DE102019003822A1

DE102019003822A1 - Process for processing transparent materials

Info

Publication number: DE102019003822A1
Application number: DE102019003822.3A
Authority: DE
Inventors: Keming Du; Lutz Zhewel Du
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-06-02
Filing date: 2019-06-02
Publication date: 2020-12-03

Abstract

In dieser Patentanmeldung wird ein Verfahren angegeben, mit dem große Konturen/Volumen in transmissiven Materialien bearbeitet werden können. Dabei wird eine Anlage verwendet, in der mindestens ein Scanner und ein Achsensystem verwendet werden. Die zu bearbeitenden Konturen/Volumen werden in mehrere Bearbeitungsfelder aufgeteilt wird, wobei die Abmessung der Bearbeitungsfelder kleiner als das Scannfeld des verwendeten Scanners ist, wobei das Bearbeiten der Felder nacheinander erfolgt, wobei die Aufteilung der Bearbeitungsfelder so erfolgt, dass es garantiert wird, dass bei Bearbeitung des folgenden Feldes die Ausbereitung des Strahls vollständig ungehindert innerhalb des eigenes Feldes und den noch zu bearbeitenden Feldern geschehen und zu keiner Zeit durch das entstandene Volumen von vorherigen Bearbeitungsfeldern gestört wird.This patent application specifies a method with which large contours / volumes can be machined in transmissive materials. A system is used in which at least one scanner and one axis system are used. The contours / volumes to be processed are divided into several processing fields, the dimensions of the processing fields being smaller than the scanning field of the scanner used, the processing of the fields being carried out one after the other, the division of the processing fields being carried out in such a way that it is guaranteed that with Processing of the following field the preparation of the beam happens completely unhindered within its own field and the fields still to be processed and is not disturbed at any time by the volume created by previous processing fields.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von großflächigen transparenten Werkstücken wie Glas mit Laserstrahlung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist das Hochgeschwindigkeitsbohren und - schneiden bzw. -anritzen von transparenten Materialien wie Glas.The present invention relates to a method for processing large-area transparent workpieces such as glass with laser radiation according to the preamble of claim 1. The preferred area of application is high-speed drilling and cutting or scoring transparent materials such as glass.

Stand der TechnikState of the art

In den letzten Jahrzehnten haben sich Laser als universelle Werkzeuge in der industriellen Praxis und der Wissenschaft etabliert. Wichtige Anwendungen der Materialbearbeitung mithilfe von Lasern sind Schneiden, Schweißen, Bohren und Oberflächenstrukturierung. In diesen und anderen Bereichen ergänzt oder substituiert die Laserbearbeitung heute konventionelle Verfahren. Laserbasierte Materialbearbeitung zeichnet sich durch eine hohe Bearbeitungspräzision, eine hohe Gestaltungsfreiheit sowie ein hohes Automatisierungspotenzial aus. Allen Lasermaterialbearbeitungsverfahren ist gemeinsam, dass durch die Absorption und Einkopplung der Strahlungsenergie in das Werkstück, Ablation und/oder strukturelle Veränderungen des Werkstückmaterials hervorgerufen werden. Dabei setzt eine hinreichend starke Absorption der Laserstrahlung durch das Material voraus.In the last few decades lasers have established themselves as universal tools in industrial practice and science. Important applications of material processing with the help of lasers are cutting, welding, drilling and surface structuring. In these and other areas, laser processing today complements or replaces conventional processes. Laser-based material processing is characterized by high processing precision, a high degree of design freedom and high automation potential. What all laser material processing methods have in common is that the absorption and coupling of the radiation energy into the workpiece cause ablation and / or structural changes in the workpiece material. This requires a sufficiently strong absorption of the laser radiation by the material.

