KR101274552B1

KR101274552B1 - 기계적으로 부서지기 쉽고 비금속 물질로 이루어진플레이트 형상의 워크피스의 절단 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101274552B1
Application number: KR1020067023064A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 하베크; 볼커 자이베르트; 파트리크 마크쉬래거
Original assignee: 쇼오트 아게
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2013-06-13
Also published as: US20090001118A1; KR20070032646A; TW200613226A; DE102004035342A1; EP1768935B1; JP4755183B2; MY150879A; TWI378900B; ATE509896T1; WO2006007907A1; DE102004035342B4; US8763872B2; EP1768935A1; JP2008506558A

Abstract

본 발명은 기계적으로 부서지기 쉽고 비금속 물질로 이루어진 플레이트 형상의 워크피스(workpiece)를 원하는 윤곽을 따라서 절단하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 있어서, 절삭 장치를 사용하여 깊이(T)까지 상기 윤곽을 따라서 분리 라인(separating lines)을 상기 플레이트 형상의 워크피스의 적어도 일측으로 카빙(carving)하는 단계를 포함하고, 상기 플레이트 형상의 워크피스는 상기 분리 라인을 따라서 진동 진폭을 갖는 휨 진동(bending vibration)으로 자극되므로, 상기 플레이트 형상의 워크피스가 상기 분리 라인을 따라서 완전히 절단된다.

Description

기계적으로 부서지기 쉽고 비금속 물질로 이루어진 플레이트 형상의 워크피스의 절단 방법 및 장치{Method and device for cutting through plates made of mechanically brittle and non-metallic materials}

본 발명은 기계적으로 부서지기 쉽고 비금속 물질로 이루어진 플레이트 형상을 갖는 워크피스(workpiece), 예를 들어, 유리판을 파편 없이 정밀하게 절단하거나 둘로 자르는 방법 및 장치에 관한 것이다.

비금속 물질, 특히 부서지기 쉬운 물질로 이루어진 플레이트 형상을 갖는 워크피스(workpiece)를 절단하거나 둘로 자르는 일반적인 방법은 "카빙(carving) 및 파쇄(break)"이다. 이때, 카빙 도구를 사용하여 설정 단면으로 작용하는 균열을 상기 워크피스의 표면에 형성하며, 이어서 상기 워크피스를 휘게함으로써 기계적으로 파쇄된다. 이러한 방법의 단점은 특히 파쇄되는 데에 있다. 이는 이러한 파쇄가 한편으로는 높은 속도로 인해 약간 제어될 수 있고, 다른 한편으로는 일반적으로 휘어질 때 실질적으로 단면 모서리를 형성할 때 필요한 에너지보다 더 탄력적인 에너지가 상기 워크피스에 의해 저장되기 때문이다. 이러한 과잉 에너지는, 예를 들어, 상기 단면 모서리를 파쇄하거나 끼워 넣음으로써 제어되지 않은 파쇄를 유발할 수 있기 때문이다. 또한, 상기 플레이트 형태의 워크피스의 균열로 향한 측면에 대한 휨에 의하여 압력 응력 지대가 형성되어 파쇄가 자동으로 이루어진다. 이러한 파쇄 단면은 상기 단면 모서리로부터 규칙적으로 회전한다. 이러한 결과는 삽입부 및 뾰족한 괘선(罫線)을 포함하는 불규칙적인 단면 모서리와, 심하게 부서지는 경향이다.

유리 산업에서의 일반적인 방법에서, 설정 단면으로 사용되는 균열은 다이아몬드 또는 경금속 회전 톱니 바퀴와 같은 단단한 몸체에 의하여 형성된다. 이에 대한 대안으로서, DE 35 37 434 A1, DE 43 00 730 C1, DE 42 14 159 C1 및 DE 1 971 661 6C2에 따르면, 레이저 광선을 사용하여 설정 단면을 유리 몸체에 형성할 수 있다.

