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WO2025068383A1 - Vorrichtung und verfahren zur lasergestützten bearbeitung eines werkstücks aus glasbasiertem material sowie deren verwendung - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur lasergestützten bearbeitung eines werkstücks aus glasbasiertem material sowie deren verwendung Download PDF

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Publication number
WO2025068383A1
WO2025068383A1 PCT/EP2024/077092 EP2024077092W WO2025068383A1 WO 2025068383 A1 WO2025068383 A1 WO 2025068383A1 EP 2024077092 W EP2024077092 W EP 2024077092W WO 2025068383 A1 WO2025068383 A1 WO 2025068383A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
workpiece
glass
laser
burst
processing
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.)
Pending
Application number
PCT/EP2024/077092
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Ortner
Fabian Wagner
Matthias Kremer
David Sohr
Maik Steinbach
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.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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 Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of WO2025068383A1 publication Critical patent/WO2025068383A1/de
Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • G21F—PROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F3/00—Shielding characterised by its physical form, e.g. granules, or shape of the material

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for laser-assisted processing of a workpiece made of glass-based material.
  • the invention also covers their application.
  • glass-based materials are all materials that have a glass-like network at least in some areas and/or are derived from a glass material.
  • Glass-based materials include, in particular, glasses as such, but also glass ceramics obtained by at least partial crystallization of elements made of glass material.
  • Laser-assisted machining is based on the introduction of damage into the glass-based material using ultrashort pulse lasers that emit ultrashort laser pulses.
  • One well-known application is laser cutting. This typically involves introducing filament-shaped damage into the workpiece, generally running perpendicularly through its thickness. If several damages are then placed side by side, a parting line is created, along or at which the workpiece can be cut.
  • microcracks originating from the damage weaken the material of the workpiece. In adjacent damage areas, the cracks connect, allowing separation along this connecting line.
  • WO 2012/006736 A2 describes a laser cutting process based on the nonlinear optical Kerr effect. This is based on two nonlinear effects: the self-focusing of the pulse due to the optical Kerr effect and its defocusing due to the plasma generated by the laser in the material. It is stated that the self-focusing occurs over a focal length of approximately 500 up to 1000 m, and then spatially dispersed when the pulse energy is not sufficient to refocus itself and create a plasma channel again.
  • EP 3169635 A1 uses a Bessel beam with an axicon optic to extend the laser focal line during laser cutting.
  • the inventors of this document argue that the difference from a method based on the Kerr effect, such as WO 2012/006736 A2, is that refocusing the laser beam according to WO 2012/006736 A2 requires a modification of the refractive index of the workpiece material, in this case glass. This inevitably results in a different damage pattern, which can be undesirable.
  • DE 102018200033 A1 describes a laser processing head with an integrated X-ray sensor that detects the process-related X-ray radiation, and the machine control adjusts the process parameters based on the sensor signals. In particular, processing is interrupted if a predetermined X-ray dose is exceeded. This does not allow for rational manufacturing processes, for example, in industrial series production.
  • DE 102020127575 A1 follows a similar approach.
  • DE 102018200030 B3 describes the influencing of X-ray emission during material processing with ultrashort laser pulses by suitably arranged particle streams.
  • DE 102018120022 A1 describes the metrological monitoring of a workpiece machining process using an X-ray sensor that detects radiation with a photon energy of more than 0.5 keV and analyzes it, particularly with regard to radiation energy distribution and dose rate.
  • DE 102018120019 A1 describes the associated detector module, and DE 102019000143 A1 extends the sensor functionality with regard to different radiation types and evaluation variants.
  • DE 102019000144 A1 describes the testing of a housing for leaks using an X-ray sensitive sensor that is held at a predefined distance from the housing wall by means of a spacer.
  • the inventors have recognized that when processing glass-based workpieces with ultrashort pulse lasers, especially when inducing filament-shaped damage, X-rays with a characteristic spectrum can be generated. Part of the finding is that this occurs particularly when the irradiated laser energy is high and/or a burst of laser pulses is used.
  • the object of the invention is to provide a device and method that enables the efficient processing of workpieces made of glass-based material.
  • the invention is based on the principle of limiting the propagation of the resulting X-ray radiation and thus providing an efficient production environment and/or an efficient method for the processing and/or production of elements made of glass-based workpieces, in particular those made of glass and/or glass-ceramic.
  • the invention comprises a device for laser-assisted machining of a workpiece made of glass-based material, in particular for introducing damage into the workpiece, which is designed to arrange the workpiece in the machining plane W.
  • the device further comprises a Ultrashort pulse laser for emitting ultrashort laser pulses with a wavelength A and a single pulse energy Ep and a laser beam direction z, wherein the laser and/or the laser pulses are configured such that the workpiece is at least substantially transparent to the wavelength A, and a beam-shaping optics configured to form a focus region of the laser beam which, in the operating state, lies at least partially within the workpiece and in which the irradiance Ef is so great that, in the operating state, X-ray radiation is emitted in an energy range EM that depends on the composition of the workpiece, and wherein at least the focus region is at least partially surrounded by at least one shielding element for X-ray radiation, thus providing a processing space, either alone or in combination with further shielding elements.
  • the emission of X-rays occurs particularly from the focus area.
  • the material of the shielding element has a particularly high X-ray absorption in the EM energy range.
  • the workpiece made of glass-based material is located in the focal area during processing.
  • the glass-based material is processed using ultrashort laser pulses. Therefore, it is also within the scope of the invention that the workpiece may comprise additional materials, for example, in its edge region.
  • the region containing the glass-based material is processed using the ultrashort laser radiation.
  • Damage within the meaning of the inventions is generally any form of material modification and/or material removal resulting from the interaction of the ultrashort laser pulses with the material of the workpiece. This may include refractive index changes, material discoloration, weaknesses of the Material structure, in particular through cracks, local melting, ablation, introduction of hollow channels and/or blind holes, etc. The introduction of filament-shaped damage is particularly advantageous.
  • a filament is generally understood to be an elongated, thread-like structure whose diameter is significantly smaller than its length.
  • the device is configured and/or the method is designed such that hollow-channel-shaped filaments are introduced into the workpiece.
  • a hollow-channel-shaped filament is characterized by the hollow space extending along the filament axis.
  • Such a hollow channel goes beyond mere material damage and/or refractive index changes and enables efficient further processing of the workpiece, for example, the separation or further expansion of the filaments.
  • the device further comprises an ultrashort pulse laser configured to emit ultrashort laser pulses.
  • the pulse width of a laser pulse is very short, i.e., in the range of less than 1 ns, in particular in the range of a few ps to fs, in particular in the range of 40 fs to 20 ps.
  • Particularly advantageous lower limits are 100 fs or 200 fs
  • advantageous upper limits are 10 ps, 3 ps, or 1 ps.
  • the upper and lower limits can be combined with one another as desired. In particular, this results in an advantageous range of 100 fs to 10 ps, or 200 fs to 10 ps, or 100 fs to 3 ps.
  • average laser powers in the range of 1 W to 10 kW or more are commercially available.
  • the irradiance Ef represents the incident laser power per unit area, i.e., the beam cross-sectional area, measured at the point of interaction with the workpiece. With oblique incidence onto the workpiece surface, the area illuminated by the laser beam becomes larger, and thus the irradiance decreases.
  • the maximum achievable power density corresponds to the intensity of the laser beam at the focus.
  • the laser powers are emitted as individual pulses or as burst pulse groups, also referred to herein as burst packets, with the repetition frequency f re p, which in particular, it can be in the range from 10 kHz to 100 MHz. Preferred ranges are 25 kHz to 50 MHz, 50 kHz to 20 MHz, and/or repetition frequencies less than 50 MHz, 20 MHz, 10 MHz, 8 MHz, 4 MHz, 2 MHz, or 1 MHz.
  • a burst packet consists of a group or sequence of ultrashort laser pulses, also referred to below as individual burst pulses.
  • a burst packet therefore has at least two individual burst pulses. As a rule, however, around 2 to 20 individual burst pulses are used, advantageously 3 to 10, although upper limits of around 100 individual burst pulses are also possible.
  • the burst packet advantageously has a pulse energy Ep of 100 pJ to 1 J. Equally advantageous ranges are from 100 pJ to 50 mJ or from 100 pJ to 10 mJ. As already described, Ep here refers to the accumulated energy of the burst packet. The use of a single pulse is also possible.
  • the pulse duration of a single pulse and/or burst pulse corresponds to the pulse duration of the laser, the duration of the burst packet, called burst duration Tb, depends on the pulse duration of the burst pulse, the number of burst pulses in the corresponding burst packet and the time interval between the burst pulses, called intra-burst delay Ti, measured in each case at the time of the maximum intensity of a burst pulse.