Die DE 100 29 110 B4 2006.05.18 offenbart ein Verfahren zum hochpräzisen und stabilen Bearbeiten mit Laserstrahlung von transparenten Werkstoffen, welche die Laserstrahlung bei hinreichend kleinen Intensitäten nicht absorbieren, also für sie transparent sind. Wie in 1 dargestellt ist, wird der Laserstrahl (11) mithilfe einer Optik (21), von der Werkstückoberseite (921) aus, in ein transparentes Medium (91) fokussiert. Die gestrichelte Linie (170) kennzeichnet die Achse des Strahls. In dem dargestellt Fall steht die Achse des Strahls senkrecht zur Eintrittsfläche. Im Folgenden wird die Werkstückoberseite (921) auch als die Eintrittsfläche genannt. Der fokussierte Strahl in dem Werkstück (91) weist einen Halböffnungswinkel (111) auf. Er durchdringt das Material aufgrund der geringen Absorption zunächst weitgehend unbeeinflusst. Aufgrund der Fokussierung verjüngt sich der Strahl beim Durchlaufen des Werkstücks, sodass die Schwellintensität für die nichtlineare Absorption in der Nähe des Fokus (101) überschritten wird. Wird der Fokus in der Nähe der Werkstückunterseite gelegt (61), so wird der Materialabtrag in Form von einem kleinen Zylinder (131) in der Nähe der Werkstückunterseite initiiert. Das abgetragene Material (151) entfernt sich in der Strahlrichtung. Das abgetragene Material wird in einen Raumbereich unterhalb des Werkstückes und weg von der Strahlquelle transportiert wird und beeinflusst dementsprechend nicht die folgende Laserstrahlung und den Abtragprozess. So wird vermieden das die abgetragene Materialwolke mit dem Laserstrahl wechselwirkt, wie es bei einem Materialabtrag, der auf der Oberseite des Werkstücks initiiert wird, geschehen kann. Eine Instabilität des Prozesses durch Plasmaprozesse kann so vermieden werden. Das Verfahren ermöglicht die Einbringung beliebig geformter dreidimensionaler Strukturen auf der Werkstückunterseite.The DE 100 29 110 B4 2006.05.18 discloses a method for high-precision and stable processing with laser radiation of transparent materials which do not absorb the laser radiation at sufficiently low intensities, i.e. are transparent to them. As in 1 is shown, the laser beam ( 11 ) with the help of an optic ( 21st ), from the top of the workpiece ( 921 ) into a transparent medium ( 91 ) focused. The dashed line ( 170 ) indicates the axis of the beam. In the case shown, the axis of the beam is perpendicular to the entrance surface. In the following, the top of the workpiece ( 921 ) also known as the entry surface. The focused beam in the workpiece ( 91 ) has a half-opening angle ( 111 ) on. Due to the low absorption, it initially penetrates the material largely unaffected. Due to the focus, the beam tapers as it passes through the workpiece, so that the swell intensity for the nonlinear absorption near the focus ( 101 ) is exceeded. If the focus is placed near the underside of the workpiece ( 61 ), the material is removed in the form of a small cylinder ( 131 ) initiated near the underside of the workpiece. The removed material ( 151 ) moves away in the direction of the beam. The removed material is transported into a space below the workpiece and away from the beam source and accordingly does not affect the subsequent laser radiation and the removal process. This avoids that the removed material cloud interacts with the laser beam, as can happen with a material removal that is initiated on the upper side of the workpiece. Process instability due to plasma processes can thus be avoided. The process enables three-dimensional structures of any shape to be created on the underside of the workpiece.

Konventionelle Achsensysteme können nur Verfahrgeschwindigkeiten im Bereich eines m/s erreichen, demgegenüber können marktübliche Scaneinheiten Geschwindigkeiten von über 10 m/s erreichen. Deswegen sind Laserbearbeitungsanlagen für eine effiziente Bearbeitung von transparenten Werkstücken mithilfe von Laserstrahlung in der Regel mit Scaneinheiten für die schnelle Strahlablenkung ausgestattet. Die Kantenlänge einer gängigen Scaneinheit mit einer Brennweite von 100mm beträgt typisch 60mm.Conventional axis systems can only achieve travel speeds in the range of one m / s, in contrast to conventional scanning units that can reach speeds of over 10 m / s. That is why laser processing systems for efficient processing of transparent workpieces with the help of laser radiation are usually equipped with scan units for fast beam deflection. The edge length of a common scanning unit with a focal length of 100mm is typically 60mm.

2 und 3 verdeutlicht eine Situation, bei der in das transparente Werkstück (91) eine Öffnung (41) mit einer Länge von L mit einem Laser ausgearbeitet werden soll. Allerdings ist das Scannfeld (51) mit einer Kantenlänge s kleiner als die Länge L der Öffnung. Da die zu bearbeitende Geometrie größer als das Scannfeld einer geeigneten Scaneinheit ist, so muss die zu bearbeitende Geometrie in einzelne Bearbeitungsfelder aufgeteilt werden, welche die Größe des Scanfeldes nicht überschreiten dürfen. Diese Bearbeitungsfelder werden dann sequenziell und nacheinander abgearbeitet. Dabei muss entweder die Scaneinheit oder das Werkstück mithilfe von Achssystemen so verfahren werden, dass sich das Scanfeld über dem jeweiligen Bearbeitungsabschnitt befindet. 2 and 3 illustrates a situation in which the transparent workpiece ( 91 ) an opening ( 41 ) with a length of L is to be worked out with a laser. However, the scanning field ( 51 ) with an edge length s smaller than the length L of the opening. Since the geometry to be processed is larger than the scan field of a suitable scanning unit, the geometry to be processed must be divided into individual processing fields, which must not exceed the size of the scan field. These processing fields are then processed sequentially and one after the other. Either the scanning unit or the workpiece must be moved with the aid of axis systems in such a way that the scan field is located above the respective processing section.

