-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserschneiden
eines nichtmetallischen Werkstücks entlang mindestens einer Schnittlinie
zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile.
-
Verfahren
zum Laserschneiden nichtmetallischer Werkstücke sind aus
dem Stand der Technik in unterschiedlichen Verfahrensvarianten bereits
bekannt.
-
Die
internationale Patentanmeldung
WO 93/20015 A1 offenbart ein Verfahren zum
Schneiden nichtmetallischer Werkstücke, die insbesondere
aus Glas bestehen können, unter Einwirkung thermoelastischer
Spannungen. Bei diesem Verfahren ist eine einzelne Laserlichtquelle
vorgesehen, die relativ zum Werkstück bewegbar ist. Das
von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht trifft auf die Oberfläche
des Werkstücks und erwärmt diese lokal auf eine
Temperatur, die unterhalb des Erweichungspunkts des Materials liegt,
aus dem das Werkstück besteht. Auf diese Weise wird entlang
der beabsichtigten Schnittlinie in oberflächennahen Bereichen
des Werkstücks ein Riss erzeugt. Nach dem lokalen Erwärmen
der Oberfläche des Werkstücks mit Laserlicht wird
diese mit einem Kühlfluid angeströmt, so dass
schließlich ein Blindriss in einer bestimmten Tiefe des
Werkstücks erzeugt wird und das Werkstück in zwei
Teile geteilt werden kann. Ein Nachteil des aus der vorstehend genannten
Druckschrift bekannt gewordenen Verfahrens besteht darin, dass unmittelbar
im Bereich der sich bildenden Schnittflächen, ein hoher
Wärmeeintrag erfolgt und dass durch das nachfolgende Abkühlen
unerwünschte Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen
entstehen können. Das Schneiden eines Werkstücks
mit diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren liefert
somit häufig nur unzureichende Schneidergebnisse.
-
Das
US-Patent
US 6,259,068
B1 offenbart eine Vorrichtung zum Schneiden nichtmetallischer Werkstücke,
bei dem ein als Schreibstrahl dienender Laserstrahl vorgesehen ist,
mittels dessen in der Oberfläche des Werkstücks
entlang der gewünschten Schnittlinie zunächst
Mikrorisse erzeugt werden. Der von dem Schreibstrahl mit Laserlicht
beaufschlagte Oberflächenbereich des Werkstücks
wird anschließend durch Beaufschlagung mit einem Gas und/oder
Fluid abgeschreckt, so dass sich die Mikrorisse weiter entlang der
gewünschten Schnittlinie ausbreiten können. Mit
Hilfe zweier weiterer Laserstrahlen, die im Anschluss an das Abschrecken
auf die Oberfläche treffen, werden Zugkräfte induziert, um
das Werkstück entlang der gewünschten Schnittlinie
in zwei Teile zu teilen. Das zwischenzeitliche Abkühlen
nach der vorhergehenden Erwärmung des Werkstücks
mit dem Schreibstrahl kann auch hier zu unerwünschten Materialausbrüchen
im Bereich der Schnittflächen führen.
-
Die
internationale Patentanmeldung
WO 2006/045130 A1 offenbart ein Verfahren
zum Laserschneiden eines Glassubstrats, bei dem ein gebündelter
Laserstrahl zum Erzeugen eines Spalts sowie zwei Laserstrahlbündel
links und rechts vom Spalt verwendet werden, um das Glassubstrat
in zwei Teile zu teilen.
