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WO2009097987A1 - Verfahren zum laserschneiden eines nichtmetallischen werkstücks - Google Patents

Verfahren zum laserschneiden eines nichtmetallischen werkstücks Download PDF

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Publication number
WO2009097987A1
WO2009097987A1 PCT/EP2009/000489 EP2009000489W WO2009097987A1 WO 2009097987 A1 WO2009097987 A1 WO 2009097987A1 EP 2009000489 W EP2009000489 W EP 2009000489W WO 2009097987 A1 WO2009097987 A1 WO 2009097987A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
workpiece
laser light
generated
heat input
cutting line
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2009/000489
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Vitalij Lissotschenko
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Focuslight Germany GmbH
Original Assignee
Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG filed Critical Limo Patentverwaltung GmbH and Co KG
Publication of WO2009097987A1 publication Critical patent/WO2009097987A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/40—Removing material taking account of the properties of the material involved
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26

Definitions

  • the present invention relates to a method of laser cutting a non-metallic workpiece along at least one cutting line for producing at least two workpiece parts.
  • the surface area of the workpiece which is acted upon by the writing beam with laser light is then quenched by application of a gas and / or fluid, so that the microcracks can propagate further along the desired cutting line.
  • a gas and / or fluid With the help of two other laser beams, which hit the surface after quenching, tensile forces are induced to split the workpiece into two parts along the desired cutting line.
  • the intermediate cooling after the previous heating of the workpiece with the writing beam can also lead to unwanted material chipping in the area of the cut surfaces.
  • European Patent Application EP 1 803 538 A1 discloses a method of cutting a workpiece from a brittle material, such as glass, with laser beams.
  • a brittle material such as glass
  • two areas on the surface of the workpiece are irradiated with laser light. Between these two areas there is an area with a certain width, the in turn is not acted upon with laser light, wherein the cutting line itself is not acted upon by the laser light.
  • a cooling device is provided which can generate a cooling spot in the region of the cutting line. In the areas acted upon by the laser beams, a compressive stress is first generated. By the subsequent cooling, a tensile stress is generated in the vicinity of the cooling spot, so that the workpiece can be divided into two parts along the desired cutting line. Even with such a method, the problem may arise that it can come in the area of the cut surfaces to unwanted material chipping.
  • the present invention has for its object to provide a method for laser cutting a non-metallic workpiece, which is easy to handle and in which the problem of material eruptions in the region of the cutting surfaces of the workpiece can be effectively prevented.
  • An inventive method for laser cutting a non-metallic workpiece along at least one cutting line for generating at least two workpiece parts is characterized according to claim 1 characterized in that the workpiece is exposed to laser light in ai adjacent to the cutting line to be generated region of the workpiece, a three-dimensional heat input zone with a lateral width E locally heated such that thermally induced tensile stresses are generated in two opposite side surfaces of the workpiece, which are so large that they generate a crack, which propagates along the cutting line, so that the workpiece is divided into at least two workpiece parts, each having a cut surface.
  • An advantage of the solution according to the invention is that only at the opposite side surfaces very high tensile stresses are generated, which induce cracking and a workpiece inwardly directed crack propagation.
  • cut line is to be understood to mean straight as well as at least partially curved cut line courses.
  • the cut line courses may be curved one or more times, but linear cut line courses can be generated particularly easily and are therefore
  • different laser light sources in particular semiconductor laser diode bars, and suitable ones can be used
  • Non-metallic workpieces which can be cut into at least two parts by means of the method according to the invention may consist, for example, of silicon, glass or ceramic.
  • the workpiece is acted upon by the laser light over its entire length L at the same time. It may be provided in a particularly preferred embodiment that thermally induced elevations are generated at the two opposite side surfaces of the workpiece, which extend away from the side surfaces. These bumps may be generated due to uneven heating of the workpiece in these areas of the heat input zone. The local heat input of the laser light into the heat input zone, there due to thermal expansions to heat-induced changes in the material structure, leading to the formation of the surveys. The tensile stress-induced cracking and crack propagation thus takes place from the outside - that is, starting from the elevations of the two side surfaces - inwardly towards the center of the workpiece.
  • thermally induced tensile stresses are generated in the region of the elevations, which are higher than the elastic limit of the workpiece.
  • thermally induced tensile stresses can be generated in the region of the elevations, which are higher than the breaking stress of the workpiece. This can effectively improve cracking and crack propagation in these areas.
  • the maximum tensile stresses ⁇ x in the region of the elevations may advantageously be on the order of about 300 to about 400 N / mm 2 .
  • the heat input zone of the workpiece acted upon by the laser light have a total lateral width E of between approximately 0.25 mm and approximately 0.35 mm.
  • the heat input zone may have a total lateral width of about 0.3 mm. This ensures that the heat input over the entire length of the workpiece only takes place in a comparatively narrow, spatially limited area.
  • the thermal energy introduced by the laser light into the heat input zone is at least as great as the energy required to form the cut surfaces of the workpiece parts. It can thereby be achieved that a macrocrack once created in the region of the side surfaces can spread almost instantaneously along the desired cutting line over the entire length L from the outside inwards to the middle of the workpiece.
