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DE10200144B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes Download PDF

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Abstract

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,
c) hinter dem Laser eine Sprühdüse geführt wird.

Description

  • 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 bekannt, 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 Mikroexplosionen kommt. Bei diesem Verfahren wird eine raue Bruchkante mit Splitern erhalten.
  • In DE 44 11 037 A1 wird ein Verfahren zum Trennen von Hohlglas beschrieben, bei dem die Außenfläche entlang der gesamten Trennlinie mit einem mit hoher Relativgeschwindigkeit bewegten Laserstrahl gleichmäßig erhitzt wird. Nach dem vollständigen Einbringen der Spannungszone wird gekühlt. Spontan und unabhängig von der Geschwindigkeit des Laserstrahls breitet sich ein Riss aus.
  • Aus US 5,609,284 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem entlang der gewünschten Bruchfläche eine Risszone erzeugt wird. Dazu wird die Oberfläche eines Werkstücks aufgeheizt, was jedoch die möglichen Temperaturgradienten und Prozesszeiten beschränkt.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein wirtschaftliches und umweltfreundliches Verfahren zum Trennen von Werkstoffen bereitzustellen, wobei eine splitterfreie gezogene Trennlinie mit beliebiger Kontur erzeugt wird.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Trennen eines Werkstoffes mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, dass beliebige Konturen mit hoher Präzision geschnitten werden können. Konturen mit kleinem Krümmungsradius können dabei 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 Schnitt 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 erfolgt. Bei diesen Leistungsdichten liegt die maximale Temperatur im Werkstück unterhalb der 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 erzeugten 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. 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.
  • Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung mit Laser, Laseroptik, Sprühdüse, Heizvorrichtung, x-y-φ-Positioniervorrichtung und Spülluftanschluss verwendet.
  • Erfindungsgemäß ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Trennen eines Werkstoffes, wie Glas, Keramik und Kunststoff, insbesondere Flachglas, Glasrohren und Glasstangen vorgesehen.
    •
  • Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert.
  • Zeichnung
  • Die Zeichnung besteht aus 1. 1 zeigt einen Laser (1 ), eine Laseroptik (2), Sprühdüse (3), Heizvorrichtung (4), Werkstück (5), x-y-φ-Positioniervorrichtung oder Verfahrenseinheit (6) 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 (7)

  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, c) hinter dem Laser eine Sprühdüse geführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bestrahlung des Werkstoffes in einer Breite von höchstens 1 mm, bevorzugt höchstens 0,3 mm, erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bestrahlung des Werkstoffes mit einer Leistungsdichte von mindestens 100 W/cm2 erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Geschwindigkeit des Laserstrahles bei > 1 mm/s, bevorzugt > 50 mm/s, liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Fokus des Lasers etwa in der Mitte des Werkstücks liegt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Werkstoff vor der Trennung entlang der Trennlinie vorgeheizt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Werkstoff aus Glas, insbesondere Flachglas, Glasrohr, Glasstangen, Keramik oder Kunststoff getrennt wird.
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