TW201605568A - 藉由將脈衝雷射穿孔誘導進玻璃製品來進行玻璃切割的系統及方法 - Google Patents

藉由將脈衝雷射穿孔誘導進玻璃製品來進行玻璃切割的系統及方法 Download PDF

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Abstract

雷射切割一雷射波長透明之玻璃製品的本方法實施例包括以下步驟：將至少一個玻璃製品饋至具有至少一個脈衝雷射的一脈衝雷射組件，其中該脈衝雷射定義具有0.1-100mm之一長度的一雷射束焦線，該玻璃製品包括兩個端部區段及縱向安置於該等端部區段之間的至少一個側向表面。該方法更包括以下步驟：在該玻璃製品及該脈衝雷射之間存在相對運動時，將至少一個穿孔線雷射切割至該玻璃製品的該側向表面上，且沿該至少一個穿孔線分離該玻璃製品，以生產一雷射切割玻璃製品。

Description

藉由將脈衝雷射穿孔誘導進玻璃製品來進行玻璃切割的系 統及方法 【相關申請案的交叉引用】
此申請案關於且主張來自於2014年7月11日所提出之第62/023450號美國臨時申請案及於2015年5月11日所提出之第62/159573號美國臨時申請案的優先權，各者之內容整體係以引用方式併入本文中。
本揭露大致關於玻璃切割，且特別是關於使用具有一波長的脈衝雷射來進行玻璃切割，該玻璃對於該波長而言是實質透明的。
歷史上，因為玻璃相對於其他材料的密封性、光學清晰度及絕佳的化學耐久性，玻璃對於各式各樣的用途(包括包裝食物、飲料及藥品)已被用為優選的材料。然而，由於藉由涉及處理玻璃製品之玻璃破損而收容於該等玻璃製品內的材料污染，已限制了玻璃製品(例如玻璃容器)的快速生產。
各玻璃製品具有其本身的特定技術規格。例如，玻璃管需求精確的尺度公差、低計數的微粒及適當的端部輪廓，以允許下游的適當處置及在運輸期間防止破 損。來自導管製作處理的殘留微粒具有關鍵的敏感性，特別是對於藥品玻璃管製造商而言。
因為各玻璃製品一般具有其獨特的規格，不同的處理步驟一般需要製作及切割不同的玻璃製品，例如安瓿、小玻璃瓶、匣筒、注射器等等。於是，玻璃製品製造商具有對各特定玻璃製品最佳化及量身定制的特定裝置。
據此，存在著用於形成玻璃製品的替代性方法及製造玻璃製品的相關聯裝置的需要，特別係適當相反於玻璃製品組件及形狀的範圍的玻璃切割裝置及方法。
本揭露的實施例係針對使用脈衝雷射組件來精確切割各種玻璃製品(無論形狀及尺度)的系統及方法。
依據本揭露的一個實施例，係提供一種雷射切割一玻璃製品的方法。該方法包括以下步驟：將至少一個玻璃製品饋至具有至少一個脈衝雷射的一脈衝雷射組件，其中該脈衝雷射定義具有0.1-100mm之一長度的一雷射束焦線，透明於該脈衝雷射的該玻璃製品包括兩個端部區段及縱向安置於該等端部區段之間的至少一個側向表面。該方法更包括以下步驟：藉由當該玻璃製品及該脈衝雷射之間存在相對運動時，以一入射角沿該雷射束焦線將該脈衝雷射聚焦至該玻璃製品的該側向表面上，來在該玻璃製品中雷射切割至少一個穿孔線。該方法附加性地包括以下步驟：沿該至少一個穿孔線分離該玻璃製品，以生產一雷射切割玻璃製品。
依據另一實施例，係提供一種用於雷射切割玻璃製品的系統。該系統包括一玻璃合成站，該玻璃合成站可操作以形成一玻璃製品，該玻璃製品包括兩個端部區段及縱向安置於該等端部區段之間的至少一個側向表面。該系統亦包括一玻璃切割站及一玻璃支持組件，該玻璃切割站包括一脈衝雷射組件，該脈衝雷射組件可操作以在從該玻璃合成站所接收之玻璃製品中雷射切割至少一個穿孔線，該玻璃支持組件係經配置以在該脈衝雷射組件內進行雷射切割期間支持該雷射透明玻璃製品，其中該脈衝雷射組件及玻璃支持組件相對於彼此而言是可移動的。該脈衝雷射組件包括一脈衝雷射及一光學組件，該光學組件係定位於該脈衝雷射的該光束路徑中，以將該脈衝雷射轉換成一雷射束焦線，該雷射束焦線具有0.1mm及100mm間之一範圍中的一長度。在該玻璃製品及該脈衝雷射組件相對於彼此移動時，該脈衝雷射係經定向以沿該雷射束焦線在該玻璃製品中將該穿孔線誘導至該玻璃製品的該側向表面上，及該玻璃切割站下游的一玻璃分離站，該玻璃分離站係經配置以在該穿孔線周圍移除該玻璃製品的一部分，以產生一雷射切割玻璃製品。
將在以下的詳細說明中闡述附加特徵及優點，且除了隨附繪圖以外，從該說明或藉由實行如書面說明及其請求項中所述的實施例來辨識，對於先前技術中具技藝的該等人而言，該等特徵及優點亦將是容易理解的。
10‧‧‧玻璃製品
11‧‧‧切開管
12‧‧‧端部區段
14‧‧‧端部區段
16‧‧‧側向表面
20‧‧‧穿孔線
22‧‧‧穿孔
24‧‧‧穿孔間隔
25‧‧‧破損
110‧‧‧玻璃合成站
120‧‧‧運送機
130‧‧‧粗剪站