-
Die
europäische Patentanmeldung
EP 1 803 538 A1 offenbart ein Verfahren zum
Schneiden eines Werkstücks aus einem spröden Material,
wie zum Beispiel Glas, mit Laserstrahlen. Entlang der gewünschten
Schnittlinie werden zwei Bereiche auf der Oberfläche des
Werkstücks mit Laserlicht bestrahlt. Zwischen diesen beiden
Bereichen gibt es einen Bereich mit einer bestimmten Breite, der
seinerseits nicht mit Laserlicht beaufschlagt wird, wobei die Schnittlinie
selbst auch nicht mit dem Laserlicht beaufschlagt wird. Ferner ist
eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die im Bereich der Schnittlinie
einen Kühlfleck erzeugen kann. In den von den Laserstrahlen beaufschlagten
Bereichen wird zunächst eine Druckspannung erzeugt. Durch
das anschließende Abkühlen wird in der Nähe
des Kühlflecks eine Zugspannung erzeugt, so dass das Werkstück
entlang der gewünschten Schnittlinie in zwei Teile geteilt
werden kann. Auch bei einem derartigen Verfahren kann sich das Problem
ergeben, dass es im Bereich der Schnittflächen zu unerwünschten
Materialausbrüchen kommen kann.
-
Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks vorzuschlagen,
das einfach in der Handhabung ist und bei dem das Problem der Materialausbrüche
im Bereich der Schnittflächen des Werkstücks wirksam
verhindert werden kann.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit
den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung.
-
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserschneiden
eines nichtmetallischen Werkstücks entlang mindestens einer
Schnittlinie zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile
zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, dass
das Werkstück mit Laserlicht beaufschlagt wird, das in
einem an die zu erzeugende Schnittlinie angrenzenden Bereich des
Werkstücks eine dreidimensionale Wärmeeintragszone
mit einer lateralen Breite E lokal derart erwärmt, dass
in zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen
des Werkstücks thermisch induzierte Zugspannungen generiert
werden, die so groß sind, dass sie einen Riss erzeugen,
der sich entlang der Schnittlinie ausbreitet, so dass das Werkstück
in mindestens zwei Werkstückteile mit jeweils einer Schnittfläche
geteilt wird. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen
Lösung besteht darin, dass nur an den einander gegenüberliegenden
Seitenflächen sehr hohe Zugspannungen erzeugt werden, die
eine Rissbildung und eine werkstückeinwärts gerichtete
Rissausbreitung induzieren. Es hat sich gezeigt, dass dadurch das
im Stand der Technik häufig auftretende Problem der Materialausbrüche
im Bereich der Schnittflächen der Werkstückteile
wirksam verhindert werden kann. Es soll in diesem Zusammenhang angemerkt
werden, dass in dieser Anmeldung unter dem Begriff „Schnittlinie"
sowohl gerade als auch zumindest abschnittsweise gekrümmte
Schnittlinienverläufe verstanden werden sollen. Die Schnittlinienverläufe
können einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Lineare Schnittlinienverläufe
können jedoch besonders einfach erzeugt werden und sind
daher besonders vorteilhaft. Zur Durchführung des hier
beschriebenen Verfahrens können unterschiedliche Laserlichtquellen,
insbesondere Halbleiterlaserdiodenbarren, und geeignete Strahlformungsvorrichtungen
verwendet werden, um die gewünschte Strahlform im Bereich der
Wärmeeintragszone auf der Oberfläche des Werkstücks
zu erzeugen. Nichtmetallische Werkstücke, die mit Hilfe
des erfindungsgemäßen Verfahrens in wenigstens
zwei Teile geschnitten werden können, können beispielsweise
aus Silizium, Glas oder Keramik bestehen.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass das Werkstück über seine gesamte Länge
L gleichzeitig mit dem Laserlicht beaufschlagt wird.
-
Es
kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen
sein, dass an den beiden einander gegenüberliegende Seitenflächen
des Werkstücks thermisch induzierte Erhebungen erzeugt
werden, die sich von den Seitenflächen weg erstrecken.
Diese Erhebungen können auf Grund einer ungleichmäßigen
Erwärmung des Werkstücks in diesen Bereichen der
Wärmeeintragszone erzeugt werden. Durch den lokalen Wärmeeintrag
des Laserlichts in die Wärmeeintragszone kommt es dort
auf Grund von thermischen Ausdehnungen zu wärmeinduzierten Änderungen
der Materialstruktur, die zur Bildung der Erhebungen führen.
