DE4305106A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Schneiden eines spröden Körpers mit Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schnei­ den eines spröden Körpers mit Laserstrahlung. Das Schneiden von spröden Körpern, insbesondere Hohlkörpern oder Platten, z. B. aus Glas oder Keramik, findet in der Technik breite Anwendung. So muß z. B. bei der Herstellung von Hohlgläsern nach dem Glasblasen der Preßrand durch Absprengen entfernt werden. Dieser Arbeitsgang ist sowohl bei der Fertigung von Trinkgläsern und Kolben von Glühlampen als auch beim Ablängen von Glasrohren (z. B. Leucht­ stoffröhren, Halogenlampen, Rohre für die chemische Industrie) notwendig. Es werden bisher unterschiedliche Verfahren angewendet.

Beim Kalt-Heiß-Verfahren erfolgt das Trennen mittels Anritzen mit einer scharfen Kante und Absprengen durch die Hitze einer Gasflamme. Durch den Tempera­ turunterschied entsteht ein Spannungszustand und das Glas bricht an der durch den Ritz verletzten Stelle (siehe z. B. DE 27 00 487).

Beim Heiß-Kalt-Verfahren wird ein erwärmtes Glas von einer wassergekühlten Rolle berührt oder mit kalter, feuchter Druckluft (Aerosol) angeblasen und damit abgeschreckt. In dem schnell gekühlten Bereich entsteht eine Zugspannung und das Glas springt ab.

Anschließend ist ein Abschleifen des Randes notwendig, um feine Risse und Ausbrüche zu entfernen. Das kann mit einer rotierenden Schleifscheibe (z. B. DE 27 24 331) oder mit einem Schleifband erfolgen. Danach wird der Rand mit einem Gasbrenner verschmolzen. Das Ergebnis soll ein glatter und gleichmäßig geformter Rand sein.

Zum Anritzen wird derzeit ein Rädchen aus Widiastahl oder eine Diamantspitze verwendet. Diese müssen mit einer mechanischen Kraft auf die Oberfläche ge­ drückt werden. Das kann zu Glasbruch führen. Andererseits kann bei einer ke­ gelförmig geneigten Oberfläche (z. B. Sektkelch oder Cognac-Schwenker) der Ritzer seitlich ausweichen oder abrutschen. Dadurch wird die angerissene Linie wellenförmig oder spiralenförmig und die Linie ergibt keinen geschlossenen Kreis mehr. Diese Unebenheiten müssen durch Schleifen ausgeglichen werden. Beim Anritzen entstehen kleine Ausbrüche und feine Risse, die bei der anschlie­ ßenden Wärmebehandlung in das zuvor ungestörte Material hineinwachsen können. Dieser Bereich muß danach durch Schleifen entfernt werden.

Der problematische Schritt dieser an sich einfachen und bewährten Verfahren ist das Schleifen, da ein erheblicher Verbrauch an Schleifband und als Abfall schwermetallhaltiger Schleifstaub anfällt. Dies belastet als Sondermüll die Um­ welt und führt zu zunehmenden Kosten bei der Deponierung.

Das Trennverfahren läßt sich durch den Einsatz eines Lasers verbessern. Die besonderen Eigenschaften der Laserstrahlung, die sich von einer normalen Lichtquelle unterscheiden, sind die enge Bündelung, die hohe Intensität, die Ko­ härenz und die scharf definierte Wellenlänge.

Die enge Bündelung (parallele Strahlen) bedeutet, daß der Laserstrahl auf einen sehr kleinen Brennfleck fokussiert werden kann, der nur durch Beugung be­ grenzt ist. Dadurch läßt sich eine hohe Leistungsdichte erzeugen.