  • the individual burst pulses of a burst pulse group advantageously have a time interval in the range of a few nanoseconds, e.g., 15 ns, and thus their own burst pulse frequency, which is typically in the megahertz range between 30 MHz and 60 MHz, preferably 50 MHz.
  • burst pulse groups themselves can consist of additional subpulses, so-called burst-in-burst or biburst modes, whose time intervals are in the range of ps and the frequency base is accordingly in the gigahertz range.
  • the laser emits laser radiation of wavelength A. This wavelength is selected to be suitable for the desired material processing, particularly for the introduction of damage. This generally means that the laser wavelength A is selected according to the desired interaction mechanism with the workpiece material.
  • U KP laser systems can currently provide laser wavelengths in the range 350 nm to 2700 nm. Typical emission wavelengths are in the range 350 nm to 1400 nm, advantageously 400 nm to 1100 nm. Examples include ultrashort pulse laser systems with an emission wavelength of 800 nm, 1030 nm, or 1064 nm, and the corresponding frequency-doubled versions at 532 nm and 515 nm, respectively. The wavelengths of higher harmonic excitation are also possible.
  • the wavelength A is selected so that the workpiece is transparent to the laser wavelength A used, at least in the laser beam impact area.
  • the transmission of the workpiece at this point is greater than 50% or greater than 85%, advantageously greater than 90%, and particularly advantageously greater than 95% at wavelength A.
  • filament-shaped damage can be introduced into the workpiece, in particular hollow channels and/or blind holes.
  • the laser radiation is emitted in the direction of the laser beam, e.g.
  • the device further comprises beam-shaping optics designed to focus the laser beam in a focal region, wherein the irradiance Ef in the focal region is so high that X-rays are emitted from the focal region during operation.
  • This can occur, in particular, through interaction of the high-energy laser radiation in the focal region with the material of the workpiece or even with the surrounding medium, for example, the atmosphere in the focal region—in the simplest case, air.
  • the decisive factor here is the achieved irradiance Ef, which is generally calculated as the quotient of laser power and beam diameter.
  • the maximum irradiance is calculated for a spatially and temporally normally distributed pulse shape (Gaussian beam) as
  • Q is the pulse energy
  • TH is the pulse duration
  • d n o is the beam diameter, which comprises 86% of the laser power
  • d o 63 is the diameter corresponding to 63% of the total power.
  • an irradiance of at least 10 12 W/cm 2 must be achieved, and preferably 10 13 W/cm 2 .
  • a plasma forms on the substrate surface, and the workpiece can be modified, i.e., ablated. Due to braking and absorption processes in the plasma, the released energy is emitted in the form of continuously distributed or discrete X-rays.
  • the workpiece is arranged in a processing plane (W).
  • W processing plane
  • the position of the processing plane and the position of the focus area are advantageously coordinated. This can be achieved by adjusting the processing plane and/or, individually or in combination, by adjusting the position of the laser, in particular its height, and/or the beam-shaping optics.
  • the device is configured such that the focal region lies at least partially within the workpiece.
  • the beam-shaping optics are configured such that the focal region is represented by an elongated focal line directed toward the workpiece at an angle ⁇ , ⁇ advantageously 90°, and the focal line lies at least partially within the workpiece.
  • the focal line penetrates the surface of the workpiece on at least one side, and in particular on both sides.
  • the laser radiation in the described device and the method described below generates X-rays. The inventors have determined that these X-rays are emitted in an energy range (EM) typical for a glass-based material.
  • EM energy range
  • the emitted X-ray radiation is shielded by at least one shielding element.
  • the shielding element is arranged alone or in combination with other shielding elements such that at least the focal area is at least partially surrounded by the shielding element(s), thus providing a processing space.
  • the shielding element consists of or comprises a material that has an X-ray absorption that is adapted to the EM energy range of the X-ray emission.
  • the material of the shielding element has a particularly high X-ray absorption in the EM energy range.
  • the shielding element works by efficiently absorbing the generated X-rays. This effectively keeps the generated X-rays within the processing area and/or reduces the radiation intensity outside the processing area than inside.
  • the equivalent dose rate is the respective equivalent dose per unit of time. For the purposes of this description, it is measured at a distance of 10 cm from the outer wall of the shielding element.
  • a shielding element is considered advantageous within the meaning of the invention if all three equivalent dose rates do not exceed 10 pSv/h.
  • a shielding element is particularly advantageous if all three equivalent dose rates do not exceed 1 pSv/h at a distance of 10 cm from its outer wall.
  • the protective effect of a shielding element is particularly high if an irradiance of greater than 10 13 W/cm 2 , more than 10 14 W/cm 2 , preferably more than 10 15 W/cm 2 or particularly preferably more than 10 16 W /cm 2 is generated in the focus on the laser side of the wall by the laser process and its focusing optics and the equivalent dose rates on the side of the shielding element facing away from the laser remain below 10 pSv/h or 1 pSv/h, thus in the range from 0.1 to 10 pSv/h and/or from 0.1 to 1 pSv/h.
  • the lower limit of 0.1 pSv/h is usually determined by the natural X-ray radiation in the environment.
  • an advantageous embodiment is a device in which, in the operating state, the equivalent dose rates outside the processing chamber, measured at a distance of 10 cm from its outer wall, are less than 10 pSv/h, preferably less than 1 pSv/h.
  • the equivalent dose rates are the dose rates of the directional equivalent dose at 0.07 mm (penetration) depth for skin, the directional equivalent dose at 3 mm penetration depth for the eye and the ambient equivalent dose at 10 mm tissue depth for the body.
  • an irradiance of more than 10 13 W/cm 2 , more than 10 14 W/cm 2 , more than 10 15 W/cm 2 or particularly advantageously more than 10 16 W/cm 2 is generated in the focus area on the laser side of the wall by the laser process and its focusing optics and the generated X-ray radiation has photons with an energy of more than 7 keV, more than 10 keV, more than 12 keV, 15 keV or more than 20 keV and on the side of the shielding element facing away from the laser the equivalent dose rates remain below 10 pSv/h or below 1 pSv/h.
  • the specific arrangement of the shielding elements is such that the X-rays emitted from the focal area can be absorbed by them.
  • the device is particularly advantageously designed so that the X-ray radiation has an energy of 2 keV to 40 keV, in particular of 3 keV to 30 keV or of 4 keV to 40 keV.
  • the emitted X-rays exhibit maxima in the range of 6 keV to 10 keV.
  • the material of the shielding element is advantageously selected such that it has a high X-ray absorption in the region in which the maxima of the emitted X-ray radiation of the workpiece made of glass-based materials lie.
  • a device is particularly advantageous in which the material of the shielding element has a maximum of X-ray absorption in the energy range from 6 keV to 10 keV.
  • the shielding element consists of a material or comprises a material selected from the group of metals, in particular comprising iron, steel, stainless steel, tungsten, glass, or selected from the group of plastic composites, in particular comprising plastic composite filled with tungsten or glass.
  • the shielding element aims for the highest possible shielding efficiency. However, it should also be efficient to manufacture and operate.
  • the shielding behavior correlates fundamentally with the atomic number of the atoms in the material comprising the shielding element. The interaction with the thickness of the shielding element then determines the overall ability of the shielding element to at least reduce and/or shield X-ray radiation.
  • Metals fulfill this compromise particularly well.
  • lead is known to be a good X-ray absorber.
  • ferrous materials are advantageously used, in particular steel and/or stainless steel, particularly in accordance with EN 10020:2000, issue date 07/2000, including unalloyed stainless steels and alloyed stainless steels. Tungsten has also proven advantageous.
  • metal-filled plastic composites in particular tungsten-filled plastic composites.
  • radiation protection glasses and/or glass-filled plastic composites in particular glasses that have high X-ray absorption.
  • Such glasses are also used as dental glasses and can contain barium, for example.
  • Such glasses can have aluminum equivalent thicknesses, abbreviated ALET, of over 100%, sometimes even over 200%.
  • the device is designed such that the shielding element for X-ray radiation at least partially encloses the workpiece.
  • the shielding elements not only enclose the focus area, but also if the workpiece is located within the processing space. As described later, this can be an entire workpiece, such as a glass pane, in a single processing operation, or a section of a continuous workpiece strip, such as a glass ribbon.
  • the glass-based material itself absorbs X-rays, at least partially in the spectral range in which the X-rays generated by the laser irradiation are emitted. For example, if the laser's focal line is positioned so that it penetrates the surface of only one side of the workpiece, the resulting X-rays are absorbed by the glass-based material on the other surface.