  • the energy introduced by the laser light into the heat input zone must therefore be at least twice the energy required to produce a cut surface
  • the total introduced into the heat input zone heat energy can also be slightly larger than the necessary energy to form the cut surfaces of the workpiece parts.
  • the wavelength ⁇ of the laser light is ⁇ 1 ⁇ m. It has been shown that at these wavelengths the cracking in the workpiece is not adversely affected.
  • the heat input zone is generated by the laser light of a single laser light source.
  • the heat input zone it is also possible for the heat input zone to be generated by the laser light from at least two laser light sources arranged at a distance from one another.
  • the beam shapes and beam parameters are chosen so that, depending on the material, an optimized entry of the Laser light in the heat input zone of the workpiece to effect.
  • the laser beams emitted from the laser light sources have substantially identical beam profiles.
  • the workpiece is heated with laser beams which generate substantially linear intensity distributions on the surface. It has also been found that the intensity profiles of the laser light, which may for example be substantially rectangular, triangular or even substantially Gaussian, do not adversely affect the cracking and crack propagation along the desired cutting line of the workpiece.
  • a particularly advantageous embodiment provides that the laser cutting of the workpiece takes place without coolant.
  • the workpiece is mechanically pre-cut along the cutting line before the workpiece is exposed to the laser light.
  • a mechanical cutting device can be guided over the surface of the workpiece in order to cut it at least in sections along the desired cutting line.
  • the desired cutting line course can be scratched in particular mechanically into the surface of the workpiece.
  • several cutting lines can be produced in the workpiece in order to cut out more than two parts from a workpiece.
  • Fig. 2 shows the course of the tension in the y-direction within the workpiece relative to the distance from the origin of the coordinate system.
  • a non-metallic, in this embodiment, substantially cuboid workpiece 1 is shown prior to the laser cutting process.
  • a Cartesian coordinate system whose origin lies exactly in the center of the workpiece 1, is shown here as well as in FIG.
  • the workpiece 1 consists of a non-metallic material, in particular of silicon, glass or ceramic, and has a width B in the x-direction, a length L in the y-direction and a thickness D in the z-direction.
  • the thickness D of the workpiece 1 is substantially smaller than its length L and its width B, so that it is formed overall substantially plate-shaped.
  • Coordinate system originates a first side surface 12 and at a distance -L / 2 from the coordinate system origin a second side surface 13.
  • laser light 2 generated by at least one laser light source is directed onto the first surface 10 of the workpiece 1 to cut the workpiece 1 along a desired cut line SL shown here in phantom under the influence of thermally induced tensile stresses ,
  • cut line is to be understood to mean straight as well as at least partially curved cut line courses.
  • the cut line courses may be curved one or more times, a substantially linear course of the cut line SL, as illustrated here , however, can be produced particularly easily and is therefore particularly advantageous.
  • the surface 10 is not completely, but only partially exposed to the laser light 2.
  • the workpiece 1 is doing in the longitudinal direction (y direction) over its entire length L simultaneously with the laser light 2, on the surface 10 of the workpiece 1 a certain preset or presettable width, applied. Due to the absorption of the laser light 2, the workpiece 1 is locally heated, so that over the entire length L a three-dimensional heat input zone 100 is produced which has a lateral width E and a thickness D.
  • the thickness of the heat input zone 100 in the z direction thus corresponds to the thickness D of the workpiece 1. It is clear that the length L of the heat input zone 100 is substantially greater than the width E thereof.
  • the applied with the laser light 2 heat input zone 100 of the workpiece 1 has a lateral width E between about 0.25 mm and about 0.35 mm.
  • the total lateral width E of the heat input zone 100 applied to the laser light 2 can be about 0.3 mm. This ensures that the heat input takes place only in a comparatively narrow region of the workpiece 1.
  • the laser light 2 can be generated by a single laser light source not explicitly illustrated in FIG. 1 b.
  • the laser light 2 can also be generated by two separate, spaced-apart laser light sources, each of which generates a substantially line-shaped laser beam.
  • various types of laser light sources in particular semiconductor laser diode bars, and suitable beam shaping devices can be used to generate the desired beam shape in the region of the heat input zone 100 on the first surface 10 of the workpiece 1, so that the Workpiece 1 can be cut along the desired cutting line SL and then divided into two parts 1 a, 1 b.
  • at least one highly efficient, low-aberration-generating, refractive micro-optics adapted to the laser light source or to the laser light sources can produce homogeneous line profiles with very high intensity and high beam quality on the surface 10 of the workpiece.
  • the wavelength of the laser light 2 used in the laser cutting method presented here is preferably ⁇ ⁇ 1 ⁇ m. It has been shown that at these wavelengths the cracking in the workpiece 1 is not adversely affected. It has also been shown that the intensity distribution of the laser light 2, which may for example be substantially rectangular, triangular or even substantially Gaussian, also does not adversely affect the cracking and crack propagation along the desired cutting line SL of the workpiece 1.