4 zeigt, dass die gesamte Öffnung (41) in zwei Bearbeitungsfelder (411) und (421) aufgeteilt wird. Die Grenzlinie (461) steht senkrecht zu der Eintrittsfläche (921). Nach Bearbeitung des ersten Bearbeitungsfeldes entsteht eine Kante (463), die senkrecht zur Eintrittsfläche (921) steht. Das führt zu Problem für die Bearbeitung des zweiten Bearbeitungsfeldes (421). Wie in 6 veranschaulich, breitet der Strahl in der Nähe der Grenzkante (463) zum Teil durch das Material und zum Teil durch das bereits abgetragene Volumen (412). Dadurch wird der Strahl gestört. Dies führt dazu, dass die Bearbeitung in der Nähe der Grenzkante (463) unmöglich wird. 4th shows that the entire opening ( 41 ) in two edit fields ( 411 ) and ( 421 ) is divided. The border line ( 461 ) is perpendicular to the entry surface ( 921 ). After processing the first processing field, an edge is created ( 463 ) perpendicular to the entrance surface ( 921 ) stands. This leads to problems for the editing of the second edit field ( 421 ). As in 6th To illustrate, the beam spreads near the boundary edge ( 463 ) partly due to the material and partly due to the volume already removed ( 412 ). This disturbs the beam. As a result, machining near the boundary edge ( 463 ) becomes impossible.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Um die Wettbewerbsfähigkeit des Lasers bei der Bearbeitung großflächiger Werkstücke zu erhöhen gilt es die Produktivität des Prozesses unter Beibehaltung der hohen Bearbeitungsqualität zu steigern. Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde ein Verfahren zur Aufteilung der Geometrie zur sequenziellen Bearbeitung mit Laserstrahlung anzugeben. Dazu soll das in DE 100 29 110 B4 offenbarte vorteilhafte Verfahren auf die Bearbeitung von Geometrien übertragen werden, die größer als Scanfelder kommerziell verfügbarer Scaneinheiten sind.In order to increase the competitiveness of the laser when processing large-area workpieces, it is important to increase the productivity of the process while maintaining the high processing quality increase. The invention is based on the technical problem of specifying a method for dividing the geometry for sequential processing with laser radiation. This should be done in DE 100 29 110 B4 disclosed advantageous methods can be transferred to the processing of geometries that are larger than scan fields of commercially available scan units.

In dieser Patentanmeldung wird Verfahren zur Aufteilung der Bearbeitungsfelder angegeben, mit dem Verfahren großflächige Bearbeitungen mit großen Strukturen möglich wird.This patent application specifies a method for dividing the processing fields, with which large-area processing with large structures is possible.

Die Kernidee dieser Patentanmeldung besteht darin, dass zu großkontouriger Bearbeitung von transparenten Materialien eine Anlage verwendet wird, in der mindestens ein Scanner und ein Achsensystem verwendet werden, wobei die zu bearbeitende Kontur in mehrere Bearbeitungsfelder aufgeteilt wird, wobei die Abmessung der Bearbeitungsfelder kleiner als das Scannfeld des verwendeten Scanners ist, wobei das Bearbeiten der Felder nacheinander erfolgt, wobei die Aufteilung der Bearbeitungsfelder so erfolgt, dass es garantiert wird, dass bei Bearbeitung des folgenden Feldes die Ausbereitung des Strahls vollständig ungehindert innerhalb des eigenes Feldes und den noch zu bearbeitenden Feldern geschehen und zu keiner Zeit durch das entstandene Volumen von vorherigen Bearbeitungsfeldern gestört wird.The main idea of this patent application is that for large-contour processing of transparent materials, a system is used in which at least one scanner and an axis system are used, whereby the contour to be processed is divided into several processing fields, the dimensions of the processing fields being smaller than the scanning field of the scanner used, whereby the processing of the fields takes place one after the other, whereby the division of the processing fields takes place in such a way that it is guaranteed that when processing the following field the preparation of the beam happens completely unhindered within the own field and the fields still to be processed and is not disturbed at any time by the volume created by previous edit fields.