Die zugspannungsinduzierte Rissbildung und Rissausbreitung erfolgt somit
von außen – das heißt von den Erhebungen
der beiden Seitenflächen ausgehend – nach innen
zur Mitte des Werkstücks.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen,
dass im Bereich der Erhebungen thermisch induzierte Zugspannungen
erzeugt werden, die höher sind als die Elastizitätsgrenze
des Werkstücks. Insbesondere können im Bereich der
Erhebungen thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die
höher sind als die Bruchspannung des Werkstücks.
Dadurch können die Rissbildung und die Rissausbreitung
diesen Bereichen wirksam verbessert werden. Die maximalen Zugspannungen σx im Bereich der Erhebungen können
vorteilhaft in einer Größenordnung von etwa 300 bis
etwa 400 N/mm2 liegen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass
die mit dem Laserlicht beaufschlagte Wärmeeintragszone
des Werkstücks eine laterale Gesamtbreite E zwischen etwa
0,25 mm und etwa 0,35 mm aufweist. Insbesondere kann die Wärmeeintragszone
eine laterale Gesamtbreite von etwa 0,3 mm aufweisen. Dadurch wird
erreicht, dass der Wärmeeintrag über die gesamte
Länge des Werkstücks nur in einem vergleichsweise
schmalen, räumlich begrenzten Bereich des erfolgt.
-
Es
ist besonders vorteilhaft, wenn die vom Laserlicht in die Wärmeeintragszone
insgesamt eingebrachte Wärmeenergie mindestens so groß ist
wie die zur Bildung der Schnittflächen der Werkstückteile notwendige
Energie. Dadurch kann erreicht werden, dass sich ein einmal im Bereich
der Seitenflächen entstandener Makroriss nahezu augenblicklich
entlang der gewünschten Schnittlinie über die
gesamte Länge L von außen nach innen zur Werkstückmitte ausbreiten
kann. Werden also bei einer Teilung des Werkstücks in zwei
Werkstückteile insgesamt zwei gleichartige Schnittflächen
(auf jedem der beiden Werkstückteile also eine Schnittfläche)
erzeugt, muss die vom Laserlicht in die Wärmeeintragszone eingebrachte
Energie also mindestens doppelt so groß sein wie die für
die Erzeugung einer Schnittfläche erforderliche Energie.
Die insgesamt in die Wärmeeintragszone eingebrachte Wärmeenergie
kann auch etwas größer als die zur Bildung der
Schnittflächen der Werkstückteile notwendige Energie
sein.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein,
dass die Wellenlänge λ des Laserlichts ≤ 1 μm
ist. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Wellenlängen
die Rissbildung im Werkstück nicht negativ beeinflusst
wird.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass
die Wärmeeintragszone vom Laserlicht einer einzelnen Laserlichtquelle
erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsform besteht auch
die Möglichkeit, dass die Wärmeeintragszone vom
Laserlicht von mindestens zwei voneinander beabstandet angeordneten
Laserlichtquellen erzeugt wird. Die Strahlformen und Strahlparameter
sind so gewählt, um materialabhängig einen optimierten
Eintrag des Laserlichts in die Wärmeeintragszone des Werkstücks
zu bewirken. Wenn zum Beispiel zwei Laserlichtquellen verwendet
werden, besteht die Möglichkeit, dass die von den Laserlichtquellen
emittierten Laserstrahlen im Wesentlichen identische Strahlprofile
aufweisen. Um auf einfache Weise lineare Schnittlinienverläufe
erzeugen zu können, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform
vorgeschlagen, dass das Werkstück mit Laserstrahlen erwärmt
wird, die auf der Oberfläche im Wesentlichen linienförmige Intensitätsverteilungen
erzeugen. Es hat sich ferner gezeigt, dass die Intensitätsprofile
des Laserlichts, die zum Beispiel im Wesentlichen rechteckförmig, dreiecksförmig
oder auch im Wesentlichen gaußförmig sein können,
die Rissbildung und Rissausbreitung entlang der gewünschten
Schnittlinie des Werkstücks nicht negativ beeinflussen.