Kohärenz bedeutet, daß alle Wellenpakete im gleichen Takt schwingen. Da der Laserstrahl monochromatisch ist (definierte Wellenlänge), muß das Auftreten von Interferenzeffekten beachtet werden. Diese Modulation der Intensität im Brennfleck kann in manchen Fällen hilfreich oder auch schädlich sein. Die Inter­ ferenz ist bei der üblichen Verwendung von CO₂-Lasern besonders deutlich, weil die Wellenlänge im Vergleich zum sichtbaren Licht um den Faktor 20 größer ist. Der energiereiche CO₂-Laser wird seit Jahren erfolgreich in der Metallindustrie zum Schneiden, Schweißen und Abtragen von Metallen eingesetzt (vgl. DE 3801 068). Die Metalle werden dabei üblicherweise geschmolzen und ver­ dampft und aus der Schnittfuge ausgeblasen.

Auch in der Glas- und Kunststoffindustrie wird der CO₂-Laser verwendet, um Vertiefungen oder Markierungen an der Oberfläche anzubringen (siehe z. B. DE 32 30 578 oder DE 38 29 025). Dabei wird das Material umgeschmolzen oder entfernt.

In der DE 35 46 001 wird ein Verfahren zum Glasschneiden mit Laserstrahlen beschrieben, bei dem das zu schneidende Glasteil auf einer hohen Temperatur unterhalb des Erweichungspunktes des Glases gehalten und dann wiederholt mit einem Laserstrahl längs der vorgesehenen Schnittlinie bestrahlt wird, wäh­ rend eine Zugkraft am abzuschneidenden Teil angreift. In diesem Fall läßt der Laserstrahl die Temperatur auf der Schnittlinie über die Verflüssigungstempera­ tur ansteigen, und die auf den Schnittbereich ausgeübte Zugkraft bewirkt das Abschneiden. Aufgrund der hohen, bei diesem Verfahren erzeugten, Tempera­ turen verdampft jedoch ein Teil des Glases und lagert sich als unerwünschter weißer Niederschlag auf der Glasoberfläche ab. Beim Einsatz eines zusätzlichen Gasstromes zur Verminderung dieses Problems ist nachteilig, daß dieser eine verformende Kraft auf die heiße Glasoberfläche ausübt, und außerdem die Um­ gebung der Bruchzone durch umgelenkte Abgase unkontrolliert geheizt wird.

Im Gegensatz dazu werden in der EP 448 168 ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zum Spalten einer spröden Platte, z. B. aus Glas, angegeben, bei dem ein Laserstrahl wiederholt über die Schnittlinie geführt wird, bis die Platte bricht. Bei diesem Verfahren wird im Gegensatz zu den weiter oben beschriebenen Metho­ den das Material nicht entfernt oder geschmolzen, sondern nur erwärmt, um einen Spannungszustand zu erzeugen. Durch den Temperaturschock bricht die Platte an der vorgegebenen Linie.

Letzteren beiden Verfahren ist gemeinsam, das beim Schneiden der Laserstrahl und die Oberfläche des zu schneidenden Körpers relativ zu einander bewegt werden müssen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Schneiden eines spröden Körpers mit Laserstrahlung anzugeben, bei der keine Relativbewegung des Laserstrahls zur Oberfläche des zu schnei­ denden Körpers mehr notwendig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das in Anspruch 1 angegebene Ver­ fahren bzw. die in Anspruch 9 angegebene Vorrichtung gelöst. Dabei wird der zu schneidende Körper, vorzugsweise ein rotationssymmetrischer Hohlkörper oder Stab aus Glas oder Keramik, an der gewünschten Schnittlinie durch Einwir­ kung eines Laserstrahls geeigneter Wellenlänge so erwärmt, daß sich eine ther­ momechanische Spannung aufbaut, die zum Bruch des zu schneidenden Kör­ pers an dieser Schnittlinie führt. Mit Hilfe einer geeigneten Abbildungsoptik wird der Laserstrahl so auf die Oberfläche des Körpers projiziert, daß er die gesamte Schnittlinie zeitgleich bestrahlt. Durch die zeitliche Modulation der eingestrahlten Laserintensität und den dadurch bedingten Wechsel zwischen Erwärmung und Abkühlung der Schnittlinie wird das Entstehen des Bruches günstig beeinflußt. Zur Erzeugung dieser zeitlichen Modulation der Intensität kann z. B. ein gepul­ ster Laser verwendet werden, oder der Laserstrahl wird extern, z. B. durch einen Strahlzerhacker (Chopper), moduliert.

