DE102010060850A1

DE102010060850A1 - Vorrichtung und Verfahren zum warmweichen Trennen von Glas

Info

Publication number: DE102010060850A1
Application number: DE201010060850
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: GLAMACO MASCHB GmbH; GLAMACO MASCHINENBAU GmbH
Current assignee: GLAMACO MASCHB GmbH; GLAMACO MASCHINENBAU GmbH
Priority date: 2010-11-28
Filing date: 2010-11-28
Publication date: 2012-05-31

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum warmweichen Trennen von Glas durch Erweichen eines Trennbereichs. Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum warmweichen Trennen von Glasartikeln anzubieten, bei dem Glas größerer Wandstärken geschnitten werden kann, zugleich aber ein Verschmelzen der Randzone im Schnittbereich ohne Wulstbildung erfolgt und dabei die Bildung von Glasflittern vermieden wird. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzubieten. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein linienförmig geformter Laserstrahl 8 mit von Glas absorbierbarer Wellenlänge den Trennbereich 9 gleichmäßig erwärmt, Glasmaterial erweicht, zu trennende Teile auseinandergezogen werden, der dadurch verjüngte Trennbereich 11 danach durch den Laserstrahl 8 durchtrennt und Schneidkanten verschmolzen werden. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, aufweisend eine Laservorrichtung 4 und eine Einrichtung zum Auseinanderziehen 7 der zu trennenden Teile, wobei die Laservorrichtung 4 zum Aussenden eines linienförmig ausgebreiteten Laserstrahls 8 in einer von Glas absorbierbaren Wellenlänge geeignet ist, wodurch der Trennbereich 9 des Glasartikels gleichmäßig erwärmt wird, und der Laserstrahl 8 zudem für ein Durchtrennen des nach dem Auseinanderziehen verjüngten Schneidbereichs 11 des Glasartikels 2 sowie weiterhin zum Aufschmelzen der Schneidkanten nach der Trennung geeignet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum warmweichen Trennen von Glas durch Erweichen eines Trennbereichs. Zu trennende Artikel aus Glas können Flachglas, gewalztes Glas oder Hohlglas sein, wobei als Materialien Borosilikatglas oder Solarglas mit extrem hohem Transmissionsgrad im sichtbaren Spektralbereich und geringer Lichtabsorption neben einfachen Glasmaterialien zum Einsatz kommen.
Verfahren zur Trennung von Glasartikeln sind bekannt und kommen zum Einsatz, wenn Flachglas oder gewalztes Glas als Bahnware zu konfektionieren ist. Weiterhin werden Glasrohre, beispielsweise zur Herstellung von zylindrischen Gläsern, zur Weiterverarbeitung in Abschnitte getrennt. Das Trennen kann durch Erhitzen im Trennbereich durch einen Gasbrenner und nachfolgendes Schmelzen unter Streckung des erweichten Glasmaterials aus dem Trennbereich erfolgen. Ebenso ist der Einsatz eines Laserstrahls bekannt. So wird unter Einsatz eines Laserstrahls für das Schneiden, wie es der Stand der Technik in verschiedenen Varianten anbietet, im Schnittbereich das Glas verdampft und dadurch die Trennung vollzogen. Die Gefahr hoher Spannungen im Schnittbereich, die aus den entstehenden Temperaturdifferenzen resultieren und zu Rissen und Abplatzungen im Glas führen, sind ebenso als Nachteil anzuführen, wie die Kondensation der bei der Verdampfung gasförmigen Glasbestandteile auf dem Glasartikel in der Umgebung des Schnittbereichs, was zu einer Qualitätseinbuße führt.
Die DE 197 35 357 A1 bietet deshalb ein Verfahren an, bei dem zusätzlich zum Laserstrahl ein Gasstrahl auf die Oberfläche des erweichten Glases gerichtet ist und damit Glas aus dem Schnittbereich heraus bläst.
Nachteilig ist hierbei jedoch, dass eine saubere Schnittkante, die insbesondere weder scharfkantige Bereiche, noch eine Wulst aufweist, die die Wandstärke des Glasartikels übersteigt, nicht erzeugt werden kann. Weiterhin kommt es durch die Gaszufuhr zu Spannungen im Glas, zu Niederschlägen neben dem Trennbereich, zu Glasflittern und ggf. zu einer Perlenbildung.
Diesen Nachteil vermag jedoch bereits die EP 0 717 011 B1 zu vermeiden. Mittels einer Wärmequelle, bevorzugt eines Laserstrahls, wird ein sehr enger Bereich mit einer Breite von 0,4 mm in dem Glasartikel erweicht. Bevor noch die Wärme in die übrigen, zum erwärmten Bereich benachbarten Zonen geleitet werden kann, wird der Glasartikel ein kurzes Stück auseinandergezogen. Dadurch entsteht im Schnittbereich eine Verjüngung des Glasmaterials. Das ohnehin sehr dünne Glasmaterial mit einer Dicke von höchstens 0,2 mm wird damit im Schnittbereich auf eine lokale Materialstärke von 0,05 mm verjüngt. Nach dem Ausziehen des Glasartikels und der damit verbundenen Verjüngung erfolgt das Durchtrennen durch weitere Wärmezufuhr. Da das Material bereits verjüngt ist, erreicht die entstehende Wulst an der Schnittstelle nicht die Schichtdicke des Glasartikels. Es entsteht ein die Schnittkante abrundender Radius. Nachteilig an diesem Verfahren ist jedoch, dass ausschließlich sehr dünne Glasartikel mit einer geringen Wandstärke geschnitten werden können, wodurch die Einsatzmöglichkeiten für das Verfahren stark eingeschränkt sind.