  • each of the two workpiece parts 1 a, 1 b obtained by the laser cutting process presented here has a cut surface 16 a, 16 b.
  • the laser light 2 impinging on the first surface 10 of the workpiece 1 must have a sufficient width so that the energy stored in the heat input zone 100 of the workpiece 1, which is consumed in the crack propagation in the workpiece 1 along the desired cutting line SL, the losses of the System absorbed energy that is consumed for the formation of new free surfaces (cut surfaces 16a, 16b) always exceeds. Then, a macro-crack once formed in the area of the side surfaces 1 1, 12 develops almost instantaneously along the desired cutting line SL over the entire length L from outside to inside, so that the workpiece 1 is divided into two parts 1 a, 1 b.
  • the maximum achievable tensile stresses ⁇ x which can be generated in the region of the elevations 101, 102, amount to about 400 N / mm 2 , which corresponds to a temperature of about 1073 K.
  • the thickness D of the workpiece 1 divided into two workpiece parts 1 a, 1 b may be about 0.05 to 0.3 mm.
  • the range of the maximum allowable thickness D of the workpiece 1 may be extended to about 0.5 mm.
  • a workpiece 1 can be easily divided into (at least) two workpiece parts 1 a, 1 b.
  • One advantage of the solution presented here is that material chippings in the region of the cut surfaces 16a, 16b, which can arise in the methods known from the prior art due to the high heat input and the subsequent cooling in the region of the cutting zone, can be effectively avoided.
  • the workpiece 1 along the desired cutting line SL mechanically pre-cut (in particular scribed) before the workpiece 1 is acted upon by the laser light 2 to the workpiece 1 along the section line SL finally in the two workpiece parts 1 a, 1 b to share.

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  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks (1) entlang mindestens einer Schnittlinie (SL) zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile (1a, 1b), wobei das Werkstück (1) mit Laserlicht (2) beaufschlagt wird, das in einem an die zu erzeugende Schnittlinie (SL) angrenzenden Bereich des Werkstücks (1) eine dreidimensionale Wärmeeintragszone (100) mit einer lateralen Breite E lokal derart erwärmt, dass in zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen (12, 13) des Werkstücks thermisch induzierte Zugspannungen generiert werden, die so groß sind, dass sie einen Riss erzeugen, der sich entlang der Schnittlinie (SL) ausbreitet, so dass das Werkstück (1) in mindestens zwei Werkstückteile (1a, 1b) mit jeweils einer Schnittfläche (16a, 16b) geteilt wird.

Description

"Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen
Werkstücks"
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks entlang mindestens einer Schnittlinie zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile.
Verfahren zum Laserschneiden nichtmetallischer Werkstücke sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Verfahrensvarianten bereits bekannt.
Die internationale Patentanmeldung WO 93/20015 A1 offenbart ein Verfahren zum Schneiden nichtmetallischer Werkstücke, die insbesondere aus Glas bestehen können, unter Einwirkung thermoelastischer Spannungen. Bei diesem Verfahren ist eine einzelne Laserlichtquelle vorgesehen, die relativ zum Werkstück bewegbar ist. Das von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht trifft auf die Oberfläche des Werkstücks und erwärmt diese lokal auf eine Temperatur, die unterhalb des Erweichungspunkts des Materials liegt, aus dem das Werkstück besteht. Auf diese Weise wird entlang der beabsichtigten Schnittlinie in oberflächennahen Bereichen des Werkstücks ein Riss erzeugt. Nach dem lokalen Erwärmen der Oberfläche des Werkstücks mit Laserlicht wird diese mit einem Kühlfluid angeströmt, so dass schließlich ein Blindriss in einer bestimmten Tiefe des Werkstücks erzeugt wird und das Werkstück in zwei Teile geteilt werden kann. Ein Nachteil des aus der vorstehend genannten Druckschrift bekannt gewordenen Verfahrens besteht darin, dass unmittelbar im Bereich der sich bildenden Schnittflächen, ein hoher Wärmeeintrag erfolgt und dass durch das nachfolgende Abkühlen unerwünschte Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen entstehen können. Das Schneiden eines Werkstücks mit diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren liefert somit häufig nur unzureichende Schneidergebnisse. Das US-Patent US 6,259,068 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Schneiden nichtmetallischer Werkstücke, bei dem ein als Schreibstrahl dienender Laserstrahl vorgesehen ist, mittels dessen in der Oberfläche des Werkstücks entlang der gewünschten Schnittlinie zunächst Mikrorisse erzeugt werden. Der von dem Schreibstrahl mit Laserlicht beaufschlagte Oberflächenbereich des Werkstücks wird anschließend durch Beaufschlagung mit einem Gas und/oder Fluid abgeschreckt, so dass sich die Mikrorisse weiter entlang der gewünschten Schnittlinie ausbreiten können. Mit Hilfe zweier weiterer Laserstrahlen, die im Anschluss an das Abschrecken auf die Oberfläche treffen, werden Zugkräfte induziert, um das Werkstück entlang der gewünschten Schnittlinie in zwei Teile zu teilen. Das zwischenzeitliche Abkühlen nach der vorhergehenden Erwärmung des Werkstücks mit dem Schreibstrahl kann auch hier zu unerwünschten Materialausbrüchen im Bereich der Schnittflächen führen.
