DE2527080A1

DE2527080A1 - Verfahren zum schneiden von glas

Info

Publication number: DE2527080A1
Application number: DE19752527080
Authority: DE
Inventors: Granger Kam-Chuen Chui
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1974-07-01
Filing date: 1975-06-18
Publication date: 1976-01-22
Also published as: JPS548487B2; FR2277046A1; JPS5124610A; DE2527080C3; CA1030612A; GB1451750A; FR2277046B1; US3885943A; DE2527080B2

Description

Z/DR-2 Ri uk Patentanmeldung

Verfahren zum Schneiden von Glas

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von Glas mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls.

Es ist bekannt, Laserstrahlen zum Verarbeiten, insbesondere zum Verschweißen von elektronischen Bauelementen zu verwenden; auch ist bekannt, Laserstrahlen zum Schneiden von Bezugsstoffen und Kleiderstoffen zu benutzen. Für einige andere Materialien , z. B. für die wichtigsten Metalle, ist es durch die fortschreitende Entwicklung ebenfalls möglich, Laserstrahlen zum Schneiden, Schweißen und Wärmebehandeln dieser Metalle zu verwenden.

Bislang hat man jedoch der Verwaidung von Laserstrahlen in der Glasindustrie nur ungenügende Beachtung geschenkt. So beschreibt beispielsweise R. N. Lumley in der Zeitschrift Keramic Bulletin, Ausgabe 48, Nr. 9, 1949 unter dem Titel "Control Separation of Brittle-Materials using a Laser" das Schneiden von 0, 99 mm dicken Mikroskopier scheiben aus Glas mit einem 30 Watt Laser und einer Schnittgeschwindigkeit von 1, 524 m/min.

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In der US Patentschrift 3 543 977 wird die Verwendung eines 100 Watt Lasers beschrieben. Schließlich ist incfer US Patentschrift 3 453 097 erwähnt, daß verschiedene Verfahren zum Schneiden von Glas möglich sind, wobei auch das Vorheizen von Glas zum Zwecke der Energieeinsparung erwähnt ist. Diese Patentschrift enthält jedoch keine spezifischen Angaben darüber, in welcher Weise ein gewünschtes Ergebnis erreicht werden kann.

Mangelnde Erfolge in der Anwendung von L: ser strahlen für das Schneiden von Glas mögen darauf zurückzuführen sein, daß im Glas Spannungen vorhanden sind, die zu einem Bruch führen, sobald der entsprechende Bereich einer konzentrierten Strahlung ausgesetzt ist. So kommt es immer wieder vor, daß ein nicht erwärmtes Glasstück dann zerspringt, wenn es einem konzentrierten Laserstrahl ausgesetzt wird. So hängt das erfolgreiche Schneiden von Glas mittels Laserstrahlen ganz wesentlich davon ab, ob es gelingt, den Bruch des Glases entlang der Bahn des Laserstrahles zu kontrollieren.

In den Veröffentlichungen gemäß dem Stand der Technik ist erwähnt, daß es den Autoren gelungen sei, Glas mit Hilfe von Laserstrahlen ohne Bruch des Glases zu schneiden. Es ist jedoch nicht möglich, dieses Ergebnis unter Anwendung der Angaben der Autoren unter labormäßigen Bedingungen zu wiederholen. Mit den von Lumley und in der US Patentschrift 3 543 977 vorgeschlagenen Methoden wurden akzeptable Ergebnisse beim Schneiden von Glas mit 0, 99 mm Dicke mit einem 75 Watt Laser erzielt, wobei die Schnittgeschwindigkeit 2, 286 m/min betrug. Weiterhin wurden Glasplatten mit 3, 17 mm Dicke mit einem 200 Watt Laser und einer Schnittgeschwindigkeit von 1, 524 m/min geschnitten. Die Länge der meisten Schnitte lag jedoch unter 127 mm. Bei längeren Schnitten traten erhebliche Schwierigkeiten auf. Das gleiche war der Fall bei einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit. Aus dem vorher Gesagten ergibt sich hier die Vermutung, daß das Schneiden von Glas mittels Laserstrahlen nur dann ausreichend gut funktioniert, wenn die Anwendung von

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Laserstrahlen unter genau definierten Bedingungen erfolgt und gewisse Grenzen dieser Bedingungen, die genau definiert sein müssen, eingehalten werden.