Insgesamt sind die bekannten Verfahren nicht geeignet, eine Trennung von Glasartikeln größerer Wandstärken über 0,2 mm vorzunehmen, insbesondere wenn sie aus schwer zu bearbeitenden Glasmaterialien bestehen, und einen Trennbereich am getrennten Glasartikel zu erzeugen, der hohen Qualitätsansprüchen genügt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum warmweichen Trennen von Glasartikeln anzubieten, bei dem Glas größerer Wandstärken geschnitten werden kann, zugleich aber ein Verschmelzen der Randzone im Schnittbereich ohne Wulstbildung erfolgt und dabei die Bildung von Glasflittern vermieden wird. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzubieten.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum warmweichen Trennen von Glasartikeln durch Erweichen eines Trennbereichs, wobei ein linienförmig geformter Laserstrahl mit von Glas absorbierbarer Wellenlänge den Trennbereich gleichmäßig erwärmt, Glasmaterial erweicht, zu trennende Teile auseinandergezogen werden, der dadurch verjüngte Bereich danach durch den Laserstrahl durchtrennt und Trennkanten verschmolzen werden.
Der linienförmig ausgebreitete Laserstrahl hat über die gesamte Länge der Linie nahezu gleiche Intensität, wodurch es schnell zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Trennbereiches kommt. Zugleich werden Überhitzungen vermieden, wie sie beispielsweise auftreten würden, wenn ein auf einen Punkt fokussierter Laserstrahl abgelenkt und auf der Trennlinie entlanggeführt würde. Durch den Einsatz des linienförmig ausgebreiteten Laserstrahls zeigte sich überraschend ein hoher Zugewinn an Qualität im Schnittbereich, da es weder zu Rissen im Material noch zur Verdampfung und nachfolgender Kondensation kommt, beides unerwünschte Folgen von lokaler Überhitzung. Darüber hinaus ist es in besonders vorteilhafter Weise möglich, den linienförmig ausgebreiteten Laserstrahl so lange auf den Trennbereich einwirken zu lassen, dass ohne eine zu starke Wärmeleitung von der Trennstelle weg die Erweichung des Glasmaterials in die Tiefe erfolgen kann. Dadurch können größere Materialstärken, beispielsweise von 1 bis 4 mm, getrennt werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit durch Auswahl einer geeigneten Wellenlänge des Laserlichtes, schwierig zu bearbeitende Gläser, wie Borosilikatglas und Solarglas mit extrem hohem Transmissionsgrad im sichtbaren Bereich und geringer Lichtabsorption, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu trennen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der linienförmig ausgebreitete Laserstrahl durch ein Optiksystem, das in der bevorzugten Ausführungsform durch ein Zylinderlinsensystem, besonders bevorzugt eine einzelne Zylinderlinse, gebildet wird. Durch den Einsatz einer Zylinderlinse mit einer speziellen Optik ist ein besonders gleichmäßiger linienförmig ausgebreiteter Laserstrahl mit hoher Konstanz der Energiedichte entlang der Linie zu erreichen. Durch diesen erfolgt entsprechend eine sehr gleichmäßige Erwärmung des Trennbereiches, wobei der gesamte Bereich gleichzeitig erweicht wird, ohne dass lokale Überhitzungen auftreten. Dadurch kann die Einwirkzeit des Laserstrahls minimiert werden und es vermindert sich zugleich die Gefahr, dass der Trennbereich durch seitlich vom Trennbereich abgeleitete Wärme zu breit wird.
Als günstig hat es sich weiterhin erwiesen, wenn die Erwärmung des Trennbereichs eines als Flachglas ausgebildeten Glasartikels durch zwei linienförmig ausgebreitete Laserstrahlen, die einander gegenüber und beiderseits der Oberflächen des als Flachglas ausgebildeten Glasartikels angeordnet sind, erfolgt. Durch die Erwärmung der Trennstelle von beiden Seiten des Flachglases wird nur die halbe Zeit zur Erreichung der Durchwärmung des Glases bei etwa halbierter seitlicher Ausbreitung der Wärmezone benötigt. Somit werden entweder die Glasartikel in der halben Zeit oder mit der doppelten Dicke im Vergleich zur einseitigen Erwärmung trennbar.