Die internationale Patentanmeldung WO 2006/045130 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserschneiden eines Glassubstrats, bei dem ein gebündelter Laserstrahl zum Erzeugen eines Spalts sowie zwei Laserstrahlbündel links und rechts vom Spalt verwendet werden, um das Glassubstrat in zwei Teile zu teilen.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 803 538 A1 offenbart ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks aus einem spröden Material, wie zum Beispiel Glas, mit Laserstrahlen. Entlang der gewünschten Schnittlinie werden zwei Bereiche auf der Oberfläche des Werkstücks mit Laserlicht bestrahlt. Zwischen diesen beiden Bereichen gibt es einen Bereich mit einer bestimmten Breite, der seinerseits nicht mit Laserlicht beaufschlagt wird, wobei die Schnittlinie selbst auch nicht mit dem Laserlicht beaufschlagt wird. Ferner ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die im Bereich der Schnittlinie einen Kühlfleck erzeugen kann. In den von den Laserstrahlen beaufschlagten Bereichen wird zunächst eine Druckspannung erzeugt. Durch das anschließende Abkühlen wird in der Nähe des Kühlflecks eine Zugspannung erzeugt, so dass das Werkstück entlang der gewünschten Schnittlinie in zwei Teile geteilt werden kann. Auch bei einem derartigen Verfahren kann sich das Problem ergeben, dass es im Bereich der Schnittflächen zu unerwünschten Materialausbrüchen kommen kann.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks vorzuschlagen, das einfach in der Handhabung ist und bei dem das Problem der Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen des Werkstücks wirksam verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks entlang mindestens einer Schnittlinie zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, dass das Werkstück mit Laserlicht beaufschlagt wird, das in eineni an die zu erzeugende Schnittlinie angrenzenden Bereich des Werkstücks eine dreidimensionale Wärmeeintragszone mit einer lateralen Breite E lokal derart erwärmt, dass in zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Werkstücks thermisch induzierte Zugspannungen generiert werden, die so groß sind, dass sie einen Riss erzeugen, der sich entlang der Schnittlinie ausbreitet, so dass das Werkstück in mindestens zwei Werkstückteile mit jeweils einer Schnittfläche geteilt wird. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass nur an den einander gegenüberliegenden Seitenflächen sehr hohe Zugspannungen erzeugt werden, die eine Rissbildung und eine werkstückeinwärts gerichtete Rissausbreitung induzieren. Es hat sich gezeigt, dass dadurch das im Stand der Technik häufig auftretende Problem der Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen der Werkstückteile wirksam verhindert werden kann. Es soll in diesem Zusammenhang angemerkt werden, dass in dieser Anmeldung unter dem Begriff „Schnittlinie" sowohl gerade als auch zumindest abschnittsweise gekrümmte Schnittlinienverläufe verstanden werden sollen. Die Schnittlinienverläufe können einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Lineare Schnittlinienverläufe können jedoch besonders einfach erzeugt werden und sind daher besonders vorteilhaft. Zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens können unterschiedliche Laserlichtquellen, insbesondere Halbleiterlaserdiodenbarren, und geeignete
Strahlformungsvorrichtungen verwendet werden, um die gewünschte Strahlform im Bereich der Wärmeeintragszone auf der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Nichtmetallische Werkstücke, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in wenigstens zwei Teile geschnitten werden können, können beispielsweise aus Silizium, Glas oder Keramik bestehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Werkstück über seine gesamte Länge L gleichzeitig mit dem Laserlicht beaufschlagt wird. Es kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass an den beiden einander gegenüberliegende Seitenflächen des Werkstücks thermisch induzierte Erhebungen erzeugt werden, die sich von den Seitenflächen weg erstrecken. Diese Erhebungen können auf Grund einer ungleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks in diesen Bereichen der Wärmeeintragszone erzeugt werden. Durch den lokalen Wärmeeintrag des Laserlichts in die Wärmeeintragszone kommt es dort auf Grund von thermischen Ausdehnungen zu wärmeinduzierten Änderungen der Materialstruktur, die zur Bildung der Erhebungen führen. Die zugspannungsinduzierte Rissbildung und Rissausbreitung erfolgt somit von außen - das heißt von den Erhebungen der beiden Seitenflächen ausgehend - nach innen zur Mitte des Werkstücks.