Verfahren zum Bearbeiten eines plattenartigen Werkstückes mit einer transparenten, gläsernen, glasartigen, keramischen und/oder kristallinen Lage, Trennvorrichtung für ein derartiges Werkstück sowie Produkt aus einem derartigen Werkstück
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines plattenartigen Werkstückes mit einer transparenten, gläsernen, glasartigen, keramischen und/oder kristallinen Lage, vorzugsweise zum Bearbeiten eines plattenartigen Werkstücks für die Herstellung von Scheiben für Bildschirme, wobei aus dem plattenartigen Werkstück mehrere Teilabschnitte austrennt werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Trennvorrichtung für ein derartiges Werkstück sowie ein Produkt aus einem derartigen Werkstück.
Beispielsweise werden bei der Herstellung von Scheiben für einen Bildschirm aus einer relativ großen Glasscheibe mehrere Teilabschnitte ausgetrennt, die als einzelne Scheiben weiterverarbeitet werden. Dabei stellt das Durchtrennen von Glas oder ähnlichen Materialien besondere Anforderungen an den Trennprozess. Dies begründet sich in der meist sehr hohen Spröde und Härte solcher Materialien, die ein kontrolliertes Durchtrennen erschweren. Beispielsweise ist es bekannt, Glastafeln in einem relativ aufwändigen Verfahren mittels Diamant- Schneidwerkzeugen zu durchtrennen.
Der WO 2010/077845 A1 ist ein Verfahren zum Trennen von Glas oder glasartigem Material zu entnehmen, bei welchem mittels eines Laserstrahls das
BESTÄTIGUNGSKOPIE
Material abgetragen wird, wobei durch den Laserstrahl auch eine Phase an der Schnittkante erzeugt wird.
Ein Verfahren zum Trennen eines transparenten Materials ist beispielsweise in der WO 2012/006736 A2 beschrieben. In einem ersten Schritt wirkt ein Laserstrahl an verschiedenen Stellen auf das Material ein, wodurch Filamente in dem Material erzeugt werden. Die sich ergebenden Filamente verlaufen entlang der zu erzeugenden Trennlinie, an der das Material anschließend gespalten wird. Aus der WO 2011/025908 A1 ist ein Verfahren zum Schneiden von gehärtetem Glas bekannt, bei welchem mittels Laserstrahlung innere Spannung entlang einer Trennlinie in das Glas eingebracht wird. Durch eine nachfolgende zweite Laserbestrahlung wird ein Riss erzeugt, der sich entlang der Trennlinie ausbreitet. Ähnliche Verfahren werden außerdem durch die US 2010/0291353 A1 , EP 2 258 512 B1 und EP 1 777 031 B1 beschrieben.
Sämtliche bekannten Verfahren stimmen darin überein, dass die Teilabschnitte zunächst aus der großen Tafel ausgetrennt werden und anschließend einzeln weiterverarbeitet werden. Gegebenenfalls können die Einzelscheiben nachträglich weiter funktionalisiert werden. Optional könnten die Teilabschnitte auch schon vor dem Austrennen funktionalisiert werden. Dies bringt aber das Risiko mit sich, dass die funktionalisierten Bereiche während des relativ aufwändigen Austrennvorgangs der Einzelscheiben beeinträchtig werden können. Ausgehend vom Stand der Technik hat sich die Erfindung zur Aufgabe gesetzt, ein Bearbeitungsverfahren, eine Trennvorrichtung bzw. ein Produkt aus einem plattenartigen Werkstückes bereitzustellen, die eine flexiblere Prozessführung ermöglichen, welche sich zudem durch eine vereinfachte Werkstückhandhabung auszeichnet.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 , eine Trennvorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 11 sowie ein Produkt mit den Merkmalen von Anspruch 13.
Gemäß dem verfahrensmäßigen Aspekt der Erfindung werden zum Austrennen von Teilabschnitten aus dem plattenartigen Werkstück die Teilabschnitte zunächst unvollständig von dem übrigen Werkstück getrennt. Bei dem Trennvorgang werden entlang der gewünschten Außenkontur der auszutrennenden Teilabschnitte Ausnehmungen eingebracht. Die Ausnehmungen erstrecken sich in Lagendickenrichtung vollständig durch zumindest die eine Lage.
Insbesondere ergeben sich aufgrund der Ausnehmungen Trennspalten zwischen den aufzutrennenden Teilabschnitten und dem jeweiligen übrigen Werkstück, die sich zumindest umfangsabschnittsweise über die gesamte Lagendicke erstrecken. Unter dem übrigen Werkstück sind entweder das Restwerkstück oder andere aufzutrennende Teilabschnitte zu verstehen. Vorzugsweise kann das Restwerkstück als ein stabilisierendes Restgitter ausgebildet sein. Insbesondere kann das Restgitter zu diesem Zweck sämtliche Teilabschnitte vollständig umgeben, d. h. die Teilabschnitte bilden lediglich Innenausschnitte des plattenartigen Werkstücks. Um Material zu sparen, kann es auch von Vorteil sein, die plattenartigen Werkstücke derart vorzutrennen, dass kein Restwerkstück (Restgitter) übrig bleibt, sondern sich nur auszutrennende Teilabschnitte ergeben.
