WO2003055637A1 - Verfahren und vorrichtung zum trennen eines werkstoffes - Google Patents

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    • B23K2103/52—Ceramics

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for separating a material.
  • DE-C-42 14 159 discloses a method for generating breaking stresses in glass, the breaking stress by irradiating the glass along the dividing line in a width of at most 0.15 mm with high-energy electromagnetic radiation with a power density of at least 10 kW / mm 2 and heating times of less than 125 ms take place in a wavelength range in which the absorption length of the radiation is in the order of magnitude of the workpiece thickness.
  • DE-A-44 05 203 describes a method for processing glass, plastic, semiconductors, wood or ceramic by means of laser radiation, a workpiece part consisting of one of these substances and to be processed being acted upon with a laser beam, thereby changing the nature of the workpiece part and wherein laser radiation with a wavelength of about 1.4 ⁇ m to 3.0 ⁇ m is used.
  • laser radiation with a wavelength of about 1.4 ⁇ m to 3.0 ⁇ m is used.
  • the removal takes place through a thermo-mechanical effect, in which the material to be processed is heated up very strongly locally by the effect of the laser radiation, so that so-called micro-explosions occur. With this method, a rough breaking edge with splitters is obtained.
  • the object of the present invention is to provide an economical and environmentally friendly method and a device for separating material, a splinter-free drawn separating line having any contour being produced.
  • the object of the present invention is achieved by a method for separating a material, wherein a) a crack is produced on the surface of the material, b) a crack is drawn from the crack with a guided laser beam along the predetermined dividing line, the wavelength of the laser beam in one Area in which the absorption length is in the order of the workpiece thickness.
  • a preferred embodiment of the present invention is a method in which the material is irradiated with a width of at most 1 mm, preferably at most 0.3 mm. The tension zone is sharper and more intense and as a result the cut is more precise than with conventional methods.
  • a preferred embodiment of the present invention is a method in which the material is irradiated with a power density of at least 100 W / cm2, preferably at least W / cm2 mm with a power density of at most W / cm2, preferably at most W / cm2, mm.
  • the maximum temperature in the workpiece is below transformation temperatures. This creates only temporary tensions and no permanent tensions.
  • a preferred embodiment of the present invention is a method in which the speed of the laser beam is> 1 mm / s, preferably> 50 mm / s. At this speed, the heat profile slowly widens. A technically good cut is obtained.
  • a preferred embodiment of the present invention is a method, the focus of the laser being approximately in the middle of the workpiece.
  • the advantage of the method according to the invention lies in the fact that the area with the highest temperature and thus the compressive stress zone lie inside the workpiece.
  • the fact that the crack stresses necessary for the growth of the crack lie on the surface of the material or in the base of the crack is very advantageous.
  • a preferred embodiment of the present invention is a method in which a spray nozzle is guided behind the laser.
  • the advantage of this embodiment according to the invention is that the voltages generated by the laser temperature profile are amplified. This advantageously increases the speed of the separation process.
  • Another preferred embodiment of the present invention is a method in which the material is preheated along the dividing line before the separation.
  • the advantage of this embodiment according to the invention is that the voltages generated by the laser temperature profile are amplified. This advantageously increases the speed of the separation process.
  • a device for separating a material with a laser with an absorption length in the order of magnitude of the workpiece thickness and an irradiation of the material with a width of at most 1 mm, preferably at most 0.3 mm.
  • Any good contours can be obtained with high precision with the laser according to the invention. Contours with small radius of curvature can be cut particularly advantageously. The cut is largely free of splinters.
  • a preferred embodiment of the invention is a device with a power density of at least 100 W / cm2, preferably at least W / cm2 mm and with a power density of at most W / cm2, preferably at most W / cm2 mm. With these power densities, the laser according to the invention achieves the maximum temperature in the workpiece below the transformation temperatures. This creates only temporary tensions and no permanent tensions.
  • a preferred embodiment of the invention is a device with a speed of the laser beam of> 1 mm / s, preferably> 50 mm / s. At this speed, the heat profile slowly widens. A technically good cut is obtained.
  • Figure 1 shows a laser (1), laser optics (2), spray nozzle (3), heating device (4), workpiece (5), xy- ⁇ positioning device and purge air connection (7) and a crack (8th).
  • the workpiece (5) is guided under the laser (1).
  • a crack (8) in the workpiece (5) is cut into the workpiece (5) based on the guidance of the laser (1).