Durch die zeitgleiche Bestrahlung der gesamten Schnittlinie wird eine Relativbe­ wegung von Laserstrahl und Oberfläche des Körpers überflüssig.

Damit wird der mechanische Aufwand deutlich verringert, bewegte Teile und der dadurch bedingte Verschleiß werden vermieden. Eine Vergrößerung der Takt­ zeit, d. h. der pro Zeiteinheit durchgeführten Schneidevorgänge, ist insbesondere bei Körpern möglich, bei denen die Relativbewegung von Laserstrahl und Körperoberfläche das begrenzende Element darstellt. So ist z. B. beim Laserschneiden von Trinkgläsern durch die Unwucht der sich im ortsfesten Laserstrahl drehenden Gläser die maximale Drehzahl und somit die Taktzeit beschränkt.

Gemäß Anspruch 2 ist beim Schneiden von rotationssymmetrischen Hohlkör­ pern und Stäben senkrecht zu deren Symmetrieachse die Abbildungsoptik so gestaltet, daß der Laserstrahl auf eine ringförmige Linie auf der Mantelfläche des Hohlkörpers oder Stabes abgebildet wird. Diese ringförmige Linie, die der Schnittlinie entspricht, verläuft in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse des Hohlkörpers oder Stabes, die das Zentrum des Ringes bildet. Eine mögliche Abbildungsoptik hierfür ist in der Vorrichtung nach Anspruch 9 enthalten.

Zur Variation der Intensität der Laserstrahlung auf der Oberfläche des Körpers wird, wie in Anspruch 3 beschrieben, der Abstand zwischen einem Fokussierele­ ment und der Oberfläche des Körpers verändert. Das Fokussierelement kann z. B. eine Linse sein, die in einer senkrecht zur Schnittlinie liegenden Ebene auf die Oberfläche des Körpers fokussiert. Eine Veränderung des Abstandes bewirkt somit eine Verbreiterung oder Verschmälerung der Projektion auf die Schnittlinie und damit eine Änderung der Intensität.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht nach Anspruch 4 in der Verwendung eines CO₂-Lasers zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieser emittiert Licht im fernen infraroten Bereich bei einer Wellenlänge von 10,6 µm. Diese Wärmestrahlung zeigt erhebliche Besonderheiten bei der Wirkung auf Materie. So wird sie von den meisten, im sichtbaren Licht transparenten Materia­ lien stark absorbiert. Deshalb müssen Linsen, die den Strahlengang verändern sollen, aus Zinkselenid (ZnSe) hergestellt werden. Die intensive Laserstrahlung verlangt eine Antireflexionsbeschichtung der Linsen, um unkontrollierte Reflexe zu verhindern.

Der Umstand der starken Absorption in Glas wird hier verwendet, um das Glas zu erhitzen. Bei einem Absorptionskoeffizienten von 10³ cm^-1 wird 95% der Lei­ stung in einer 30 µm dicken Schicht absorbiert. Die restliche Dicke der Glaswand wird nur durch Wärmeleitung geheizt. Wegen diesem Temperaturunterschied zwischen der beleuchteten Außenseite und der kalten Innenseite wird eine me­ chanische Spannung induziert. Überschreitet die Spannung einen kritischen Wert, so erfolgt der Bruch.

Darüberhinaus eignet sich der CO₂-Laser, wie auch jeder andere Laser, der vom Material genügend stark absorbiert wird, zum abschließenden Verschmelzen und Verrunden des scharfkantig gebrochenen Randes.