  • the burst degression BG considers the ratio of the burst single pulse energy Ep x of the last burst single pulse of the burst packet at the end of the burst duration and the burst single pulse energy of the first burst single pulse Epo of the burst packet at the beginning of the burst duration in percent.
  • the burst degression BG is therefore the quotient of Ep x and Epo, preferably expressed as a percent. The formula applies accordingly:
  • Fig. 6 shows a device (100) in which, in particular, a workpiece (2) can be processed as strip material, thus enabling a continuous process.
  • a strip of glass for example, a strip of glass.
  • this is, in particular, ultra-thin glass that is obtained from a drawing tank (250) by means of a downdraw process (cf. Fig. 15).
  • a corresponding application of the invention is also possible with alternative ultra-thin glass production processes such as the overflow fusion process.
  • the ultra-thin glass here has a material thickness of approximately at most 100 pm; in particular, the material thickness in this example is from 20 pm to 50 pm.
  • Fig. 9 shows a further variant and/or embodiment.
  • the workpiece (2) in particular a strip of glass-based material, in particular a strip of glass, in particular ultra-thin glass, is deflected multiple times.
  • the feed plane (B) is crossed multiple times on the side of the feed and/or removal opening (320). Accordingly, a plurality of deflection devices (203) are provided. Since, as described, the glass-based material itself absorbs the X-radiation generated during its processing, the X-radiation in this embodiment must pass through the glass-based material multiple times if it is to escape from the feed or removal opening (320). This is prevented by self-absorption and/or the escaping X-ray dose is at least significantly reduced.
  • apertures (312) made of the material of the shielding element (300), which can be attached in the region of the feed and/or removal opening (320) and are intended to shield the X-ray radiation in this region.
  • the apertures (312) can be formed as part of the shielding element (300).
  • these apertures (312) and/or the additional shielding element below the processing plane (W) are designed such that they follow the course of the workpiece, in particular the workpiece (2) fed in strip form.
  • this course is represented by the bent shielding element (310) below the feed plane (B).
  • A is advantageously selected in the range 10 mm to 1000 mm. Because in this embodiment the processing plane (W) lies in the plane of the feed and/or removal opening (320), this embodiment is suitable both for workpieces (2) which are not flexible enough for deflection, and for environments in which sufficient installation space is available and this simplest embodiment to implement is preferred.
  • the material of the workpiece 2 itself absorbs the resulting X-radiation, and more efficiently than in air.
  • the z-direction is considered, i.e., the X-radiation is mainly absorbed in the volume and/or depth of the workpiece (2). Since self-absorption of the glass-based material occurs, the majority of the resulting X-radiation, in particular the portion with the highest dose rate, escapes at an angle ⁇ from the processing location, where ⁇ is measured from the surface of the workpiece (2). At a suitable distance A, this (more precisely the majority of it) does not pass through the feed and/or removal opening (320), in particular because ⁇ > 1° or 1° ⁇ ⁇ ⁇ 90°.
  • ⁇ is measured from the plane of the workpiece surface and thus in the xy-direction. ⁇ is greater than 0°, in particular greater than 1°. In particular, ⁇ lies in the range from 1° to 90°, with the majority XEm indicating the arithmetic mean of the angle-dependent emission intensity averaged over all emission angles. It is thus evident that a geometric design of the processing space (302) and/or a geometrically suitable arrangement of the feed and/or removal opening (320), in particular with regard to distance A and/or arrangement to the processing plane W in the z-direction, can be used to reduce the escaping X-radiation.
  • Fig. 13 shows a further embodiment in which the supply and/or removal opening (320) is, so to speak, closed by at least one deflection device and/or supply and/or removal means (203).
  • This advantageously consists of or comprises a material that absorbs X-ray radiation, in particular the materials described with regard to the shielding element (300) and/or the aforementioned plastics and/or filled plastics.
  • These supply and/or removal means (203) can in particular be designed as a roller.
  • a suitable combination and/or arrangement of these supply and/or removal means (203) can close the supply and/or removal opening (320) for the X-ray radiation, as shown, for example, in Fig. 13.
  • FIG. 14 An alternative possibility for closing the supply and/or removal opening (320) is shown in Fig. 14.
  • a curtain (326) of X-ray absorbing media in particular fluids.
  • the fluids can be introduced, for example, through fluid nozzles (325) in the area of the supply and/or removal opening.
  • the removal opening (320) can be applied. These include, for example, a gas curtain and/or a water curtain.
  • Fig. 15 shows an embodiment in which the device (100) described herein is used in a production environment for glass-based workpieces (2) as strip material.
  • the workpiece (2) is, in particular, ultra-thin glass obtained from a drawing tank (250) by means of a downdraw process.
  • a corresponding application of the method according to the invention is also possible with alternative ultra-thin glass production processes such as the overflow fusion process.
  • the ultra-thin glass here has a material thickness in the aforementioned range, advantageously of approximately at most 400 pm or 100 pm; in particular, the material thickness in this example is from 20 pm to 50 pm.
  • the strip material is deflected in the direction of the device (100) with the laser (3) and the shielding elements (300, 310). Due to the distance from the drawing tank, the laser processing takes place in the cold area of the system. However, it is also possible for the laser processing to take place in the hot area closer to the drawing tank (250).
  • the strip material can, for example, be picked up and/or stored on a drum in the form of a roll, here a glass roll (221). For this purpose, the drum is rotated according to the draw-off speed of the glass strip.
  • the device (100) described herein can be used in particular for edge cutting and/or cross-cutting the glass strip (2).
  • the number of individual burst pulses in a burst packet is four.
  • Advantageous, for example, are from two to 20 individual burst pulses and/or from 2 to 10 individual burst pulses in the burst packet.
  • the individual pulse width is advantageously from 300 fs to 11 ps.
  • Tb is advantageously in the range from 1 ps to 500 ns and Ti from 400 fs to 400 ns.
  • irradiation of the workpiece with a single burst packet may advantageously be sufficient.
  • the time interval between the individual burst packets is referred to as the inter-burst delay Td. 1/Td can advantageously be from 1 to 1000 kHz.
  • the energy Epo of the first individual pulse (41) of a burst can advantageously be set such that it is greater than the energy Ep x of the last individual pulse (42) of the same burst. The inventors have found that this reduces the emitted X-ray radiation.
  • Figures 17a to 17d show exemplary advantageous curves of the energies of the individual burst pulses over time t in a single burst packet.
  • the number of individual pulses in the burst packet is arbitrary, but preferably within the ranges mentioned above.
  • the simplest energy curve is a linear curve as shown in Fig. 17a.
  • the individual pulse energies within the burst packet decrease by at least essentially the same amount.
  • the first individual pulse(s) of the burst packet to have at least essentially the same energy, and for the following pulses to have a lower, in particular equally constant, energy. This corresponds to a two-stage energy curve, as shown in Fig. 17b.
  • Nonlinear curves are also possible, for example, an exponential decrease in the individual pulse energies in the burst packet as shown in Fig. 17c. It can also be provided that the individual pulse energy in the burst packet initially increases and then decreases again, with the first individual pulse advantageously having a higher energy than the last. The laser pulse(s) following the first individual pulse then have a higher energy, which then decreases towards the last individual pulse. Such a curve is shown in Fig. 17d.
  • FIG. 18a to 18c show cross sections through filamented workpieces (2) made of glass-based material that can be produced using the device according to the invention and the described method, in order to schematically illustrate possible shapes of hollow channel-shaped filaments.
  • Fig. 18a shows the simplest case when cylindrical hollow channels are introduced into the workpiece (2) as filaments (180).
  • the filaments lie essentially in the area of the laser focus (1).
  • the filament axis A passes through the center of the filament.
  • the filament walls are axially symmetrical.
  • the filaments (180) connect the top side (O) of the workpiece (2) with its bottom side (U).
  • the hollow channel-shaped filament (180) thus represents a through-channel or a through-opening.
  • the workpiece has the workpiece thickness (s).
  • the workpiece thickness (s) covers the range of ultra-thin glass or very thin glass with a few micrometers Thicknesses up to normal glass with thicknesses of several centimeters. Particularly used are the range from 10 ⁇ m to 200 ⁇ m, i.e. the range of very thin glasses including ultra-thin glasses, as well as the range from 0.5 mm to 3 mm, i.e. the range of substrate or flat glasses.
  • Figure 18a also shows the compression region (22) surrounding the filament.
  • the compression region also called the compression zone, and its formation have been described in detail above. It extends essentially perpendicular to the filament axis into the material of the workpiece.
  • a truncated cone-shaped filament (180) can also be provided, which is synonymously referred to as a V-shaped filament. This can also be described as having a hollow channel.