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Glas, wobei ein Anriss an der Glasoberfläche erzeugt wird und vom Anriss mit einem geführten Laserstrahl ein Riss entlang der vorgegebenen Trennlinie gezogen wird, wobei die Wellenlänge des Laserstrahls in einem Bereich ist, in dem die Absorptionslänge in der Grössenordnung der Werkstücksdicke liegt. Weiter betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Trennen von Glas, mit einem Laser mit einer Absorptionslänge in der Grössenordnung der Werkstücksdicke und einer Bestrahlung des Glases in einer Breite von höchstens 1 mm, bevorzugt höchsten 0.3 mm. Schliesslich betrifft die vorliegende Erfindung, die Verwendung der Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes, wie Glas, Keramik und Kunststoff, insbesondere Flachglas, Glasrohren und Glasstangen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes.
Aus DE-C-42 14 159 ist ein Verfahren zum Erzeugen von Bruchspannungen im Glas bekannt, wobei die Bruchspannung durch Bestrahlung des Glases entlang der Trennlinie in einer Breite von höchstens 0,15 mm mit energiereicher elektromagnetischer Strahlung einer Leistungsdichte von mindestens 10 kW/mm2 und Aufheizzeiten kleiner als 125 ms in einem Wellenlängenbereich erfolgt, in dem die Absorptionslänge der Strahlung in der Größenordnung der Werkstücksdicke liegt. Bei diesem Verfahren wird eine Schnittstelle erhalten, die nicht immer den geforderten Anforderungen entspricht.
Aus DE-A-44 05 203 ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Glas, Kunststoff, Halbleitern, Holz oder Keramik mittels Laserbestrahlung, wobei ein aus einem dieser Stoffe bestehendes und zu bearbeitendes Werkstückteil mit einem Laserstrahl beaufschlagt und dadurch die Beschaffenheit des Werkstückteiles verändert wird und wobei eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1 ,4 μm bis 3,0 μm verwendet wird. Die Abtragung erfolgt durch einen thermo- mechanischen Effekt, in dem der zu bearbeitende Stoff durch die Wirkung der Laserstrahlung lokal sehr stark aufgeheizt wird, so dass es zu sogenannten Mik- roexplosionen kommt. Bei diesem Verfahren wird eine raue Bruchkante mit Spli- tern erhalten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Werkstoff bereit zu stellen, wobei eine splitterfreie gezogene Trennlinie mit beliebiger Kontur hergestellt wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstoffes, wobei a) ein Anriss an der Werkstoffoberfläche erzeugt wird, b) vom Anriss mit einem geführten Laserstrahl ein Riss entlang der vorgegebenen Trennlinie gezogen wird, wobei die Wellenlänge des Laserstrahls in einem Bereich ist, in dem die Absorptionslänge in der Größenordnung der Werkstücksdicke liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, dass beliebige Konturen mit hoher Präzision geschnitten werden können. Konturen mit kleinem Krümmungsradius können besonders vorteilhaft geschnitten werden. Der Schnitt ist in hohem Maße frei von Splittern. Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wobei die Bestrahlung des Werkstoffes in einer Breite von höchstens 1 mm, bevorzugt höchsten 0.3 mm, erfolgt. Die Spannungszone ist schärfer und intensiver und in Folge dessen ist der Schnitte präziser als bei herkömmlichen Verfahren.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wobei die Bestrahlung des Werkstoffes mit einer Leistungsdichte von mindestens 100 W/cm2, bevorzugt mindestens W/cm2 mm mit einer Leistungsdichte von höchstens W/cm2, bevorzugt höchstens W/cm2, mm erfolgt. Bei diesen Leistungsdichten liegt die maximale Temperatur im Werkstück unterhalb Transformationstemperaturen. Dadurch werden nur temporäre Spannungen und keine permanenten Spannungen erzeugt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wobei die Geschwindigkeit des Laserstrahles bei > 1 mm/s, bevorzugt > 50 mm/s, liegt. Bei dieser Geschwindigkeit verbreitert sich das Wärmeprofil langsam. Es wird ein technisch guter Schnitt erhalten.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wobei der Focus des Lasers etwa in der Mitte des Werkstücks liegt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass der Bereich mit der höchsten Temperatur und damit die Druckspannungszone im Inneren des Werkstückes liegt. Sehr vorteilhaft wirkt sich dabei aus, dass die für das Wachstum des Risses notwendigen Rissspannungen an der Werkstoffoberfläche oder im Rissgrund liegen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wobei hinter dem Laser eine Sprühdüse geführt wird. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass die durch das Laser- Temperaturprofil erzeugte Spannungen, verstärkt werden. Dadurch wird eine vorteilhafte Erhöhung der Geschwindigkeit des Trennverfahrens erreicht.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, wobei der Werkstoff vor der Trennung entlang der Trennlinie vorgeheizt wird. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt darin, dass die durch das Laser-Temperaturprofil erzeugte Spannungen, verstärkt werden. Dadurch wird eine vorteilhafte Erhöhung der Geschwindigkeit des Trennverfahrens erreicht.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes mit einem Laser mit einer Absorptionslänge in der Größenordnung der Werkstücksdicke und einer Bestrahlung des Werkstoffes in einer Breite von höchstens 1 mm, bevorzugt höchsten 0.3 mm vorgesehen. Mit dem erfindungsgemäßen Laser werden sehr gute beliebige Konturen mit hoher Präzision erhalten. Konturen mit kleinem Krümmungsradius können besonders vorteilhaft geschnitten werden. Der Schnitt ist in hohem Maße frei von Splittern.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vorrichtung mit einer Leistungsdichte von mindestens 100 W/cm2, bevorzugt mindestens W/cm2 mm und mit einer Leistungsdichte von höchstens W/cm2, bevorzugt höchstens W/cm2 mm. Mit dem erfindungsgemäßen Laser wird bei diesen Leistungsdichten die maximale Temperatur im Werkstück unterhalb der Transformationstemperaturen erreicht. Dadurch werden nur temporäre Spannungen und keine permanenten Spannungen erzeugt.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist eine Vorrichtung mit einer Geschwindigkeit des Laserstrahles von > 1 mm/s, bevorzugt > 50 mm/s, liegt. Bei dieser Geschwindigkeit verbreitert sich das Wärmeprofil langsam. Es wird ein technisch guter Schnitt erhalten.
Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes, wie Glas, Keramik und Kunststoff, insbesondere Flachglas, Glasrohren und Glasstangen.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung und eines Beispiels näher erläutert.
Zeichnung
Die Zeichnung besteht aus Figur 1. Figur 1 zeigt einen Laser (1 ), eine Laseroptik (2), Sprühdüse (3), Heizvorrichtung (4), Werkstück (5), x-y-φ- Positioniervorrichtung und Spülluftanschluss (7) sowie einen Riss (8). Das Werkstück (5) wird unter dem Laser (1 ) geführt. Im Werkstück (5) wird ein Riss (8) anhand der Führung des Lasers (1 ) in das Werkstück (5) geschnitten.