Erfindungsgemäß sind die Teilabschnitte zunächst nicht vollständig von dem übrigen Werkstück getrennt. Die in Lagendickenrichtung durchgehenden Ausnehmungen bzw. Trennspalten umgeben die Teilabschnitte nicht vollständig, sondern sind derart angeordnet, dass die Teilabschnitte jeweils durch zumindest eine stegartige Restverbindung mit dem übrigen Werkstück verbunden bleiben. Die stegartige Restverbindung ist im Vergleich zu den Längs- und Querseiten des zugeordneten Teilabschnitts wesentlich schmaler. Insbesondere beträgt die Stegbreite zumindest an der Verbindungsstelle mit dem Teilabschnitt weniger als 1% der Länge bzw. Breite des Teilabschnitts. Beispielsweise ist zumindest eine stegartige Restverbindung zwischen zwei in Umfangsrichtung um den Teilabschnitt aufeinanderfolgenden in Werkstückdickenrichtung durchgehenden Ausnehmungen bzw. Trennspalten angeordnet.
Durch das unvollständige Trennen bleibt ein fester Verbund aus den aufzutrennenden Teilabschnitten und ggfs. dem Restwerkstück bestehen. Die Vereinzelung der Teilabschnitte erfolgt erst anschließend. Dieser Verbund mit teilweise getrennten, aber über Stege miteinander verbundenen Teilabschnitten bildet ein Produkt des plattenartigen Werkstücks nach einem erzeugnismäßigen Aspekt der Erfindung.
Des Weiteren stellt eine Trennvorrichtung, mittels derer ein derartiger Verbund aus einem plattenartigen Werkstück herstellbar ist, einen vorrichtungsmäßigen Aspekt der Erfindung dar. Vorzugsweise ist die Trennvorrichtung Teil einer Anlage zum Bearbeiten eines plattenartigen Werkstückes, welche eine Vereinzelungsvorrichtung aufweist, mittels derer die unvollständig getrennten Teilabschnitte unter Trennung der stegartigen Restverbindungen vereinzelbar sind.
Dank der Erfindung wird die Prozessführung flexibler und vereinfacht sich die Werkstückhandhabung, da die Vereinzelung nicht mehr sehr früh zu Beginn des Herstellungsprozesses erfolgen muss. Die Teilabschnitte aus einer Werkstückplatte können ohne Weiteres gemeinsam gehandhabt, z. B. transportiert, werden.
Die Erfindung findet Verwendung bei plattenartigen Werkstücken, die zumindest eine transparente, gläserne, glasartige, keramische und/oder kristalline Lage bzw. Schicht aufweisen. Beispielsweise handelt es sich um eine Lage aus Siliziumoxid basiertem, transparentem Glas. Demnach kann die Lage insbesondere auch zwei, drei oder mehr der genannten Eigenschaften aufweisen. Die Lage kann also sämtliche möglichen Unterkombinationen der aufgeführten Eigenschaften (soweit nicht widersprüchlich, wie insbesondere gläsern und kristallin) besitzen. Als gläserne Lagen kommen z. B. Lagen mit gehärtetem oder ungehärtetem Glas in Betracht. Saphir ist ein weiteres Beispiel für ein Material einer Lage, bei welcher die Erfindung vorteilhaft angewendet wird.
Als transparent ist insbesondere eine Lage anzusehen, die für Strahlung bei zumindest einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 pm bis 11 μιτι, insbesondere von
0,2 μιη bis 2 μιη, transparent ist, d. h. nicht bzw. nur in geringem Umfang absorbierend ist.
Das plattenartige Werkstück kann lediglich diese eine Lage bzw. Schicht aus transparentem, gläsernem, glasartigem, keramischem und/oder kristallinem Material aufweisen. Sie kann aber auch eine oder mehrere zusätzliche Lagen bzw. Schichten aufweisen, die ganz oder teilweise auch transparent, gläsern, glasartig, keramisch und/oder kristallin sind. Vorzugsweise werden die zusätzliche Lage bzw. die zusätzlichen Lagen im selben Trennverfahren wie die eine Lage unvollständig getrennt und anschließend zum Vereinzeln vollständig durchtrennt. Es ist aber auch möglich, dass die zusätzliche Lage bzw. die zusätzlichen Lagen auf andere Weise vorher oder später getrennt werden.
Im Speziellen findet das erfindungsgemäße Bearbeitungsverfahren, die erfindungsgemäße Trennvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Produkt vorteilhafterweise Anwendung bei der Herstellung von Scheiben für Bildschirme. Dabei kann es sich beispielsweise um große Bildschirme für Flachbildmonitore oder kleine Displays für Mobiltelefone oder andere ähnliche Anzeigeeinrichtungen handeln. Von Vorteil ist die Erfindung bei diesen Artikeln vor allem, weil es sich bei Scheiben für Bildschirme i. R. um Massenartikel handelt, die jedoch hohe Qualitätsanforderungen erfüllen müssen, so dass die sich durch die Erfindung ergebenden herstellprozessualen Vorteile dort besondere Bedeutung erhalten.
Im Falle einer bevorzugten Ausführungsvariante werden die Teilabschnitte unter Verwendung von Laserstrahlung unvollständig von dem übrigen Werkstück getrennt. Beispielsweise kann dies durch eine abtragende Laserbearbeitung erfolgen. Die erfindungsgemäße Trennvorrichtung kann folglich eine Laserbearbeitungsvorrichtung, z. B. zur abtragenden Laserbearbeitung, aufweisen. Laserstrahlung als Werkzeug zum unvollständigen Trennen der Teilabschnitte zeichnet sich u. a. durch eine hohe Flexibilität und Genauigkeit aus.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt die unvollständige Trennung mittels laserinduzierten selektiven Ätzens. Das generelle Verfahren des
laserinduzierten selektiven Ätzens ist beispielhaft beschrieben in den Fachartikeln „Y. Bellouard et al., „The Femtoprint Projekt", JLMN-Journal of Laser Mirco/Nanoengineering, Seiten 1 bis 10, Vol. 7, No. 1 , 2012" und „Y. Bellouard, Fabrication of high-aspect ration, micro-fluidic Channels and tunnels using femtosecond laser pulses and chemical etching", Optics Express, Seiten 2120 bis 2129, Vol. 12, No. 10, 2004". Der Inhalt der Fachartikel wird durch Bezugnahme aufgenommen.