-
Um
die Gefahr von Materialausbrüchen im Bereich der Schnittflächen
weiter zu verringern und möglichst gering zu halten, sieht
eine besonders vorteilhafte Ausführungsform vor, dass das
Laserschneiden des Werkstücks kühlmittelfrei erfolgt.
-
Um
zum Beispiel auch Werkstücke aus vergleichsweise harten
Materialien mittels des hier vorgestellten Verfahren besonders einfach
schneiden zu können, kann in einer vorteilhaften Weiterbildung
vorgesehen sein, dass das Werkstück entlang der Schnittlinie
mechanisch vorgeschnitten wird, bevor das Werkstück mit
dem Laserlicht beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel
eine mechanische Schneidvorrichtung über die Oberfläche
des Werkstücks geführt werden, um diese zumindest
abschnittsweise entlang der gewünschten Schnittlinie vorzuschneiden.
Der gewünschte Schnittlinienverlauf kann insbesondere mechanisch
in die Oberfläche des Werkstücks eingeritzt werden.
-
Nach
dem hier vorgestellten Prinzip können im Werkstück
auch mehrere Schnittlinien erzeugt werden, um aus einem Werkstück
mehr als zwei Teile herauszuschneiden.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
-
1a bis 1c schematisch
stark vereinfacht das grundlegende Prinzip eines Verfahrens zum
Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
-
2 den
Verlauf der Zugspannung in y-Richtung innerhalb des Werkstücks
bezogen auf den Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems.
-
Unter
Bezugnahme auf 1a bis 1c soll
nachfolgend zunächst das grundlegende Prinzip eines Verfahrens
zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks 1 gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher
erläutert werden. In 1a ist
ein nichtmetallisches, in diesem Ausführungsbeispiel im
Wesentlichen quaderförmiges Werkstück 1 vor
dem Laserschneidprozesses dargestellt. Zur Vereinfachung der weiteren
Darstellung ist hier sowie in 1b jeweils ein
kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet, dessen Ursprung genau
im Mittelpunkt des Werkstücks 1 liegt. Das Werkstück 1 besteht
aus einem nichtmetallischen Material, insbesondere aus Silizium,
Glas oder Keramik, und weist in x-Richtung eine Breite B, in y-Richtung
eine Länge L sowie in z-Richtung eine Dicke D auf. Man
erkennt, dass die Dicke D des Werkstücks 1 wesentlich
kleiner als dessen Länge L und dessen Breite B ist, so
dass es insgesamt im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet
ist.
-
Das
Werkstück 1 weist in einem Abstand +D/2 vom Koordinatensystemursprung
eine erste Oberfläche 10 und in einem Abstand –D/2
vom Koordinatensystemursprung eine zweite Oberfläche 11 auf,
die im Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche 10 orientiert
ist. In y-Richtung (= Längsrichtung des Werkstücks 1)
weist das Werkstück 1 in einem Abstand +L/2 vom
Koordinatensystemursprung eine erste Seitenfläche 12 und
in einem Abstand –L/2 vom Koordinatensystemursprung eine
zweite Seitenfläche 13 auf. In x-Richtung (= Querrichtung
des Werkstücks 1) weist das Werkstück 1 in
einem Abstand +B/2 vom Koordinatensystemursprung eine dritte Seitenfläche 14 und
in einem Abstand –B/2 vom Koordinatensystemursprung eine
vierte Seitenfläche 15 auf.
-
Unter
Bezugnahme auf 1b wird Laserlicht 2,
das von mindestens einer Laserlichtquelle erzeugt wird, auf die
erste Oberfläche 10 des Werkstücks 1 gerichtet,
um das Werkstück 1 entlang einer gewünschten,
hier gestrichelt dargestellten Schnittlinie SL unter dem Einfluss
thermisch induzierter Zugspannungen zu schneiden. Es soll an dieser
Stelle angemerkt werden, dass unter dem Begriff „Schnittlinie"
sowohl gerade als auch zumindest abschnittsweise gekrümmte
Schnittlinienverläufe verstanden werden sollen. Die Schnittlinienverläufe
können einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Ein
im Wesentlichen linearer Verlauf der Schnittlinie SL, wie er hier dargestellt
ist, kann allerdings besonders einfach erzeugt werden und ist daher
besonders vorteilhaft.