140‧‧‧玻璃分離站
142‧‧‧熱衝擊裝置
144‧‧‧熱衝擊裝置
150‧‧‧吹氣機
160‧‧‧火焰拋光站
170‧‧‧額外的處理步驟
200‧‧‧玻璃切割站
205‧‧‧旋轉臂
210‧‧‧脈衝雷射組件
211‧‧‧光學組件
213‧‧‧環形光圈
215A‧‧‧鏡面
215B‧‧‧鏡面
215C‧‧‧鏡面
216‧‧‧聚焦光學構件
218‧‧‧雷射束裝置
219‧‧‧額外光學構件
220‧‧‧脈衝雷射束焦線
220b‧‧‧雷射束焦線
220c‧‧‧雷射束焦線
230‧‧‧可旋轉心軸
240‧‧‧同軸夾具
300‧‧‧玻璃條帶機器
310‧‧‧玻璃條帶
311‧‧‧頂側
312‧‧‧玻璃
313‧‧‧底側
314‧‧‧軋輥
316‧‧‧運送機
318‧‧‧處理方向
340‧‧‧吹頭
342‧‧‧型坯
360‧‧‧貼模
400‧‧‧系統
500‧‧‧系統
600‧‧‧系統
d‧‧‧玻璃製品的整層厚度
D‧‧‧雷射束焦線220b的平均點直徑
l‧‧‧焦長
L‧‧‧長度
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖1A係截面示意圖，描繪將雷射穿孔切割進圓柱管，該圓柱管係相對於脈衝雷射組件旋轉。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖1B係頂部示意圖，描繪將雷射穿孔切割進圖1A的圓柱管。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖2A係截面示意圖，描繪將雷射穿孔切割進圓柱管，其中脈衝雷射組件在圓柱管周圍旋轉。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖2B係頂部示意圖，描繪將雷射穿孔切割進圖2A的圓柱管。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖3A示意性地描繪將雷射束焦線定位至玻璃製品上。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖3B示意性地描繪沿圖3A的雷射束焦線於玻璃製品中所誘導的穿孔。
圖4示意性地描繪具有粗剪處理的慣用玻璃切割處理以及下游熱衝擊及火焰拋光站。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖5示意性地描繪脈衝雷射組件，係被利用於粗剪站的下游。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖6示意性地描繪脈衝雷射組件，係安置於玻璃分離站(例如熱衝擊裝置)的上游。
依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖7A示意性地描繪包括脈衝雷射組件之條帶玻璃製造裝置的側視圖；依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖7B示意性地描繪包括於圖7A之條帶玻璃製造裝置中之脈衝雷射組件及後續分離站的側視圖；依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖8A係示意側視圖，描繪穿孔切割導管期間的旋轉脈衝雷射組件；依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖8B係示意側視圖，描繪切割之後的旋轉脈衝雷射組件；依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖9係示意前視圖，描繪旋轉脈衝雷射組件，其中雷射係可旋轉地安裝於旋轉脈衝雷射組件上；及依據本文中所圖示及描述的一或更多個實施例，圖10係示意前視圖，描繪旋轉脈衝雷射組件，其中雷射係分離自旋轉脈衝雷射組件且並不可旋轉地安裝於旋轉脈衝雷射組件上。
現將詳細參考用於利用脈衝雷射處理來製造玻璃製品之裝置及方法的實施例，其示例係繪示於隨附繪圖中。
如圖1A-2B之實施例中所圖示的，雷射切割穿孔的方法包括將至少一個玻璃製品10饋至具有至少一個脈衝雷射的脈衝雷射組件210。如本文中所使用的，玻璃製品可包括各種元件，例如(及非藉由限制的方式)導管、玻璃片、匣筒、小玻璃瓶、注射器、注射器針筒、真空容器、安瓿、瓶子、燒瓶、小瓶、燒杯、球管、碗、罐、套管、缸、槽及類似物。雖然任何的這些玻璃製品類型可使用本文中所述的脈衝雷射穿孔方法學來切割，以下所述之實施例中的許多者將聚焦於包括於藥品級玻璃(特別是藥管)中的脈衝雷射穿孔。