  • the truncated cone-shaped filament is, in particular, also axisymmetric to the filament axis (A). In the present illustration, the filament opens towards the underside of the workpiece. This means that the diameter (dU) of the filament (180) on the underside of the workpiece (2) is larger than the diameter (dO) on the top. Not shown but again possible is a design as a blind hole.
  • the expansion of the filament towards one side of the workpiece can be achieved in particular by adjusting the focus position of the beam-shaping optics, in particular by adjusting the convergence of the laser beam and the distance from the workpiece.
  • Typical channel angles ß are approximately 0.05 to 0.1°. This channel angle is measured between the perpendicular through the workpiece and the inner wall of the filament and thus corresponds to half the opening angle.
  • Fig. 18c shows hourglass-shaped or synonymously x-shaped filaments (180), again designed as continuous hollow channels.
  • This embodiment can be produced in particular by placing the area of the narrowest focus of the laser within the volume of the workpiece.
  • the same ranges as mentioned for the v-shaped filaments are advantageous for the channel and/or opening angles ß.
  • the x-shaped filaments (180) are characterized by a Constriction of the filament diameter in a region along the filament axis (A). In the example shown, the constriction is located in the center of the workpiece (2), i.e., at the same distance from its surfaces. There are also embodiments in which the constriction is located closer to one surface of the workpiece than to the opposite one.
  • the compression region (22) is not shown in Figs. 18b and 18c. However, it can of course also be present in the case of V- and/or X-shaped filaments (180). In this case, it follows the respective channel wall.
  • Fig. 19 shows a top view of a filamented workpiece (2).
  • the hollow channel-shaped filaments (180) are arranged in a predetermined pattern in the workpiece (2). This is also referred to as a structured workpiece (2).
  • the filaments (180) are surrounded by the compression region (22), in which, as described above, the material of the workpiece is compacted by the effect of irradiation with the ultrashort laser pulses.
  • a compression of at least 1% is present in a radius of 3 pm, the so-called compression measurement line (23), around the filament axis. This means that the degree of compaction, synonymously referred to as compression, is determined at this compression measurement line (23).
  • Fig. 20 schematically shows the general mechanism by which glass-based workpieces are to be separated using laser filamentation. It shows a top view of a workpiece.
  • the filaments (180) are surrounded by microcracks (50) of length RL.
  • the microcracks are caused by the shock wave generated by the plasma explosion in the focal region of the ultrashort laser pulse in the material of the workpiece (2), which can generate X-rays. If microcracks (50) combine to form a connected microcracks (51) in a neighboring filament, these connected microcracks (51) can form a continuous crack line along which the workpiece can be separated.
  • Fig. 20 schematically shows the general mechanism by which glass-based workpieces are to be separated using laser filamentation. It shows a top view of a workpiece.
  • the filaments (180) are surrounded by microcracks (50) of length RL.
  • the microcracks are caused by the shock wave generated by the plasma explosion in the focal region of the ultrashort laser
  • FIG. 21 shows a schematic top view of another workpiece (2) that was filamented with decreasing individual pulse energy in the burst packet. Because the energy of the last individual pulse of a burst packet is smaller than the energy of the first individual pulse of a burst packet used to create a filament (180), the crack length RL is shorter than in the prior art and less X-ray radiation is generated and/or emitted. It is assumed that reducing the laser pulse energies in the burst packet at least reduces uncontrolled energy input into the material of the workpiece (2). The energy input into the plasma is, so to speak, better controlled. This also results in less X-ray radiation. This is surprising because it is usually assumed that it is more advantageous to deposit as much laser energy as possible in the material of the workpiece during filamentation.
  • the microcracks (50) When viewed from above, the microcracks (50) generally radiate from the filament (180) as the center into the workpiece material. Here, too, the microcracks of neighboring filaments can combine to form one or more connected microcracks (51), thus forming a dividing line.
  • the shortened crack length RL does have the disadvantage that the filaments (1) have to be arranged closer together in order to form connected filaments (51) and thus a parting line.
  • this is balanced out by the advantage that shorter and/or fewer microcracks continue away from the parting line into the material of the workpiece (2). Otherwise, these weaken the edge of the workpiece that is created after parting, which manifests itself in reduced edge strength.
  • high edge strength is advantageous because it allows further processing and/or application of the filamented workpiece to be carried out more efficiently and, in particular, results in less waste.
  • This potential disadvantage is also offset by the reduction in X-ray radiation.
  • Fig. 22 explains an advantageous embodiment in a representation analogous to Figs. 20 to 21 .
  • the microcracks (50) run within the compression region (22).
  • the crack length RL is thus less than the width of the compression ring around the filaments (180).
  • the compression regions (22) must at least be adjacent to one another and/or overlap. This applies in particular to the compression measuring line. If the filaments (180) are too far apart, no microcracks (52) form and thus a parting line is interrupted at this point. This can be particularly advantageous for setting the breaking force necessary for the actual separation of the parts of the workpiece along the parting line. In many cases, it is advantageous if the filamented workpiece does not separate or detach on its own, but rather an additional mechanical force, the separation force, is required. This can facilitate further processing, especially transport, of filamented workpieces.
  • a decrease in the individual pulse energy in the burst packet is also applied, thus causing the microcracks (50) in the compression region (22) to essentially die out. Crack propagation is apparently inhibited in the compacted material, so that the decreasing individual pulse energies in the burst packet, as described, can be particularly well adjusted so that the microcracks (50) terminate within the compression region (22), in particular within the compression measurement line, while simultaneously minimizing the resulting X-ray radiation.
  • the compression measurement line is not shown here for clarity.
  • FIG. 23 A particularly advantageous embodiment is represented by Fig. 23.
  • the representation is analogous to Figs. 20 to 22; controlling the energy of the individual pulses in the burst packet is optional, but not necessary.
  • the laser focus is widened in the direction of the dividing line, in particular the intended dividing line.
  • a Preferred direction This has the consequence that the crack length RL of microcracks (50) in the preferred direction (VR) is greater than the crack length of microcracks (50) that do not run in the preferred direction.
  • microcracks in the preferred direction form connected microcracks (51) and thus create a dividing line, but only fewer and/or shorter microcracks propagate into the material of the workpiece (2) and thus less weaken the edge. Due to the described decrease in the individual pulse energies in the burst packet, it is particularly advantageously possible to confine the microcracks outside the preferred direction in the compression region (22), in particular within the compression measurement line, while microcracks (50) propagate in the direction of the preferred direction outside the compression region.
  • the ablation cloud i.e., the cloud above the workpiece (2), consisting of material vaporized and/or ejected by the micro-explosion, interacts with the generated X-ray radiation and, in addition to technical devices such as the aforementioned shielding element, can significantly contribute to X-ray attenuation.
  • the ablation cloud is also expanded in the preferred direction VR by using a laser beam (4) expanded in this direction, this can lead to a beneficial attenuation of the X-ray radiation in the preferred direction (VR). Because this direction can point in particular toward the feed and/or removal opening (320) and/or this is usually the case, the X-ray radiation arriving there can also be advantageously reduced in this direction.
  • Fig. 24 The relationship between the crack length RL of an individual microcrack and the angle Q of its course to the preferred direction is shown schematically in Fig. 24
  • the information derived from Fig. 24 is qualitative. It shows the average crack length RL versus angle Q.
  • angle Q indicates the angle of the propagation direction of a microcrack to the axis of the preferred direction, here using the example of an elliptical focus expansion with the main axis of the ellipse in the preferred direction.
  • Fig. 25 shows some examples of possible plan views of foci widened in the preferred direction.
  • VR denotes the preferred direction as a vector. This lies on the intended dividing line (53).
  • the first example is the elliptical widening with the main axis on the dividing line (53). Also possible are a drop-shaped widening, a heart-shaped widening, a triangular widening, and/or a two- or multi-part widening with the axis of symmetry on the dividing line (53).
  • the invention has the overall advantage of providing a device and method that enables efficient processing of glass-based materials while protecting the environment from emitted X-rays.