Aufgrund der unterschiedlichen Absorptionsbanden der einzelnen Materialien wird gemäß Anspruch 5 vorzugsweise ein in der Wellenlänge abstimmbarer La­ ser eingesetzt. So kann für jedes Material die Wellenlänge eingestellt werden, bei der dieses die stärkste Absorption zeigt, so daß die Energieverluste minimiert werden.

Z. B. ist die Absorptionskante im Glas sehr stark von der Wellenlänge des La­ sers abhängig, da die verwendete Strahlung an der Schulter einer Vibrations­ bande der oxidischen Bindung liegt. Es gibt spezielle CO₂-Laser, die mit Hilfe eines Interferenzgitters die emittierte Wellenlänge von 9,4 bis 11 ,8 µm verändern können. Das Absorptionsspektrum hängt auch sehr empfindlich von der chemi­ schen Zusammensetzung des Glases ab. Eine höhere oder niedrigere Absorpti­ onskante wird abhängig von den thermischen und mechanischen Eigenschaften der Glasmischung zu unterschiedlichen Ergebnissen beim Absprengen führen. Deshalb sollte die Wellenlänge auf die Glassorte optimiert werden.

In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach Anspruch 6 der momentane Spannungszustand des zu schneidenden Materials während des Schneidevorgangs polarisationsoptisch überwacht.

Isotropes Material, wie z. B. Glas, wirkt unter mechanischer Belastung optisch anisotrop, das heißt doppelbrechend. Mit Hilfe einer Spannungsoptik kann der augenblickliche Spannungszustand eines Werkstücks beobachtet werden. Dies kann hier angewendet werden, um die zeitliche Entwicklung der Spannungsver­ teilung bei Bestrahlung mit dem Laser zu kontrollieren.

Das Glas befindet sich dabei zwischen zwei gekreuzten Polarisationsfiltern, de­ ren Achsen unter 45° zur Horizontalen stehen. So sind Spannungen in horizon­ taler und vertikaler Richtung sichtbar. Als Hintergrund dient eine gleichmäßig beleuchtete, weiße Fläche. Beobachtet wird mit freiem Auge im Durchlicht oder automatisch mit Photosensoren.

Sobald der Laserstrahl das Glas heizt und Spannung induziert, wird ein heller Ring sichtbar. Danach erfolgt der Bruch und das Glas ist augenblicklich frei von Spannung.

Die Helligkeit des Ringes ist ein Maß für die Stärke der Spannungen. Dies läßt sich z. B. in der Fertigung anwenden und erlaubt die permanente Kontrolle der Justage (Anspruch 7).

Anspruch 8 gibt eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens an, bei dem nach dem Schneidevorgang zumindest eine Schnittkante mit dem Laserstrahl so erwärmt wird, daß die Kante verschmilzt. In diesem Fall wird eine langsame, gleichmäßige Erwärmung angestrebt, so daß die zeitliche Mo­ dulation der Intensität beendet werden sollte. Mit dieser Ausführungsform kann z. B. beim Schneiden von Trinkgläsern ein gleichmäßig verschmolzener Mundrand erzeugt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Schneiden eines sprö­ den Körpers mit Laserstrahlung für eine ringförmige Schnittlinie ist in Anspruch 9 beschrieben. Die Vorrichtung besteht zumindest aus einem Laser, einem Ele­ ment, das an einem Ende kegelförmig ausgebildet ist und dessen kegelförmiger Teil die Laserstrahlung in hohem Maße reflektiert, und einem innenreflektieren­ den rotationssymmetrischen Ringspiegel. Das kegelförmige Element und der Ringspiegel sind so im Strahlengang des Lasers angeordnet, daß der Strahl durch das kegelförmige Element rotationssymmetrisch aufgespalten und durch den Ringspiegel umgelenkt wird, so daß er auf einer ringförmigen Linie auf der Oberfläche des Körpers konvergiert.