如以下所述，脈衝雷射有具長度0.1-100mm的雷射束焦線200。參照圖1B，玻璃製品10包括端部區段12及14以及至少一個側向表面16，該側向表面16係縱向安置於端部區段12及14之間。如本文中所使用的，「端部區段」可指圓柱管中的基底，而側向表面會構成該圓柱管的高度；然而，在所有實施例中，「端部區段」係不僅限於側向表面附近的基底或表面。如所示，圖1A之圓柱管的側向表面是連續的；然而，玻璃片的側向表面16具有安置於端部區段12及14之間的側邊。
再次參照圖1A，脈衝雷射束焦線220以一入射角將玻璃製品10中的至少一個穿孔線20誘導至玻璃製 品10的側向表面16上。如所示，穿孔線20包括複數個隔開的穿孔22，該等穿孔22係藉由脈衝雷射來刻進玻璃的玻璃缺陷、凹口、壓痕或孔洞。穿孔線20係複數個精確的窄孔，其使穿孔線周圍的後續分離更加容易。這些窄孔尺度可由雷射束焦線的點直徑來指定。在示例性的實施例中，雷射束焦線可具有0.5-5μm或1-2μm之間的平均點直徑。
穿孔22(其經描繪以用於圖1A-2B中的說明，且藉此並非按比例繪製)一般被均勻地隔開；然而，關注的是，間隔可為隨機且不均勻的。在一個實施例中，穿孔線20可為具有200-800nm或300-500nm間之尺寸的複數個孔洞。替代性地，穿孔線在其間可包括1-30μm或1-5μm或1-3μm的間隔。穿孔間隔24可藉由控制脈衝雷射組件210及玻璃製品10的相對運動來精確誘導。在一個實施例中，在一次性執行過程中，雷射可用以產生高度控制的全線穿孔。可產生經誘導的吸收，在沒有削磨且不熔化玻璃製品10之材料的情況下，在使得在玻璃製品10的微結構中發生破裂形成。這對比於一般使用點聚焦雷射來削磨材料，其中為了完整刺穿玻璃厚度，多個執行過程通常是必要的。在進一步的對比中，削磨處理產生大量的殘材、更廣大的子表面損傷(約大於100μm)及邊緣剝落，而本脈衝雷射組件210實質降低或消除了這些有害的副作用。
如圖1A-2B中所示，雖然穿孔線20跨側向表面16而橫向定向且平行於端部區段12及14，其他的穿孔線20佈置是可能的，例如，沿側向表面16的對角線。雖然沒有描繪，關注的是，穿孔線20亦可跨玻璃製品10的側向表面16而縱向施用。
如圖1A中所示，為了將複數個穿孔22供應進玻璃製品10，在玻璃製品10及脈衝雷射(特別是雷射束焦線220)之間必然存在某些相對運動。例如，如圖1A中所示，可在心軸230上支持玻璃製品10，該心軸230係由夾具240構件所旋轉。玻璃製品10同旋轉心軸230旋轉，且藉此相對於脈衝雷射組件210而移動。此相對運動跨玻璃製品10的側向表面16橫向產生穿孔線20。替代性地，如圖2A中所示，關注的是，脈衝雷射組件210可在玻璃製品10周圍旋轉，以達成促進形成穿孔線20的相對運動。各種元件被認為適於旋轉脈衝雷射組件210。例如，脈衝雷射組件210可安裝於旋轉三腳架上或附接至旋轉臂。雖然圖1A-2B中的相對運動是旋轉運動，平移或其他模式的相對運動亦被認為是適合的。此外，雷射束焦線的移動(如下所述)可由鏡式檢流計所控制。
並且，雖然圖1A-2B描繪玻璃製品10相對於脈衝雷射組件210的運動或反過來是脈衝雷射組件210相對於玻璃製品10的運動，兩元件可同時移動。特別如圖6中所示，關注的是，玻璃製品10可平移移動，例如在脈衝雷射組件210在玻璃製品10周圍旋轉時藉由運送機 120來進行。於是，脈衝雷射組件210可不總是以如圖2A中所描繪的圓形路徑旋轉，因為脈衝雷射組件210必須考慮玻璃製品10的同時運動。結果是，脈衝雷射組件210可以非圓形路徑(例如螺旋形路徑)旋轉。在不被理論束縛的情況下，在快速連續切割及產生部件的玻璃製造步驟中，玻璃製品10及脈衝雷射組件210同時運動的實施例可增加玻璃生產速度及效率。
如上所述及如圖8A及8B中所描繪的，脈衝雷射組件210可包括旋轉臂205，該旋轉臂205係經配置以在玻璃製品10周圍旋轉雷射束焦線220。如所示，脈衝雷射組件210包括一或更多個鏡面215A-C，該等鏡面係耦合至旋轉臂205且可與旋轉臂205旋轉。雖然描繪三個鏡面215A-C，關注的是，可利用更多或更少的鏡面以調整雷射束焦線220的方向。例如，關注的是，雷射束裝置218(其供應脈衝雷射)可緊鄰於光學組件211而安置，以藉此降低所使用的鏡面數量；然而，雷射束裝置218的重量可能使得其在圖8A中所描繪之旋轉臂205上的位置是更為合適的。再次參照圖8A，當旋轉臂205旋轉時，全耦合至旋轉臂205的雷射束裝置218、鏡面215A-C及光學組件211全跟著旋轉臂205旋轉。在穿孔線20如圖8A中所示地被誘導之後，雷射束焦線220可在切開管11如圖8B中所描繪地從母管(也就是玻璃製品10)分離時暫時停止。切割母管10的額外切割可藉由將母管重新饋至圖8A的脈衝雷射組件210來執行。為了進一步說明， 圖9描繪旋轉脈衝雷射組件210(其係以側視圖描繪於圖8A中)的前視圖。