Im Wesentlichen weist das laserinduzierte selektive Ätzen zwei Prozessschritte auf. In einem ersten Schritt wird das Material der Lage mittels Laserstrahlung modifiziert. Dabei erfolgt im Wesentlichen kein Abtragen des Materials, sondern nur bereichsweise eine strukturelle Modifikation. Diese Modifikation kann insbesondere nicht nur in Bereichen der Oberfläche der Lage, sondern auch in inneren Bereichen der Lage erfolgen, wozu das Material aber für die verwendete Laserstrahlung zumindest teilweise transparent sein muss. Ansonsten würde die Laserstrahlung im Bereich der Oberfläche absorbiert werden, bevor eine Modifikation der inneren Bereiche erfolgen kann. Hierbei wird ausgenutzt, dass die gewünschte Modifikation im Volumen oberhalb eines Schwellwerts für die absorbierte Fluenz erfolgt. In Verbindung mit einer harten Fokussierung im Volumen wird eine Schwellfluenz in einem kleinen Volumenelement überschritten, während das Material in den übrigen Volumenbereichen ohne nennenswerte Modifikation durchdrungen wird. Dabei kann eine Restabsorption eine ausreichende Absorption für eine gewünschte Modifikation bewirken oder hervorrufen. Vorteilhaft kann der Effekt der nichtlinearen Absorption, initiiert durch Mehrphotonen-, Tunnelionisation und/oder weiterer Effekte, genutzt werden. Wesentlich ist, dass durch diese oder andere Effekte und deren Kombination eine geeignete geometrische Anordnung von modifizierten Volumenelementen ausgebildet werden kann, so dass sich ein selektiv ätzbares Volumen ergibt. Vor diesem Hintergrund wird das laserinduzierte Ätzen zum unvollständigen Trennen vorzugsweise bei Verfahrens- bzw. Produktvarianten verwendet, bei denen das plattenartige Werkstück zumindest eine Lage aus transparentem Material aufweist.
In einem zweiten Prozessschritt erfolgt das selektive Ätzen der Lage. Beispielsweise wird das lasermodifizierte Werkstück für eine bestimmte Zeit in ein Ätztauchbad gegeben. Der Ätzprozess kann z. B. mit einer niederprozentigen wässrigen Lösung von Flusssäure erfolgen. Eine höhere Selektivität kann durch Ätzen mit einer alkalischen Lösung (bspw.: 30 Gew.-% KOH-Lösung) bei 85 °C im Ultraschallbad erreicht werden. Die vorher laserinduzierten Modifikationen bewirkten, dass nur die modifizierten Bereiche der Lage durch das Ätzen entfernt werden. Die verdünnte Flusssäure bringt die Hauptkomponente des Glases in Lösung, wohingegen eine alkalische Lösung linear zeitabhängig das Glasnetzwerk auflöst. Die unmodifizierten Bereiche der Lage bleiben je nach Ausprägung der laserinduzierten Selektivierung bei dem Ätzprozess mehr oder weniger unverändert.
Ein wesentlicher Vorteil des laserinduzierten selektiven Ätzens ist die sehr hohe Formfreiheit der erzeugbaren Ausnehmungen. So können beispielsweise sogar Bereiche auf der von der Laservorrichtung abgewandten Oberfläche der Lage modifiziert und anschließend beim Ätzen entfernt werden, ohne dass auch die dazwischen liegenden Bereiche der Lage entfernt werden müssen (z. B. zur Ausbildung von Hinterschnitten, Rücksprüngen usw.).
Ein weiterer Vorteil ist die hohe Qualität der sich ergebenden Trennfläche. So werden Risse oder andere Beeinträchtigungen durch z. B. einen zu hohen Wärme- oder Krafteintrag wie bei anderen Trennverfahren vermieden. Die Ausprägung der Selektivität des Ätzens aufgrund der Lasermodifikation kann unterschiedlich gewählt werden. So kann beispielsweise eine gewisse, aber dennoch reduzierte Materialabtragung an der unmodifizierten Oberfläche der Lage gewünscht sein. Des Weiteren können Masken verwendet werden, um bestimmte Oberflächenbereiche der Lage beim Ätzen vollständig zu schützen. Es ist denkbar, zusätzlich zu dem selektiven Ätzvorgang einen nicht-selektiven Ätzvorgang vorzusehen. In einem Zweistufen-Prozess kann die laserinduzierte Modifikation zunächst durch Ätzen, z. B. in KOH-Lösung, entfernt werden und in einem anschließenden, weniger selektiven Ätzschritt, z.B. in verdünnter HF-Lösung, die
Werkstückoberfläche geglättet werden.
Im Falle der Verwendung des laserinduzierten selektiven Ätzens weist die erfindungsgemäße Trennvorrichtung eine Laserbearbeitungsvorrichtung mit zumindest einem Laserbearbeitungsstrahl zur Modifikation der Lage auf. Die Laserbearbeitungsvorrichtung weist beispielsweise eine Scanneroptik auf und/oder ist mit sich überlagernden Bewegungsachsen ausgestatten, um einen hochdynamischen Laserbearbeitungsprozess zu ermöglichen. Außerdem umfasst die Trennvorrichtung in diesem Fall zumindest eine Ätzvorrichtung, z. B. ein Ätztauchbad.