독일 특허 공개 특허 제DE 197 15 537호 및 유럽 특허 출원 제EP 08 72 303 A2호에는 기계적으로 부서지기 쉬운 물질로 이루어진 편평한 플레이트 형태의 워크피스를 대칭적인 방열 점(heat radiation spot)을 사용하여 둘로 자르는 방법 및 장치가 개시되어 있다. 여기서, 상기 방열 점은 가장 자리 영역 내에 증가된 방사 강도를 가지며 소정의 파팅 라인을 따라서 이동하며 이어서 상기 이동된 파팅 라인 단면은 냉각된다. 이러한 방법은 원칙적으로, 부서지기 쉬운 물질을 부서지지 않게 자르는 데에 적합하지만, 그 방법이 복잡하다. 국제 공개 특허 제WO 98/56722에는 다수의 레이저 광선이 사용되는 유리 제품을 파쇄하는 방법이 개시되어 있다. 유럽 특허 출원 제EP 08 39 597 A1호에는 부서지기 쉬운 물질로 이루어진 스트라이프 형태의 워크피스를 자르는 데에 적합한 방법 및 그 장치의 구성이 개시되어 있다. 이때, 분할된 점 형태의 열원이 상기 워크피스로 향하며, 이렇게 형성되는 열적-기계 적인 응력에 의하여 상기 워크피스를 분리하는 균열이 소정의 단면 모서리를 따라서 "발생된다". 유럽 특허 출원 제EP 09 03 327 A2호에는 비금속 물질을 절단하는 방법이 개시되어 있다. 여기서, 플레이트 형태의 워크피스가 라인 형태의 가열 부재에 의하여 하측에서 가열되며 이와 동시에 냉각제를 사용하여 불어서 상측에서 냉각된다.

상술한 방법들에서의 단점은, 개별적인 공정 단계에서 발생되어야 하는 초기 설정 단면으로부터 단면이 형성되어야 한다는 것이다. 이러한 초기 설정 단면은 예를 들어, 다이아몬드 또는 경금속 회전 톱니 바퀴와 같은 단단한 몸체에 의하여 형성된다. 가열 지대 또는 냉각 지대와 관련하여 상기 초기 설정 단면의 배치는 매우 정확해야 한다. 또 다른 단점은, 상기 형성된 열적-열기계적인 응력이 작으므로 상기 단면이 파쇄되는 위험이 존재한다는 것이다. 또 다른 단점은, 충분한 열적-기계적인 응력을 형성하기 위한 플레이트가 전체의 두께로 가열되며 다시 냉각되어야 한다는 것이다. 비금속 물질에서의 작은 열전달의 결과로서, 예를 들어 유리는 많은 시간을 필요로 한다. 즉, 절개 속도가 매우 느리다.

본 발명의 목적은 파편 없는 분리를 가능케 하고 수직의 단면 윤곽의 정밀한 제어를 허용하는 기계적으로 부서지기 쉽고 비금속 물질로 이루어진 플레이트 형상의 워크피스를 분리 라인의 원하는 윤곽을 따라서 둘로 절단하는 방법을 제공하는 데에 있다. 또한, 간단한 수단을 사용하여 충분한 속도를 가지고 둘로 절단하는 과정이 수행되어야 한다.

본 발명에 따르면, 상술한 본 발명의 목적은, 통과하는 균열을 구비하고 둘로 분리되는 플레이트 형태의 워크피스가 분리 라인을 따라서 진동 진폭을 갖는 휨 진동으로 자극되므로, 상기 플레이트 형태의 워크피스가 상기 분리 라인을 따라서 완전히 절단됨으로써 해결된다. 바람직하게는, 상기 휨 진동은 진동원에 의하여 자극될 수 있으므로, 상기 분리 공정이 주기적인 응력의 도입에 의하여 수행된다. 적절한 위치에서, 예를 들어, 균열된 유리판 위에 배치되어 결합되는 상기 진동원은 고유 주파수에서 진동으로 상기 플레이트를 자극한다. 상기 플레이트를 적절히 배치하고 적절한 진동 주파수에서, 진폭의 최대값은 균열 홈의 영역 내에 있으며 이에 수직으로 주기적인 인장 응력을 유발한다. 이에 따라서, 상기 균열 홈은 서로 다르게 유리 표면에 대해 수직으로 확장되고, 결정적이며 순간적인 파쇄는 연속적인 균열 진행에 의하여 대체된다. 특히 바람직하게는, 저장 매체, 소위, 하드 디스크의 유리 기판을 제조하는 데 있어서, 본 발명에 따른 방법은 소리가 유도된 파쇄에 사용된다. 본 발명에 따른 방법에 의하면, 하드 디스크가 손상 없이 유리 블랭크 미디어로부터 해제될 수 있고 또 다른 처리 단계, 예를 들어, 내부 및 외부 가장 자리의 추가적인 모서리 가공이 없도록 상기 하드 디스크(HD)-블랭크 미디어(blank media)에서의 균열을 편평한 유리판을 사용하여 형성할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따라 파쇄된 전자 저장 매체용 유리 기판의 단면도이다.

도 2a는 내경을 외부로 분리하기 위한 진동 모드를 도시한 것이다.