In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Erwärmung des Trennbereichs eines rotationssymmetrischen Glasartikels durch mindestens zwei um den Umfang des rotationssymmetrischen Glasartikels verteilte, linienförmig ausgebreitete Laserstrahlen mit räumlich gekrümmten Fokuslinien. Damit ist es sehr einfach und schnell möglich, den Glasartikel bei gleichzeitiger moderater Drehbewegung im Trennbereich auf einer umlaufenden gleichmäßigen Erwärmungslinie auf der äußeren Oberfläche zu erwärmen. Insbesondere erfolgt durch den Einsatz von linienförmig ausgebreiteten Laserstrahlen mit räumlich gekrümmten Fokuslinien der Energieeintrag auf einer sehr geringen Breite, die in der bevorzugten Ausgestaltung 200 bis 300 μm beträgt. Durch die Applikation mehrerer Laserstrahlen kann der gesamte Umfang des Glasartikels auf einmal erwärmt werden, ohne dass es auf dessen Drehung beim Erwärmen ankäme, was ohnehin nur bei rotationssymmetrischen Glasartikeln sinnvoll wäre. Auch anders geformte Glasartikel können nach diesem Verfahren und bei entsprechend modulierten Fokuslinien des linienförmig ausgebreiteten Laserstrahls und beim Einsatz mehrerer derartiger Laserstrahlen sehr schnell und bei Eintrag der maximal möglichen Energiemenge im Trennbereich erweicht und abgeschmolzen werden. Durch die sehr schnelle Erweichung des Glasmaterials wird vermieden, dass die Wärme quer zum Trennbereich heraus geleitet wird und umgebende Bereiche im Glasartikel mit erweicht. Dadurch werden eine unscharfe Trennung und qualitativ minderwertige Trennbereiche sicher vermieden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Laserstrahlen durch eine amplitudenmodulierte CO₂-Laservorrichtung erzeugt werden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere eine amplitudenmodellierte CO₂-Laservorrichtung geeignet ist, punktuelle Überhitzungen zu vermeiden.
Bei einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung erfolgen am Glasartikel eine Temperaturmessung und/oder eine Wanddickenmessung und aus diesen Messwerten werden Parameter für eine Steuerung der Leistung des Laserstrahls sowie eine Festlegung eines Zeitpunkts für einen Laserstart ermittelt. Die Temperaturmessung, die bevorzugt berührungslos erfolgt, gibt einen Wert für die an der Oberfläche des Glasmaterials vorherrschende Temperatur aus. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Messung sowohl beim Vorwärmen als auch während des Erweichungsprozesses erfolgt. Während des Erweichungsprozesses erfolgt die Messung der Glastemperatur außerhalb der Lasereinflusszone zwecks Kontrolle. Auch die berührungslose Messung der lokalen Wandstärke des Glasartikels ist vorgesehen. Die ermittelten Messwerte werden in einer Auswerte- und Steuereinheit zur Anpassung der Leistung des Laserstrahls genutzt. Damit kann die Leistung des Laserstrahls derart optimiert werden, dass die maximale Energiemenge in das Glasmaterial eingebracht werden kann, die noch nicht zu lokalen Überhitzungen, zur Verdampfung oder zu Abplatzungen von Glasmaterial führt. Durch den Eintrag der maximalen Energiemenge wird wiederum die Aufheizzeit des Trennbereiches so verkürzt, dass in besonders vorteilhafter Weise ein räumlich sehr enger Trennbereich resultiert, weil durch die kurze Einwirkzeit des Laserstrahls ein Wegleiten der Wärmeenergie in benachbarte Bereiche des Glasartikels vermieden wird.
Wird zudem der Wert der Materialstärke als Messwert bei der Datenverarbeitung mit berücksichtigt, kann die erforderliche Zeitdauer der Erwärmung weiter optimiert werden, indem der Laserstrahl dann geregelt wird, wenn es aufgrund interner Berechnung in der Auswerte- und Steuereinheit sicher ist, dass die Erweichung des Glasmaterials den Kernbereich erreicht hat.