Vorzugsweise wird ein Laserstrahl mit insbesondere einer Pulsdauer zwischen 100 und 10000 Femtosekunden und/oder mit einer Wellenlänge zwischen 0.2 bis 2 μηι verwendet.
Bei einer bevorzugten Variante weist der Laserstrahl vor der Fokusieroptik zumindest nahezu einen Grundmode (Beugungsmaßzahl M2 < 1.5) oder einen Grundmode mit Phasensingularität (Vortex, Beugungsmaßzahl M2 < 3) auf. Eventuell ist er strahlgeformt.
Durch ein funktionssicheres Vereinzeln der Teilabschnitte zeichnet sich eine Erfindungsvariante aus, bei welcher wenigstens eine stegartige Restverbindung gebildet wird, welche zumindest abschnittsweise eine im Vergleich zur Lagendicke reduzierte Stegdicke aufweist. In diesem Sinne weist das erfindungsgemäße Produkt folglich zumindest eine entsprechend ausgebildete stegartige Restverbindung auf. Es wird auf diese Weise sichergestellt, dass der Steg leichter durchtrennt werden kann, als andere Bereiche des plattenartigen Werkstückes. Durch denselben Vorteil, nämlich durch eine hohe Funktionssicherheit des Vereinzelungsprozesses, zeichnet sich eine weitere Erfindungsvariante aus, bei welcher wenigstens eine stegartige Restverbindung gebildet wird, welche zumindest eine Sollbruchstelle an der Verbindungsstelle mit dem zugeordneten
Teilabschnitt aufweist. Beispielsweise kann die Sollbruchstelle durch eine reduzierte Dicke des Steges an dieser Stelle, eine Materialschwächung durch lokale Spannungen und/oder Perforationen bzw. durch Kanäle erzeugt werden. Insbesondere wird die Sollbruchstelle beim unvollständigen Trennen, vorzugsweise beim laserinduzierten selektiven Ätzen, eingebracht.
In absoluten Werten sind eine Stegbreite und/oder -dicke an der Verbindungsstelle bevorzugt, die kleiner als 50 pm sind. Beispielsweise weist die Lage des plattenartigen Werkstücks bzw. das Werkstück insgesamt eine Dicke von 0,1 bis 10 mm auf. Die Fläche der auszutrennenden Teilabschnitte beträgt z. B. 5 bis 3000 cm2.
Generell sei angemerkt, dass, wenn oben oder nachstehend eine vorteilhafte Ausbildung zumindest einer stegartigen Restverbindung erläutert wird, es von besonderem Vorteil ist, wenn eine Vielzahl an stegartigen Restverbindungen (soweit überhaupt vorgesehen) in entsprechender Weise ausgebildet ist. Vorzugsweise sind zumindest nahezu sämtliche stegartigen Restverbindungen weitgehend einheitlich ausgebildet. Im Falle eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel wird wenigstens eine stegartige Restverbindung gebildet, deren Verbindungsstelle mit der Außenkontur des zugeordneten Teilabschnitts gegenüber zumindest einer Außenkante des Teilabschnitts in Lagendickenrichtung und/oder in Richtung der Teilabschnittshauptebene rückversetzt ist. Auf diese Weise kann zumindest an einer Seite der Teilabschnitte eine umlaufend einheitliche Kantengeometrie vorgesehen werden. Durch den Rückversatz kann es auch ermöglicht werden, dass die Trennflächen der Verbindungsstellen, welche beim Vereinzeln gebildet werden und eventuell von geringerer Qualität sind, als die Trennflächen, die durch das unvollständige Trennen gebildet werden, am späteren Endprodukt nicht sichtbar bzw. durch die Kanten verdeckt sind.
Um eine eventuell erforderliche Nachbearbeitung der Teilabschnitte zu vermeiden, wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiels bereits bei der unvollständigen
Trennung der Teilabschnitte entlang der Außenkontur der Teilabschnitte eine von einer umlaufenden scharfen Kante abweichende Kantengeometrie eingebracht. Beispielsweise kann ein Radius, eine Phase, eine Rille und/oder ein Rücksprung eingebracht werden. Es ergibt sich ein Produkt mit über stegartige Restverbindungen verbundenen Teilabschnitten, die entsprechend geformte Kanten aufweisen. Insbesondere kann diese zusätzliche Werkstückbearbeitung ohne größeren Zusatzaufwand durch das laserinduzierte selektive Ätzen erfolgen.
Im Sinne der Einsparung von zusätzlichen separaten Bearbeitungsschritten bzw. Bearbeitungsstationen ist auch eine Variante von Vorteil, bei welcher bei der unvollständigen Trennung der Teilabschnitte eine weitere Modifikation der Teilabschnitte, wie eine zusätzliche Strukturierung erfolgt. Die Strukturierung kann beispielsweise in Form von Löchern, Innenkonturen, Oberflächenstrukturierungen, Sacklöchern, Hinterschnitten oder anderen flexiblen 3D-Strukturierungen der Teilabschnitte vorgesehenen sein. Alternativ oder ergänzend kann bei der unvollständigen Trennung auch eine Modifikation optischer oder mechanischer Materialeigenschaften erfolgen. So sind beispielhaft die bereichsweise Änderung des Brechungsindexes, das Einbringen von optischen Gitterstrukturen, von Innenmarkierungen und/oder von gezielten Spannungszonen zu nennen. Es ergibt sich ein Produkt mit über stegartige Restverbindungen verbundenen Teilabschnitten, die strukturiert bzw. modifiziert sind. Diese Strukturierungen bzw. Modifikationen lassen sich auf besonders einfache und flexible Weise bei einem laserinduzierten selektiven Ätzen ausführen. Das Vereinzeln der Teilabschnitte kann auf sehr unterschiedliche Arten erfolgen, wobei es insbesondere nach einem anderen Trennverfahren erfolgt als die unvollständige Trennung der Teilabschnitte. Besonders vorteilhaft kann ein schwingungs-, thermisch- oder laserinduziertes Brechen aber auch ein abtragendes Verfahren, z. B. mittels eines Laserstrahls sein.