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Bereich der Erhebungen thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Elastizitätsgrenze des Werkstücks. Insbesondere können im Bereich der Erhebungen thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Bruchspannung des Werkstücks. Dadurch können die Rissbildung und die Rissausbreitung diesen Bereichen wirksam verbessert werden. Die maximalen Zugspannungen σx im Bereich der Erhebungen können vorteilhaft in einer Größenordnung von etwa 300 bis etwa 400 N/mm2 liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die mit dem Laserlicht beaufschlagte Wärmeeintragszone des Werkstücks eine laterale Gesamtbreite E zwischen etwa 0,25 mm und etwa 0,35 mm aufweist. Insbesondere kann die Wärmeeintragszone eine laterale Gesamtbreite von etwa 0,3 mm aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass der Wärmeeintrag über die gesamte Länge des Werkstücks nur in einem vergleichsweise schmalen, räumlich begrenzten Bereich des erfolgt.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die vom Laserlicht in die Wärmeeintragszone insgesamt eingebrachte Wärmeenergie mindestens so groß ist wie die zur Bildung der Schnittflächen der Werkstückteile notwendige Energie. Dadurch kann erreicht werden, dass sich ein einmal im Bereich der Seitenflächen entstandener Makroriss nahezu augenblicklich entlang der gewünschten Schnittlinie über die gesamte Länge L von außen nach innen zur Werkstückmitte ausbreiten kann. Werden also bei einer Teilung des Werkstücks in zwei Werkstückteile insgesamt zwei gleichartige Schnittflächen (auf jedem der beiden Werkstückteile also eine Schnittfläche) erzeugt, muss die vom Laserlicht in die Wärmeeintragszone eingebrachte Energie also mindestens doppelt so groß sein wie die für die Erzeugung einer Schnittfläche erforderliche Energie. Die insgesamt in die Wärmeeintragszone eingebrachte Wärmeenergie kann auch etwas größer als die zur Bildung der Schnittflächen der Werkstückteile notwendige Energie sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Wellenlänge λ des Laserlichts < 1 μm ist. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Wellenlängen die Rissbildung im Werkstück nicht negativ beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Wärmeeintragszone vom Laserlicht einer einzelnen Laserlichtquelle erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass die Wärmeeintragszone vom Laserlicht von mindestens zwei voneinander beabstandet angeordneten Laserlichtquellen erzeugt wird . Die Strahlformen und Strahlparameter sind so gewählt, um materialabhängig einen optimierten Eintrag des Laserlichts in die Wärmeeintragszone des Werkstücks zu bewirken. Wenn zum Beispiel zwei Laserlichtquellen verwendet werden, besteht die Möglichkeit, dass die von den Laserlichtquellen emittierten Laserstrahlen im Wesentlichen identische Strahlprofile aufweisen. Um auf einfache Weise lineare Schnittlinienverläufe erzeugen zu können, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass das Werkstück mit Laserstrahlen erwärmt wird, die auf der Oberfläche im Wesentlichen linienförmige Intensitätsverteilungen erzeugen. Es hat sich ferner gezeigt, dass die Intensitätsprofile des Laserlichts, die zum Beispiel im Wesentlichen rechteckförmig, dreiecksförmig oder auch im Wesentlichen gaußförmig sein können, die Rissbildung und Rissausbreitung entlang der gewünschten Schnittlinie des Werkstücks nicht negativ beeinflussen.
Um die Gefahr von Materialausbrüchen im Bereich der Schnittflächen weiter zu verringern und möglichst gering zu halten, sieht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform vor, dass das Laserschneiden des Werkstücks kühlmittelfrei erfolgt.
Um zum Beispiel auch Werkstücke aus vergleichsweise harten Materialien mittels des hier vorgestellten Verfahren besonders einfach schneiden zu können, kann in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Werkstück entlang der Schnittlinie mechanisch vorgeschnitten wird, bevor das Werkstück mit dem Laserlicht beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine mechanische Schneidvorrichtung über die Oberfläche des Werkstücks geführt werden, um diese zumindest abschnittsweise entlang der gewünschten Schnittlinie vorzuschneiden. Der gewünschte Schnittlinienverlauf kann insbesondere mechanisch in die Oberfläche des Werkstücks eingeritzt werden. Nach dem hier vorgestellten Prinzip können im Werkstück auch mehrere Schnittlinien erzeugt werden, um aus einem Werkstück mehr als zwei Teile herauszuschneiden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 a bis 1 c schematisch stark vereinfacht das grundlegende Prinzip eines Verfahrens zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 den Verlauf der Zugspannung in y-Richtung innerhalb des Werkstücks bezogen auf den Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 a bis 1 c soll nachfolgend zunächst das grundlegende Prinzip eines Verfahrens zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden. In Fig. 1 a ist ein nichtmetallisches, in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quaderförmiges Werkstück 1 vor dem Laserschneidprozesses dargestellt. Zur Vereinfachung