Unter Einbeziehung des Temperaturmesswertes kann die Leistungsregelung für die während der Prozesszeit abfallende Laserleistung optimiert werden. Nur dadurch kann die Verdampfung von Glas an der Einwirkstelle des Laserstrahls vermieden werden. Durch ein Verdampfen würden nicht nur Qualitätseinbußen durch den Niederschlag verschiedenster Bestandteile des Glases entstehen, die sich unlösbar mit der Oberfläche verbinden, sondern die eingetragene Energie würde mit dem Dampf entweichen, was die Prozesszeit erhöhen wurde. Eine wunschgemäß glatte und runde Kantenausbildung ohne Spannungen wird mit einer Leistungssteuerung der Lasereinrichtung erst möglich.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der Glasartikel zumindest im Trennbereich auf eine Temperatur vorgewärmt wird, bei der das Glasmaterial noch nicht erweicht wird, die jedoch mindestens 400 Grad C beträgt. Dadurch kommt es zu keiner vorzeitigen Deformation des Glasartikels, jedoch wird die Erweichungstemperatur noch schneller erreicht, da durch den Laserstrahl nur noch die Differenzenergiemenge zwischen der bereits beim Vorwärmen eingetragen Energie und der zum Erweichen des Glasmaterials im Trennbereich erforderlichen Energie eingetragen werden muss.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung zum warmweichen Trennen von Glasartikeln, aufweisend eine Laservorrichtung und eine Einrichtung zum Auseinanderziehen der zu trennenden Teile, wobei die Laservorrichtung zum Aussenden eines linienförmig ausgebreiteten Laserstrahls in einer von Glas absorbierbaren Wellenlänge geeignet ist, wodurch der Trennbereich des Glasartikels gleichmäßig erwärmt wird, und der Laserstrahl zudem für ein Durchtrennen des nach dem Auseinanderziehen verjüngten Bereichs des Glasartikels sowie weiterhin zum Aufschmelzen der Trennkanten nach der Trennung geeignet ist.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Laservorrichtung wenigstens ein Optiksystem, bevorzugt eine Zylinderlinse, aufweist, das eine gerade oder eine räumlich gekrümmte Laserfokuslinie abbildet. Durch das Optiksystem oder die Zylinderlinse kann auf eine mechanische oder anders geartete Ablenkeinrichtung für den Laserstrahl verzichtet werden und der Laserstrahl höherer Intensität kann für eine schnelle Erwärmung des Trennbereiches sorgen, ohne dass gleichzeitig die Gefahr bestünde, dass es zur Verdampfung von Glasmaterial oder lokalen Überhitzungen käme. Besonders vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit, die Fokuslinien an die Oberflächenkontur des Glasartikels anzupassen. Damit kann auch bei gekrümmten Oberflächen oder rotationssymmetrischen Glasartikeln die Oberfläche im Trennbereich gleichmäßig und in einem sehr engen Fokusbereich, der bevorzugt zwischen 200 und 300 μm Breite liegt, erwärmt werden.
Insbesondere vorteilhaft für die Trennung von Flachglas ist es, wenn mindestens zwei auf den Glasartikel ausgerichtete Laservorrichtungen vorgesehen sind. Zwei Laservorrichtungen sorgen für die gleichzeitige beidseitige Erwärmung des Flachglases, so dass die Erweichung der Gesamtdicke doppelt so schnell erreicht wird. Bei rotationssymmetrischen Glasartikeln sorgen zwei oder mehr Laservorrichtungen dafür, dass der Trennbereich am gesamten Umfang gleichzeitig und durch den maximal möglichen Energieeintrag unter gleichzeitiger Vermeidung von Überhitzungen erwärmt wird. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Einsatz von Strahlteilern für die Erzeugung mehrerer Teilstrahlen vorgesehen und vor allem dann vorteilhaft, wenn die Wanddickenunterschiede über den Umfang des Artikels gering sind. Bei Wanddickenunterschieden im Trennbereich von mehr als 10% hat sich alternativ der Einsatz von separat zu steuernden Laserquellen günstiger als der Einsatz von Strahlteilern als besonders vorteilhaft erwiesen.
Es hat sich weiterhin gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn mindestens eine der Laservorrichtungen als amplitudenmodulierte CO₂-Laservorrichtung ausgeführt ist.
Eine solche Laservorrichtung ist besonders gut zur Erweichung von Glasmaterialien geeignet.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung und/oder wenigstens eine Wanddickenmesseinrichtung am Glasartikel sowie eine Auswerte- und Steuereinheit zur Leistungssteuerung mindestens einer der Laservorrichtungen und/oder zur Ermittlung eines Zeitpunkts für einen Laserstart vorgesehen. Durch eine Temperaturmessung kann die aktuelle Temperatur im Glasartikel bevorzugt lokal im Trennbereich festgestellt werden, die entweder beim Vorwärmen oder bei der Anwendung des Laserstrahls erzeugt wurde. Eine weitere Messeinrichtung stellt die Wanddicke im Glasartikel fest. Einer der Messwerte, beide zusammen oder gemeinsam mit weiteren, zusätzlichen Messwerten erfolgt die Hinleitung zu einer Auswerte- und Steuereinheit, die Steuersignale abgibt. Diese Steuersignale legen den Zeitpunkt für den Laserstart fest, wobei dieser in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dann erfolgt, wenn der Glasartikel eine ausreichende Vorwärmtemperatur erreicht hat. Weiterhin werden Steuersignale zur Leistungssteuerung des Laserstrahls durch die Auswerte- und Steuereinheit abgegeben. Damit ist gesichert, dass eine optimale Erhitzung des Glasmaterials im Trennbereich erfolgt, indem in minimaler Zeit die maximal mögliche Energiemenge ausschließlich in den Trennbereich auf seiner gesamten Länge gleichmäßig eingebracht wird, ohne dass es zu einer Verdampfung, dem Abplatzen von Glasmaterial oder der Bildung von Spritzern oder Niederschlag von Kondensat und den damit einhergehenden Qualitätseinbußen kommen würde.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn eine Vorwärmeinrichtung vorgesehen ist. Diese kann nach einer nach dem Stand der Technik bekannten Art und Weise den Glasartikel auf eine Temperatur vorwärmen, die noch nicht zum Erweichen des Glasmaterials führt, jedoch den nachher erforderlichen Energieeintrag durch den Laserstrahl minimiert. Daher führt der Einsatz einer Vorwärmeinrichtung zur weiteren Verkürzung der Einsatzdauer des Laserstrahls auf dem Glasartikel.