Der Einsatz eines Ringspiegels zur Materialbearbeitung ist bereits aus der DE 39 39 866 bekannt, bei der eine Zylindermantelfläche mit einem Laserstrahl beschriftet werden soll, ohne das Werkstück zu bewegen. Es ist jedoch auch in diesem Fall eine schnelle Bewegung des Laserstrahles notwendig.

Gemäß Anspruch 10 weisen der Ringspiegel und/oder das kegelförmige Ele­ ment in der die Symmetrieachse enthaltenden Ebene eine gekrümmte Oberflä­ che auf, die eine Fokussierung des Strahles auf die Oberfläche des Körpers in der zur Schnittlinie senkrechten Ebene bewirken. Dem gleichen Zweck dienen die Linse und/oder der sphärische Spiegel nach Anspruch 11.

Eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch Anspruch 12 angegeben. Der Hohlkörper befindet sich hier zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren, deren Transmission mit einem optischen Sensor überwacht wird. Die Achsen dieser Polarisatoren stehen vorzugsweise unter 45° zur Horizontalen, so daß die horizontalen und vertikalen Spannungen an der Oberfläche des Körpers beobachtet werden können. Ein Photosensor dient zur Erfassung der transmittierten Lichtstärke, die ein Maß für die Spannungen im zu schneidenden Körper sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zum Schneiden eines spröden Körpers mit Laserstrahlung soll nun anhand eines Ausführungsbei­ spiels und der Zeichnung erläutert werden.

Dabei zeigt Fig. 1 ein Beispiel für eine Ringspiegelanordnung zum Abschneiden des Preßrandes von Trinkgläsern.

Im Beispiel wird der Preßrand eines Trinkglases mittels Laserstrahlung abge­ schnitten. Dabei wird das Glas festgehalten. Der Laserstrahl 1 wird, wie in Fig. 1 gezeigt, mit einer sphärischen Linse 2 fokussiert. Ein polierter Kegel 3 aus spiegelndem Material fächert den Strahl auf. Ein zylindrischer, innen polierter Ringspiegel 4 lenkt den Strahl wieder um. Der Strahl konvergiert auf einer ring­ förmigen Linie 5 auf der Oberfläche des Glases 6. Die Aufheizung erfolgt also zeitlich und räumlich symmetrisch.

Das Glas kann horizontal angeordnet sein, um einen weiteren Spiegel zu ver­ meiden, oder es wird vertikal mit der Öffnung nach unten gehalten. Um eine durch das Gewicht der Kappe hervorgerufene unsymmetrische Spannung zu verhindern, sollte das Glas hängen. Dann muß aber der Kegelspiegel vor der herabfallenden Kappe mit einer Auffangvorrichtung geschützt werden.

Als Strahlungsquelle kann ein CO₂-Laser mit einer Leistung von z. B. 500 bis 1000 Watt eingesetzt werden. Eine zeitliche Modulation der Intensität im Bereich 1 bis 100 msec führt zum gewünschten Schneideergebnis. Im hier gezeigten Beispiel wurden eine Linse der Brennweite 200 mm und ein Ringspiegel mit einem Durchmesser von 20 cm eingesetzt. Damit ergab sich eine Breite der ringförmigen Abbildung auf der Oberfläche des Glases von ca. 1 mm.

Das infrarote Licht des CO₂-Lasers wird speziell von Glas sehr gut absorbiert und eignet sich deshalb zum gezielten Heizen der Glasoberfläche. Wenn die ein­ gebrachte thermische Spannung die Bruchfestigkeit überschreitet, springt das Glas ab. Das Ziel ist eine so gleichmäßige und rißfreie Bruchkante, daß das sonst übliche Schleifen eingespart werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß das Anritzen mit einer Kante nicht mehr notwendig ist, weil die Definition des Spannungsringes, an dem der Bruch erfolgt, ausreichend präzise ist.

Darüberhinaus eignet sich der Laser zum anschließenden Verschmelzen und Verrunden des scharfkantig gebrochenen Randes.