Im Falle eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels erfolgt die Vereinzelung, d. h. das Durchtrennen der stegartigen Restverbindungen durch mechanisches Brechen. Insbesondere wird ein Abschnitt des plattenartigen
Werkstücks um eine Bruchlinie relativ zu einem anderen Abschnitt bewegt, z. B. verdreht, so dass durch Brechen des plattenartigen Werkstückes entlang der Bruchlinie die Abschnitte voneinander getrennt werden. Dieser Vorgang kann mehrfach entlang unterschiedlicher Bruchlinien wiederholt werden, bis sämtliche Teilabschnitte vereinzelt sind. Vorzugsweise sind die Bruchlinien geradlinig. Dies wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass jeweils mehrere Verbindungsstellen von stegartigen Restverbindungen mit den Außenkonturen der Teilabschnitte jeweils entlang einer Gerade angeordnet sind, die jeweils eine dieser geradlinigen Bruchlinien definiert. Zusätzlich kann ein eventuell vorgesehenes Restgitter ebenfalls Sollbruchstellen bzw. Ausnehmungen entlang der geradlinigen Bruchlinien aufweisen.
Beispielsweise können die stegartigen Restverbindungen zum Durchtrennen auch, vorzugsweise einzeln, unter Zugspannung gesetzt werden. Um besonders wirkungsvoll einzelne stegartige Verbindungen unter Zugspannung setzen zu können, werden z. B. Hilfsausnehmungen in das übrige Werkstück in einem Bereich eingebracht, der an die Verbindungsstelle der stegartigen Restverbindung mit dem übrigen Werkstück (z. B. dem Restwerkstück, insbesondere dem Restgitter) angrenzt. Die Hilfsausnehmungen sind derart gestaltet, dass die Verbindungsstellen mitsamt der stegartigen Restverbindung leichter und einzeln von dem angebundenen Teilabschnitt weggedrückt werden können. Die auf diese Weise einbringbare Zugspannung bewirkt ein Brechen der stegartigen Restverbindungen. Die erfindungsgemäße Anlage zum Bearbeiten des plattenartigen Werkstücks weist eine Vereinzelungsvorrichtung auf, welche zum Durchführen der vorstehend beschriebenen möglichen Vereinzelungsmethoden ausgebildet ist. Außerdem weist das (Zwischen-)Produkt des plattenartigen Werkstückes Teilabschnitte auf, die über stegartige Restverbindungen verbundenen sind, wobei die Rest- Verbindungen für die beschriebenen Vereinzelungsmethoden ausgebildet und angeordnet sind.
Vorzugsweise erfolgt zwischen der unvollständigen Trennung und dem Vereinzeln
der Teilabschnitte eine weitere Bearbeitung der Teilabschnitte. Mehrere Teilabschnitte sind bei dieser Bearbeitung noch über stegartige Restverbindungen miteinander verbunden. Im Vergleich zu einer Bearbeitung von einzelnen Teilabschnitten ergibt sich eine einfachere Handhabung und eventuelle eine Verkürzung der Bearbeitungszeit. Beispielsweise kann - soweit eine Glaslage vorhanden ist - eine Glashärtung erfolgen. Bei Verfahren ohne das vorbereitende unvollständige Trennen der Teilabschnitte kann eine Glashärtung entweder vor dem vollständigen Austrennen bzw. Vereinzeln der Teilabschnitte erfolgen oder danach. Wenn die Härtung vorher erfolgt, sind die Trennflächen der Teilabschnitte nicht gehärtet. Dies ist vor allem nachteilig, weil Zugspannungen, die sich in dem inneren, ungehärteten Volumen der Glaslage ergeben, nicht eingeschlossen sind. Wenn die Härtung nach dem vollständigen Austrennen erfolgt, können die Teilabschnitte einer Glastafel nicht mehr als Verbund gehandhabt werden, sondern müssen einzeln gehärtet werden.
Im Falle einer besonders bevorzugten Variante sind die stegartigen Verbindungen derart gestaltet, dass auch die Verbindungsbereiche der Außenkontur der Teilabschnitte, an welche die stegartigen Restverbindungen angebunden sind, bei einer Glashärtung gehärtet werden. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass die stegartigen Restverbindungen im Bereich ihrer Verbindungsstellen mit den Teilabschnitten eine derartige Dicke und/oder Breite aufweisen, dass eine Diffusion zu den Verbindungsbereichen erfolgen kann. Im Speziellen ist dies der Fall, wenn die Stegbreite und/oder -dicke zumindest an den Verbindungsstellen kleiner als 50 μιη beträgt. Alternativ oder ergänzend kann die Härtung der Verbindungsbereiche auch durch Mikrokanäle unterstützt werden, welche im Bereich der Verbindungsstellen, vorzugsweise durch ein laserinduziertes Ätzen, eingebracht werden.