Die Schwierigkeiten beim Schneiden von Glas, die durch die Bruchneigung des Glases verursacht werden, führte dazu, daß versucht wurde, Glas bei Bedingungen zu schneiden, bei denen ein solcher Bruch nicht erfolgen kann. Das ist der Fall, wenn das Glas im Abkühlungsbereich, also etwa zwischen 510 C und 649 C gehalten wird. In diesem Bereich kann das Schneiden dadurch erfolgen, daß entweder ausreichend Glasvolumen verdampft wird, so daß eine Trennung der beiden Glashälften voneinander erfolgt oder aber Glas wird geschmolzen entlang des Weges des Laserstrahls, wobei dann dieses geschmolzene Glas durch irgendwelche Mitte, so beispielsweise durch einen Gasstrahl entfernt wird. Das letztgenannte Verfahren ist in der US Patentschrift 3 453 097 vorgeschlagen worden. Dabei war das Ziel der Anwendung dieser Maßnahme nicht der Wunsch, das Brechen von Glas zu vermeiden sondern die Absicht, Laserenergie zu sparen. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß dieses Verfahren eine Reihe von anderen Problemen auswirft. So werden beispielsweise die geschmolzenen Glaspartikel weggeblasen und setzen sich auf der noch heißen Glasoberfläche ab, was zu erheblichen Verunreinigungen führai kann und die optischen Eigenschaften des Glases stark verschlechterb. Dazu kommt, daß die Schneidkanten , die auf diese Weise erzeugt werden, sehr rauh sind.

Es ist daher das Ziel der Erfindung, ein Verfahren vorzuschlagen, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet.

Das Ziel der Erfindung wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Merkmale erreicht.

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Das Verfahren wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen von Einrichtungsgegenständen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil einer Float-Glas-Kammer, im Längsschnitt dargestellt, unter Anwendung einer Einrichtung zum Schneiden von Glas mit Laserstrahlen;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Anordnung nach Fig. 1.

Innerhalb der in den Figuren dargestellten Fertigungseinrichtung wird ein Glasbad 10 aus einem Zinnbad 12 herausgehoben, wobei die Float-Glas-Kammer insgesamt mit 14 bezeichnet ist. Das Glasband 10 gelangt am Ende der Glaskammer 14 auf Rollen 16 und 18, die entsprechend gelagert und auf übliche Weise angetrieben werden. Kohlenstoffblöcke 20 und 22 werden unter Feder druck auf die Rollen gepreßt und entfernen so Reste von Material, die sich darauf abgesetzt haben. Die Kohlenstoffblöcke werden auf Kammerfortsätzen 24 gelagert, auf die das entfernte Material fällt. Von dort kann es dann entfernt werden.

Das Glasband 10 wird in einen Abkühlofen 26 geschickt, in dem sich Rollen 28, 30 und 32 befinden. Dabei ist eine geeignete Einrichtung vorgesehen, die für einen gleichmäßigen Antrieb aller Rollen sorgt. Jede der Rollen erzeugt eine Zugkraft auf das Glasband, wobei die Zugkraft so groß ist, daß das Glasband durch die Abkühlkammer hindurchbewegt werden kann. Innerhalb der Abkühlkammer ist die Temperatur entsprechend den Fertigungsvorschriften kontrolliert.

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Um die Atmosphäre innerhalb des Innenraumes der Glaskammer 14 zu halten, ist das Ende der Kammer mit einer Reihe von Vorhang schleusen 34 versehen, die auf dem Glasband 10 schleifen. Diese Vorhang schleus en sind im allgemeinen aus Asbestmaterial gefertigt; sie widerstehen der hier herrschenden Temperatur von 538 bis 677 C. Entsprechende Vorhang schleus en 36 sind auch im Bereich des Eingangs des Abkühlofens 26 angeordnet.

Horizontal erstreckt sich eine Schiene 38 quer über das Glasband; die Schiene liegt zwischen der Glaskammer 14 und dem Abkühlofen 26. Die Schiene wird von nicht dargestellten vertikal verlaufenden Armen getragen, die auf beiden Seiten der Glaskammer und des Abkühlofens vorhanden sind. An .der Schiene 38 befindet sich eine Laserstrahleinrichtung 40, die an einer Haltevorrichtung 42 mittels einer Vielzahl von Rädern 44 auf der Schiene 38 beweglich angeordnet ist. Weiterhin ist ein Kettenantrieb 46 vorgesehen, der Kettenräder 48 und 50 besitzt, die auf Befestigungsträgern 52 und 54 angeordnet sind. Die Kettenräder 48 und 50 werden durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben; sie sorgen dafür, daß die Laserstrahleinrichtung 40 über die Breite des Glasbandes 10 hinweg bewegt werden kann. Obwohl in den Figuren dargestellt ist, daß die Schiene 38 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Glasbandes 10 verläuft, ist es auch möglich, hier eine Anordnung unter Einschaltung eines bestimmten Winkels vorzunehmen. Somit kann erreicht werden, daß bei gleichzeitiger Bewegung vonGlasband 10 und Laserstrahleinrichtung 40 ein zur Kante des Glasbandes 10 senkrecht verlaufender Schnitt erfolgt. Die Ausrichtung der Schiene 38 muß somit die Geschwindigkeit des Glasbandes 10 und die Schnittgeschwindigkeit der Laser strahleinrichtung 40 in Rechnung stellen.