  • the means and measures used for this purpose are suitable for use in production environments. List of reference symbols
  • Device 180 Filament 200 Positioning device 201 Lifting device 203 Deflection device, feeding and/or removal means 208 Deflection device and workpiece support 210 Control device 221 Roller 250 Drawing tank 300 Shielding element 302 Processing space 303 Workpiece support 305 Free space 312 Aperture 320 Feed opening, removal opening 400 Sensor device
  • W Processing plane B Feed plane, removal plane Tb Burst duration Ti Intra burst delay Td Inter burst delay Epo Pulse energy of the first pulse of a burst packet Ep x Pulse energy of the last pulse of a burst packet
  • a Filament axis O Top side U Bottom side dO Filament diameter at the top side dll Filament diameter at the bottom s Workpiece thickness a Angle of XEm ß Channel angle

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) und Verfahren (100) zur lasergestützten Bearbeitung eines Werkstücks (2) aus glasbasiertem Material, insbesondere zum Einbringen von Schädigungen in das Werkstück (2), die dazu eingerichtet ist, das Werkstück in der Bearbeitungsebene (W) anzuordnen, mit einem Ultrakurzpulslaser (3), dessen Fokusbereich (1) zumindest teilweise innerhalb des Werkstücks liegt und in dem die Bestrahlungsstärke so groß ist, dass im Betriebszustand Röntgenstrahlung in einem Energiebereich EM, der von der Zusammensetzung des Werkstücks abhängig ist, aus dem Fokusbereich (1) emittiert wird. Der Fokusbereich (1) wird von zumindest einem Abschirmungselement (300, 310) für Röntgenstrahlung zumindest bereichsweise umgeben und stellt so einen Bearbeitungsraum (302) bereit. Das Abschirmungselement (300, 310) umfasst ein Material, welches eine Röntgenabsorption aufweist, die dem Energiebereich EM angepasst ist, insbesondere weist das Material des Abschirmungselements eine besonders hohe Röntgenabsorption im Energiebereich EM auf.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur lasergestützten Bearbeitung eines Werkstücks aus glasbasiertem Material sowie deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum lasergestützten Bearbeiten eines Werkstücks aus glasbasiertem Material. Ebenso sind deren Anwendung Gegenstand der Erfindung.
Glasbasierte Materialien sind im Sinne der Erfindung alle Materialien, die zumindest in Bereichen ein glasartiges Netzwerk aufweisen und/oder aus einem Material aus Glas hervorgehen. Glasbasierte Materialien sind insbesondere Gläser als solche, aber auch Glaskeramiken, welche durch zumindest teilweise Kristallisation von Elementen aus Glasmaterial gewonnen werden.
Die lasergestützte Bearbeitung basiert auf dem Einbringen von Schädigungen in das glasbasierte Material mittels Ultrakurzpulslasern, welche ultrakurze Laserpulse emittieren. Eine bekannte Anwendung ist das Laserschneiden. Dabei werden üblicherweise filamentförmige Schädigungen in das Werkstück eingebracht, die im Allgemeinen senkrecht durch dessen Dicke verlaufen. Setzt man nun mehrere Schädigungen aneinander, erhält man eine Trennlinie, an oder entlang der man das Werkstück trennen kann.
Der oftmals beschriebene Mechanismus dabei ist, dass von der Schädigung ausgehende Mikrorisse das Material des Werkstücks schwächen. Bei nebeneinander liegenden Schädigungen verbinden sich die Risse, so dass ein Trennen entlang dieser Verbindungslinie ermöglicht wird.
Die WO 2012/006736 A2 beschreibt ein Laserschneideverfahren auf Basis des nichtlinearen optischen Kerr-Effekts. Dem liegen zwei nichtlinearer Effekte zugrunde, die Selbstfokussierung des Pulses durch den optischen Kerr-Effekt und seine Defokusierung durch das Plasma, das der Laser im Material erzeugt. Dazu wird ausgeführt, dass die Selbstfokussierung über eine Fokuslänge von etwa 500 bis 1000 m aufrecht erhalten wird, und dann räumlich dispergiert, wenn die Pulsenergie nicht ausreicht, um wieder selbst zu Fokussieren und erneut einen Plasmakanal zu erzeugen.
Die EP 3169635 A1 wendet zum Verlängern der Laserfokuslinie beim Laserschneiden einen Bessel-Strahl mit einer Axicon Optik an. Die Erfinder dieser Schrift führen an, der Unterschied zu einem auf dem Kerr-Effekt beruhenden Verfahren wie der WO 2012/006736 A2 liege darin, dass die Refokussierung des Laserstrahls entsprechend der WO 2012/006736 A2 einer Modifikation des Brechungsindex des Materials des Werkstücks, hier Glas, bedarf. Dies hat zwangsläufig ein anderes Schädigungsbild zur Folge, welches unerwünscht sein kann.
In der DE 102018200033 A1 wird ein Laserbearbeitungskopf mit integriertem Röntgensensor beschrieben, der die prozessbedingte Röntgenstrahlung detektiert und die Maschinensteuerung die Prozessparameter in Abhängigkeit von den Sensorsignalen einstellt. Insbesondere wird die Bearbeitung unterbrochen, wenn eine vorbestimme Röntgendosis überschritten wird. Dies ermöglicht keine rationalen Herstellungsverfahren, beispielsweise in der industriellen Serienfertigung. Einen Ähnlichen Ansatz verfolgt die DE 102020127575 A1 .
Die DE 102018200030 B3 beschreibt die Beeinflussung der Röntgenemission bei der Materialprozessierung mit ultrakurzen Laserpulsen durch geeignet angeordnete Partikelströme.
Die DE 102018120022 A1 beschreibt die messtechnische Überwachung eines Werkstückbearbeitungsprozesses mit einem Röntgensensor, der Strahlung mit einer Photonenenergie von mehr als 0,5 keV detektiert und diese insbesondere hinsichtlich Energieverteilung der Strahlung als auch Dosisleistung analysiert. In der DE102018120019 A1 ist das zugehörige Detektormodul beschrieben und die DE102019000143 A1 erweitert die Sensorfunktionalität hinsichtlich unterschiedlicher Strahlungsarten und Bewertungsvarianten. Die DE 102019000144 A1 beschreibt das Testen eines Gehäuses auf Dichtheit mit einem röntgenemfindlichen Sensor, der mittels eines Abstandshalters in einem vordefinierten Abstand zur Gehäusewand gehalten wird.
Den vorgenannten Schriften ist gemein, dass sie keine rationelle Bearbeitung von Werkstücken ermöglichen, wie sie beispielsweise für die industrielle Serienfertigung von Werkstücken aus glasbasierten Materialien benötigt werden, beispielsweise dem Schneiden von Glasscheiben und/oder Glasbändern, insbesondere Bändern aus Ultradünnglas.
Die Erfinder haben erkannt, dass bei der Bearbeitung von glasbasierten Werkstücken mit Ultrakurzpulslasern, insbesondere beim Einbringen von filamentförmigen Schädigungen, Röntgenstrahlung mit einem charakteristischen Spektrum entstehen kann. Ein Teil der Erkenntnis ist auch, dass dies insbesondere erfolgt, wenn die eingestrahlte Laserenergie groß ist und/oder ein Burst von Laserpulsen eingesetzt wird.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die rationelle Bearbeitung von Werkstücken aus glasbasiertem Material ermöglichen. Dabei beruht die Erfindung auf dem Prinzip, die Ausbreitung der entstehenden Röntgenstrahlung einzudämmen und so eine effiziente Produktionsumgebung und/oder ein effizientes Verfahren für die Bearbeitung und/oder Herstellung von Elementen aus glasbasierten Werkstücken bereit zu stellen, insbesondere solchen aus Glas und/oder Glaskeramik.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche sowie den Inhalt der vorliegenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung umfasst eine Vorrichtung zur lasergestützten Bearbeitung eines Werkstücks aus glasbasiertem Material, insbesondere zum Einbringen von Schädigungen in das Werkstück, die dazu eingerichtet ist, das Werkstück in der Bearbeitungsebene W anzuordnen. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Ultrakurzpulslaser für die Abgabe ultrakurzer Laserpulse mit einer Wellenlänge A und einer Einzelpulsenergie Ep und einer Laserstrahlrichtung z, wobei der Laser und/oder die Laserpulse so eingerichtet sind, dass das Werkstück zumindest im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge A ist, sowie einer strahlformenden Optik, die eingerichtet ist, einen Fokusbereich des Laserstrahls zu bilden, der im Betriebszustand zumindest teilweise innerhalb des Werkstücks liegt und in dem die Bestrahlungsstärke Ef so groß ist, dass im Betriebszustand Röntgenstrahlung in einem Energiebereich EM, der von der Zusammensetzung des Werkstücks abhängig ist emittiert wird und wobei zumindest der Fokusbereich von zumindest einem Abschirmungselement für Röntgenstrahlung zumindest bereichsweise umgeben ist und so, entweder allein oder in Kombination mit weiteren Abschirmungselementen, ein Bearbeitungsraum bereitgestellt wird. Das Abschirmungselement besteht aus oder umfasst ein Material, welches eine Röntgenabsorption aufweist, die dem Energiebereich EM angepasst ist.
Die Emission der Röntgenstrahlung erfolgt dabei insbesondere aus dem Fokusbereich.
