ES2400019T3 - Procedimiento para la separación térmica por láser de placa de material cerámico o de otro material de placa frágil - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la separación térmica por láser de placas de material cerámico u otro material frágil, en el que la placa (7) es repasada a lo largo de una línea de separación (6) prevista con un rayo láser (2) con la finalidad de la entrada de calor en la placa para la inducción de tensiones térmicas dentro del material, que conducen a la rotura a lo largo de la línea de separación prevista, en el que se realiza una pasada múltiple de la línea de separación (6) prevista con el rayo láser (2) siempre en la misma dirección, caracterizado porque entre las pasadas individuales existe en cada caso una pausa, cuya duración se puede seleccionar y ajustar en función del material específico a separar.

Description

Procedimiento para la separacion termica por laser de placa de material ceramico o de otro material de placa fragil.

La invencion se refiere a un procedimiento para la separacion termica por laser de placa de material fragil, en particular placa de material ceramico de acuerdo con el preambulo de la reivindicacion 1. Un procedimiento de este tipo se conoce a partir del documento EP 0 448 168 A1.

A este respecto, por el concepto "Placa de material ceramico u otro material fragil" debe entenderse placas de varios milimetros de espesor (en particular de 3 a 20 mm aproximadamente) de material fragil como ceramica dura, ceramica de porcelana, o articulos de alfareria, pero tambien, por ejemplo, placas de vidrio especial extremadamente grueso.

Un campo de aplicacion especial de la invencion es, por ejemplo, la division de placas ceramicas fabricadas de formato grande en formatos de baldosas mas pequeros deseados durante la fabricacion de baldosas de construccion de material ceramico de diferentes grados de dureza.

Actualmente, el formateo de baldosas de construccion se realiza de una manera predominante dividiendo el material en placa "verde" antes de la coccion a traves de estampacion en los formatos de baldosas deseados. Pero esto tiene el inconveniente de que la transicion a otros formatos de baldosas es extremadamente costosa de tiempo y, por lo tanto, cara. Esto conduce a la necesidad de grandes almacenamientos en el fabricante. Las lineas de produccion mas recientes trabajan con la fabricacion de baldosas mayores, que son cortadas entonces despues de la coccion en formatos mas pequeros. Este corte se realiza con la ayuda de dispositivos mecanicos de rayado y rotura o se lleva a cabo por medio de sierras. Pero esta tecnologia se revela tambien como poco satisfactoria.

En los ultimos aros se ha trabajado intensivamente en la separacion termica por laser de material de placa de vidrio como alternativa a la separacion mecanica convencional a traves de rayado y rotura siguiente. En el centro de estos trabajos estaba especialmente la rotura de vidrio plano.

El documento DE 199 62 906 A1 propone para cortar piezas de trabajo planas de material de rotura fragil, con lo que se entiende esencialmente vidrio plano, producir mecanicamente una pista de rayado a lo largo de la linea de separacion deseada y a continuacion activar, a traves de calentamiento oscilante de corta duracion a lo largo de una seccion de la pista de rayado por medio de un rayo laser, la rotura del material a lo largo de la pista de rayado.

Se conoce a partir del documento EP 0 448 168 A1 un procedimiento para la separacion de una placa quebradiza, con lo que se entiende de nuevo en primer termino una placa de vidrio, en el que se realiza una pasada multiple de la linea de separacion prevista con un rayo laser sobre toda la linea de separacion para la introduccion de calor y la generacion de tensiones termomecanicas, para romper la placa, partiendo de un rayado previamente aplicado, a lo largo de la linea de separacion.

El documento US 2002/1 79 667 A1 propone para la separacion de placas de material quebradizo, en particular vidrio o ceramica, el calentamiento a lo largo de una linea de separacion perfilada de forma opcional con un rayo laser a lo largo de la linea de separacion prevista, seguido de una tobera de refrigeracion, siendo generado despues de la curvatura de la linea de separacion por medio del rayo laser oscilante un foco de longitud variable en el intervalo de 10 mm a 100 mm.

Se conoce a partir del documento US 2003/0 62 348 A1 un procedimiento para la separacion de sustratos no metalicos como por ejemplo vidrio, en el que un primer rayo laser separa la linea de separacion prevista, luego se aplica un refrigerante para la generacion de tensiones termicas y a continuacion se repasa la linea de separacion prevista por medio de un segundo rayo laser.

Se conoce a partir del documento WO 02/48 0 59 A1 un procedimiento para la separacion de placas de vidrio o ceramica a traves de la generacion de una tensofisuracion termica a lo largo de la linea de separacion prevista, en el que un rayo laser introduce calor a lo largo de la linea de separacion prevista en la placa, en el que, por ejemplo a traves de concentracion del rayo laser sobre una zona que se encuentra debajo de la superficie de la placa se controla el fondo de tal manera que se forma una grieta inicial esencialmente sin erosion de material.