Weitere Vorteile, die aus dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung erwachsen, sind:

– Perlenvermeidung am Abschmelzrand im Unterschied zu Gas-Heißabschneiden von table ware,
– Erhöhung der Qualität des Randes von Glasartikeln allgemein,
– Energieeinsparung beim Heißtrennen generell durch Ausscheiden von Artikeln mit zu großen Wanddickenunterschieden direkt nach deren Ermittlung und vor dem warmweichen Trennen,
– Trennung der Artikel von den Blaskappen vor der Kühlbahn, Reduzierung des Energieaufwandes für die Kühlbahn insgesamt, da nur hochqualitative Gläser durch die Kühlbahn geführt werden müssen und
– dadurch weiterhin die Vermeidung eines Abschneideprozesses am kalten Ende der Prozesskette mit erheblicher Energie- und Kosteneinsparung.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1a schematisch einen Ausschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Flachglasartikel und zwei applizierten Laserstrahlen zu Beginn des Trennvorgangs,
1b schematisch einen Ausschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Flachglasartikel und zwei im verjüngten Bereich applizierten Laserstrahlen,
1c schematisch einen Ausschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Flachglasartikel und zwei applizierten Laserstrahlen beim Durchtrennen des verjüngten Trennbereiches,
2 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem vertikal angeordneten Flachglasabschnitt, mit Vorwärmbrenner, Laservorrichtung und Ausziehvorrichtung,
3 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit linear ausgebreiteten Laserstrahls auf einem Flachglasabschnitt,
4 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei linear ausgebreiteten Laserstrahlen auf einen Flachglasabschnitt,
5 schematisch eine Draufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen rotationssymmetrischen Glasartikel mit Vorwärmbrennern und Laservorrichtungen mit Optiksystemen,
6 die Prozessphasen des Verlaufs 25 des Trennvorgangs im Trennbereich bei Darstellung der Temperatur über dem Zeitverlauf und
7 schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Wandstärkensensor, Temperatursensor, Laservorrichtung und Steuerungseinheit.
1a zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum warmweichen Trennen von Glas mit einem Glasartikel 2 und zwei applizierten Laserstrahlen 8 zu Beginn des Trennvorgangs. Dabei erfolgt die Einwirkung und Erwärmung durch zwei nicht dargestellte Lasereinrichtungen von beiden Seiten des Glasartikels 2, in der Darstellung von Flachglas 3. Ein schmaler Trennbereich 9 wird dadurch schnell durchwärmt, wobei keine oder nur eine sehr geringe Wärmeableitung in benachbarte Bereiche erfolgt. Neben dem in den 1a bis 1c dargestellten Flachglas 3 kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf andere Glasartikel 2, wie beispielsweise gewalztes Glas mit Oberflächenstruktur, Hohlglas (table ware), Solarglas mit hohem Transmissionsgrad und geringer Lichtabsorption sowie Borosilikatglas, angewendet werden. Dabei kommen in der besonders bevorzugten Ausführungsform Wandstärken von 1 bis 4 mm, aber je nach Materialeigenschaften und Laserleistung auch geringere und höhere Wandstärken, in Frage. Bevorzugt erreicht die Temperatur im erwärmten Bereich dabei mehr als 1000 Grad C.
Die hier nicht dargestellte Lasereinrichtung emittiert einen Laserstrahl 8, der bevorzugt unter Verwendung eines CO2-Lasers erfolgt. Es kommen jedoch auch andere Lasereinrichtung in Frage, z. B. UV-Laser, die an der UV-Absorptionskante von Glas mit einer Wellenlänge von etwa 250 bis 400 nm arbeiten. Die Fokuslinie des Laserstahls 8 ist in der bevorzugten Ausführungsform etwa 200 μm breit und wird durch eine ? spezielle Zylinderoptik ausgebreitet. Besonders bevorzugt wird dabei eine Länge von 500 mm.
1b zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum warmweichen Trennen von Glas mit einem Glasartikel 2 und zwei im verjüngten Bereich 11 applizierten Laserstrahlen 8. Eine hier nicht dargestellte Ausziehvorrichtung erzeugt entgegengerichtete Kraftwirkungen an beiden Seiten des zu trennenden Glasartikels 2. Das Auseinanderziehen erfolgt jedoch nur soweit, dass es zu einer Einschnürung in einem auseinandergezogenen Bereich 10 des Trennbereichs 9 kommt, während der Laserstrahl 8 weiterhin beiderseits des Glasartikels 2 einwirkt und den Trennbereich 9 weiterhin erwärmt.
Durch die Begrenzung des Auseinanderziehens und der minimalen Trennwandstärken werden auf besonders vorteilhafte Weise beim Abschneiden Glasflitter vermieden, die sonst die Produktqualität beeinträchtigen und die Umgebung der Maschine verunreinigen würden. Die Wanddicke im ausgezogenen Bereich beträgt in der bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens 0,2 mm. Andere Stärken sind jedoch alternativ vorgesehen.