Durch die Bearbeitung kann aber auch eine weitere Funktionalisierung bzw. eine Integration von weiteren Funktionen oder auch Bauelementen an den Teilabschnitten erfolgen. Dank des vereinfachten anschließenden Vereinzelungsvorgangs ist das Risiko der Beschädigung der funktionalisierten bzw. höher integrierten Teilabschnitte niedriger als bei einer Vereinzelung ohne vor-
bereitendes Freitrennen. Das Produkt aus dem plattenartigen Werkstück ist mit über stegartige Restverbindungen verbundenen demgemäß bearbeiteten Teilabschnitten versehen.
Die erfindungsgemäße Anlage zum Bearbeiten des plattenartigen Werkstücks kann eine Bearbeitungsvorrichtung aufweisen, welche zum Durchführen einer Bearbeitung der Teilabschnitte, insbesondere gemäß der vorstehend beschriebenen Bearbeitungen, geeignet, der Trennvorrichtung nachgeschaltet und der Vereinzelungsvorrichtung vorgeschaltet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 : eine Anlage zum Bearbeiten von plattenartigen Werkstücken, insbesondere von Glastafeln zum Herstellen von Glasscheiben für Bildschirme,
Figur 2: eine Prinzipdarstellung der Modifikation eines inneren
Bereiches einer transparenten Glastafel mittels eines
Laserstrahls
Figur 3: ein erstes Beispiel eines Produkts eines plattenartigen
Werkstückes, insbesondere einer Glastafel, mit mehreren, über stegartige Restverbindungen verbundene Teilabschnitten
Figur 4: ein zweites Beispiel eines Produkts aus einem plattenartigen Werkstück, insbesondere aus einer Glastafel, mit mehreren, über stegartige Restverbindungen verbundenen
Teilabschnitten und
Figuren 5 bis 12: vier Beispiele für stegartige Restverbindungen eines
Produkts aus einem plattenartigen Werkstück, ins-
besondere aus einer Glastafel, jeweils in einer Draufsicht und einer Schnittdarstellung und
Figur 13: einen Ausschnitt eines dritten Beispiels eines Produkts aus einem plattenartigen Werkstück, insbesondere aus einer Glastafel, mit mehreren, über stegartige Restverbindungen verbundenen Teilabschnitten.
Figur 1 zeigt eine Anlage 1 zum Bearbeiten eines plattenartigen Werkstückes. Insbesondere ist die Anlage zum Bearbeiten eines plattenartigen Werkstückes aus einer einzelnen transparenten Glaslage ausgebildet. Im Speziellen erfolgt auf der Anlage eine Bearbeitung einer Glastafel 2 für die Herstellung von einzelnen Scheiben für die Verwendung in Bildschirmen. Die Anlage 1 umfasst in Figur 1 von links nach rechts eine Beladevorrichtung 3, eine Trennvorrichtung 4, eine weitere Bearbeitungsvorrichtung 5 sowie eine Vereinzelungsvorrichtung 6, die zugleich als Entladevorrichtung ausgebildet ist. Ein Förderband 7 dient zum Transportieren der Glastafeln 2 in Figur 1 von links nach rechts. Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten der Anlage 1 ausführlicher beschrieben.
Die Beladevorrichtung 3 weist beispielsweise einen Saugerrahmen mit mehreren Saugern 8 auf, mittels derer eine Glastafel 2 von oben ergriffen werden kann und von einem Werkstückstapel 9 auf das Förderband 7 abgelegt werden kann.
Die Trennvorrichtung 4 bildet eine Vorrichtung zum laserinduzierten selektiven Ätzen, mittels derer eine unvollständige Trennung von Teilabschnitten 17 der Glastafel 2 unter Beibehaltung von stegartigen Restverbindungen durchgeführt wird. Sie weist eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10 und zumindest ein Ätztauchbad 11 auf.
Mittels der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 kann ein Laserstrahl 12 (Figur 2) auf verschiedene Bereiche der Glastafel 2 fokusiert werden. Zu diesem Zweck besitzt
die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 z. B. eine nicht gezeigte Laseroptik, mittels derer der Fokus des Laserstrahls 12 entlang mehrerer - eventuell auch einander überlagernder Bewegungsachsen - relativ zur Glastafel 2 bewegt werden kann. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Laserstrahl 12 um einen gepulsten Laserstrahl 12. Vorzugsweise wird ein Laserstrahl 12 mit einer Pulsdauer zwischen 100 und 10000 Femtosekunden verwendet. Die Wellenlänge des Laserstrahls 12 liegt bevorzugt zwischen 0.2 und 2 μιτι. Der Rohlaserstrahl weist zumindest nahezu einen Grundmode und eine Beugungsmaßzahl von M2 < 1.5 auf.
In Figur 2 ist eine Prinzipdarstellung der Lasermodifikation an der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 gezeigt. Generell kann der Laserstrahl 12 die für die Wellenlänge weitgehend transparente Glastafel 2 passieren. Lediglich im Bereich des Laserfokus erfolgt eine Modifikation des Materials durch nicht lineare Absorption des Laserstrahls. Nach und nach kann eine Vielzahl an zusammenhängenden Bereichen auf diese Weise modifiziert werden. In Figur 2 sind beispielhaft zwei benachbarte, modifizierte Bereiche 13 angedeutet, die im Inneren der Glastafel 2 angeordnet sind. Beispielsweise hat ein einzelner modifizierter Bereich 13 parallel zur Laserstrahlachse eine Ausdehnung von 1 bis 20 Mm und senkrecht zur Laserstrahlachse eine Ausdehnung von 0,5 bis 5 pm.
