DE3029076A1

DE3029076A1 - Verfahren zum schneiden von keramikmaterial

Info

Publication number: DE3029076A1
Application number: DE19803029076
Authority: DE
Inventors: Edward Martin Clausen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1979-08-02
Filing date: 1980-07-31
Publication date: 1981-02-05
Also published as: US4248369A; GB2057346A; JPS5699092A; GB2057346B; JPS6251712B2

Description

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./U.S.A.

Verfahren zum Schneiden von Keramikmaterial

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Schneiden von Keramikmaterial mit Hilfe eines Lasers und betrifft insbesondere das Schneiden von Rohrmaterial aus polykristalliner Aluminiumoxidkeramik, das für Lampenkolben benutzt wird.

Lichtdurchlässige Aluminiumoxidkeramiken, sowohl der klare, synthetische Saphir (Einkristall) als auch das durchsichtige polykristalline Material, das gemäß der US-PS 3 026 210 hergestellt ist, sind zur Verwendung als Gasentladungsrohr in Alkalimetall enthaltenden Gasentladungslampen geeignet. Das polykristalline Material ist billiger und wird fast universell in lichtstarken Natriumdampflampen für die Außenbeleuchtung, beispielsweise von Straßen und öffentlichen Plätzen, benutzt. Das Verfahren zum Herstellen dieser Keramik beinhaltet das Sintern eines Preßlings aus feinverteiltem Aluminiumoxidpulver, das eine kleine, aber wirksame. Menge an feinverteiltem Magnesiumoxid enthält, die

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0,5 Gew.% nicht übersteigt, bei erhöhten Temperaturen in dem Bereich von 1700 bis 1950 ⁰C entweder im Vakuum oder in Wasserstoff. Das Sintern wird lange genug fortgesetzt, um ein relativ homogenes Aluminiumoxidgefüge mit großer Korngröße zu erzeugen, das wenig oder im wesentlichen keine sekundäre Magnesiumoxid-Aluminiumoxid-Phase an den Korngrenzen enthält.

Das billigste Verfahren zum Herstellen von Aluminiumoxidkeramikrohrmaterial zur Verwendung als Lampenkolben beinhaltet das Extrudieren eines steifen Aluminiumoxidpulverbreis in Rohrform in Längen von 1 m oder mehr, Sintern desselben und anschliessendes Schneiden des polykristallinen Rohrmaterials in geeignete Stücke. Als Beispiel sei angegeben, daß die Grundbestandteile, die aus 99,9% reinem Al₃O₃ mit nicht über 0,5 Gew.% MgO bestehen, in den richtigen Verhältnissen sorgfältig gemischt, mit einer flüssigen organischen Bindemittelsuspension, die ein Stearatschmiermittel enthält, vermischt und dann in einem Extruder verdichtet werden, aus welchem sie unter einem Druck in dem Bereich von 196 bis 343 kN (20-35 tons) als Rohrmaterial extrudiert werden. Die Dichte des so hergestellten frischen Rohrmaterials erreicht 30 bis 35% der theoretischen Dichte eines Aluminiumoxideinkristalls. Das rohe Rohrmaterial wird danach in Luft mehrere Stunden lang bei einer Temperatur von 950 bis 1000 ⁰C vorgesintert. Das vorgesinterte Material wird dann bei ungefähr 1900 ⁰C für etwa 4 h in einem eine Wasserstoffatmosphäre aufweisenden elektrischen Ofen fertiggesintert. Das sich ergebende Produkt besteht aus durchsichtigem, polykristallinem Aluminiumoxidrohrmaterial, dessen typische Größe 7,2 mm im Durchmesser, 0,5 mm in der Wanddicke und etwa 1 m in der Länge beträgt.