-
Während
des Laserschneidprozesses wird die Oberfläche 10 nicht
vollständig, sondern nur abschnittsweise mit dem Laserlicht 2 beaufschlagt.
Das Werkstück 1 wird dabei in Längsrichtung
(y-Richtung) über seine gesamte Länge L gleichzeitig
mit dem Laserlicht 2, das auf der Oberfläche 10 des
Werkstücks 1 eine gewisse voreingestellte oder
voreinstellbare Breite aufweist, beaufschlagt. Durch die Absorption des
Laserlichts 2 wird das Werkstück 1 lokal
erwärmt, so dass über die gesamte Länge
L eine dreidimensionale Wärmeeintragszone 100 erzeugt
wird, die eine laterale Breite E und eine Dicke D aufweist. Die
Dicke der Wärmeeintragszone 100 in z-Richtung
entspricht also der Dicke D des Werkstücks 1.
Es wird deutlich, dass die Länge L der Wärmeeintragszone 100 wesentlich
größer als deren Breite E ist. Vorzugsweise weist
die mit dem Laserlicht 2 beaufschlagte Wärmeeintragszone 100 des
Werkstücks 1 eine laterale Breite E zwischen etwa
0,25 mm und etwa 0,35 mm auf. Insbesondere kann die laterale Gesamtbreite
E der mit dem Laserlicht 2 beaufschlagten Wärmeeintragszone 100 etwa
0,3 mm betragen. Dadurch wird erreicht, dass der Wärmeeintrag
nur in einem vergleichsweise schmalen Bereich des Werkstücks 1 erfolgt.
-
Gemäß einer
ersten vorteilhaften Verfahrensvariante kann das Laserlicht 2 von
einer einzelnen, in 1b nicht explizit dargestellten
Laserlichtquelle erzeugt werden. Gemäß einer zweiten
vorteilhaften Verfahrensvariante kann das Laserlicht 2 auch von
zwei separaten, voneinander beabstandeten Laserlichtquellen erzeugt
werden, die jeweils ein im Wesentlichen linienförmiges
Laserstrahlbündel erzeugen. Dadurch kann die Effektivität
des thermisch induzierten Laserschneidvorgangs erhöht werden, solange
dies zu einer Steigerung der gespeicherten elastischen Energie führt,
mittels derer das Risswachstum unterstützt werden kann.
Dasselbe kann auch mit der Verbreiterung eines einzelnen Laserstrahls
einer einzelnen Laserlichtquelle erreicht werden. Zur Durchführung
des hier vorgestellten Verfahrens können verschiedene Arten
von Laserlichtquellen, insbesondere Halbleiterlaserdiodenbarren,
und geeignete Strahlformungsvorrichtungen verwendet werden, um die
gewünschte Strahlform im Bereich der Wärmeeintragszone 100 auf
der ersten Oberfläche 10 des Werkstücks 1 zu
erzeugen, so dass das Werkstück 1 entlang der
gewünschten Schnittlinie SL geschnitten und anschließend
in zwei Teile 1a, 1b geteilt werden kann. Insbesondere
kann mindestens eine auf die Laserlichtquelle beziehungsweise auf
die Laserlichtquellen angepasste, hocheffiziente, wenig Aberrationen
erzeugende, refraktive Mikrooptik auf der Oberfläche 10 des
Werkstücks homogene Linienprofile mit sehr hoher Intensität
und hoher Strahlqualität erzeugen.
-
Die
Wellenlänge des Laserlichts 2, das bei dem hier
vorgestellten Laserschneidverfahren verwendet wird, beträgt
vorzugsweise λ ≤ 1 μm. Es hat sich gezeigt,
dass bei diesen Wellenlängen die Rissbildung im Werkstück 1 nicht
negativ beeinflusst wird. Es hat sich ferner gezeigt, dass auch
die Intensitätsverteilung des Laserlichts 2, die
zum Beispiel im Wesentlichen rechteckförmig, dreiecksförmig
oder auch im Wesentlichen gaußförmig sein kann,
die Rissbildung und Rissausbreitung entlang der gewünschten Schnittlinie
SL des Werkstücks 1 ebenfalls nicht negativ beeinflusst.