Claims

P A T E N T A N S P R U C H E
1. Verfahren zum Trennen eines Werkstoffes, wobei a) ein Anriss an der Werkstoffoberfläche erzeugt wird, b) vom Anriss mit einem geführten Laserstrahl ein Riss entlang der vorgegebenen Trennlinie gezogen wird, wobei die Wellenlänge des Laserstrahls in einem Bereich ist, in dem die Absorptionslänge in der Größenordnung der Werkstücksdicke liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Bestrahlung des Werkstoffes in einer Breite von höchstens 1 mm, bevorzugt höchsten 0.3 mm, erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bestrahlung des Werkstoffes mit einer Leistungsdichte von mindestens 100 W/cm2, bevorzugt mindestens W/cm2 mm erfolgt.
4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bestrahlung des Werkstoffes mit einer Leistungsdichte von höchstens W/cm2, bevorzugt höchstens W/cm2, mm erfolgt.
5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Geschwindigkeit des Laserstrahles bei > 1 mm/s, bevorzugt > 50 mm/s, liegt.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Focus des Lasers etwa in der Mitte des Werkstücks liegt.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei hinter dem Laser eine Sprühdüse geführt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Werkstoff vor der Trennung entlang der Trennlinie vorgeheizt wird.
9. Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes, mit einem Laser mit einer Absorptionslänge in der Größenordnung der Werkstücksdicke und einer Bestrahlung des Werkstoffes in einer Breite von höchstens 1 mm, bevorzugt höchsten 0.3 mm.
10. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Leistungsdichte von mindestens 100 W/cm , bevorzugt mindestens W/cm2 mm.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 mit einer Leistungsdichte von höchstens W/cm2, bevorzugt höchstens W/cm2 mm.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, mit einer Geschwindigkeit des Laserstrahles von > 1 mm/s, bevorzugt > 50 mm/s, liegt.
13. Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13 Trennen eines Werkstoffes, wie Glas, Keramik und Kunststoff, insbesondere Flachglas, Glasrohren und Glasstangen.
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