Damit das Rohrmaterial für Lampenkolben benutzt werden kann, muß es in geeignete Stücke geschnitten werden, die für eine 400-Watt-Hochdrucknatriumdampflampe etwa 9 cm lang sind. Bis heute wird das unter "erwendung von Naß-Diamantsägen ausgeführt, die relativ teuer sind und eine begrenzte Lebensdauer haben. Außerdem erzeugt das Sägen beträchtliche Späne, weshalb die Roh-

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re nach dem Schneiden gewaschen und getrocknet werden müssen. Ein beträchtliches Ausmaß an Handhabung ist für diese Operationen erforderlich, und das Brechen oder Reißen der Rohre ist üblich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein schnelleres und zweckmäßigeres Verfahren zum Schneiden von Keramik zu schaffen. Insbesondere soll ein Verfahren zum Schneiden von durchsichtigem polykristallinem Aluminiumoxidrohrmaterial geschaffen werden, das schnell und leicht durchführbar ist und wenig Arbeit erfordert.

Gemäß der Erfindung wird die Keramik mit Hilfe von Laserimpulsen eingeritzt, die reiterativ in gegenseitigen Abstand aufweisenden Zeitintervallen auf dieselben Flecke auf der Keramik fokussiert werden, um eine Reihe von kleinen Löchern längs der gewünschten Bruchlinie zu bohren und dann dieselben Löcher zu vertiefen. Ein Laser schneidet durch thermische Verdampfung, und die Aluminiumoxidkeramik kann nicht kontinuierlich mit dem Laser geschnitten werden, weil ein starker Wärmestoß auftreten und eine Rißbildung verursachen würde. Durch Bohren kleiner Löcher braucht der Laser nur für eine sehr kurze Zeitspanne von beispielsweise 1 ms eingeschaltet zu werden, und es werden nur die Oberflächenschichten verdampft_f wobei wenig Wärme auf das übrige Material übertragen wird, wodurch ein Wärmestoß minimiert wird. Zum Erzielen von Löchern, die tief genug sind, um das Brechen längs der gewünschten Linie trotz der geringen Leistung der Impulse sicherzustellen, wird die Reihe von Impulsen ein- oder mehrmals wiederholt und sequentiell in dieselben Löcher gerichtet. Somit werden die Löcher bei jedem Durchgang vertieft, bis die gewünschte Tiefe erreicht ist, und ein Wärmestoß wird vermieden. Die Löcher werden tief genug gemacht, damit das Material längs der Schwächungslinie, die sie festlegen, leicht gebrochen werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung zum Schneiden von polykristallinem Aluminiumoxidrohrmaterial wird das Rohrmaterial in einem rotierenden Spannfutter erfaßt, mit welchem ein Drehgeber gekuppelt ist. Der Drehgeber

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fühlt die Winkelposition des Rohres ab und schließt einen Stromkreis, der den Laser veranlaßt, Impulse an denselben Winkelstellen bei jeder Umdrehung abzugeben. Beispielsweise kann der Drehgeber eine Umdrehung in 100 gleiche Winkelintervalle unterteilen und den Laser steuern, so daß dieser genau 100 gleichabständige Löcher bohrt. Der Laser brahi dringt in dasselbe Loch bei jeder Umdrehung ein und durch Vervielfachen der Anzahl der Umdrehungen kann das Loch nach Bedarf vertieft werden, ohne daß ein Wärmestoß erzeugt wird. Das eingeritzte Rohr wird dann abgeschlagen und bricht sauber in der Ebene der Löcher.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 teilweise in Form eines Blockschaltbildes

ein Gerät zum Schneiden von polykristallinem Aluminiumoxidrohrmaterial mittels Laserimpulsen gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Fotografie, die Aluminiumoxidkera

mikrohrmater ialstücke zeigt, von denen eines mittels Laserimpulsen eingeritzt worden ist,

Fig. 3 eine fotografische Endansicht eines Rohr

materials, das gemäß der Erfindung mittels Laserimpulsen eingeritzt und dann abgeschlagen worden ist, und

Fig. 4 und 5 fotografische Endansichten von Rohrmaterial, das mit Hilfe von Laserimpulsen ohne Koinzidenz von sequentiellen Impulsen, wie durch die Erfindung verlangt, eingeritzt worden ist.