-
Durch
den lokalen Wärmeeintrag des Laserlichts 2 in
die Wärmeeintragszone 100 kommt es dort auf Grund
von thermischen Ausdehnungen zu wärmeinduzierten Änderungen
der Materialstruktur. Man erkennt in 1b, dass
an der ersten Seitenfläche 12 und an der zweiten
Seitenfläche 13 des Werkstücks 1,
die einander gegenüberliegen und sich jeweils quer zur
gewünschten Schnittlinie SL erstrecken, thermisch induzierte,
sich von den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 weg
erstreckende Erhebungen 101, 102 erzeugt werden.
Diese sich durch den lokalen Wärmeeintrag in die Wärmeeintragszone 100 bildenden
Erhebungen 101, 102 erzeugen in diesen Bereichen
der Wärmeeintragszone 100 in x-Richtung (also
in Querrichtung des Werkstücks 1) hohe thermisch
induzierte Zugspannungen σx.
-
Auf
Grund dieser hohen Zugspannungen σx, die
in der Wärmeeintragszone 100 im Bereich der Seitenflächen 12, 13 generiert
werden, kommt es zu einer Rissbildung entlang der gewünschten
Schnittlinie SL in y-Richtung (Längsrichtung des Werkstücks 1).
Schließlich bricht das Werkstück 1 entlang
der Schnittlinie SL und wird dabei in zwei Werkstückteile 1a, 1b (siehe 1c)
geteilt. Die Rissausbreitung erfolgt somit von außen (das
heißt von den Erhebungen 101, 102 der
beiden Seitenflächen 12, 13 ausgehend)
nach innen zur Mitte des Werkstücks. Der maximale Wert
der Zugspannungen σx, die in den
Erhebungen 101, 102 der Seitenflächen 12, 13 erzeugt werden,
soll dabei vorzugsweise die Bruchspannung der Werkstoffs, aus dem
das Werkstück 1 besteht, überschreiten.
Unter Bezugnahme auf 1c wird deutlich, dass jedes
der beiden durch den hier vorgestellten Laserschneidprozess erhaltenen
Werkstückteile 1a, 1b eine Schnittfläche 16a, 16b aufweist.
-
Bei
einer Erwärmung des Werkstücks 1 auf bis
zu 1000 K können thermisch induzierte Zugspannungen σx in einer Größenordnung
von etwa 300 N/mm2 entstehen, welche die
Bruchspannung des Werkstücks 1 überschreiten
können. Ursache für die Rissbildung entlang der
gewünschten Schnittlinie SL sind bei dem hier vorgestellten
Verfahren also die Zugspannungen, die durch die Beaufschlagung des Werkstücks 1 mit
dem Laserlicht 2 in den vergleichsweise schmalen Erhebungen 101, 102 im
Bereich der ersten und zweiten Seitenfläche 12, 13 des
Werkstücks 1 gezielt erzeugt werden und die Elastizitätsgrenze überschreiten.
Die relativ hohen Zugspannungen entstehen mit anderen Worten durch
die Bildung der Erhebungen 101, 102 in den Seitenflächen 12, 13 auf
Grund einer ungleichmäßigen Erwärmung des
Werkstücks 1 in diesen Bereichen der Wärmeeintragszone 100.
-
Unter
den hier beschriebenen Bedingungen bilden sich derart hohe Zugspannungen
also unmittelbar an den Seitenflächen 12, 13 des
Werkstücks 1, und zwar nur in den oberflächennahen
Erhebungen 101, 102 der Wärmeeintragszone 100.