Für den Fall, dass der fokussierte Strahl senkrecht zu der Eintrittsfläche steht, werden die Bearbeitungsfelder so generiert, dass die Grenzkante mit einem Winkel zum Normal der Eintrittsfläche des Werkstücks hat, der größer als der Halböffnungswinkel des fokussierten Strahls innerhalb des Werkstücks ist.In the event that the focused beam is perpendicular to the entry surface, the processing fields are generated in such a way that the boundary edge has an angle to the normal of the entry surface of the workpiece which is greater than the half-opening angle of the focused beam within the workpiece.

Für den Fall, dass der Strahl unter einen Einfallwinkel (171) zu Normalen der Eintrittsfläche (921) in das Werkstück (91) fokussiert wird, werden die Bearbeitungsfelder so generiert, dass die Grenzkante mit einem Winkel zum Normal der Eintrittsfläche des Werkstücks hat, der größer als die Summe von dem Halböffnungswinkel (111) und von dem Einfallwinkel (171) des fokussierten Strahls innerhalb des Werkstücks ist.In the event that the beam is at an angle of incidence ( 171 ) to normals of the entrance surface ( 921 ) into the workpiece ( 91 ) is focused, the processing fields are generated in such a way that the boundary edge has an angle to the normal of the entry surface of the workpiece that is greater than the sum of the half-opening angle ( 111 ) and the angle of incidence ( 171 ) of the focused beam is within the workpiece.

Nachfolgend soll das erfindungsgemäße Verfahren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The method according to the invention is to be explained in more detail below using exemplary embodiments.

7 zeigt ein schematisches Beispiel des Verfahrens zur Aufteilung der Bearbeitungsfelder. Dabei wird der Strahl senkrecht in das Werkstück fokussiert und der entsprechende Einfallwinkel ist null. Dabei wird die Gesamtbearbeitungsgeometrie in zwei Bearbeitungsfelder (431) und (441) aufgeteilt. Die beiden Bearbeitungsfelder hat eine Kante (471), die einen Winkel (481) zu dem Normal der Eintrittsfläche (921) bildet. Das Feld (431) wird zuerst bearbeitet. Danach erfolgter Bearbeitung des Feldes (441). Wie in 8 dargestellt ist, entsteht nach erfolgter Bearbeitung des Feldes (431) eine Grenzkante (473), die unter einem Winkel (481) zu dem Normal der Eintrittsfläche (921) des Werkstücks (91) steht. Weist die zu erstellende Öffnung eine Breite b, so entsteht nach Bearbeitung eine Grenzfläche mit einer Breite b, die unter dem Winkel (481) zu dem Normal der Eintrittsfläche (921) steht. 7th shows a schematic example of the method for dividing the processing fields. The beam is focused perpendicularly into the workpiece and the corresponding angle of incidence is zero. The total machining geometry is divided into two machining fields ( 431 ) and ( 441 ) divided up. The two edit fields has an edge ( 471 ) that have an angle ( 481 ) to the normal of the entrance surface ( 921 ) forms. The field ( 431 ) is processed first. Afterwards processing of the field ( 441 ). As in 8th is shown after processing the field ( 431 ) a boundary edge ( 473 ) at an angle ( 481 ) to the normal of the entrance surface ( 921 ) of the workpiece ( 91 ) stands. If the opening to be created has a width b, a boundary surface with a width b is created after processing, which is at the angle ( 481 ) to the normal of the entrance surface ( 921 ) stands.

9 zeigt, dass bei Bearbeitung des zweiten Feldes (441) der fokussierte Strahl in der Nähe der Grenzkante (473) nicht durch das bearbeitete Feld (431) beeinträchtigt wird und sich vollständig innerhalb des Feld (441) ausbreiten kann, wenn der Winkel zwischen der Grenzkante und dem Normal der Eintrittsfläche (481) größer als der Halböffnungswinkel (111) des fokussierten Strahls gewählt wird. 9 shows that when editing the second field ( 441 ) the focused beam near the boundary edge ( 473 ) not through the edited field ( 431 ) is affected and is completely within the field ( 441 ) can spread if the angle between the boundary edge and the normal of the entry surface ( 481 ) greater than the half-opening angle ( 111 ) of the focused beam is selected.