der weiteren Darstellung ist hier sowie in Fig. 1 b jeweils ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet, dessen Ursprung genau im Mittelpunkt des Werkstücks 1 liegt. Das Werkstück 1 besteht aus einem nichtmetallischen Material, insbesondere aus Silizium, Glas oder Keramik, und weist in x-Richtung eine Breite B, in y-Richtung eine Länge L sowie in z-Richtung eine Dicke D auf. Man erkennt, dass die Dicke D des Werkstücks 1 wesentlich kleiner als dessen Länge L und dessen Breite B ist, so dass es insgesamt im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist. Das Werkstück 1 weist in einem Abstand +D/2 vom Koordinatensystemursprung eine erste Oberfläche 10 und in einem Abstand -D/2 vom Koordinatensystemursprung eine zweite Oberfläche 1 1 auf, die im Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche 10 orientiert ist. In y-Richtung (= Längsrichtung des Werkstücks 1 ) weist das Werkstück 1 in einem Abstand +L/2 vom
Koordinatensystemursprung eine erste Seitenfläche 12 und in einem Abstand -L/2 vom Koordinatensystemursprung eine zweite Seitenfläche 13 auf. In x-Richtung (= Querrichtung des Werkstücks 1 ) weist das Werkstück 1 in einem Abstand +B/2 vom Koordinatensystemursprung eine dritte Seitenfläche 14 und in einem Abstand -B/2 vom Koordinatensystemursprung eine vierte Seitenfläche 15 auf.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 b wird Laserlicht 2, das von mindestens einer Laserlichtquelle erzeugt wird, auf die erste Oberfläche 10 des Werkstücks 1 gerichtet, um das Werkstück 1 entlang einer gewünschten, hier gestrichelt dargestellten Schnittlinie SL unter dem Einfluss thermisch induzierter Zugspannungen zu schneiden. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass unter dem Begriff „Schnittlinie" sowohl gerade als auch zumindest abschnittsweise gekrümmte Schnittlinienverläufe verstanden werden sollen. Die Schnittlinienverläufe können einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Ein im Wesentlichen linearer Verlauf der Schnittlinie SL, wie er hier dargestellt ist, kann allerdings besonders einfach erzeugt werden und ist daher besonders vorteilhaft.
Während des Laserschneidprozesses wird die Oberfläche 10 nicht vollständig, sondern nur abschnittsweise mit dem Laserlicht 2 beaufschlagt. Das Werkstück 1 wird dabei in Längsrichtung (y- Richtung) über seine gesamte Länge L gleichzeitig mit dem Laserlicht 2, das auf der Oberfläche 10 des Werkstücks 1 eine gewisse voreingestellte oder voreinstellbare Breite aufweist, beaufschlagt. Durch die Absorption des Laserlichts 2 wird das Werkstück 1 lokal erwärmt, so dass über die gesamte Länge L eine dreidimensionale Wärmeeintragszone 100 erzeugt wird, die eine laterale Breite E und eine Dicke D aufweist. Die Dicke der Wärmeeintragszone 100 in z- Richtung entspricht also der Dicke D des Werkstücks 1 . Es wird deutlich, dass die Länge L der Wärmeeintragszone 100 wesentlich größer als deren Breite E ist. Vorzugsweise weist die mit dem Laserlicht 2 beaufschlagte Wärmeeintragszone 100 des Werkstücks 1 eine laterale Breite E zwischen etwa 0,25 mm und etwa 0,35 mm auf. Insbesondere kann die laterale Gesamtbreite E der mit dem Laserlicht 2 beaufschlagten Wärmeeintragszone 100 etwa 0,3 mm betragen. Dadurch wird erreicht, dass der Wärmeeintrag nur in einem vergleichsweise schmalen Bereich des Werkstücks 1 erfolgt.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Verfahrensvariante kann das Laserlicht 2 von einer einzelnen, in Fig. 1 b nicht explizit dargestellten Laserlichtquelle erzeugt werden. Gemäß einer zweiten vorteilhaften Verfahrensvariante kann das Laserlicht 2 auch von zwei separaten, voneinander beabstandeten Laserlichtquellen erzeugt werden, die jeweils ein im Wesentlichen linienförmiges Laserstrahlbündel erzeugen. Dadurch kann die Effektivität des thermisch induzierten Laserschneidvorgangs erhöht werden, solange dies zu einer Steigerung der gespeicherten elastischen Energie führt, mittels derer das Risswachstum unterstützt werden kann. Dasselbe kann auch mit der Verbreiterung eines einzelnen Laserstrahls einer einzelnen Laserlichtquelle erreicht werden. Zur Durchführung des hier vorgestellten Verfahrens können verschiedene Arten von Laserlichtquellen, insbesondere Halbleiterlaserdiodenbarren, und geeignete Strahlformungsvorrichtungen verwendet werden, um die gewünschte Strahlform im Bereich der Wärmeeintragszone 100 auf der ersten Oberfläche 10 des Werkstücks 1 zu erzeugen, so dass das Werkstück 1 entlang der gewünschten Schnittlinie SL geschnitten und anschließend in zwei Teile 1 a, 1 b geteilt werden kann. Insbesondere kann mindestens eine auf die Laserlichtquelle beziehungsweise auf die Laserlichtquellen angepasste, hocheffiziente, wenig Aberrationen erzeugende, refraktive Mikrooptik auf der Oberfläche 10 des Werkstücks homogene Linienprofile mit sehr hoher Intensität und hoher Strahlqualität erzeugen.