1c zeigt schematisch einen Ausschnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum warmweichen Trennen von Glas mit einem Glasartikel 2 und zwei applizierten Laserstrahlen 8 beim Durchtrennen des verjüngten Trennbereiches 11.
Beim Trennen des verjüngten Bereiches 11 durch die weitere Einwirkung der Laserstrahlen 8 erfolgt ein Verschmelzen der Randzone, der aufgeschmolzenen Trennkante 14, durch die Einwirkung der Laserstrahlen 8 werden die wegen der Oberflächenspannung des noch flüssigen Glases erfolgende Zusammenziehung der Schmelzzone scharfe Kanten vermieden, die sonst infolge des verjüngt ausgezogenen Trennbereichs 9 entstehen würden. Nach dem Aufschmelzen der Trennkante 14 zieht sich diese zurück und zusammen, so dass eine Wulst 12 verbleibt, die im Endzustand in besonders vorteilhafter Weise nicht dicker als die Wandstärke des Glasartikels 2 ist.
2 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum warmweichen Trennen von Glas, mit einem vertikal angeordneten Abschnitt eines Flachglases 3, mit Vorwärmeinrichtung 6, Laservorrichtung 4 und Ausziehvorrichtung 7.
Die Vorwärmeinrichtung 6, die in der dargestellten bevorzugten Ausgestaltung einen Flachbrenner 20 aufweist, bringt das Material des Flachglases 3 auf eine Starttemperatur von bevorzugt 400 bis 800 Grad C. Die Vorwärmeinrichtung 6 ist in der besonders bevorzugten Ausgestaltung als Gasbrenner ausgeführt. Alternativ sind jedoch auch andere Wärmequellen wie beispielsweise Mikrowellenheizung oder Elektronenstrahl vorgesehen.
Die Laservorrichtung 4 weist ein Optiksystem 5 auf, wodurch der Laserstrahl 8 bevorzugt zu einer geraden Linie mit Fokus in der Ebene ausgebreitet und auf den Trennbereich 9 gerichtet wird. Vorgesehen ist jedoch auch eine beispielsweise bogenförmige Ausbreitung des Laserstahls und weiterhin eine Anpassung der Laserfokuslinie an eine nichtlineare Oberflächenkontur des Glasartikels. Ist beispielsweise ein Glasartikel mit gerundeter Oberflächenkontur zu erwärmen, bildet ein entsprechendes Optiksystem 5 eine gerundete Laserfokuslinie 13 aus, siehe auch 5. Zur Steuerung der Laservorrichtung 4 durch eine Auswerte- und Steuereinheit 18 werden Werte einer Pyrometermessung verwendet, die von einer Temperaturmesseinrichtung 16 stammen, wobei die Intensität des Laserstahls 8 entsprechend der von der Temperaturmesseinrichtung 16 ermittelten Temperatur im Gasartikel 2, hier dem Flachglas 4, eingestellt wird. Ebenso erfolgt eine definierte Einstellung der Abzugskraft der Ausziehvorrichtung 7, die in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ebenfalls von der Auswerte- und Steuereinheit 18 gesteuert wird.
3 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum warmweichen Trennen von Glas mit linear ausgebreitetem Laserstrahl 8 auf einem Abschnitt eines Flachglases 3 und der Ausbildung der Wärmeeinflusszonen.
Die durch das Optiksystem erreichte Zylinderlinsenabbildung in Form einer Laserfokuslinie 13 führt zur Leistungsreduzierung und zur Prozessbeschleunigung, insbesondere kommt es zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Trennbereichs 9, wobei lokale Überhitzungen mit der Folge von unerwünschtem Abspritzen und Verdampfen von Glasmasse im Trennbereich 9 sicher vermieden werden können. Der Glasartikel 2 erreicht dabei lokal eine gleichmäßige Glastemperatur bevorzugt zwischen 400 und 600 Grad C. Die Leistungsteuerung des Laserstrahls 8 erfolgt entsprechend der Werte einer on-line-Wanddickenmessung.
Das in einer bevorzugten Ausführungsform durchgeführte Vorwärmen des Flachglases 3 erfolgt besonders bevorzugt durch einen gasbefeuerten Flachbrenner 20. Es sind alternativ jedoch auch andere Wärmequellen vorgesehen. Die Erwärmung eines schmalen Trennbereiches 9 erfolgt einseitig.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1' zum warmweichen Trennen von Glas mit zwei linear ausgebreiteten Laserstrahlen 8, 8', die auf einen Abschnitt eines Flachglases 3 gerichtet sind, und die gegenüber dem in 3 dargestellten Verfahren verringerte seitliche Ausdehnung der Wärmeeinflusszonen.
Dazu sind zwei Laserstahlen 8, 8' und zwei Laserfokuslinien 13, 13' auf beiden Seiten des Flachglases 3 vorgesehen, so dass eine Erwärmung des Trennbereichs 9 nur jeweils bis zur Mitte, bezogen auf die Materialstärke des Flachglases 3, erfolgen muss. Dabei wird zugleich in vorteilhafter Weise die Breite der Wärmeeinflusszonen halbiert und ein noch schmalerer Trennbereich 9 erzielt.