Todos estos procedimientos diferentes conocidos se designan, en efecto, en general, como procedimientos para la separacion de material quebradizo como vidrio o ceramica, pero se describen en los ejemplos de realizacion en cada caso especialmente con relacion a la separacion de vidrio plano y tambien son especialmente adecuados, como se conoce, para este campo de aplicacion. Sin embargo, ninguno de los documentos mencionados se ocupa en particular de la separacion de materiales ceramicos y de la distincion, sin embargo, considerable entre vidrio plano y material ceramico.

Sin embargo, el vidrio, por una parte, y la ceramica, por otra parte, son materiales muy diferentes. Ambos son, en efecto, quebradizos, pero tienen una estructura muy diferente. Una diferencia considerable entre los dos materiales consiste ya en que el vidrio es transparente, mientras que la ceramica es opaca. Por lo tanto, el vidrio es parcialmente transparente para luz laser, a saber, en el caso de laser de sustancia solida, mientras que esto no se aplica en laser de �O2. Una diferencia principal entre vidrio y ceramica con respecto a procedimientos de separacion por laser consiste, sin embargo, en la velocidad de transicion vitrea y en el coeficiente de dilatacion. El vidrio calcareo sodico es en este caso todavia relativamente facil de dominar, el vidrio de silicato de boro es ya mas dificil, pero siempre todavia mucho mas facil de romper que la ceramica. En el caso de la ceramica, existen coeficientes de conductividad termica muy diferentes, y de acuerdo con la mezcla es obtienen transmisiones de calor muy diferentes con coeficientes de dilatacion la mayoria de las veces muy reducidos y fuertemente no lineales a medida que se incrementa la temperatura.

Por lo tanto, no es extraro que, como se puede constatar facilmente por medio de ensayos, los procedimientos conocidos que se acaban de mencionar son utiles, en efecto, para la separacion de vidrio plano de espesor moderado, pero o bien no funcionan en absoluto o solo con resultados muy poco satisfactorios para la separacion de placas de materiales fragiles del tipo mencionado al principio, a saber, materiales ceramicos y vidrio especiales muy gruesos. Puesto que en las baldosas relativamente gruesas y en las placas de vidrio muy gruesas, la cantidad de calor necesaria para la separacion en el volumen del material es tan alta que en el caso de aplicacion de estos procedimientos conocidos, las baldosas revientan a la entrada de calor ya antes de la aparicion de un raya de separacion.

Un procedimiento que funciona para la separacion de placas de material ceramico se conoce a partir del documento EP�A�1 618 985. Alli el corte de la placa de material ceramico se realiza a traves de la combinacion de un rayo laser movil con relacion a la linea de corte y de un soplado inmediatamente siguiente con un chorro de gas supersonico. En este procedimiento de corte, se genera una juntura de corte con una cierta anchura a traves de erosion de material. �o obstante, debido al chorro de gas supersonico necesario y a la salida de particulas, este procedimiento no parece optimo tanto con respecto al gasto de aparatos como tambien en lo que se refiere a la produccion de contaminacion.

Por ultimo, tambien se conoce todavia un procedimiento para la separacion de placas ceramicas aplicando un rayo laser a partir del documento EP�A�0 613 765, en el que por medio de un rayo laser se realiza un rayado en las lineas de rotura deseadas y a continuacion se lleva a cabo una rotura mecanica de las placas. Pero este procedimiento conocido no aporta ventajas esenciales sobre el procedimiento de separacion convencional con rayado mecanico y rotura mecanica siguiente.

Por lo tanto, el problema de la invencion es crear un procedimiento adecuado para la separacion termica por laser de placa de material fragil, en particular ceramico, especialmente placa de material de ceramica de porcelana o ceramica dura.

Este problema se soluciona de acuerdo con la invencion por medio del procedimiento indicado en la reivindicacion 1. Las configuraciones ventajosas y los detalles del procedimiento de acuerdo con la invencion son objeto de las reivindicaciones dependientes.

En el procedimiento de acuerdo con la invencion, se realiza una separacion de placas de material solamente a traves de tensiones termicas, de tal manera que se obtienen lineas de rotura limpias y exactas sin reventar y no es necesaria una rotura mecanica.

El procedimiento de acuerdo con la invencion crea la posibilidad de aplicar la entrada de calor necesaria para la generacion de las tensiones termicas que conducen a la rotura con un gradiente compatible con la placa de material, pero a pesar de todo tan rapidamente que la tension de presion en la linea de separacion (con relacion a la tension de traccion del entorno frio en el material) provoca la rotura de la placa en el lugar predeterminado y, en concreto, de tal manera que se genera una tension de presion uniforme sobre toda la linea de separacion en el volumen de la placa de material.