Die Wellenlänge des Laserlichts 2, das bei dem hier vorgestellten Laserschneidverfahren verwendet wird , beträgt vorzugsweise λ < 1 μm. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Wellenlängen die Rissbildung im Werkstück 1 nicht negativ beeinflusst wird. Es hat sich ferner gezeigt, dass auch die Intensitätsverteilung des Laserlichts 2, die zum Beispiel im Wesentlichen rechteckförmig, dreiecksförmig oder auch im Wesentlichen gaußförmig sein kann, die Rissbildung und Rissausbreitung entlang der gewünschten Schnittlinie SL des Werkstücks 1 ebenfalls nicht negativ beeinflusst.
Durch den lokalen Wärmeeintrag des Laserlichts 2 in die Wärmeeintragszone 100 kommt es dort auf Grund von thermischen Ausdehnungen zu wärmeinduzierten Änderungen der Materialstruktur. Man erkennt in Fig. 1 b, dass an der ersten Seitenfläche 12 und an der zweiten Seitenfläche 13 des Werkstücks 1 , die einander gegenüberliegen und sich jeweils quer zur gewünschten Schnittlinie SL erstrecken, thermisch induzierte, sich von den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 weg erstreckende Erhebungen 101 , 102 erzeugt werden. Diese sich durch den lokalen Wärmeeintrag in die Wärmeeintragszone 100 bildenden Erhebungen 101 , 102 erzeugen in diesen Bereichen der Wärmeeintragszone 100 in x-Richtung (also in Querrichtung des Werkstücks 1 ) hohe thermisch induzierte Zugspannungen σx. Auf Grund dieser hohen Zugspannungen σx, die in der Wärmeeintragszone 100 im Bereich der Seitenflächen 12, 13 generiert werden, kommt es zu einer Rissbildung entlang der gewünschten Schnittlinie SL in y-Richtung (Längsrichtung des Werkstücks 1 ). Schließlich bricht das Werkstück 1 entlang der Schnittlinie SL und wird dabei in zwei Werkstückteile 1 a, 1 b (siehe Fig. 1 c) geteilt. Die Rissausbreitung erfolgt somit von außen (das heißt von den Erhebungen 101 , 102 der beiden Seitenflächen 12, 13 ausgehend) nach innen zur Mitte des Werkstücks. Der maximale Wert der Zugspannungen σx, die in den Erhebungen 101 , 102 der Seitenflächen 12, 13 erzeugt werden, soll dabei vorzugsweise die Bruchspannung der Werkstoffs, aus dem das Werkstück 1 besteht, überschreiten. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 c wird deutlich, dass jedes der beiden durch den hier vorgestellten Laserschneidprozess erhaltenen Werkstückteile 1 a, 1 b eine Schnittfläche 16a, 16b aufweist.
Bei einer Erwärmung des Werkstücks 1 auf bis zu 1000 K können thermisch induzierte Zugspannungen σx in einer Größenordnung von etwa 300 N/mm2 entstehen, welche die Bruchspannung des Werkstücks 1 überschreiten können. Ursache für die Rissbildung entlang der gewünschten Schnittlinie SL sind bei dem hier vorgestellten Verfahren also die Zugspannungen, die durch die Beaufschlagung des Werkstücks 1 mit dem Laserlicht 2 in den vergleichsweise schmalen Erhebungen 101 , 102 im Bereich der ersten und zweiten Seitenfläche 12, 13 des Werkstücks 1 gezielt erzeugt werden und die Elastizitätsgrenze überschreiten. Die relativ hohen Zugspannungen entstehen mit anderen Worten durch die Bildung der Erhebungen 101 , 102 in den Seitenflächen 12, 13 auf Grund einer ungleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks 1 in diesen Bereichen der Wärmeeintragszone 100. Unter den hier beschriebenen Bedingungen bilden sich derart hohe Zugspannungen also unmittelbar an den Seitenflächen 12, 13 des Werkstücks 1 , und zwar nur in den oberflächennahen Erhebungen 101 , 102 der Wärmeeintragszone 100. Ein sich im Bereich der Seitenflächen 12, 13 bildender makroskopischer Riss breitet sich weiter entlang der gewünschten Schnittlinie SL aus, solange die bei seiner Ausbreitung freigesetzte elastische Energie die Energieverluste bei der Bildung der sich neu bildenden freien Oberflächen (Schnittflächen 16a, 16b) der beiden Werkstückteile 1 a, 1 b überschreitet. Deshalb muss das auf die erste Oberfläche 10 des Werkstücks 1 treffende Laserlicht 2 eine ausreichende Breite aufweisen, damit die in der Wärmeeintragszone 100 des Werkstücks 1 gespeicherte Energie, die bei der Rissausbreitung im Werkstück 1 entlang der gewünschten Schnittlinie SL verbraucht wird, die Verluste der vom System absorbierten Energie, die für die Bildung der neuen freien Oberflächen (Schnittflächen 16a, 16b) verbraucht wird, immer übersteigt. Dann entwickelt sich ein einmal im Bereich der Seitenflächen 1 1 , 12 entstandener Makroriss nahezu augenblicklich entlang der gewünschten Schnittlinie SL über die gesamte Länge L von außen nach innen aus, so dass das Werkstück 1 in zwei Teile 1 a, 1 b geteilt wird.