Der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 nachgeschaltet weist die Trennvorrichtung 4 zumindest ein Ätztauchbad 1 1 auf, in welcher die Glastafeln 2 eingetaucht werden. Beispielsweise ist das Ätztauchbad 1 1 mit einer alkalischen Lösung, z. B. einer 30 Gew.-% KOH-Lösung, bei 85°C versehen. Die Ätzlösung, die Verweildauer der Glastafeln 2 im Ätztauchbad 1 1 , die Temperatur der Ätzlösung und die Art der Lasermodifikation sind derart aufeinander abgestimmt, dass die modifizierten Bereiche 13 entfernt werden, während sich die unmodifizierten Bereiche nicht oder nur in wesentlich geringem Maße auflösen. Es versteht sich, dass ein zu entfernender Bereich, der aus mehreren modifizierten Bereichen 13 bestehen kann, an die Oberfläche der Glastafel 2 angrenzen und nicht von unmodifizierten Bereichen umschlossen sein sollte, damit die Ätzlösung zu diesen gelangen kann.
Dem Ätztauchbad 11 ist ein weiteres Tauchbad 15 zum Entfernen von Resten der Ätzlösung nachgeschaltet. Es können aber auch noch weitere, nicht-gezeigte Ätztauchbäder bzw. eine Vorrichtung zum Anbringen von Ätzschutzmasken usw. vorgesehen sein.
Die Bearbeitungsvorrichtung 5, die der Trennvorrichtung 4 nachgeschaltet ist, dient beispielsweise zur Glashärtung oder zur weiteren Funktionalisierung bzw. Integration von weiteren Funktionen oder Bauteilen an den unvollständig ausgetrennten Teilabschnitten 17.
Die Vereinzelungsvorrichtung 6 ist, vergleichbar der Beladevorrichtung 3, mit mehreren Sauger 16 versehen, welche die Glastafel 2 von oben ergreifen können. Die Sauger 16 sind unabhängig voneinander um einen Vereinzelungshub heb- und senkbar, so dass die Sauger 16 verschiedene Bereiche einer festgelegten Glastafel 2 zueinander bewegen, z. B. tordieren, können. Durch die Relativbewegung können die stegartigen Restverbindungen durchbrochen werden und somit die Teilabschnitte 17 vereinzelt werden. Die vereinzelten Teilabschnitte 17 und gegebenenfalls ein Restgitter 18 werden mittels der Vereinzelungsvorrichtung 6 auf verschiedenen Stapeln 19, 20 abgelegt.
Zusammenfassend lässt sich die Bearbeitung der Glastafeln 2 in der Anlage 1 wie folgt beschreiben. Zunächst werden die Glastafeln 2 mittels der Beladevorrichtung 3 auf das Förderband 7 abgelegt. An der Trennvorrichtung 4 werden mittels laserinduzierten Ätzens mehrere Teilabschnitte 17 unvollständig von dem übrigen Werkstück getrennt. Dabei werden entlang der Außenkontur der Teilabschnitte 17 Ausnehmungen eingebracht, die durch die Glastafel 2 hindurchgehen. Die Teilabschnitte 17 bleiben aber noch durch stegartige Restverbindungen mit dem übrigen Werkstück verbunden. Das sich somit ergebende Produkt wird an der Bearbeitungsvorrichtung 5 einer weiteren Bearbeitung (Glashärtung, Funktionalisierung, Integration) unterzogen. Anschließend werden die Teilabschnitte 17 unter Trennung der stegartigen Restverbindungen an der Vereinzelungsvorrichtung 6 vereinzelt und auf Stapeln 19, 20 abgelegt.
In Figur 3 ist eine Draufsicht auf ein Beispiel für ein Produkt 21 der Glastafel 2 nach Verlassen der Trennvorrichtung 4 gezeigt. Das Produkt 21 weist mehrere Teilabschnitte 17 auf, die jeweils unvollständig von dem übrigen Werkstück in Vorbereitung auf die nachfolgende Vereinzelung getrennt sind. Die Teilabschnitte 17 sind identisch ausgebildet. Entlang ihrer Außenkontur 22 sind Ausnehmungen 23 eingebracht, die durch mehrere stegartige Restverbindungen 24 unterbrochen sind. Die Restverbindungen sind in Figur 3 nur durch schwarze Punkte dargestellt, deren Positionen am Beispiel eines der Teilabschnitte 17 mit gestrichelten Kreisen 25 verdeutlicht werden. Insgesamt sind acht Teilabschnitte 17 unvollständig ausgetrennt, die von einem zusammenhängenden Restgitter 18 umgeben sind. Die Teilabschnitte 17 weisen jeweils einen Innenausschnitt 26 auf, der ebenfalls auf der Trennvorrichtung durch laserinduziertes selektives Ätzen erstellt wurde. In Figur 4 ist ein weiteres Beispiel für ein Produkt 21 der Glastafel 2 nach dem unvollständigen Trennvorgang gezeigt. Die Teilabschnitte 17 sind identisch ausgebildet wie diejenigen des Beispiels nach Figur 3. Das Restgitter 18 unterscheidet sich aber von dem Restgitter 18 des Beispiels nach Figur 3. Das Restgitter 18 ist von geradlinigen Ausnehmungen 27 durchsetzt, die in Verlängerung der geradlinigen Ausnehmungen 23 an der Außenkontur 22 der Teilabschnitte 17 verlaufen. Dank dieser Ausnehmungen 27 im Restgitter 18 können zum Vereinzeln der Teilabschnitte 17 ganze streifenförmige Abschnitte der Glastafel 2 zueinander bewegt werden, wobei sämtliche entlang der sich ergebenden geradlinigen Bruchlinie 28 angeordneten stegartigen Rest- Verbindungen 24 durchtrennt werden. Beispielhaft ist ein solcher streifenförmiger Abschnitt in Figur 4 durch eine gestrichelte Umrandung 29 hervorgehoben.