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Fig. 1 zeigt ein Stück Rohrmaterial 1 aus polykristallinem Aluminiumoxid, das in einen drehbaren Kopf eingespannt ist, welcher ein in einem Ständer 3 drehbar gelagertes Spannfutter 2 aufweist. Die Darstellung ist teilweise schematisch und der Spindelstock einer herkömmlichen Glasdrehbank wäre für den Zweck geeignet. Das Spannfutter wird durch einen Elektromotor 4 über einen Riemenantrieb 5 angetrieben. Das Rohrmaterial wird vor links nach rechts durch den Kopf vorgeschoben und eingestellt, bevor das Spannfutter angezogen wird, so daß der über die Lasereinritzebene vorstehende Teil 1a das gewünschte Stück zum Herstellen eines Lampenkolbens ist.

Ein Kohlendioxidlaser, der durch einen Block 6 dargestellt ist, sendet kohärente Strahlung im Infrarotbereich bei 10,6 μΐη durch das optische Rohr 7 aus. Ein Spiegel 8 in dem optischen Rohr und ein Linsensystem 9 gestatten, das Bündel 11 abwärts auf das Aluminiumoxidrohrmaterial 1 zu fokussieren und die Fleckgröße so klein wie gewünscht zu machen. Eine geeignete Laserausrüstung ist das Modell 300 der Fa. Photon Sources, Livonia, Michigan. Er hat eine NenndauerStrichausgangsleistung von 450 W und kann mit Frequenzen bis zu 2500 Hz bei einer Mindestimpulsbreite von 100 \xs gepulst werden.

Ein Drehgeber 12 ist mit der Welle des Spannfutters über kämmende Stirnräder 13, 14 mechanisch gekuppelt. Der Drehgeber fühlt die Winkelposition des Spannfutters ab und bewirkt über einen elektronischen Regler 15, daß ein Signal an den Laser abgegeben wird, so daß der Laser seinerseits einen Impuls bei derselben Winkelstelle des Spannfutters für jede Umdrehung liefert. Ein geeigneter Drehgeber wird von der Fa. Encoder Products, Sand Point, Idaho, hergestellt.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Verwendung der Erfindung beim Schneiden von Rohrmaterial aus durchsichtigem, polykristallinem Aluminiumoxid mit einem Durchmesser von 7,2 mm und einer Wanddicke von 0,5 mm, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

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Die Parameter, die zum Einritzen der Löcher benutzt wurden, waren folgende:

mittlere Quellenleistung (Dauerstrich) 250 W

Linsenbrennweite 89,9 mm

(3.54 inches)

Impulslänge 1 ms

Intervall zwischen Impulsen 4 ms

Gesamtimpulse pro Einritzung 400

Umdrehungen pro Einritzung 4

Rohrdrehzahl 120 U/min

Die eingeritzte Linie, die der Ebene der Löcher entspricht, ist in dem Rohrmaterialstück am linken Rand der Fotografie in Fig. 2 ohne weiteres zu erkennen. Wenn die Lichtimpulse gemäß der Erfindung reiterativ auf dieselben Flecke fokussiert werden, haben die Rohrenden nach dem Abschlagen das in Fig. 3 gezeigte Aussehen. Bei der kurzen Impulsdauer und den anderen Parametern, die oben angegeben sind, dreht sich das Rohr während der Dauer eines Impulses weniger als 3/4 Winkelgrad und es werden während der ersten Umdrehung des Rohres 100 Löcher mit einem Mittenabstand von etwa 0,25 mm (0.010") gebohrt. Wenn die Drehzahl des Rohres konstant ist oder wenn, wie bevorzugt, ein Drehgeber benutzt wird, um sicherzustellen, daß die Impulse bei jeder Umdrehung genau in dieselben Löcher eindringen, werden bei jeder folgenden Umdrehung dieselben Löcher vertieft. Andererseits, wenn die Drehzahl nicht konstant ist und kein Drehgeber benutzt wird, werden die Löcher, die während der zweiten Umdrehung und weiteren Umdrehungen im Anschluß an die erste Umdrehung gebohrt werden, zwischen den ursprünglichen Löchern angeordnet sein. Das Ergebnis wird eine Reihe von flachen, einen engen gegenseitigen Abstand aufweisenden Löchern sein, die nicht sehr tief in die Wand eindringen, wie es in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist. Eingestreut zwischen die flachen Löcher können tiefere Löcher sein, wie es beispielsweise in Fig. 5 ge zeigt ist, die durch vorübergehende räumliche Koinzidenz eines Laserimpulses mit einem bereits vorher vorhandenen Loch verursacht werden.