도 2b는 외경을 외부로 분리하기 위한 진동 모드를 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 설명한다.

본 발명은 특별한 적용, 즉, 전자 저장 매체용 유리 기판의 제조를 기반으로하여 설명되지만 이에 제한되는 것은 아니다.

일반적으로, 하드 디스크(HD)-유리-블랭크 미디어를 편평한 유리판으로부터 분리하는 공정은 서로 독립적인 세 개의 공정 단계들로 이루어진다.

즉, 첫 번째, 다이아몬드, 절삭 바퀴 또는 레이저와 같은 적절한 절삭 도구를 사용하여 카빙(carving)하는 단계, 두 번째, 전체 블랭크 미디어를 관통하여 초기 균열을 파쇄하거나 분리하는 단계, 세 번째, 유리판에 작용하는 기계적 부하 및 열적 구배에 대한 영향 하에 하드 디스크-블랭크 미디어를 유리판으로부터 분리하는 단계로 이루어진다.

도 1에는 하드 디스크-블랭크 미디어(1)가 도시된다. 상기 하드 디스크-블랭크 미디어(1)는 종래 기술을 사용하여 유리판(3)으로부터 분리된다.

카빙 동안에 편평한 유리판(3) 및 상기 유리판(3)으로부터 결과로 형성되는 응력 측면부의 기하학적 형태로 인해, 제1 공정 단계에서 원형 형태의 균열(5)이 형성된다. 상기 균열(5)은 일반적으로 유리 표면(7)에 대해 수직이 되지 않게 진행하는 초기 균열(10)을 결과적으로 형성한다. 이러한 초기 균열(10)은 20㎛ 내지 30㎛ 정도의 오프셋(offset)으로 도시되며, 상기 오프셋은 상기 유리판(3)인 플레이트의 외측으로 향한다. 상기 공정 단계에서 발생하는 표면 및 체적 손상은 파괴점에 해당되는 상기 유리의 설정 단면을 나타낸다.

제2 공정 단계에서, 상기 제1 공정 단계에서 형성된 설정 단면에는 유리판(3)을 적절하게 지지할 때 대칭적인 힘의 도입에 의하여 인장 응력이 가해진다. 이때, 상기 초기 균열(10)이 상기 유리판을 통하여 가능한 한 제어된다. 일반적으로, 표면에 대해 수직으로 상기 유리판(3) 중앙에서 진행하는 부서진 단면(fraction)(12)은 상기 균열 출구의 영역 내에서 상기 균열의 맞은 편에 위치한 플레이트 측면(14) 위에서 다시 20㎛ 내지 30㎛ 정도로, 이번에는 내부를 향해 각진다. 상기 일반적인 방법으로부터 하드 디스크의 통 모양의 기하학적 형태가 결과로 형성된다.

제3 공정 단계에서, 상기 하드 디스크-블랭크 미디어는 휨 공정(bending process)에 의하여 중심에 작용하는 기계적인 부하의 영향 하에 상기 유리판으로부터 분리된다. 상기 분리 공정을 돕기 위해서, 상기 제2 공정 단계에서 파쇄된 하드 디스크가 적절한 냉각제에 의해 냉각된다. 이는, 소위 기하학적 편차를 갖는 원통 형태의 구조가 기본적으로 손상 없이 유리판으로부터 분리될 수 없기 때문이다.

유리는 기계적으로 부서지기 쉬운 소재이며 일반적으로 약 3.5ppm/K 내지 약 11ppm/K 정도의 상대적으로 낮은 열팽창을 갖는다. 상기 공정에 대해서 2.5" 하드 디스크의 일반적인 기하학적 형태가 사용된다면, 일반적인 냉각제(예를 들어, 질소(N₂))를 사용하여 상기 파쇄된 하드 디스크가 완전하게 냉각될 경우 약 50㎛ 내지 약 60㎛ 정도의 최대 기하학적인 공차로 균형이 유지될 수 있다. 따라서, 상술한 공정들 가운데 분리 공정은 상기 하드 디스크-블랭크 미디어 모서리의 기계적인 접촉과 함께 자동으로 유리 운반체에 연결된다. 이러한 접촉의 결과로서, 모서리 파편이 발생한다. 상기 모서리 파편은 내부 가장자리 및 외부 가장 자리의 추가적인 모서리 처리와 같은 또 다른 가공 단계를 필요로 한다.