Besonders vorteilhaft weist das Material des Abschirmungselements eine besonders hohe Röntgenabsorption im Energiebereich EM auf.
Im Sinne der Erfindung befindet sich bei der Bearbeitung das Werkstück aus glasbasiertem Material im Fokusbereich. Mit anderen Worten wird das glasbasierte Material mittels ultrakurzen Laserpulsen bearbeitet. Daher entspricht es auch dem Umfang der Erfindung, dass das Werkstück weitere Materialen umfassen kann, beispielsweise in dessen Randbereich. Im Sinne der Erfindung wird dessen Bereich, welcher das glasbasierte Material aufweist, mittels der ultrakurzen Laserstrahlung bearbeitet.
Schädigungen im Sinne der Erfindungen sind im Allgemeinen jegliche Form von Materialmodifikation und/oder Materialentfernung, die durch Wechselwirkung der ultrakurzen Laserpulse mit dem Material des Werkstücks entstehen. Dies kann umfassen Brechungsindexänderungen, Materialverfärbungen, Schwächen der Materialstruktur insbesondere durch Risse, lokales Aufschmelzen, Ablatieren, Einbringen von Hohlkanälen und/oder Sacklöchern usw.. Insbesondere vorteilhaft ist das Einbringen von filamentförmigen Schädigungen.
Als Filament wird weitestgehend eine langgestreckte, fadenförmige Struktur verstanden, deren Durchmesser bedeutend geringer ist als deren Länge. Insbesondere vorteilhaft ist die Vorrichtung dazu eingerichtet und/oder das Verfahren derart gestaltet, dass hohlkanalförmige Filamente in das Werkstück eingebracht werden. Ein solches hohlkanalförmiges Filament zeichnet sich durch den Hohlraum in Richtung entlang der Filamentachse aus. Ein solcher Hohlkanal geht über eine bloße Matenalschädigung und/oder Brechungsindexänderung hinaus und ermöglicht die rationelle Weiterverarbeitung des Werkstücks, beispielsweise das Trennen oder weitere Aufweiten der Filamente.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin einen Ultrakurzpulslaser, der für die Abgabe ultrakurzer Laserpulse eingerichtet ist. Bei einem Ultrakurzpulslaser ist die Pulsbreite eines Laserpulses sehr kurz, d.h. im Bereich kleiner als 1 ns, insbesondere im Bereich einiger ps bis fs, insbesondere im Bereich von 40 fs bis 20 ps. Insbesondere vorteilhafte Untergrenzen sind 100 fs oder 200 fs und vorteilhafte Obergrenzen 10 ps oder 3 ps oder 1 ps. Die Ober- und Untergrenzen sind beliebig miteinander kombinierbar. Insbesondere ergibt sich damit ein vorteilhafter Bereich von 100 fs bis 10 ps oder 200 fs bis 10 ps oder 100 fs bis 3 ps.
Bei den genannten Pulsdauern sind mittlere Laserleistungen im Bereich 1 W bis 10 kW oder mehr kommerziell verfügbar.
Die Bestrahlungsstärke Ef repräsentiert hierin die eingestrahlte Laserleistung pro Fläche, also Strahlquerschnittsfläche, gemessen am Ort der Wechselwirkung mit dem Werkstück. Bei schrägem Einfall auf die Werkstückoberfläche wird die vom Laserstrahl beschienene Fläche größer, also die Bestrahlungsstärke kleiner. Die maximal erreichbare Leistungsdichte entspricht der Intensität des Laserstrahls im Fokus. Die Laserleistungen werden als Einzelpulse oder als Burstpulsgruppe emittiert, hierin auch Burstpaket genannt, mit der Wiederholfrequenz frep, die insbesondere im Bereich von 10 kHz bis 100 MHz liegen kann. Bevorzugte Bereiche sind 25 kHz bis 50 MHz, 50 kHz bis 20 MHz und/oder Wiederholfrequenzen kleiner als 50 MHz, 20 MHz, 10 MHz, 8 MHz, 4 MHz, 2 MHz oder 1 MHz.
Sollte die durch Einzelpulse zur Verfügung gestellte Energie zur insbesondere noch nicht ausreichend sein, kann die Einstrahlung zumindest eines Burstpakets von Laserpulsen vorgesehen sein. Ein Burstpaket besteht aus einer Gruppe oder Folge von ultrakurzen Laserpulsen, im Folgenden auch Bursteinzelpulse genannt. Ein Burstpaket weist somit mindestens zwei Bursteinzelpulse auf. In der Regel werden allerdings etwa 2 bis 20 Bursteinzelpulse eingesetzt, vorteilhaft 3 bis 10, wobei als Obergrenzen auch durchaus um die 100 Bursteinzelpulse möglich sind. Das Burstpaket weist vorteilhaften eine Pulsenergie Ep von 100 pJ bis 1 J auf. Ebenso vorteilhafte Bereiche sind von 100 pJ bis 50 mJ oder von 100 pJ bis 10 mJ. Wie bereits beschrieben bezeichnet Ep hier die akkumulierte Energie des Burstpakets. Der Einsatz eines Einzelpulses ist ebenso möglich.
Die Pulsdauer eines Einzelpulses und/oder Bursteinzelpulses entspricht der Pulsdauer des Lasers, die zeitliche Dauer des Burstpaket, genannt Burstdauer Tb, ist abhängig von der Pulsdauer des Bursteinzelpulses, der Zahl der Bursteinzelpulse in dem entsprechenden Burstpaket und dem zeitlichen Abstand der Bursteinzelpulse, genannt Intra-Burst-Delay Ti, gemessen jeweils an dem Zeitpunkt der maximalen Intensität eines Bursteinzelpulses.
Die Bursteinzelpulse einer Burstpulsgruppe besitzen vorteilhaft einen zeitlichen Abstand im Bereich von einigen Nanosekunden, z. B. 15 ns, und somit eine eigene Burstpulsfrequenz, die üblicherweise im Megahertzbereich zwischen 30 MHz und 60 MHz liegt, bevorzugt 50 MHz. In besonderen Fällen können Burstpulsgruppen selbst aus weiteren Unterpulsen bestehen, sog. Burst-in Burst- oder BiBurst-Mode, deren zeitlicher Abstand im Bereich von ps und die Frequenzbasis entsprechend im Gigahertzbereich liegt. Der Laser emittiert im Sinne dieser Beschreibung Laserstrahlung der Wellenlänge A. Diese wird so gewählt, dass sie für die gewünschte Materialbearbeitung, insbesondere Einbringen von Schädigungen, geeignet ist. Dies bedeutet im Allgemeinen, dass die Laserwellenlänge A entsprechend des gewünschten Wechselwirkungsmechanismus mit dem Material des Werkstücks gewählt wird.
Im Sinne dieser Beschreibung steht UKP kurz für ultrakurpuls. Generell können U KP-Lasersysteme derzeit Laserwellenlängen im Bereich 350 nm bis 2700 nm zur Verfügung stellen. Typische Emissionswellenlängen liegen im Bereich 350 nm bis 1400 nm, vorteilhaft 400 nm bis 1100 nm. Beispiele Ultrakurzpulslasersysteme mit einer Emissionswellenlänge von 800 nm, 1030 nm oder 1064 nm und der zugehörigen frequenzverdoppelten Versionen bei 532 nm bzw. 515 nm. Ebenso sind die Wellenlängen der höheren harmonischen Anregung möglich. Vorteilhaft wird die Wellenlänge A so gewählt, dass das Werkstück zumindest im Auftreffbereich des Laserstrahls transparent für die verwendete Wellenlänge A des Lasers ist. Darunter wird verstanden, dass die Transmission des Werkstücks an dieser Stelle größer als 50% oder größer als 85%, vorteilhaft größer als 90%, besonders vorteilhaft größer als 95% bei der Wellenlänge A ist. Auf diese Weise lassen sich filamentförmige Schädigungen in das Werkstück einbringen, insbesondere Hohlkanäle und/oder Sacklöcher.