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Der Erfinder hat die Kraft, die zum Abschlagen von n.ittels Laser eingeritzten Rohren erforderlich ist, bei denen iteratives Pulsen in dieselben Löcher gemäß der Erfindung angewandt wurde, mit der Kraft verglichen, die erforderlich ist, wenn der Lage der Laserlöcher zu wandern gestattet wird. Die Kraft war in dem letzteren Fall gewöhnlich größer. Eine mikroskopische Untersuchung der Schnittenden zeigte, daß die Löcher in den Rohren, die die höchste Kraft erforderten, sehr klein waren, in engem Abstand beieinander lagen und nicht sehr tief in die Wand eindrangen. Als solche Rohre abgeschlagen, d.h. in zwei Stücke zersprengt wurden, traten häufig rissige oder gebrochene Ränder auf, die zweifellos auf die höheren Kräfte und auf die größere Strecke, über die sich der Riß während des Abschlagens ausbreiten muß, zurückzuführen sind. Die rissigen Ränder können die Rohre für Lampenkolben unannehmbar machen. Die Rohre, die leicht abgeschlagen werden konnten, hatten weniger, größere und tiefere Löcher und dieses Ergebnis wurde durch Lasereinritzen gemäß der Erfindung im wesentlichen immer erzielt. Solche Rohre hatten, als sie in zwei Stücke zersprengt wurden, saubere Ränder und brachten keine Probleme hinsichtlich des Verschließens mit Keramikstopfen bei der Lampenherstellung mit sich.

Bei dem oben angegebenen Beispiel hat der Erfinder festgestellt, daß die Keramik häufig reißen wird, wenn die Löcher mit Impulsen gebohrt werden, die länger als 1 ms sind, oder, in Abhängigkeit von dem Fleckdurchmesser, wenn der Gesamtenergieinhalt pro Impuls größer als 0,35 J ist. Der Erfinder hat daraus geschlossen, daß dieses Reißen auf einen Wärmestoß zurückzuführen ist. Die Erfindung überwindet das Problem der Rißbildung durch Wärmestoß durch Verwendung von Impulsen geringer Leistung, die in den identischen Flecken in relativ langen Zeitintervallen wiederholt werden, und schafft ein praktisches und billiges Verfahren zum Schneiden von Keramikrohrmaterial.

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Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zum Schneiden von Keramikmaterial, ^kennzeichnet durch folgende Schritte:

Bohren einer Reihe feiner, flacher Löcher in das Material durch Fokussieren eines gepulsten Laserbündels auf das Material in einer Reihe von gegenseitigen Abstand aufweisenden Flecken,

Vertiefen der Löcher durch wiederholtes Richten des Bündels auf dieselben Flecken in gegenseitigen Abstand aufweisenden Zeitintervallen, und

Brechen des Materials entlang der Schwächungslinie, die durch die Löcher bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial relativ zu dem Laserbündel kontinuierlich bewegt wird und daß das Laserbündel für Zeitintervalle gepulst wird, die kurz genug sind, so daß die Relativbewegung zwischen dem Material und dem Laserbündel während der Intervalle die scharfe Begrenztheit der Löcher nicht nennenswert verringert.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramikmaterial polykristallines Aluminiumoxid ist.

4. Verfahren zum Schneiden von Rohrmaterial aus polykristalliner Aluminiumoxidkeramik, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Festhalten des Rohrmaterials in einer drehbaren Spannvorrichtung und Drehen derselben,

Fokussieren eines Laserbündels, das gepulst werden kann, auf das Rohrmaterial,

Pulsen des Lasers in Koinzidenz mit ausgewählten Winkelpositionen der Spannvorrichtung, wodurch eine Reihe feiner Löcher in das Rohrmaterial gebohrt wird, die bei jeder Umdrehung vertieft werden, und

Brechen des Rohrmaterials in der durch die Löcher festgelegten Schwächungsebene.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehgeber mit der drehbaren Spannvorrichtung gekoppelt ist und ein Signal an einen elektronischen Regler zum Pulsen des Lasers in Koinzidenz mit den Winkelpositionen abgibt.

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