Esto se realiza porque la linea de separacion prevista es repasada varias veces por medio del rayo laser, de manera que el rayo laser se mueve de una forma mas conveniente por medio de un espejo. En el caso de lineas de separacion mas largas, el rayo laser repasa en cada caso un trayecto determinado relativamente largo a lo largo de la linea de separacion (longitud de exploracion), que se desplaza durante cada pasada (exploracion) de forma incrementar a lo largo de la linea de separacion, es decir, que se mueve hacia delante en cada caso un paso pequero a lo largo de la linea de separacion. Por lo tanto, a traves de la pasada multiple se aplica una linea caliente (que corresponde a la longitud de exploracion) sobre la otra y, en concreto, no solo se interrumpe en cada caso durante el tiempo que el espejo necesita para el retorno, sino tambien durante un cierto tiempo de espera para la transmision de la temperatura al material. El tiempo del ciclo tipico es en este caso desde 50 ms hasta 200 ms aproximadamente. De esta manera se calienta la linea de separacion en el material cada vez mas hasta que la placa se rompe precisamente alli.

Para configurar el proceso con seguridad, se adapta la entrada de calor a la compatibilidad del material respectivo, lo que se puede realizar a traves de la seleccion adecuada del tiempo de espera. Adicionalmente, la entrada de calor se puede adaptar todavia adicionalmente a traves de la variacion de la intensidad del rayo laser, y en concreto de tal manera que durante el calentamiento previo de la linea de separacion, es decir, durante la pasada inicial, se calienta mas lentamente con un gradiente en las pasadas siguientes hasta el final del proceso de separacion. Esto se puede lleva a cabo especialmente tambien por medio de dos procesos de calefaccion sucesivos, a saber, de tal manera que se realiza una primera pasada creciente de la linea de separacion con entrada de calor mas baja y a continuacion se lleva a cabo una segunda pasada incremental de la linea de separacion con entrada de calor mas elevada.

Los ensayos han confirmado las ventajas del procedimiento de acuerdo con la invencion, puesto que ya las primeras disposiciones de ensayo proporcionan resultados prometedores. En el caso de baldosas normales de construccion se han podido alcanzar velocidades superiores 2 m/min. El proceso esta libre de contaminacion, y la calidad de los cantos corresponde a cantos pulidos con una exactitud de corte claramente inferior a 0,5 mm. Puesto que en el caso de una modificacion de los formatos de las placas, que deben cortarse, no se producen tiempos de transicion, es posible una fabricacion por encargo de baldosas tambien con cantidades de produccion relativamente pequeras.

El procedimiento de acuerdo con la invencion se describe en particular en sus detalles a continuacion con referencia al dibujo esquematico adjunto.

El dibujo muestra en representacion esquematica similar a un diagrama de bloques la disposicion basica para la realizacion del procedimiento. Una fuente de laser 1, por ejemplo un laser de �O2, genera un rayo laser 2, que llega a traves de un telescopio 3 o bien a traves de una optica adecuada a un escaner 4, que trabaja con un espejo y que genera un movimiento angular correspondiente del rayo laser 2, de manera que este se mueve en cada caso sobre un trayecto 5, que corresponde a una longitud de exploracion dada, a lo largo de una linea de separacion 6 prevista de una placa 7 a separar.

Se entiende que la disposicion formada por la fuente de laser 1, el telescopio 3 y el escaner 4 estan dispuestos de manera mas conveniente estacionarios y la placa es transportada a lo largo de la linea de separacion a traves del espacio de trabajo, cuando la linea de separacion es mas larga que la longitud de exploracion. Si la longitud de exploracion es igual a la longitud de la linea de separacion, tambien la placa puede permanecer estacionaria durante la mecanizacion y el rayo laser 1 calienta cada vez la placa durante la pasada de la linea de separacion desde uno hasta el otro extremo de la placa.

El escaner 4 tiene, en realidad, dos espejos moviles con motor, a traves de los cuales se puede controlar el rayo laser en cada lugar de la superficie de trabajo debajo de la disposicion del laser en la direccion�� y/o en la direccion�

�. En este caso, el rayo puede "escribir" sus lineas termicas sobre el material a una velocidad de hasta 250 m/s.

Durante la pasada del trayecto de exploracion a traves del rayo laser, una oscilacion rapida del rayo laser y, por lo tanto, del punto termico que incide en cada caso sobre la placa en vaiven conducira a calentamientos irregulares en el punto de inversion respectivo y en el centro del trayecto, por lo que con ello no es posible un calentamiento optimizado sobre el trayecto de exploracion. De la misma manera, tampoco es favorable durante el escaneo del rayo laser con un espejo poligonal, puesto que esto no es controlable con respecto a la velocidad de exploracion, pero tampoco en lo que se refiere al tiempo del ciclo de la entrada de calor. Por lo tanto, tampoco seria posible el ajuste de la longitud del trayecto de exploracion.