Das beschriebene Verfahren zum Schneiden eines spröden Körpers mit Laser­ strahlung läßt sich für alle spröden Materialien verwenden, die sich durch ther­ mische Spannung brechen lassen (z. B. Keramik, Steine, Kristalle). Die Strah­ lungsquelle muß dabei in der Wellenlänge den Absorptionseigenschaften der Materialien angepaßt werden.

Für jeden beliebigen Verlauf der Schnittlinie muß jeweils eine entsprechende Ab­ bildungsoptik eingesetzt werden. So kann z. B. beim Schneiden von Flachglas eine geradlinige Schnittlinie durch eine Anordnung aus einer konvergierenden und einer in der dazu senkrechten Ebene divergierenden Zylinderlinse verwen­ det werden.

Über die im Beispiel beschriebenen Trink- und Gebrauchsgläser hinaus können auch Rohre für die chemische Industrie oder Leuchtstofflampen oder Kolben für Glühlampen abgeschnitten werden.

Das Glas muß nicht wie hier beschrieben hohl sein, sondern kann z. B. auch ein massiver Stab sein.

Claims (12)

1. Verfahren zum Schneiden eines spröden Körpers,

• - bei dem der Körper an der gewünschten Schnittlinie mit einem Laser­ strahl so erwärmt wird, daß sich eine thermomechanische Spannung aufbaut, die zum Bruch des Körpers an dieser Schnittlinie führt,
• - bei dem der Laserstrahl mit einer Abbildungsoptik so auf die Oberfläche des zu schneidenden Körpers projiziert wird, daß er die gesamte Schnittlinie zur gleichen Zeit beleuchtet, und
• - bei dem die auf die Oberfläche des zu schneidenden Körpers einwir­ kende Laserstrahlung in der Intensität zeitlich moduliert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schneiden von rotationssymmetrischen Hohlkörpern oder Stäben, die senkrecht zu ihrer Symmetrieachse abgeschnitten werden, die Abbildungsoptik so gestaltet ist, daß der Laserstrahl auf einer ringförmigen Linie auf der Mantelfläche des Hohlkörpers oder Stabes konvergiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität des Laserstrahls auf der Oberfläche des Körpers durch Veränderung des Abstandes zwischen einem Fokussierelement und dem Körper eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser ein CO₂-Laser eingesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein in der Wellenlänge abstimmbarer Laser ist, dessen Wel­ lenlänge auf ein Maximum der Absorption des zu schneidenden Materials eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Spannungszustand an der Schnittlinie polarisationsop­ tisch sichtbar gemacht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Information über den jeweiligen Spannungszustand an der Schnitt­ linie zur Kontrolle der gegenseitigen Justage von Laserstrahl und Körper benutzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Schneiden des Körpers zumindest eine Schnittkante mit dem Laserstrahl so erwärmt wird, daß die Kante verschmilzt.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, zumindest bestehend aus

• - einem Laser,
• - einem Element, das an einem Ende kegelförmig ausgebildet ist und dessen kegelförmiger Teil die Laserstrahlung in hohem Maße reflektiert, und
• - einem innen reflektierenden rotationssymmetrischen Ringspiegel, wobei das kegelförmige Element und der Ringspiegel so im Strahlengang des Lasers angeordnet sind, daß der Strahl durch das kegelförmige Ele­ ment rotationssymmetrisch aufgespalten und durch den Ringspiegel um­ gelenkt wird, so daß er auf einer ringförmigen Linie auf der Oberfläche des Körpers konvergiert.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspiegel und/oder das kegelförmige Element in der die Sym­ metrieachse enthaltenden Ebene eine konkav gekrümmte Oberfläche auf­ weisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung eine Linse oder einen sphärischen Spiegel zur Strahl­ fokussierung enthält.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Körper zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren befindet, de­ ren Transmission mit einem optischen Sensor überwacht wird.