본 발명에 따른 방법을 사용하여, 이러한 단점들을 방지할 수 있고, 정의된 균열 진행이 오프셋 없이 유리판 표면에 대해 수직으로 도달할 수 있다. 이에 따라서, 상기 내부 및 외부 하드 디스크 가장 자리의 적절한 원통 형태 또는 경미한 원추 형태의 윤곽이, 상기 하드 디스크를 상기 유리기판으로부터 손상 없이 분리할 수 있는 파쇄 공정으로부터 결과물로서 형성된다.

일반적인 파쇄 방법은 균열성(K_1C)에 의하여 특정되는 물질의 강도의 물리적인 한계를 초과하는 것에 근거를 두고 있으며, 이는 소정의 균열 라인을 따라서 순간적이며 결정적인 파쇄를 유발한다. 상기 파쇄와 관련된 값의 수학적인 관계는 K-개념의 균열 기준에 의하여 제공된다. 하기 수학식에서, σ는 기계적 응력을 나타내며, a는 균열 깊이를 나타내고, C₀는 상수를 나타낸다.

[수학식]

에 의해 파쇄가 발생한다.

예를 들어. 휨 공정에 의한 K_1C의 도달은 저장된 탄성 에너지를 순간적으로 방출하는 결과를 야기하며, 이러한 결과로 인해 제어될 수 없는 균열 단계 및 유리 모서리의 손상과 같은 원하지 않은 수반 현상이 발생한다.

본 발명자들은 유리와 같이 부서지기 쉬운 물질을 통해 균열을 확장하기 위해서 K_1C를 초과하는 것은 기본적으로 필요하지 않다는 것을 알았다. 응력의 작용 하에 유리 내의 균열은 또한 천천히 진행한다. 이는 물리적으로 응력 균열 부식으로 나타낸다. 상기 유리 내의 균열 진행은 상기 기계적으로 가해진 부하의 수준과 부하의 작용의 시간에 따라서 한정되는 방식으로 제어될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 분리는 플레이트 형태의 워크피스를 휨(bending) 진동 운동을 활발(stimulate)하게 하여 수행된다. 상기 휨 진동 운동에 의해 상기 유리로 도입된 균열이 제한되는 방식으로 상기 유리를 통해 진행한다.

상기 주기적인 부하의 도입은, 예를 들어, 음원(sound generator)을 통하여 수행된다. 적절한 위치에서 균열된 유리판 위에 배치되고 결합되는 상기 음원은 상기 유리판이 고유한 주파수로 진동하도록 설정한다. 상기 유리판의 적절한 배치 및 적절한 진동 주파수에서, 진폭의 최대값은 균열 홈들의 영역 내에 있으며 이에 수직으로 인가되는 주기적인 인장 응력을 유발한다. 그리고 나서, 상기 균열 홈들은 서로 다르게 유리 표면에 대해 수직으로 확장되므로, 연속적인 균열 진행이 수행된다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 내경 및 외경을 포함한 전체 하드 디스크를 유리판으로부터 분리하기 위한 진동 모드들이 도시되어 있다. 다음의 물질 데이터는 일반적인 2.5" 하드 디스크를 위한 진동 분석에 근거한 것이다.

E-모듈: 72.9GPa

횡단면 수축값: 0.21

밀도: 2,505 kg/m³

상기 기하학적 데이터는 하기와 같다.

유리 두께(d): 0.7mm

정방형 유리판의 유리판 외부 가장 자리: 80mm x 80mm

하드 디스크 내부 가장 자리-ØHD₁20mm

하드 디스크 외부 가장 자리-ØHD_A65mm

상기 하드 디스크로부터 분리 파쇄되어야 했던 상기 유리판은 동일한 중심으로 클램핑(clamping)되었다. 예를 들어, 상기 유리판이 클램핑될 베어링의 직경(D_베어링)은 약 60mm 정도였다.

도 2a에는 플레이트 형태의 워크피스를 위한 약 650Hz의 사인 형태(고조파(harmonics)) 자극(stimulation)시의 휨 진동 형태가 도시되어 있다. 상기 플레이트 형태의 워크피스의 중앙(32)에는 적절한 진동원의 자극 위치가 개략적으로 도시되어 있다. 상기 플레이트 형태의 워크피스의 내부 및 외부 분리 라인(separating line) 상에는 주기적인 진동 진폭이 발생하며, 따라서, 마찬가지로 상기 주기적인 진동 진폭은 분리되는 영역으로 도입되며 상기 균열 영역 내에서 서로 다른 균열 진행을 유도하며 상기 균열된 워크피스의 분리가 상기 균열 영역을 따라서 유발된다.