10 zeigt, dass der Strahl mit einem Einfallwinkel rechts geneigt in das Werkstück fokussiert. Der Winkel zwischen dem Normal der Eintrittsfläche und der Achse des fokussierten Strahls (177) wird als Mediumeinfallwinkel (171) gekennzeichnet. Wird die Bearbeitung der Felder von links nach rechts erfolgen, so ist der Winkel zwischen dem Linkrandstrahl und dem Normal des Eintrittsfläche (481) zu wählen, dass er größer als die Summe von dem Halböffnungswinkel (111) und den Mediumeinfallwinkel (171) wird. Also es soll gelten: (481) > (111) + (171). 10 shows that the beam is focused into the workpiece with an angle of incidence inclined to the right. The angle between the normal of the entrance surface and the axis of the focused beam ( 177 ) is used as the medium incidence angle ( 171 ) marked. If the fields are processed from left to right, the angle between the left edge ray and the normal of the entrance surface is ( 481 ) to choose that it is greater than the sum of the half-opening angle ( 111 ) and the medium incidence angle ( 171 ) becomes. So it should apply: (481)> (111) + (171).

In anderen Fall, wo der Strahl mit einem links geneigt in das Werkstück fokussiert wird, so ist der Winkel zwischen dem Linkrandstrahl und dem Normal des Eintrittsfläche (481) zu wählen, dass er größer als die Differenz von dem Halböffnungswinkel (111) und den Mediumeinfallwinkel (171) wird. Also es soll gelten: (481) > (111) - (171).In another case, where the beam is focused into the workpiece with a left inclined angle, the angle between the left edge beam and the normal of the entrance surface is ( 481 ) to choose that it is greater than the difference from the half-opening angle ( 111 ) and the medium incidence angle ( 171 ) becomes. So it should apply: (481)> (111) - (171).

11 zeigt ein Beispiel zur Ausarbeitung von einer kreisförmigen Bohrung. Dies wird auf einer effizienten Weise durch eine Kernbohrung realisiert. Dabei wird eine geschlossene und ringförmige Nut mittels Laserstrahl abgetragen. Die abzutragende ringförmige Nut ist größer als das Scanfeld, so dass die geschlossene Nut in Bearbeitungsfelder aufgeteilt werden muss. In Folgenden wird angenommen, dass der Strahl an allen Stellen und annäherungsweise senkrecht in das Werkstück fokussiert wird. In diesem Fall ist der Effekt der Einfallwinkel vernachlässigbar. 11 shows an example of the preparation of a circular hole. This is done in an efficient way by core drilling. A closed, ring-shaped groove is removed using a laser beam. The ring-shaped groove to be removed is larger than the scan field, so that the closed groove has to be divided into processing fields. In the following it is assumed that the beam is focused at all points and approximately perpendicularly into the workpiece. In this case the effect of the angles of incidence is negligible.

Wie in 11 dargestellt, wird die ringförmige Nut in 8 Bogensegmente von (811) bis zu (818) aufgeteilt. Die Bearbeitung startet mit dem Segment (811) und erfolgt gegen den Uhrzeigersinn von (812) bis zu (818). Werden die Bogensegmente auf ebenen Flächen projektziert, so hat das Startsegment (811) eine Form von Trapez. Der Öffnungswinkel des Trapezes wird so gewählt, dass er größer als der Öffnungswinkel des Strahls im Werkstück (2x (171)) ist. Andere Segmente weisen eine Form von Raute auf.As in 11 shown, the annular groove is divided into 8 arc segments of ( 811 ) up to ( 818 ) divided up. Processing starts with the segment ( 811 ) and is done counterclockwise from ( 812 ) up to ( 818 ). If the arc segments are projected on flat surfaces, the start segment ( 811 ) a shape of trapezoid. The opening angle of the Trapezoid is chosen so that it is larger than the opening angle of the beam in the workpiece (2x (171)). Other segments have a shape of diamond.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 10029110 B4 [0003, 0007]

Claims

Method for processing transparent workpieces, in which the area of the workpiece to be processed is larger than the scanning field of the scanner used for beam deflection, the area to be processed being divided into several processing fields, the dimensions of the processing fields being smaller than the scanning field of the scanner used The processing of the fields takes place one after the other, whereby the division of the processing fields takes place in such a way that it is guaranteed that when processing the following field the preparation of the beam happens completely unhindered within the own field and the fields still to be processed and at no time through the resulting volume is disturbed by previous edit fields.

Process for processing transparent workpieces according to the Claim 1 , characterized in that the beam is focused perpendicularly into the workpiece, and that the boundary edge of the individual processing fields are designed so that the angle between the boundary edge and the normal of the entry surface (481) is greater than the half-opening angle (111) of the focused beam .

Process for processing transparent workpieces according to the Claim 1 or 2 , characterized in that when machining closed contours, the first (811) segment is trapezoidal, the opening angle of the trapezoid being selected so that it is greater than the opening angle of the focused beam in the workpiece, the other segments having a diamond shape.