在圖10中所示的替代性實施例中，關注的是，雷射束裝置218是固定式的以及從脈衝雷射組件210的旋轉臂205分離，同時光學組件211及鏡面215A仍同旋轉臂205旋轉。雖然雷射束裝置218是固定式的，雷射束焦線220仍指向移動鏡面215A及光學組件211，這藉此允許脈衝雷射束焦線220無論如何在玻璃製品10周圍旋轉地運動。
玻璃製品10的其他負載及支持組件將於以下描述。在發展玻璃製品10內的穿孔線20時，玻璃製品10可沿穿孔線分離以如下所述地生產切割玻璃製品10。
穿孔22可使用在時間上緊密隔在一起之高能短時長脈衝的脈衝來完成。例如，雷射束脈衝時長可在約1皮秒及約100皮秒之間，或小於10皮秒，或在約5皮秒及約20皮秒之間。這些脈衝可以高重複率(例如kHz或MHz)來重複。例如，脈衝重複頻率可在10kHz及1000kHz之間、或10kHz及100kHz之間或小於10kHz的範圍中。
雷射束波長係經選擇，以便要被雷射處理的玻璃製品10對於該雷射波長是透明的。例如，波長可小於約1.8μm或在約900至約1200nm之間。在示例性的實施例中，脈衝雷射束具有例如為1064nm、532nm、355nm或266nm的波長。合適示例為具有1064nm之波 長的Nd：YAG雷射、具有1030nm之波長的Y：YAG雷射。沒有其他色彩(特別是具有低鐵含量)的硼矽酸鹽或鈉鈣玻璃從約350nm到約2.5μm是透明的。
如圖1A中所示，可將雷射束焦線220以一入射角供應至側向表面，該入射角可取決於各種因素(例如所需的穿孔尺度)而變化。例如，入射角可垂直於側向表面、或對於材料表面小於或等於約45度。
可基於脈衝時長、脈衝能量及焦線直徑來選擇雷射束強度，使得較佳地沒有顯著的削磨或顯著的熔化，但較佳地只存在玻璃之微結構中的破裂形成。雷射的脈衝能量係經較佳地選擇，使得雷射束焦線中的強度產生經誘導的吸收，其沿焦線220導致材料的局部加熱，由於誘導進材料的熱壓，這反過來沿焦線導致了破裂形成。在一或更多個實施例中，雷射束可具有於材料處測量為小於700μJ、或小於約500μJ或小於約250μJ的平均雷射能量。
對於本揭露的玻璃製品而言，各種成分被認為是合適的。例如，玻璃可為鋁矽酸鹽玻璃，例如鹼鋁矽酸鹽或鹼土鋁矽酸鹽玻璃。替代性地，玻璃可包括硼矽酸鹽或鈉鈣玻璃。在一個實施例中，玻璃可為可離子交換的，使得玻璃成分可經受離子交換，以供機械性強化玻璃製品10的以下形成。玻璃成分可為如由ASTM標準E438.92所定義的「Type 1a」及「Type 1b」玻璃成分。在某些實施例中，Type 1a及Type 1b玻璃對於例如為藥品 應用的用途而言具有合適的化學耐久性。玻璃成分可包括大於約1.0mol.%的硼及/或包含硼的化合物(包括而不限於B2O3)。在另一實施例中，形成玻璃製品的玻璃成分包括小於或等於約1.0mol.%的硼氧化物及/或包含硼的化合物。在這些實施例中的某些實施例中，玻璃成分中之硼氧化物及/或包含硼之化合物的濃度可小於或等於約0.5mol.%、小於或等於約0.4mol.%、或甚至小於或等於約0.3mol.%。在這些實施例中的某些實施例中，玻璃成分中之硼氧化物及/或包含硼之化合物的濃度可小於或等於約0.2mol.%或甚至小於或等於約0.1mol.%。在某些其他實施例中，玻璃成分實質不含硼及包含硼的化合物。並且，玻璃製品可包括其他成分(例如為藍寶石或晒化鋅的水晶)，該等其他成分係透明於雷射波長。本揭露主要圍繞於玻璃成分；然而，關注的是，亦可使用本方法學來切割其他結構(例如藍寶石及鋅管)。
對於玻璃製品所考慮的各種厚度、直徑及長度對於本揭露的實施例而言被認為是合適的。例如，實施例將有效於從8mm以下至超過40mm的管直徑、及約0.3至約2.2mm或約0.5mm至約1.1mm的管壁厚度。導管的長度亦可變化。在一個實施例中，導管可被預先切割至供應至脈衝雷射組件，因此預先切割的導管可具有一有限長度，該有限長度可基於製造商的需求而變化。替代性地，導管可不被切割而供應至脈衝雷射組件，且因此在被脈衝雷射組件所切割之前基本上具有連續的長度。
參照圖5，係圖示用於雷射切割玻璃製品10的系統。具體而言，該系統包括安置於玻璃切割站200上游的玻璃合成站110，該玻璃切割站200包括脈衝雷射組件210。如本文中所使用的，玻璃合成站110可包括用於從熔化玻璃形成玻璃製品的形成裝置、玻璃熔化裝置、玻璃拉製裝置、玻璃成型裝置或用於重新成型玻璃的設備。玻璃合成站110可利用連續的或批量的處理。在一個實施例中，玻璃合成站110包括用於玻璃形成的Vello下拉裝置、Danner玻璃形成裝置以及其他慣用的或未來發展的拉製或形成處理。替代性地，如以下所述及如圖7A及7B中所描繪的，玻璃合成站110可包括條帶玻璃吹製裝置。