Ein sich im Bereich der Seitenflächen 12, 13 bildender
makroskopischer Riss breitet sich weiter entlang der gewünschten
Schnittlinie SL aus, solange die bei seiner Ausbreitung freigesetzte
elastische Energie die Energieverluste bei der Bildung der sich
neu bildenden freien Oberflächen (Schnittflächen 16a, 16b)
der beiden Werkstückteile 1a, 1b überschreitet.
Deshalb muss das auf die erste Oberfläche 10 des
Werkstücks 1 treffende Laserlicht 2 eine
ausreichende Breite aufweisen, damit die in der Wärmeeintragszone 100 des
Werkstücks 1 gespeicherte Energie, die bei der
Rissausbreitung im Werkstück 1 entlang der gewünschten
Schnittlinie SL verbraucht wird, die Verluste der vom System absorbierten
Energie, die für die Bildung der neuen freien Oberflächen
(Schnittflächen 16a, 16b) verbraucht
wird, immer übersteigt. Dann entwickelt sich ein einmal
im Bereich der Seitenflächen 11, 12 entstandener
Makroriss nahezu augenblicklich entlang der gewünschten
Schnittlinie SL über die gesamte Länge L von außen
nach innen aus, so dass das Werkstück 1 in zwei
Teile 1a, 1b geteilt wird.
-
Die
maximal erreichbaren Zugspannungen σx,
die im Bereich der Erhebungen 101, 102 erzeugt werden
können, betragen etwa 400 N/mm2,
was einer Temperatur von etwa 1073 K entspricht. Unter der Annahme,
dass das Werkstück 1 eine Bruchspannung von 270
N/mm2 aufweist, kann die Dicke D des in
zwei Werkstückteile 1a, 1b geteilten
Werkstücks 1 bei etwa 0,05 bis 0,3 mm liegen.
Falls das Werkstück 1 beispielsweise eine Bruchspannung
von 215 N/mm2 aufweist, kann der Bereich
der maximal zulässigen Dicke D des Werkstücks 1 bis
auf etwa 0,5 mm ausgedehnt werden.
-
In 2 ist
der Verlauf der Zugspannung σx in
Abhängigkeit von der Entfernung zum Mittelpunkt des Werkstücks 1 (=
Ursprung des Koordinatensystems mit x = 0) in y-Richtung über
die gesamte Länge L des Werkstücks 1 dargestellt.
Es wird deutlich, dass die Zugspannung σx an
den gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 des
Werkstücks 1 im Bereich der Erhebungen 101, 102 am
größten ist. Somit wird einmal mehr verständlich,
dass die Rissbildung und die Rissausbreitung am Rand des Werkstücks 1 an
den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 ihren
Ursprung haben. Die Zugspannung σx überschreitet
die Bruchspannung des Werkstücks 1 somit nur in
relativ schmalen Bereichen an den gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 des Werkstücks 1,
wo sich die Erhebungen 101, 102 durch den Wärmeeintrag
in die Wärmeeintragszone 100 gebildet haben.
-
Mit
Hilfe des hier vorgestellten Laserschneidverfahrens kann ein Werkstück 1 auf
einfache Weise in (mindestens) zwei Werkstückteile 1a, 1b geteilt werden.
Ein Vorteil der hier vorgestellten Lösung besteht darin,
dass Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen 16a, 16b,
die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf Grund
des hohen Wärmeeintrags und der anschließenden
Abkühlung im Bereich der Schneidzone entstehen können, wirksam
vermieden werden können.
-
Es
kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung
des hier beschriebenen Laserschneidverfahrens vorgesehen sein, dass
das Werkstück 1 entlang der gewünschten
Schnittlinie SL mechanisch vorgeschnitten (insbesondere eingeritzt)
wird, bevor das Werkstück 1 mit dem Laserlicht 2 beaufschlagt wird,
um das Werkstück 1 entlang der Schnittlinie SL schließlich
in die beiden Werkstückteile 1a, 1b zu
teilen.
-
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
-
- - WO 93/20015
A1 [0003]
- - US 6259068 B1 [0004]
- - WO 2006/045130 A1 [0005]
- - EP 1803538 A1 [0006]