bauelemente mechanisch nicht überlastet und das Keramikmaterial während dem Brechvorgang frei schwingen lässt um Rückkopplungen und damit ungewollte Rissbildungen außerhalb der Schwächungslinien zu vermeiden.
Die 5 zeigt eine Schnittdarstellung des Bearbeitungstisches mit

– transversalen Vorschub mittels Lineareinheit 27, Transporthebel starr verbunden mit Anschlagleiste 14 beweglich auf dem Bearbeitungstisch 7
– Luftdüsen 12 mit Auffangwanne 16
– Laser 4 ausgerichtet auf Schwächungslinie 2 des Plattenmaterials 1
– Ankoppelelement 26 auf Stosswellenquelle 3

Die 6 zeigt schematisch eine Schnittansicht der Stosswellenquelle 3, die nach dem piezoelektrischen Schallerzeugerprinzip aufgebaut ist. Die Vorlaufstrecke 18 die ist als kunststoffgefülltes Koppelpolster ausgebildet ist. Die Piezoelemente 21 werden gleichzeitig durch einen Hochspannungspuls ausgelenkt, wodurch die Schallwellen 20 erzeugt werden, die sich im Koppelpolster 18 ausbreiten und aufgrund der kalottenförmigen Bestückung der Piezoelemente sich im Fokus 4 bündeln. Der Aperturwinkel 19 sollte einen Öffnungswinkel > 50 Grad aufweisen.
Die 7 zeigt schematisch eine Schnittansicht einer Druckwellenquelle, die nach dem ballistischen Prinzip aufgebaut ist. Mit einem nicht dargestellten Steuergerät wird der Zylinder 22 mittels Luftdruck in dem Rohr 23 beschleunigt und prallt auf das Übertragungselement 24, wobei Schallwellen erzeugt werden, die sich ins Koppelelement 26 fortpflanzen. Die Spitze des Koppelementes 26 wird an die Schwächungslinie des plattenförmigen Keramikmaterials angekoppelt, die Schallwellen durchlaufen das Plattenmaterial und führen zur Rissbildung entlang der Schwächungslinie, wodurch sich das Plattenmaterial teilt. Das Koppelelement ist entsprechend der Anwendung austauschbar, so dass Form und Material variiert werden können. Die Dämpfungselemente 27 verringern die Kopplung des Aufpralls zu dem Griffteil 28, wodurch der Materialverschleiß und die Gehäusevibrationen gemindert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102005023238 B3 [0002]
- DE 10311693 B3 [0002]
- DE 19733233 C1 [0007]

Claims

Verfahren zum Trennen oder Vereinzeln von Materialien mit Druckwellen, gekennzeichnet durch – Platzieren der Materialien auf einem Bearbeitungstisch (7) – exaktes Positionieren der Materialien mittels Markierungslaser (9) und Transporthebel (13) mit zugehöriger Anschlagsleiste (14) – einschränkende Bewegung der Materialien und exponieren der Druckwellen in eine Zone mit verändertem Materialgefüge (2), um ein Trennen der Materialien entlang vorher bestimmter Bruchlinien (2) zu erreichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckwellen fokussierte Stosswellen mit annähernd punktförmiger Fokuszone (4) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckwellen fokussierte Stosswellen mit linienförmigem Fokusareal verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellen durch ein piezoelektrisches Schallerzeugerprinzip generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellen durch ein elektromagnetisches Schallerzeugerprinzip generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellen durch ein elektrohydraulisches Schallerzeugerprinzip generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stosswellenquelle eine Wasservorlaufstrecke aufweist, die mit einer elastischen Membrane abgeschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stosswellenquelle eine Vorlaufstrecke aufweist, die aus einem Druckwellen leitenden Kunststoff (18) besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus einem gelartigen elastischen Material besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6 und 9 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff einteilig und mit der Stosswellenquelle fest verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellen durch eine ballistischen Druckwellenerzeuger generiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwellenerzeuger ein Ankoppelelement (26) aufweist, welches austauschbar ist.
Verwendung von Druckwellen zum Trennen oder Vereinzeln von Materialien, welche mit Schwächungslinien (2) versehen sind.
Verwendung von Druckwellen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckwellen fokussierte Stosswellen mit annähernd punktförmiger Fokuszone (4) verwendet werden.
Verwendung von Druckwellen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckwellen fokussierte Stosswellen mit linienförmigem Fokusareal verwendet werden.
Verwendung von Druckwellen nach Anspruch 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellen durch – ein piezoelektrisches – oder ein elektromagnetisches – oder ein elektrohydraulisches – oder ein ballistisches Schallerzeugerprinzip generiert werden.
Vorrichtung zum Trennen oder Vereinzeln von Materialien, welche mit Schwächungslinien (2) versehen sind, mittels Druckwellen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckwellen fokussierte Stosswellen mit annähernd punktförmiger Fokuszone (4) verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Druckwellen fokussierte Stosswellen mit linienförmigem Fokusareal verwendet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellen durch – ein piezoelektrisches – oder ein elektromagnetisches – oder ein elektrohydraulisches Schallerzeugerprinzip generiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellenquelle eine Wasservorlaufstrecke aufweist, die mit einer elastischen Membrane abgeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellenquelle eine Vorlaufstrecke (18) aufweist, die aus einem Druckwellen leitenden Kunststoff besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff aus einem gelartigen elastischen Material besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff einteilig und mit der Stosswellenquelle fest verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckwellen durch eine ballistischen Druckwellenerzeuger generiert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwellenerzeuger ein Ankoppelelement (26) aufweist, welches austauschbar ist.