Die Laserstrahlung wird emittiert in Richtung der Laserstrahlrichtung z.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine strahlformende Optik, die so ausgebildet ist, den Laserstrahl in einem Fokusbereich zu fokussieren, wobei im Fokusbereich die Bestrahlungsstärke Ef so gross ist, dass im Betriebszustand aus dem Fokusbereich Röntgenstrahlung emittiert wird. Dies kann insbesondere durch Wechselwirkung der hochenergetischen Laserstrahlung im Fokusbereich mit dem Material des Werkstücks erfolgen oder sogar auch mit dem umgebenden Medium, beispielsweise der Atmosphäre im Bereich des Fokus, mithin im einfachsten Fall mit Luft. Entscheidend ist hier die erreichte Bestrahlungsstärke Ef, die sich generell als Quotient von Laserleistung und Strahldurchmesser ergibt. Die maximale Bestrahlungsstärke ergibt sich für den Fall einer räumlich und zeitlich normalverteilten Pulsform (Gauß-Strahl) zu
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Hierbei ist Q die Pulsenergie, TH die Pulsdauer und dno der Strahldurchmesser, bei dem 86% der Laserleistung umfasst werden und do, 63 entsprechend der Durchmesser für 63% der Gesamtleistung. Um ein Substrat auf der Oberfläche zu modifizieren muß die Bestrahlungsstärke von mindestens 1012 W/cm2 erreicht werden, besser 1013 W/cm2. Bei diesen Werten bildet sich auf der Substratoberfläche ein Plasma aus und das Werkstück kann modifiziert, d.h. ablatiert werden. Durch Brems- sowie Absorptionsprozesse im Plasma wird die freiwerdende Energie in Form von kontinuierlich verteilter bzw. diskreter Röntgenstrahlung emittiert.
Das Werkstück wird in einer Bearbeitungsebene (W) angeordnet. Vorteilhaft werden die Lage der Bearbeitungsebene und die Lage des Fokusbereichs aufeinander abgestimmt. Dies kann durch Einstellen der Bearbeitungsebene und/oder, einzeln oder in Kombination, durch Einstellen der Position des Lasers, insbesondere dessen Höhenlage, und/oder der strahlformenden Optik erfolgen.
Vorteilhaft wird die Vorrichtung so eingerichtet, dass der Fokusbereich zumindest teilweise innerhalb des Werkstücks liegt. Besonders vorteilhaft ist die strahlformende Optik so ausgebildet, dass der Fokusbereich durch eine langgestreckte Fokuslinie repräsentiert wird, die auf das Werkstück unter einem Winkel a, a vorteilhaft 90°, gerichtet ist, und die Fokuslinie zumindest bereichsweise innerhalb des Werkstücks liegt. Im üblichen Fall durchbricht die Fokuslinie zumindest auf einer Seite die Oberfläche des Werkstücks, insbesondere auch auf beiden Seiten. Wie zuvor beschrieben entsteht durch die Laserstrahlung in der beschriebenen Vorrichtung und in dem im Folgenden beschriebenen Verfahren Röntgenstrahlung. Die Erfinder haben festgestellt, dass diese in einem für ein glasbasiertes Material typischen Energiebereich EM abgestrahlt wird.
Die emittierte Röntgenstrahlung wird im Sinne der Erfindung durch zumindest ein Abschirmungselement abgeschirmt. Dazu wird das Abschirmungselement allein oder in Kombination mit weiteren Abschirmungselementen so angeordnet, dass zumindest der Fokusbereich von dem oder den Abschirmungselementen zumindest bereichsweise umgeben ist und so einen Bearbeitungsraum bereitstellt. Das Abschirmungselement besteht aus einem Material oder umfasst ein Material, dass eine Röntgenabsorption aufweist, welche dem Energiebereich EM der Röntgenemission angepasst ist. Insbesondere weist das Material des Abschirmungselements eine besonders hohe Röntgenabsorption im Energiebereich EM auf.
Das Wirkungsprinzip des Abschirmungselements beruht darauf, dass es die erzeugte Röntgenstrahlung effizient absorbiert. Damit wird die erzeugte Röntgenstrahlung sozusagen im Bearbeitungsraum gehalten und/oder die Strahlungsintensität ist außerhalb des Bearbeitungsraums geringer als innerhalb.
Entscheidend für die Schutzwirkung des Abschirmungselements ist die Energiedosis E hinter dem Abschirmungselement und/oder die zugehörige Äquivalentdosis H als Maß für die biologische Wirksamkeit, die sich aus der Energiedosis durch Multiplikation mit einem Wichtungsfaktor berechnet und berücksichtigt, dass verschiedene Strahlungsarten unterschiedliche Wirkungen in biologischem Gewebe entfalten. Bei Röntgenstrahlung beträgt dieser Wichtungsfaktor 1. Es gilt: [H]=1 Sv =1 J/kg.
Weil die Röntgenstrahlung unterschiedliche Wirkung auf biologisches Gewebe besitzt, wird unterschieden zwischen der Richtungs-Äquivalentdosis H‘(0,07,Q) in 0,07 mm (Eindring-)Tiefe für Haut, der Richtungs-Äquivalentdosis H‘(3,Q) in 3 mm Eindringtiefe für das Auge und der Umgebungs-Äquivalentdosis H*(10) in 10 mm Gewebetiefe für den Körper. Jede einzelne wird im Sinne dieser Beschreibung als Äquivalentsdosis bezeichnet. Die Aquivalenzdosisleistung ist die jeweilige Äquivalenzdosis pro Zeiteinheit. Im Sinne dieser Beschreibung wird sie gemessen im Abstand von 10 cm von der äußeren Wandung des Abschirmungselements
Ein Abschirmungselement gilt als vorteilhaft im Sinne der Erfindung, wenn alle drei Äquivalentdosisleistungen den Wert 10 pSv/h nicht überschreiten. Besonders vorteilhaft ist ein Abschirmungselement, bei dem alle drei Äquivalentdosisleistungen im Abstand von 10 cm von dessen äußerer Wandung den Wert 1 pSv/h nicht überschreiten.
Die Schutzwirkung eines Abschirmungselements ist besonders hoch, wenn auf der Laserseite der Wandung durch den Laserprozess und seine fokussierende Optik eine Bestrahlungsstärke von größer als 1013 W/cm2, mehr als 1014 W/cm2, bevorzugt mehr als 1015 W/cm2 oder besonders bevorzugt mehr als 1016 W/cm2 im Fokus erzeugt wird und auf der laserabgewandten Seite des Abschirmungselements die Äquivalentdosisleistungen unter 10 pSv/h bzw. 1 pSv/h bleiben, mithin im Bereich von 0.1 bis 10 pSv/h und/oder von 0.1 bis 1 pSv/h.
Die Untergrenze von 0.1 pSv/h wird üblicherweise durch die natürliche Röntgenstrahlung der Umgebung bedingt.
Oder mit anderen Worten, eine vorteilhafte Ausführungsform ist eine Vorrichtung, bei der im Betriebszustand die Äquivalentsdosisleistungen außerhalb des Bearbeitungsraums, gemessen in einem Abstand von 10 cm von dessen äußerer Wandung, weniger als 10 pSv/h, bevorzugt weniger als 1 pSv/h betragen.
Wie bereits beschrieben sind die Äquivalentsdosisleistungen die Dosisleistungen der Richtungs-Äquivalentdosis in 0,07 mm (Eindring-)Tiefe für Haut, der Richtungs- Äquivalentdosis in 3 mm Eindringtiefe für das Auge und der Umgebungs- Äquivalentdosis in 10 mm Gewebetiefe für den Körper. Ebenso vorteilhaft sind Ausgestaltungen, bei denen auf der Laserseite der Wandung durch den Laserprozess und seine fokussierende Optik eine Bestrahlungsstärke von mehr als 1013 W/cm2, mehr als 1014 W/cm2, mehr als 1015 W/cm2 oder besonders vorteilhaft mehr als 1016 W/cm2 im Fokusbereich erzeugt wird und die erzeugte Röntgenstrahlung Photonen mit einer Energie von mehr als 7 keV, mehr als 10 keV, mehr als 12 keV, 15 keV oder mehr als 20 keV aufweisen und auf der laserabgewandten Seite des Abschirmungselements die Äquivalentdosisleistungen unter 10 pSv/h bzw. unter 1 pSv/h bleiben.
Es ist für den Leser leicht ersichtlich, dass die spezifische Anordnung der Abschirmungselemente so erfolgt, dass die aus dem Fokusbereich emittierte Röntgenstrahlung durch diese absorbiert werden kann.
Die Vorrichtung ist besonders vorteilhaft so eingerichtet, dass die Röntgenstrahlung eine Energie von 2 keV bis 40 keV aufweist, insbesondere von 3 keV bis 30 keV oder von 4 keV bis 40 keV.
Bei glasbasierten Materialien weist die emittierte Röntgenstrahlung insbesondere Maxima im Bereich von 6 keV bis 10 keV auf.
Im Sinne der Erfindung wird das Material des Abschirmungselements vorteilhaft so gewählt, dass es eine hohe Röntgenabsorption in dem Bereich aufweist, in welchem die Maxima der emittierten Röntgenstrahlung des Werkstücks aus glasbasierten Materialien liegt.