5 zeigt schematisch eine Draufsicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1'' zum warmweichen Trennen von Glas für einen rotationssymmetrischen Glasartikel 2 mit Vorwärmeinrichtung 6 und Laservorrichtungen 4, die ihrerseits mit Optiksystemen 5, bevorzugt ausgeführt als Zylinderlinsensysteme, ausgestattet sind.
In der Vorrichtung 1'' erfolgt eine moderate Drehung des Glasartikels 2, wobei die bevorzugte Drehzahl zwischen 30 und 120 Umdrehungen pro Minute liegt. Zugleich erfolgt eine Bestrahlung des rotationssymmetrischen Glasartikels 2 durch Laserstrahlen 8, wobei in der bevorzugten Ausführungsform eine drei oder mehrseitige Bestrahlung vorgesehen ist. Dazu weist jede Bestrahlungseinheit eine Laservorrichtung 4 mit Optiksystem 5 auf. Damit wird die Erzeugung einer umlaufend gleichmäßigen Erwärmungslinie auf der äußeren Oberfläche des Glasartikels 2 möglich. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bei rotationssymmetrischen oder gekrümmten Artikeln.
Weitere zusätzliche Vorteile erwachsen aus der in einer sinnvollen Weiterbildung vorgesehenen Verwendung von räumlich gekrümmten Laserfokuslinien, die der Oberflächenkontur des Glasartikels 2 angepasst sind und die Erzeugung gleichmäßig dünner Laserfokuslinien entlang der Oberfläche ermöglichen. In der besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Laserfokuslinien horizontal, etwa 200 bis 300 μm breit sowie 50 bis 80 mm lang. Es hat sich zudem als günstig erweisen, wenn ein Vorwärmen des Glasartikels 2 durch eine Vorwärmeinrichtung 6 erfolgt. Diese wird bevorzugt mit einem Rundbrenner 19 durchgeführt, der symmetrisch zum Glasartikels 2, der sich dabei in der besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit 60 Umdrehungen pro Minute dreht. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet vor allem seine Anwendung bei der Herstellung von Bechern, Weingläsern oder Biergläsern.
6 zeigt die Prozessphasen des Verlaufs 25 des Trennvorgangs im Trennbereich 9 bei Darstellung der Temperatur über dem Zeitverlauf. Zunächst kommt der Glasartikel noch heiß von der Formgebungsmaschine, in der das Blasen erfolgte.
Danach wird die Wärme nach entsprechender Temperaturmessung partiell mit der Vorwärmeinrichtung, bevorzugt dem Brenner, gehalten, bzw. bis nahe an den Wert T_g (Transformationstemperatur) wieder erhöht. Das geschieht im dargestellten Ablaufdiagramm im Diagrammbereich 21 – Nachwärmen mit dem Brenner. Darauf startet die Laservorrichtung, gesteuert über eine Leistungsregelung, und es erfolgt eine Erwärmung im Trennbereich über T_s (Schmelztemperatur). Dieser Abschnitt ist im Diagramm mit 22 – leistungsgeregelte Lasereinwirkung – beschrieben.
Ist die Schmelztemperatur erreicht, folgt ein mechanisches Strecken des Trennbereichs 23, bevorzugt unter weiterhin bestehender Lasereinwirkung. Die Erwärmung im verjüngten Randbereich wird fortgesetzt, bis es zum Abschmelzen kommt. Dabei wird zur Vermeidung von Verdampfungen die Leistung der Laservorrichtung weiterhin ständig geregelt. Dann erfolgt die Trennung sowie nachfolgend das Abschmelzen der Trennkante, bevorzugt auch eine Nachwärmung der Kanten mit Laserstrahl. Nach Abschluss des Trennvorgangs werden, dargestellt im Diagrammbereich 24, die getrennten Glasartikel zur nächsten Kühlbahn weitertransportiert.
7 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Trennung von warmweichem Trennen von Glas mit Wanddickenmesseinrichtung 17, Temperaturmesseinrichtung 16, Laservorrichtung 4 und Auswerte- und Steuereinheit 18.
Auf den Glasartikel 2 wirkt der Laserstrahl 8 ein, der von der Laservorrichtung 4 ausgeht und durch das Optiksystem 5 linienförmig ausgebreitet wird. Die Steuerung der Laservorrichtung 4 erfolgt über die Auswerte- und Steuereinheit 18, die mit der Laservorrichtung 4 durch eine Steuerleitung 15 verbunden ist. In der Auswerte- und Steuereinheit 18 werden die Messwerte der Temperaturmesseinrichtung 16 und der Wanddickenmesseinrichtung 17 verarbeitet. Damit wird bei der Steuerung der Intensität des Laserstrahls 8 berücksichtigt, ob eine hohe Wanddicke des Glasartikels 2 erweicht werden muss und ob im Trennbereich 9 bereits eine ausreichend hohe Temperatur erreicht ist oder sogar die Gefahr besteht, dass es zum Verdampfen von Glasmaterial kommt. In einem solchen Fall wird die Intensität des Laserstrahls herabgeregelt, um derartige nachteilige Effekte zu vermeiden.
Aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Einsatz der Auswerte- und Steuereinheit 18 mit angeschlossenen Sensoren, bevorzugt Temperatur- und Wanddickenmesseinrichtung 16, 17, werden besondere Vorteile erzielt. So erfolgt eine Begrenzung der Ausziehung und der minimalen Trennwandstärken zur Vermeidung von Glasflittern beim Abschneiden, der Start der Laservorrichtung 4 und dessen Leistungsregelung erfolgen nach vorangegangener Wandstärken- und Temperaturmessung, die abfallende Leistungsregelung wird zur Optimierung der durch die Wärmeleitung im Glas begrenzten Leistungseinbringung zur Prozesszeitminimierung und zur Vermeidung von Verdampfungen eingesetzt und die Temperaturmessung erfolgt berührungslos durch ein als Temperaturmesseinrichtung 16 eingesetztes Pyrometer, ein Strahlungsthermometer.
Bezugszeichenliste

1: Trennvorrichtung
2: Glasartikel
3: Flachglas
4: Laservorrichtung
5: Optiksystem
6: Vorwärmeinrichtung
7: Ausziehvorrichtung
8: Laserstrahl
9: Trennbereich
10: auseinandergezogener Bereich
11: Trennung im verjüngten Bereich
12: Wulst
13: Laserfokuslinie
14: aufgeschmolzene Trennkante
15: Steuerleitung
16: Temperaturmesseinrichtung
17: Wanddickenmesseinrichtung
18: Auswerte- und Steuereinheit
19: Rundbrenner
20: Flachbrenner
21: Nachwärmen mit Brenner
22: leistungsgeregelte Lasereinwirkung
23: Strecken unter Lasereinwirkung
24: Weitertransport
25: Verlauf des Trennvorgangs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19735357 A1 [0003]
EP 0717011 B1 [0005]

Claims

Verfahren zum warmweichen Trennen von Glasartikeln durch Erweichen eines Trennbereichs, dadurch gekennzeichnet, dass ein linienförmig ausgebreiteter Laserstrahl (8) mit von Glas absorbierbarer Wellenlänge den Trennbereich (9) gleichmäßig erwärmt, Glasmaterial erweicht, zu trennende Teile auseinandergezogen werden, der dadurch verjüngte Bereich (11) danach durch den Laserstrahl (8) durchtrennt und Trennkanten (14) aufgeschmolzen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der linienförmig ausgebreitete Laserstrahl (8) durch wenigstens ein Optiksystem (5) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Trennbereichs (9) eines als Flachglas (3) ausgebildeten Glasartikels (2) durch zwei linienförmig ausgebreitete Laserstrahlen (8), die einander gegenüber und beiderseits der Oberflächen des als Flachglas (3) ausgebildeten Glasartikels (2) angeordnet sind, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Trennbereichs (9) eines rotationssymmetrischen Glasartikels (2) durch mindestens zwei um den Umfang des rotationssymmetrischen Glasartikels (2) verteilte, linienförmig ausgebreitete Laserstrahlen (8) mit räumlich gekrümmten Laserfokuslinien (13) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlen (8) durch eine amplitudenmodulierte CO₂-Laservorrichtung (4) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Glasartikel (2) eine Temperaturmessung und/oder eine Wanddickenmessung erfolgen und daraus Parameter für eine Steuerung der Leistung des Laserstrahls (8) sowie eine Festlegung eines Zeitpunkts für einen Laserstart ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine abfallende Leistungsregelung für die Laserleistung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasartikel (2) zumindest im Trennbereich (9) auf eine Temperatur vorgewärmt wird, bei der das Glasmaterial noch nicht erweicht wird, die jedoch mindestens 400 Grad C beträgt.
Vorrichtung zum wärmeweichen Trennen von Glasartikeln mit einer Laservorrichtung (4) und einer Einrichtung (7) zum Auseinanderziehen der zu trennenden Teile, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (4) zum Aussenden eines linienförmig ausgebreiteten Laserstrahls (8) in einer von Glas absorbierbaren Wellenlänge geeignet ist, wodurch der Trennbereich (9) des Glasartikels (2) gleichmäßig erwärmt wird, und der Laserstrahl (8) zudem für ein Durchtrennen des nach dem Auseinanderziehen verjüngten Bereichs (11) des Glasartikels (2) sowie weiterhin zum Aufschmelzen der Trennkanten (14) nach der Trennung geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Laservorrichtung (4) wenigstens ein Optiksystem (5) aufweist, das eine gerade oder eine räumlich gekrümmte Laserfokuslinie (13) abbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei auf den Glasartikel (2) ausgerichtete Laservorrichtungen (4) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Laservorrichtungen (4) als amplitudenmodulierte CO₂-Laservorrichtung ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Temperaturmesseinrichtung (16) und/oder wenigstens eine Wanddickenmesseinrichtung (17) am Glasartikel (2) sowie eine Auswerte- und Steuereinheit (18) zur Leistungssteuerung mindestens einer der Laservorrichtungen (4) und/oder zur Ermittlung eines Zeitpunkts für einen Laserstart vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmeinrichtung (6) vorgesehen ist.