Im Folgenden werden anhand der Figuren 5 bis 12 vier Beispiele beschrieben, wie die stegartigen Restverbindungen 24 des Produktes 21 der Glastafel 2 nach dem unvollständigen Trennvorgang gestaltet sein können. In den Figuren 5 bis 12 ist ein Ausschnitt des Produkts 21 im Bereich einer stegartigen Restverbindung 24 gezeigt. Die Figuren 5, 7, 9 und 11 zeigen jeweils eine Draufsicht des Ausschnitts, d. h. die Glastafelhauptebene verläuft parallel zur Zeichenebene. Die Figuren 6,
8, 10 und 12 zeigen jeweils eine Schnittdarstellung des Ausschnitts in einer in den Figuren 5, 7, 9, und 1 1 angedeuteten Schnittebene 37, wobei die Glastafelhauptebene senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Sämtliche Beispiele stimmen darin überein, dass die stegartige Restverbindung 24 eine im Vergleich zur Glastafeldicke reduzierte Stegdicke aufweist. Die Stegdicke und/oder -breite ist im Speziellen kleiner 50 pm.
Die Verbindungsstellen 30 der stegartigen Restverbindungen 24 mit der Außenkontur 22 des zugeordneten Teilabschnitts 17 sind gegenüber beiden Außenkanten 31 des Teilabschnitts 17 in Glastafeldickenrichtung rückversetzt. Im Falle des Beispiels gemäß den Figuren 11 und 12 ist die Verbindungsstelle 30 zudem gegenüber der oberen Außenkante 31 in Richtung der Glastafelhauptebene rückversetzt.
Sämtliche beispielhaft gezeigten stegartigen Restverbindungen 24 weisen eine Sollbruchstelle 32 an der Verbindungsstelle 30 mit der Außenkontur des zugeordneten Teilabschnitts 17 auf. Bei den Beispielen nach den Figuren 5 und 6 sowie 11 und 12 ist die Sollbruchstelle 32 durch eine Reduktion der Stegbreite und -dicke zur Verbindungsstelle 30 hin gebildet. Im Falle des in den Figuren 7 und 8 gezeigten Beispiels ist die Sollbruchstelle 32 durch Schwächung aufgrund mehrerer Mikrokanäle 33 gebildet. Bei dem Beispiel gemäß den Figuren 9 und 10 ergibt sich die Sollbruchstelle 32 durch Materialspannungen 34. Die Mikrokanäle 33 und/oder die Materialspannungen 34 sind beim laserinduzierten selektiven Ätzen mittels Lasermodifikation an der Verbindungsstelle 30 eingebracht worden. Die Mikrokanäle 33 haben zudem den Vorteil, dass durch sie eine eventuelle Härtung der Verbindungsbereiche der Außenkontur 22 der Teilabschnitte 17 an den Verbindungsstellen 30 erleichtet wird. Die Teilabschnitte 17 weisen eine von einer scharfen Kante abweichende Kantengeometrie auf. So weisen die Beispiele gemäß den Figuren 5 bis 10 an beiden Außenkanten 31 umlaufend einen Radius 35 auf. Beim Teilabschnitt 17 gemäß dem in den Figuren 1 1 und 12 gezeigten Beispiel weist die obere
Außenkante 31 auch einen Radius 35, die untere Außenkante 31 jedoch eine Phase 36 auf. Die gezeigten Kantengeometrien sind beim laserinduzierten selektiven Ätzen erzeugt worden. Der Figur 13 ist ausschnittsweise ein drittes Beispiel für ein Produkt 21 der Glastafel 2 nach dem unvollständigen Trennvorgang zu entnehmen, das weitgehend mit dem Beispiel gemäß der Figur 4 übereinstimmt. Im Unterschied zu dem Beispiel gemäß Figur 4 weist das Restgitter 18 des Produkts 21 nach Figur 13 Hilfsausnehmungen 37 bzw. Schwächungsausnehmungen auf. Jeder steg- artigen Restverbindung 24 ist eine Hilfsausnehmung 37 zugeordnet. Die Hilfsausnehmungen 37 sind in einem Bereich eingebracht, der an die Verbindungsstellen 38 der stegartigen Restverbindungen 24 mit dem Restgitter 18 angrenzt. Die Hilfsausnehmungen 37 sind derart gestaltet, dass die Verbindungsstellen 38 mitsamt den stegartigen Restverbindungen 24 leichter und einzeln von den angebundenen Teilabschnitten 17 weggedrückt werden können, um die stegartigen Restverbindungen 24 beim Vereinzeln der Teilabschnitte 17 zu brechen. Die Hilfsausnehmungen 37 wurden bei der unvollständigen Trennung mittels laserinduziertem selektivem Ätzen eingebracht. Beispielhaft wurde eine Anlage 1 bzw. ein Bearbeitungsverfahren beschrieben, bei welchem die unvollständige Trennung, eine zusätzliche Bearbeitung und die Vereinzelung der Teilabschnitte 17 in einem Fließprozess erfolgen. Alternativ kann das Bearbeitungsverfahren aber auch an verschiedenen Einzelstationen erfolgen.