並且，玻璃合成站110亦可包括除了拉製以外執行初始切割的裝置。例如，導管可首先在拉製器切割器機器中被拉製及初始地切割。並且，玻璃合成站110可包括導管重新拉製裝置，例如套管重新拉製裝置，其將圓形管重新形成為圓形及卵形的形狀。
再次參照圖5，玻璃切割站200除了脈衝雷射組件210以外亦可包括玻璃支持組件120，該脈衝雷射組件210雷射切割從玻璃合成站110所接收之玻璃製品10中的穿孔線。雖然本文中的玻璃切割站200僅描繪一個脈衝雷射組件210，關注的是，玻璃切割站200可包括額外的脈衝雷射或額外的玻璃切割裝置(未圖示)。玻璃支持組件可包括在由脈衝雷射組件210進行雷射切割期間支持玻璃製品10的全部元件。在一個實施例中，玻璃支持 組件包括運送機120，該運送機120安置於玻璃切割站200及玻璃合成站110之間。此外，系統500可進一步包括運送機120，該運送機120安置於玻璃切割站200及玻璃分離站140之間。
玻璃支持組件可包括當脈衝雷射組件旋轉或如圖2A中所描繪地相對於玻璃製品10移動時保持玻璃製品10在位的元件。此外，玻璃製品10可包括用於相對於脈衝雷射組件210旋轉或移動玻璃製品10的設備。參照圖1A的實施例，玻璃支持組件為由同軸夾具240所旋轉的可旋轉心軸230。雖然慣用的切割方法係操作於高溫下且因此需要例如為鋼的耐熱成分，本文中所述的脈衝雷射組件產生非常少的熱，且其產生的是微觀性的局部熱。其結果是，在某些實施例中，玻璃支持組件120(例如心軸230)最好可包括相容的夾持材料，例如與玻璃製品10接觸的聚合夾持材料。聚合夾持材料可包括彈性材料，例如橡膠。替代性地，聚合夾持材料亦可包括聚四氟乙烯。在附加性的實施例中，玻璃支持組件(例如心軸230)可包括非接觸式支架。例如，非接觸性支架為水平空氣軸承。
參照圖3A及3B，玻璃切割站200的脈衝雷射組件210可包括光學組件211，該光學組件211係定位於脈衝雷射的光束路徑中，以將脈衝雷射轉換成雷射束焦線。在一個實施例中，光學組件211包括具有球面像差的聚焦光學構件216，係經配置以產生雷射束焦線220。光學組件211可包括環形光圈213，該環形光圈213係在聚 焦光學構件216之前定位於雷射220的光束路徑中，該環形光圈213係經配置以擋開雷射束中央的一或更多道射線。聚焦光學構件216可為球形切割的凸透鏡，例如具有非球形自由表面的圓錐形棱鏡(例如軸棱錐)。可選地，光學組件211可進一步包括額外元件，例如額外光學構件219；然而，對於軸棱錐聚焦光學構件而言，可消除透鏡或可合併多個額外透鏡。
參照圖3A及3B，藉由沿焦長l之雷射束焦線220b使用合適的雷射強度，在雷射束焦線220b的重合區域中，延伸的雷射束焦線220b在玻璃製品10中產生穿孔22。圖5B的此穿孔22關聯於長度L的雷射束焦線部分220c。雷射束焦線220b的平均點直徑於此係藉由參考符號D來表示。如圖1A及2A中所示，穿孔22延伸過玻璃製品10的整個厚度。在圖3B中所描繪的替代性實施例中，穿孔22可不延伸玻璃製品的整層厚度d；然而，除了穿孔延伸過整個厚度的穿孔線以外，此類型的穿孔線可能沒有充足地弱化玻璃，藉此潛在地需要更多後續的加工及處理步驟以分離穿孔線20周圍的玻璃。
可經施用以產生焦線220之關於光學組件及脈衝雷射的額外細節以及這些光學組件可用以施用的代表性光學設置係詳細描述於Corning名稱為「Stacked Transparent Material Cutting With Ultrafast Laser Beam Optics,Disruptive Layers And Other Layers”」之第 SP13-383PZ/4936.1003-001號美國專利申請案及前述第EP 13,151,296號歐洲申請案中，其教示之整體係以引用方式併入本文中。
在不被理論束縛的情況下，使用脈衝雷射組件210的系統相對於慣用系統(例如主要用於藥管製造之圖4的慣用系統)而言提供了顯著的改進。參照圖4的系統400，玻璃合成站110中所產生的玻璃製品10係暴露於粗剪站130(一般為機械裂化桿，係經配置以在玻璃製品10中傳播破損25(或破損線))。不像由脈衝雷射組件210所提供的精確切割，粗剪站130更像是在玻璃製品10中產生不理想的切屑及微粒，這對於藥品級玻璃而言是高度不理想的。雖然圖4-6描繪的是，退出玻璃合成站110的玻璃製品10事先被預先切割，這主要僅是為了描繪的目的而做的。完全關注的是，玻璃製品10可在具有連續拉製長度的情況下退出玻璃合成站110。