Por lo tanto, en el procedimiento de acuerdo con la invencion es esencial que la pasada del trayecto de exploracion sobre la linea de separacion se realice con el rayo laser siempre en la misma direccion.

El retorno del espejo del escaner 4 a la posicion de partida del rayo laser para la siguiente pasada se realiza, por lo tanto, cuando el rayo laser esta desconectado o en otro caso interrumpido. Por medio del control del tiempo de desconexion o bien del tiempo de interrupcion del rayo laser 2 se puede controlar el tiempo del ciclo manteniendo constante la velocidad de exploracion.

�omo fuente de laser 1 se puede utilizar tanto un laser de �O 2 (aproximadamente 10 m de longitud de onda) como tambien un laser��A� (aproximadamente 1 m de longitud de onda). En ensayos realizados con el procedimiento de acuerdo con la invencion se ha utilizado un laser de �O2, siendo introducido el calor desde la superficie de la placa en el volumen del material de la placa. En este caso se ajusto un foco del laser relativamente mas ancho (aproximadamente de 6 mm a 10 mm) sobre la superficie de la placa, para obtener, con una entrada de calor lo mas alta posible, una carga superficial termica lo mas reducida posible y de esta manera optimizar el transporte de calor en la profundidad y no en la anchura.

En el procedimiento de acuerdo con la invencion no es necesaria una instalacion de refrigeracion conectada a continuacion, como es necesaria para la separacion de placas de vidrio de espesor normal por medio de un rayo laser de acuerdo con el procedimiento, como se describe en el documento WO2005/092 806, Pero puede ser util para la optimizacion del proceso para introducir una fisura inicial por medio de tal instalacion de refrigeracion, en el instante en el que la fisura del volumen esta a punto de producirse.

El incremento de la entrada de calor en la placa de material durante las pasadas multiples con el rayo laser 2 se puede realizar d tal forma que en cada proceso de pasada, se pasa la linea de separacion sobre toda su longitud, incrementandose la intensidad de la entrada de calor despues de cada pasada individual o en cada caso despues de un numero de pasadas individuales. Si en el caso de lineas de separacion mas largas, se repasa la linea de separacion de forma incremental, es decir, con trayectos de exploracion que se solapan y que se mueven cada vez con un cierto incremento a lo largo de la linea de separacion, se repite la pasada incremental de toda la linea de separacion 6 al menos una o varias veces y se incrementa la intensidad de la entrada de calor en la o en cada repeticion. El incremento de la entrada de calor se puede realizar a traves del incremento de la intensidad del rayo laser.

Claims (6)

1. REIVINDICACIONES

   1.� Procedimiento para la separacion termica por laser de placas de material ceramico u otro material fragil, en el que la placa (7) es repasada a lo largo de una linea de separacion (6) prevista con un rayo laser (2) con la finalidad de la entrada de calor en la placa para la induccion de tensiones termicas dentro del material, que conducen a la

   5 rotura a lo largo de la linea de separacion prevista, en el que se realiza una pasada multiple de la linea de separacion (6) prevista con el rayo laser (2) siempre en la misma direccion, caracterizado porque entre las pasadas individuales existe en cada caso una pausa, cuya duracion se puede seleccionar y ajustar en funcion del material especifico a separar.
2. 2.� Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la pasada de una linea de separacion larga (6) a

   10 traves del rayo laser (2) se realiza de forma incremental, porque el rayo laser, en cada pasada individual, cubre un trayecto relativamente largo a lo lago de la linea de separacion, que es mas corto que la linea de separacion y en cada proceso de pasada siguiente se mueve hacia delante un incremento que corresponde a una fraccion de la longitud del trayecto de pasada con relacion a la linea de separacion.
3. 3.� Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la linea de separacion (6) es cubierta en cada

   15 pasada individual sobre toda su longitud, y en el que la intensidad de la entrada de calor se incrementa despues de cada pasada individual o despues de varias pasadas individuales, respectivamente.
4. 4.� Procedimiento de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que la pasada incremental de toda la linea de separacion

   (6) se repite al menos una vez, incrementando la intensidad de la entrada de calor en la o en cada repeticion.
5. 5.� Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, en el que las pausas entre las pasadas 20 individuales son generadas a traves de la desconexion o supresion del rayo laser (2).
6. 6.� Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, en el que poco antes de la rotura prevista de la placa de material se sopla o se inyecta por medio de una tobera de refrigeracion un refrigerante sobre una zona de la linea de separacion (6) para favorecer la activacion de una fisura inicial.