Weiterhin ist eine Lichtführ einrichtung 56 vorgesehen, die mit einer Lichtführeinrichtung 57 der Laserstrahleinrichtung 40 zusammenwirkt. Dadurch wird die Laserstrahleinrichtung 40 mit dem Lasererzeuger 58 verbunden. Gemäß der Erfindung muß die Laserstrahleinrichtung eine Wellenlänge von

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mehr als 5 Mikron haben.

Vor und hinter dem Bereich, in dem die Laserstrahleinrichtung schneidet, ist eine Unterdruckhaube 60 angeordnet. Diese Hauben auf beiden Seiten erstrecken sich vertikal nach oben zu zwei Ansaugstutzen 62. Die Unterdruckhauben haben einen so großen Abstand voneinander, daß die Laserstrahleinrichtung 40 zwischen ihnen bewegt werden kann. Die Einrichtung zum Transportieren der Unterdruckhauben sind nicht im einzelnen dargestellt; sie sind bekannt.

Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine Laserstrahleinrichtung 40 benutzt, die eine Leistung von 15 Kilowatt besitzt. Dabei kann vorzugsweise ein CO2 -Laser benutzt werden. Der Laser wird durch den Lasererzeuger 58 und die Lichtführ einrichtung 56/ 57 mit Energie versorgt. Das Glasband befindet sich im Bereich der Lasereinrichtung bei einer Temperatur zwischen 538 C und 677 C, vorzugsweise bei etwa 592 C. Das Glasband gelangt dabei in den Bereich, der begrenzt wird von den Unterdruckhauben 60. In diesem Bereich hat der Laser eine Wellenlänge von über 5 Mikron. Dabei ist der Brennpunkt des fokussierten Laserstrahles so angeordnet, daß er einen Abstand von einer der Oberflächen des Glases besitzt. Im vorliegenden Fall liegt dieser Brennpunkt unter der Glasplatte, so daß sich eine ausreichend große Brennpunktgröße auf der Oberfläche des Glasbandes befindet. Dabei ist die Brennpunktgröße in diesem Bereich so gewählt, daß bei normalen Schnittgeschwindigkeiten eine Verdampfung des Glases durch den Laserstrahl auftritt und diese Verdampfung größer ist als die Nachfließgeschwindigkeit der angrenzenden Glaspartikel in den Bereich hinein, in dem das Glas verdampft ist. Der Ausdruck "Verdampfen" meint eine Zersetzung des Glases und nicht so sehr die übliche Form einer Phasenänderung aus dem festen oder flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand. Durch die Zersetzung durch den Laserstrahl wird eine Wolke von sehr feinem weißem Pulver erzeugt sowie ein scharfer saurer Geruch.

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Das weiße Pulver besteht im wesentlichen aus Kieselerde, so daß offensichtlich durch den Laserstrahl das Natronkalk-Glas in Kieselerde und Natrium und Kalzium zerlegt wird. Dieser Vorgang wird kurz mit "Verdampfung" bezeichnet.

Gleichzeitig mit der Verdampfung wird der Bereich des Glases neben dem Weg des Laserstrahles erhitzt, und zwar auf sehr hohe Temperaturen, wobei sowohl Wärme übertragen wird innerhalb des Glases als auch Energie absorbiert wird in den Randbereichen, wo der Laserstrahl zu diffus ist, um eine Verdampfung zu erzeugen. Das Glas in diesem Bereich ist von sehr hoher Temperatur und fließt sofort. Die Fließkraft wird bestimmt durch die Oberflächenspannung, die bestrebt ist, die Oberfläche so klein wie möglich zu halten. Dadurch will das Glas in den Bereich fließen, in dem eine Verdampfung von Glas erfolgt ist. Ein sauberer Schnitt kann nun nur dann erreicht werden, wenn die Verdampfung schneller vor sich geht als das Nachfließen der angrenzenden Glasbereiche. Die Unterdruckhauben 60 unterstützen durch ihre Ansaugstutzen 62 die Tendenz, das verdampfte Material von dem Bereich fernzuhalten, in dem das Glas geschnitten wird.