再次參照慣用圖4，粗剪站130的下游，玻璃製品10可被饋至玻璃分離站140。玻璃分離站140可包括用以劈開玻璃的CO2雷射。替代性地，玻璃分離站140可包括用以分離玻璃的機械性抑壓元件。如圖4中所進一步圖示的，玻璃分離站140亦可包括用以沿破損線25分離玻璃的熱衝擊裝置142、144。即使在分離之後，在切割玻璃製品10中可能存在不想要的微粒及粗邊。因此，該系統可能需要吹氣機150來移除不想要的微粒，及需要火焰拋光站160以適當地加工玻璃製品10的端部。並 且，玻璃製品10亦會需要去經受額外的處理步驟170，例如清洗以確保微粒不再出現在玻璃中。
相較之下，參照圖5的本實施例，系統500可在玻璃切割站200的上游包括切割站130，該玻璃切割站200包括脈衝雷射組件210。上游切割站130可包括穿孔線20周圍的機械性裂化桿、CO2雷射或用於傳播玻璃製品中之破損25的另一合適手段。在不被理論束縛的情況下，由粗剪站130所產生的破損25可由穿孔線20所平滑化，該穿孔線20係由脈衝雷射組件210所誘導。藉由施用粗剪之後的雷射誘導穿孔，可使玻璃分離140更加容易且所生產的玻璃製品10具有更佳的端部輪廓，這限制或消除了玻璃分離站140下游的進一步處理。在不被理論束縛的情況下，脈衝雷射穿孔的精確度極大地限制了分離之後的切屑及微粒形成。因此，玻璃分離之後的進一步處理步驟被最小化或消除了。
如圖5中所進一步圖示的，玻璃分離站140在某些實施例中可包括額外熱加工或額外雷射加工；然而，關注的是，玻璃製品10可在穿孔線20周圍同時經受分離。在不被理論束縛的情況下，在粗剪站130之後立刻雷射切割玻璃製品的可能優點是利用在從玻璃合成站110拉製之後的玻璃製品10被升高的溫度。這允許了在玻璃製品10冷卻至室溫時進行分離。替代性地，如圖5中所示，玻璃分離站140可包括熱衝擊裝置142、144。具體而言，熱衝擊裝置142、144可包括加熱構件142，例如 氫/氧燃燒器或CO2雷射。進一步地，熱衝擊裝置140在加熱構件142的下游可包括冷卻構件144。
如圖5中所進一步圖示的，脈衝雷射組件210消除了如圖4中所描繪之火焰拋光160的需要，或極大地最小化火焰拋光的時間，因為脈衝雷射組件210產生這樣的精確窄穿孔線且允許這樣的方形乾淨斷裂。在不被理論束縛的情況下，係進行火焰拋光160以收口玻璃製品的邊緣；然而，火焰拋光可產生次要的問題，像是在硼矽酸鹽管的情況中沈積玻璃揮發物，這是藥品產品中之不想要的水解表面汙染問題的來源。因此，有益的是，為了限制玻璃揮發物，脈衝雷射組件210降低或消除此火焰拋光處理。
並且，系統500可以可選地包括吹氣機150以移除微粒，或包括額外的處理170步驟(例如清洗)以移除鬆散的微粒。要重申，在藥品玻璃的領域中，微粒移除是非常重要的。
參照圖6的系統600，脈衝雷射組件210可直接從玻璃合成站110接收玻璃製品，且藉此消除圖5中所圖示的玻璃製品10的粗剪130步驟。雖然不限於這些實施例，脈衝雷射組件210可為於圖9及10中所描繪的實施例。並且，退出玻璃合成站110的連續導管可直接供應至脈衝雷射組件以供進行雷射穿孔。在此系統600中，玻璃分離站140可利用熱衝擊；然而，亦關注的是，玻璃製品可在玻璃製品10從玻璃合成站110冷卻至室溫時，在穿 孔線20周圍同時分離。因此，此系統600可僅在切割玻璃製品10步驟中利用脈衝雷射組件。系統600描繪吹氣機150、火焰拋光160以及額外處理的可選步驟；然而，一個或所有的這些步驟並非必要的。
圖5及6中所描繪的系統500及600替換了各種裝置，例如用於進行導管切割的裁剪及上釉機(Trim and Glaze Machine,TGM)。TGM可被想像為具有運行過其中央之寬廣運送機的大爐。TGM接取過大的玻璃管、加熱一端部且接著以冷鈍金屬物件衝擊所需點處。這使得玻璃破裂。係對於其他端部重複該處理，其中運送機保持玻璃，以便切割將是在正確的位置。裁剪步驟之後的端部品質仍然展現了切屑，且對於導管的軸而言並非方形的。如此，一旦是正確的長度卻具有粗糙的邊緣，係同時在兩端上火焰加工玻璃管以降低分岔及強化端部以供運輸。本實施例產生小量的亞微米微粒(也就是無邊緣的「切屑」)，而TGM產生大尺寸的微粒(以及熱玻璃)。並且，本實施例具有精確的尺度公差且因此具有高的材料利用性，而TGM裝置在裁剪處理中浪費了5%的玻璃。由脈衝雷射所產生之端部的幾何品質優於被火焰加工的端部。
此外，本脈衝雷射組件210極大地改進了生產小玻璃瓶的步驟中所使用之玻璃條帶機器的效能。參照圖7A及7B，係描繪玻璃條帶機器300。一般而言，玻璃條帶310係由軋輥314所形成，且係以處理方向318(在圖 7A中是從左到右)於運送機316上運輸。玻璃312係在接觸軋輥314之前由加熱源所熔化，該軋輥314將玻璃312重新成型成玻璃條帶310。玻璃條帶310大致具有處理方向318的長度及遠小於該長度的厚度(由軋輥314之間的區域所決定)。厚度係定義為玻璃條帶310之頂側311及底側313之間的距離。玻璃條帶310的頂側311及底側313係實質平面的。當玻璃條帶310以處理方向移動時，更多的熱玻璃312經塑模以形成玻璃條帶310，使得玻璃條帶310在玻璃條帶310的退出區段沿處理方向318移動時被連續地產生。玻璃條帶310可擱置在運送機316上，同時運送機316可以處理方向318移動且一起承載玻璃條帶310。