도 2b에는 다른 예로서, 약 1640Hz의 사인 곡선 형태의(고조파) 자극시의 휨 진동 형태가 도시되어 있다. 이 경우에서도, 상기 내부 및 외부 분리 라인은 주기적으로 휨 진동으로 활성화시킨다.

본 발명에 따른 방법을 사용하여, 예를 들어, 동시에 하드 디스크의 내경 및 외경을 고유 진동으로의 적절한 자극에 의하여 모서리의 손상 없이 유리판으로부터 분리할 수 있다.

본 발명에 따른 방법에 따르면, 상기 분리를 위해 필요한 진폭은 주변 조건, 기하학적 데이터 및 분리되는 워크피스의 물질 데이터에 따라 좌우된다.

균열에 작용하는 휨 응력은, 상기 응력이 약 1mm/s까지의 균열 속도를 갖는 임계값 이하의 균열 진행을 가능케 하도록 진동 진폭의 활성화를 통해 조절되므로, 상기 워크피스의 분리는 실질적으로 상기 워크피스의 표면에 대해 수직으로 수행된다.

Claims

기계적으로 부서지기 쉽고 비금속 물질로 이루어진 플레이트 형상의 워크피스(workpiece)를 원하는 윤곽을 따라서 절단하는 방법에 있어서,

절삭 장치를 사용하여 상기 워크피스의 소정의 깊이까지 상기 윤곽을 따라서 분리 라인(separating lines)을 상기 플레이트 형상의 워크피스의 적어도 일측으로 카빙(carving)하는 단계를 포함하고,

상기 플레이트 형상의 워크피스는 상기 분리 라인을 따라서 진동 진폭을 갖는 휨 진동(bending vibration)으로 자극되어, 상기 플레이트 형상의 워크피스는 상기 분리 라인을 따라서 완전히 분리되며,

상기 워크피스의 균열에서 시작되는 휨 응력은, 상기 응력이 1㎜/s까지의 균열 속도를 갖는 임계값 이하의 균열 진행을 가능하게 하는 진동 진폭으로 조절되어, 상기 워크피스의 분리가 상기 워크피스의 표면에 대해 수직으로 수행되는 것을 특징으로 하는 플레이트 형상의 워크피스를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 휨 진동은 진동 자극(stimulation)에 의하여 상기 플레이트 형상의 워크피스로 도입되는 것을 특징으로 하는 플레이트 형상의 워크피스를 절단하는 방법.
제1항에 있어서,

상기 진동 진폭에 의하여 상기 분리 라인의 영역 내에 진동 진폭의 최대값이 발생하는 것을 특징으로 하는 플레이트 형상의 워크피스를 절단하는 방법.
제3항에 있어서,

상기 분리 라인의 영역 내의 주기적인 인장 응력에 의하여 상기 분리 라인은, 상기 플레이트 형상의 워크피스가 상기 분리 라인을 따라서 분리될 때까지 서로 다르게 상기 플레이트 형상의 워크피스의 표면에 대해 수직으로 확장되는 것을 특징으로 하는 플레이트 형상의 워크피스를 절단하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

비금속 물질로 이루어진 상기 분리되는 플레이트 형상의 워크피스는 클램핑 장치에 고정되는 것을 특징으로 하는 플레이트 형상의 워크피스를 절단하는 방법.
기계적으로 부서지기 쉽고 비금속 물질로 이루어진 플레이트 형상의 워크피스(workpiece)를 원하는 윤곽을 따라서 절단하는 장치에 있어서,

클램핑 장치; 및

휨 진동을 자극하는 장치를 포함하고,

상기 휨 진동을 자극하는 장치는, 진동 진폭이 상기 윤곽을 따라 분리 라인의 영역 내에서 발생되도록 할당되고 배치되어, 상기 분리 라인의 영역 내의 주기적인 인장 응력에 의하여 상기 분리 라인은 서로 다르게 상기 플레이트 형상의 워크피스의 표면에 대해 수직으로 확장되며,

상기 워크피스의 균열에서 시작되는 휨 응력은, 상기 응력이 1㎜/s까지의 균열 속도를 갖는 임계값 이하의 균열 진행을 가능하게 하는 진동 진폭으로 조절되어, 상기 워크피스의 분리가 상기 워크피스의 표면에 대해 수직으로 수행되는 것을 특징으로 하는 플레이트 형상의 워크피스를 절단하는 장치.
제6항에 있어서,

상기 휨 진동을 자극하는 장치는 진동원인 것을 특징으로 하는 플레이트 형상의 워크피스를 절단하는 장치.
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