Die maximal erreichbaren Zugspannungen σx, die im Bereich der Erhebungen 101 , 102 erzeugt werden können, betragen etwa 400 N/mm2, was einer Temperatur von etwa 1073 K entspricht. Unter der Annahme, dass das Werkstück 1 eine Bruchspannung von 270 N/mm2 aufweist, kann die Dicke D des in zwei Werkstückteile 1 a, 1 b geteilten Werkstücks 1 bei etwa 0,05 bis 0,3 mm liegen. Falls das Werkstück 1 beispielsweise eine Bruchspannung von 215 N/mm2 aufweist, kann der Bereich der maximal zulässigen Dicke D des Werkstücks 1 bis auf etwa 0,5 mm ausgedehnt werden. In Fig. 2 ist der Verlauf der Zugspannung σx in Abhängigkeit von der Entfernung zum Mittelpunkt des Werkstücks 1 (= Ursprung des Koordinatensystems mit x = 0) in y-Richtung über die gesamte Länge L des Werkstücks 1 dargestellt. Es wird deutlich, dass die Zugspannung σx an den gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 des Werkstücks 1 im Bereich der Erhebungen 101 , 102 am größten ist. Somit wird einmal mehr verständlich, dass die Rissbildung und die Rissausbreitung am Rand des Werkstücks 1 an den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 ihren Ursprung haben. Die Zugspannung σx überschreitet die Bruchspannung des Werkstücks 1 somit nur in relativ schmalen Bereichen an den gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 des Werkstücks 1 , wo sich die Erhebungen 101 , 102 durch den Wärmeeintrag in die Wärmeeintragszone 100 gebildet haben.
Mit Hilfe des hier vorgestellten Laserschneidverfahrens kann ein Werkstück 1 auf einfache Weise in (mindestens) zwei Werkstückteile 1 a, 1 b geteilt werden. Ein Vorteil der hier vorgestellten Lösung besteht darin, dass Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen 16a, 16b, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf Grund des hohen Wärmeeintrags und der anschließenden Abkühlung im Bereich der Schneidzone entstehen können, wirksam vermieden werden können.
Es kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des hier beschriebenen Laserschneidverfahrens vorgesehen sein, dass das Werkstück 1 entlang der gewünschten Schnittlinie SL mechanisch vorgeschnitten (insbesondere eingeritzt) wird, bevor das Werkstück 1 mit dem Laserlicht 2 beaufschlagt wird, um das Werkstück 1 entlang der Schnittlinie SL schließlich in die beiden Werkstückteile 1 a, 1 b zu teilen.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks (1 ) entlang mindestens einer Schnittlinie (SL) zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile (1 a, 1 b), dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 ) mit Laserlicht (2) beaufschlagt wird, das in einem an die zu erzeugende Schnittlinie (SL) angrenzenden Bereich des Werkstücks (1 ) eine dreidimensionale Wärmeeintragszone (100) mit einer lateralen Breite E lokal derart erwärmt, dass in zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen (12, 13) des Werkstücks thermisch induzierte Zugspannungen generiert werden, die so groß sind, dass sie einen Riss erzeugen, der sich entlang der Schnittlinie (SL) ausbreitet, so dass das Werkstück (1 ) in mindestens zwei Werkstückteile (1 a, 1 b) mit jeweils einer Schnittfläche (16a, 16b) geteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 ) über seine gesamte Länge L gleichzeitig mit dem Laserlicht (2) beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden einander gegenüberliegende Seitenflächen (12, 13) des Werkstücks (1 ) thermisch induzierte Erhebungen (101 , 102) erzeugt werden, die sich von den Seitenflächen (12, 13) weg erstrecken.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Erhebungen (101 , 102) thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Elastizitätsgrenze des Werkstücks (1 ).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Erhebungen (101 , 102) thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Bruchspannung des Werkstücks (1 ).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximalen Zugspannungen σx im Bereich der Erhebungen (101 , 102) in einer Größenordnung von etwa 300 bis etwa 400 N/mm2 liegen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Laserlicht (2) beaufschlagte Wärmeeintragszone (100) des Werkstücks (1 ) eine laterale Gesamtbreite E zwischen etwa 0,25 mm und etwa 0,35 mm aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Laserlicht (2) in die Wärmeeintragszone (100) insgesamt eingebrachte Wärmeenergie mindestens so groß ist wie die zur Bildung der Schnittflächen (16a, 16b) notwendige Energie.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge λ des Laserlichts (2) < 1 μm ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeintragszone (100) vom Laserlicht (2) einer einzelnen Laserlichtquelle erzeugt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeintragszone (100) vom Laserlicht (2) von mindestens zwei voneinander beabstandeten Laserlichtquellen erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschneiden des Werkstücks (1 ) kühlmittelfrei erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 ) entlang der Schnittlinie (SL) mechanisch vorgeschnitten wird, bevor das Werkstück (1 ) mit dem Laserlicht (2) beaufschlagt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittlinie (SL) mechanisch eingeritzt wird.
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