玻璃條帶310係以處理方向318承載，且型坯342係由吹頭340所形成。吹頭340可以處理方向318以大約與玻璃條帶310相同的速度移動，且與玻璃條帶310的頂側311進行接觸。吹頭340將氣體吹進玻璃條帶310且形成型坯342，該型坯342以處理方向318沿玻璃條帶310移動。如本文中所使用的，「型坯」指的是下掛的玻璃，該下掛玻璃係藉由機械力(例如(且不限於)由位於玻璃條帶310上之吹頭340所吹出氣體)從玻璃條帶310的部分形成的。型坯342從玻璃條帶310懸掛且至少部分地藉由從吹頭340所吹出的氣體而延長。型坯342可為中空的，且可於由吹頭340所形成之玻璃條帶310中的口孔處接合於玻璃條帶310處。
型坯342接著被成型成玻璃製品10。在一個實施例中，型坯342係由貼模360所封裝，該貼模360係被移動成與型坯342校準。貼模360可具有兩側，該等兩側聚在一起以完全包圍型坯342。貼模360可以與移動玻璃條帶310之運送機316相同的速度以處理方向318移動，且可大致與已形成型坯342的吹頭340校準。貼模360具有內部形狀，該內部形狀與要形成之玻璃製品10的外部形狀相對應。吹頭340繼續將氣體吹進型坯342，且型坯342擴展，以便其填充貼模360的內部形狀，因此形成玻璃製品10的所需形狀。
如圖7A中所示，複數個吹頭340及貼模360可被連續地循環成與連續產生的玻璃條帶310接觸。如此，吹頭340、貼模360及移動玻璃條帶310的運送機316全以大約相同的速度移動。
貼模360接著開啟且從所形成的玻璃製品10撤除，該玻璃製品10從玻璃條帶310懸掛。一旦貼模360被移除，玻璃製品10的形狀及尺寸係最終玻璃製品10的形狀及尺寸，該最終玻璃製品10將從玻璃條帶310分離。吹頭340係接著從玻璃條帶310撤除，僅留下玻璃條帶310及附接的玻璃製品10。玻璃條帶310及玻璃製品10繼續由運送機316以處理方向318移動。玻璃製品10冷卻至堅硬、固體的狀態。冷卻步驟可藉由暴露於環境狀況而為漸進的，或可為強迫冷卻處理。
慣用玻璃條帶機器可藉由機械性處理從玻璃製品10所附接的玻璃條帶310分離玻璃製品10。這樣的處理可能產生大於約200微米的玻璃切屑。然而，本文中所述的雷射處理方法及裝置可從玻璃條帶310分離玻璃製品10且不形成大於200微米的玻璃切屑或其他殘材。例如，在各種實施例中，來自雷射處理的殘材在尺寸上是小的，例如小於約200微米、小於約100微米、小於約50微米、小於約25微米或甚至小於約10微米。
參照圖7B，脈衝雷射組件210可使用雷射束焦線可對小玻璃瓶的頸部施加穿孔的位置處來定向於運送機316附近。在此實施例中，脈衝雷射組件210可在玻璃製品10周圍旋轉，或當脈衝雷射束焦線入射於玻璃製品10的頸部上時，運送機316可旋轉玻璃製品10。在穿孔20被誘導之後，玻璃製品10係被饋至玻璃分離站，例如在穿孔20周圍分離玻璃製品的熱衝擊裝置。
在慣用的高溫形成方法(特別是條帶方法)中，玻璃製品(例如小玻璃瓶)係由一處理所形成，該處理涉及藉由直接暴露於火焰來將玻璃管暴露於高溫，同時滾軋導管玻璃以形成封閉的容器底部。如本文中所使用的，利用條帶機器的處理並非「高溫」的。反而，在條帶機器中，玻璃係以相對低的形成溫度而由貼模所塑模。相較之下，本文中所述的條帶機器處理並不使用高溫以供進行玻璃形成，且因此硼實質上並不被揮發。因此，相較於 慣用以高溫形成的玻璃製品，由條帶處理所形成之玻璃製品中的脫層被極大地減少了。
對於先前技術中具技藝的該等人將是清楚的是，在不脫離本揭露之精神或範圍的情況下，可作出各種修改及變化。因為併入本發明之精神及本質之所揭露實施例的修改組合、子組合及變化對於先前技術中具技藝者而言是可能發生的，本發明應被建構為包括隨附請求項及其等效物之範圍內的一切事物。
10‧‧‧玻璃製品
210‧‧‧脈衝雷射組件
220‧‧‧脈衝雷射束焦線
300‧‧‧玻璃條帶機器
310‧‧‧玻璃條帶
311‧‧‧頂側
312‧‧‧玻璃
313‧‧‧底側
314‧‧‧軋輥
316‧‧‧運送機
318‧‧‧處理方向
340‧‧‧吹頭
342‧‧‧型坯
360‧‧‧貼模

Claims (20)