Wenn der Brennpunkt bzw die Breite der Brennlinie auf dem Glas zu schmal ist, wird der Laserstrahl zwar das Glas schneiden, aber das flüssige Glas hinter dem Laserstrahl wird die Schnittlinie wieder schließen. Um nun einen sauberen Schnitt zu erhalten, der sich selbst nicht wieder zufüllt, ist es notwendig, daß die Schnittgeschwindigkeit in einer bestimmten Beziehung zur Leistung des Lasers steht, wobei auch die Dicke des Glases berücksichtigt werden muß. Gemäß der Erfindung darf die Laserstrahleinrichtung nicht schneller über die zu schneidende Glasfläche bewegt werden, als es der nachstehenden Formel entspricht:

4, 88 · \i^L
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Dabei ist V die Schnittgeschwindigkeit in Inch/min, P die Leistung des Lasers in Kilowatt und h die Dicke des zu schneidenden Glases in Inch. Ist die Schnittgeschwindigkeit gemäß dieser Formel nicht größer, so schneidet die Laser e inrichtung das Glas, wobei das flüssige Glas die Schnittfläche nicht wieder zu schmilzt.

Aus Vorgehendem geht hervor, daß zwei kritische Faktoren vorhanden sind, die bei einem Schneiden von Glas mit einer Las er einrichtung beachtet werden müssen. Der erste Faktor betrifft die Tatsache, daß die Breite des Laserstrahls (in der Nähe des Brennpunktes) auf der Glasoberfläche so breit sein muß, daß bei einem Wegschmelzen des Glases mit anschließendem Verdampfen das flüssige Glas auf beiden Seiten ausreichend Raum hat, um unter der Oberflächenspannung getrennte Oberflächen zu bilden, die sich nicht berühren. Ist der Spalt zu breit oder zu schmal, ist kein ausreichender Raum ν orhanden, um neue Kanten für das Glas zu bilden oder aber· die Energie wird über einen so großen Bereich von Material verstreut, daß sich ein Schnitt durch das zu schneidende Material nicht ergibt. Der zweite wichtige Faktor betrifft die Tatsache, daß die Schnitt geschwindigkeit der Laserstrahleinrichtung nicht größer sein darf als in der oben angegebenen Formel angegeben. Ist die Schnittgeschwindigkeit größer, so hat der fokussierte Laserstrahl nicht die Möglichkeit, ausreichend Material zu verdampfen, um damit den Oberflächenspannungen des Glases die Möglichkeit zu geben, zwei getrennte Kanten zu erzeugen.

Beim Schneiden kann das verdampfte Material, wie bereits ausgeführt, durch die Unterdruckhauben 60 abgeführt werden. Das Glasband kann dann nach dem Schneiden in den Abktihlofen 26 bewegt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt; vielmehr können Ausgestaltungen und Veränderungen vorgenommen werden, sofern vom Erfindungsgedanken nicht abgewichen wird.

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Claims

Patentansprüche Zo ά /Üb U

1. Verfahren zum Schneiden von Glas mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) das zu schneidende Glas wird auf eine Temperatur zwischen 538 C und 677 C gebracht;

b) der Laserstrahl hat eine Wellenlänge von über 5 Mikron;

c) der fokussierte Laserstrahl ist so eingestellt, daß der Brennpunkt etwas von der oberen bzw unteren Fläche des zu schneidenden Glases entfernt liegt dergestalt, daß eine geeignete Laserlichtmarkengröße auf der Oberfläche des Glases vorhanden ist, wobei die Größe der Lichtmarke so gewählt ist, daß beim Schneiden des Glases die Verdampfung des Glases durch den Laserstrahl schneller stattfindet als das Nachfließen des der Schnittfläche benachbarten Glases in den Raum hinein, der durch die Verdampfung der Glaspartikel entsteht;

d) die Schnittgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Glas beträgt

^{V =} 4, 88 · h.^a ,

wobei V die Schnittgeschwindigkeit in Inch /min, P die Leistung der Lasereinrichtung in Kilowatt und h die Dicke des Glases in Inch darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zu schneidenden Glases etwa 593 C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasereinrichtung ein COo-Laser benutzt wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinrichtung eine Leistung von 15 Kilowatt besitzt.

5. Verfahrm nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, 4 daß das Verfahren zum Schneiden von Glas zwischen der Float-Glas-Einrichtung und einem nachgeschalteten Abkühlofen stattfindet.

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