  1. 一種雷射切割一玻璃製品的方法，包括以下步驟：將至少一個玻璃製品饋至具有至少一個脈衝雷射的一脈衝雷射組件，其中該脈衝雷射定義具有0.1-100mm之一長度的一雷射束焦線，該玻璃製品包括兩個端部區段及至少一個側向表面，該至少一個側向表面縱向安置於該等兩個端部區段之間；藉由在該玻璃製品及該脈衝雷射之間存在相對運動時，以一入射角沿該雷射束焦線將該脈衝雷射聚焦至該玻璃製品的該側向表面上，來在該玻璃製品中雷射切割至少一個穿孔線；及沿至少一個穿孔線分離該玻璃製品，以生產一雷射切割玻璃製品。
  2. 如請求項1所述之方法，其中該脈衝雷射的該波長係小於約1.8μm。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃製品係一導管。
  4. 如請求項3所述之方法，其中被饋至該脈衝雷射組件的該導管係從一玻璃合成站所供應的一連續導管。
  5. 如請求項3所述之方法，其中被饋至該脈衝 雷射組件的該導管係一預先切割的導管。
  6. 如請求項1所述之方法，其中各穿孔延伸過該玻璃製品的一厚度。
  7. 如請求項1所述之方法，更包括以下步驟：在以該脈衝雷射切割之前，切割該玻璃製品。
  8. 如請求項1-7所述之方法，其中該玻璃製品包括硼矽酸鹽玻璃、鈉鈣玻璃或矽鋁酸鹽玻璃。
  9. 如請求項1-7所述之方法，其中該穿孔線係複數個孔洞，該複數個孔洞具有300-500nm之間的一尺寸及該複數個孔洞間之1-30μm的一間隔。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該玻璃製品及該脈衝雷射之間的該相對運動係由以下物所定義：(i)該脈衝雷射跨該玻璃製品之該側向表面進行的移動；或(ii)該玻璃製品相對於該脈衝雷射進行的移動；或(iii)該玻璃製品的平移移動及該脈衝雷射的旋轉移動。
  11. 一種用於雷射切割至少一個玻璃製品的系統，包括：一玻璃合成站，係可操作以形成至少一個玻璃製品，該至少一個玻璃製品包括兩個端部區段及至少一個側向表面，該至少一個側向表面係縱向安置於該等兩個端部區段之間； 一玻璃切割站，包括一脈衝雷射組件，該脈衝雷射組件可操作以在從該玻璃合成站所接收之該玻璃製品中雷射切割至少一個穿孔線，及一玻璃支持組件，該玻璃支持組件係經配置以在該脈衝雷射組件內進行雷射切割期間支持該玻璃製品，其中該脈衝雷射組件及該玻璃支持組件相對於彼此而言是可移動的，且其中該脈衝雷射組件包括：一脈衝雷射，及一光學組件，定位於該脈衝雷射的一光束路徑中，以將該脈衝雷射轉換成一雷射束焦線，該雷射束焦線具有0.1mm及100mm間之一範圍中的一長度，其中在該玻璃製品及該脈衝雷射組件相對於彼此移動時，該脈衝雷射係經定向以沿該雷射束焦線在該玻璃製品中將該至少一個穿孔線誘導至該玻璃製品的該側向表面上，其中該玻璃製品係透明於該脈衝雷射的一波長；及該玻璃切割站下游的一玻璃分離站，該玻璃分離站係經配置以在該穿孔線周圍移除該玻璃製品的一部分，以產生一雷射切割玻璃製品。
  12. 如請求項11所述之系統，其中該玻璃製品係一導管。
  13. 如請求項11所述之系統，其中該導管係(i)該玻璃合成站中所產生的一連續導管；或(ii)導管係該玻璃合成站中所產生的一連續導管且在供應至該玻璃切割站之前係一預先切割的導管。
  14. 如請求項11所述之系統，其中該光學組件包括經配置以產生該雷射束焦線的一聚焦光學構件。
  15. 如請求項11所述之系統，其中：(i)該玻璃支持組件包括一運送機，該運送機係安置於該玻璃切割站及該玻璃合成站之間；或一切割站
  16. 如請求項11所述之系統，其中該玻璃分離站包括一熱衝擊裝置、一機械性抑壓元件或其組合。
  17. 如請求項16所述之系統，其中該熱衝擊裝置：(i)包括一加熱構件，該加熱構件係從包含以下物的該群組所選擇的：一氫/氧燃燒器、一CO2雷射及其組合；或(ii)包括一加熱構件且更包括該加熱構件下游的一冷卻構件，該加熱構件係從包含以下物的該群組所選擇的：一氫/氧燃燒器、一CO2雷射及其組合。
  18. 如請求項11所述之系統，其中：(i)該玻璃支持組件包括與該玻璃製品接觸的聚合夾持材料；或(ii)該玻璃支持組件包括與該玻璃製品接觸的聚合夾持材料，且該聚合夾持材料是橡膠；或(iii)該玻 璃支持組件包括一非接觸式支架。
  19. 如請求項11所述之系統，其中該玻璃合成站包括一Vello下拉裝置、一Danner玻璃形成裝置或一條帶玻璃吹製裝置。
  20. 如請求項11所述之系統，其中：該脈衝雷射具有小於約500μJ的一平均雷射能量；及/或(ii)其中該脈衝雷射具有約10皮秒及約100皮秒之間的一脈衝時長；及/或(iii)該脈衝雷射具有10kHz及1000kHz之間的一脈衝重複頻率。
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