Insbesondere vorteilhaft ist eine Vorrichtung, wobei das Material des Abschirmungselements ein Maximum der Röntgenabsorption im Energiebereich von 6 keV bis 10 keV aufweist.
Ein Maximum im Sinne der voranstehenden Beschreibung ist auch als lokales Maximum zu verstehen. Eine vorteilhafte Vorrichtung ist so eingerichtet, dass das Abschirmungselement aus einem Material besteht oder dieses umfasst ein Material ausgewählt aus der Gruppe der Metalle, insbesondere umfassend Eisen, Stahl, Edelstahl, Wolfram, Glas, oder ausgewählt aus der Gruppe der Kunststoffkomposite, insbesondere umfassend mit Wolfram oder Glas gefülltes Kunststoffkom posit.
Im Allgemeinen wird eine möglichst hohe Abschirmungseffizienz für das Abschirmungselement angestrebt. Allerdings soll es auch rationell herstellbar und betreibbar sein. Das Abschirmungsverhalten korrelliert prinzipiell mit der Kernladungszahl der Atome des Materials, welches das Abschirmungselement umfasst. Das Zusammenspiel mit der Dicke des Abschirmungselements ergibt dann die gesamte Fähigkeit des Abschirmungselements, die Röntgenstrahlung zumindest zu reduzieren und/oder abzuschirmen.
Den genannten Kompromiss erfüllen Metalle besonders gut. Beispielsweise ist Blei als guter Röntgenabsorber bekannt. Im Betrieb ist es dennoch nicht das vorteilhafteste Material. Im Sinne der Erfindung sind als vorteilhaft eisenhaltige Materialien einzusetzen, insbesondere Stahl und/oder Edelstahl insbesondere nach EN 10020:2000, Ausgabedatum 07/2000, umfassend ebenso unlegierte Edelstähle sowie legierte Edelstähle. Wolfram hat sich auch als vorteilhaft erwiesen. Ebenso möglich sind mit Metall gefüllte Kunstoffkomposite, insbesondere mit Wolfram gefülltes Kunststoffkom posit. Ebenso möglich und von der Erfindung umfasst sind Strahlenschutzgläser und/oder mit Glas gefüllte Kunstoffkomposite, insbesondere mit Gläsern, die eine hohe Röntgenabsorption aufweisen. Solche werden auch als Dentalgläser eingesetzt und können beispielsweise Barium enthalten. Solche Gläser können Aluminiumgleichwertdicken, abgekürzt ALET, von über 100% aufweisen, mitunter auch über 200%.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Vorrichtung so ausgestaltet, dass das Abschirmungselement für Röntgenstrahlung das Werkstück zumindest teilweise umschließt. Dies bedeutet, dass es vorteilhaft sein kann, wenn die Abschirmungselemente nicht nur den Fokusbereich umschließen, sondern wenn das Werkstück innerhalb des Bearbeitungsraums angeordnet ist. Dies kann wie später beschrieben in einer Einzelbearbeitung ein ganzes Werkstück wie eine Glasscheibe sein, oder ein Abschnitt eines kontinuierlichen Werkstückbandes, beispielsweise eines Glasbandes.
Vorteilhaft ist eine Vorrichtung, die so eingerichtet ist, im Fokusbereich des Laserstrahls ein Plasma zu erzeugen, welches Röntgenstrahlung emittiert.
Insbesondere bei hohen Laserleistungen kann insbesondere im Fokusbereich und/oder im Werkstück ein Plasma entstehen und/oder gezündet werden. Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere dieses Plasma Röntgenstrahlung emittieren kann. Das Plasma kann gleichzeitig insbesondere vorteilhaft genutzt werden, filamentförmige hohlkanalförmige Schädigungen ins Werkstück einzubringen. Dabei wird davon ausgegangen, dass in Folge der Wirkung des Plasmas eine Mikroexplosion entsteht, die Material senkrecht zur Filamentachse in das Werkstück hineindrückt und so als Hohlraum den Hohlkanal und/oder Sackloch erzeugt.
In einer weiteren vorteilhaften Vorrichtung ist der Laser so eingerichtet, dass er zumindest ein Burstpaket von Laserpulsen emittiert, welches aus einer Folge von ultrakurzen Bursteinzelpulsen mit der Wiederholfrequenz frep besteht. Besonders vorteilhaft erzeugt der erste Bursteinzelpuls des Burstpakets ein initiales Plasma, welches durch die folgenden Bursteinzelpulse des Burstpakets mit Energie versorgt und so aufrecht erhalten wird.
Die auf den ersten Bursteinzelpuls des Burstpakets folgenden Bursteinzelpulse füttern sozusagen das initiale Plasma nach und halten es am Brennen. Es wurde festgestellt, dass im Burstbetrieb eine besonders gute Materialbearbeitung möglich ist, aber ebenfalls ein besonders hohes Maß an Röntgenstrahlung entsteht. Mittels der vorliegenden Erfindung ist es möglich, den Vorteil der guten Bearbeitbarkeit zu nutzen und die Nachteile der höheren Röntgenstrahlung zu kompensieren. Die Gesamtpulsenergie kann gleich über die Pulse des Burstpakets verteilt werden oder auch mit fallendem oder steigenden Energieinhalt über das Burstpaket. Es wurde ebenso festgestellt, dass insbesondere im letztgenannten Fall eines besonders hohe Dosisleistung entstehen kann. Daher kann es vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Energie der Bursteinzelpulse im Burstpaket so eingestellt wird, dass sie konstant ist und/oder vorteilhaft abnimmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung einer Vorrichtung ist so eingerichtet, dass der Laser so eine Laserwellenlänge A emittiert, in der das Werkstück zumindest im Wesentlichen transparent für die Laserwellenlänge A ist. Besonders vorteilhaft beträgt die Laserwellenlänge A von 500 nm bis 1100 nm und/oder die Pulsdauer eines Einzelpulses beträgt von 200 fs bis 11 ps und/oder die Burstdauer beträgt von 1 ps bis 500 ns und/oder die akkumulierte Energie eines Burstpakets beträgt von 100 pJ bis 10000 pJ und/oder die Wiederholfrequenz frep beträgt von 10 kHz bis 100 MHz und/oder das Werkstück besteht aus oder umfasst Glas und/oder Glaskeramiken..
Unter der vorgenannten Transparenz wird verstanden, dass die Transmission des Werkstücks an der Stelle der Lasereinstrahlung größer als 85% ist, vorteilhaft größer als 90%, besonders vorteilhaft größer als 95% bei der Wellenlänge A.
Um dennoch eine Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Material des Werkstücks zu erreichen, wird im Sinne der Erfindung ein Ultrakurzpulslaser eingesetzt. Bei einem solchen ist die Pulsbreite wie beschrieben sehr kurz, d.h. im Bereich kleiner als 1 ns, insbesondere im Bereich einiger ps bis fs, insbesondere im Bereich von 100 ps oder 10 ps bis 100 fs oder 10 fs. Besonders vorteilhaft ist der Bereich von 10 ps bis 200 fs.
Besonders vorteilhaft umfasst das Werkstück, zumindest im Bearbeitungsbereich und/oder Fokusbereich, Glas und/oder Glaskeramiken. Insbesondere vorteilhaft besteht es zumindest dort aus diesen Materialien. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Fokusbereich so eingerichtet ist, dass das Werkstück selbst zumindest teilweise die emittierte Röntgenstrahlung absorbiert.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das glasbasierte Material selbst Röntgenstrahlung absorbiert, und zwar zumindest teilweise in dem Spektralbereich, in dem die durch die Lasereinstrahlung entstehende Röntgenstrahlung emittiert wird. Wenn die Fokuslinie des Lasers beispielsweise so angeordnet wird, dass sie nur auf einer Seite des Werkstücks dessen Oberfläche durchdringt, wird entstehende Röntgenstrahlung durch das glasbasierte Material auf der anderen Oberfläche absorbiert.
Generell kann ausgeführt werden, dass wenn eine der beiden Werkstückoberflächen von der Fokuslinie durchbrochen wird, abhängend von der Energieverteilung entlang der Fokuslinie, Röntgenstrahlung und damit Dosisleistung entsteht. Wir eine reine Innenmodifikation ohne Durchstoßen der Werkstückoberflächen erzeugt, wird die entstehende Dosisleistung durch das umgebende glasbasierte Material absorbiert. Werden beide Oberflächen durchstoßen, so entstehen zwei Plasmafackeln, die wie zuvor beschrieben Röntgenstrahlung emittieren.
Damit ist ersichtlich, dass die Richtung der Emission auch durch die Anordnung von Fokuslinie und Werkstück beeinflusst werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Vorrichtung weist eine Werkstückauflage auf, auf der das Werkstück während der Bearbeitung aufliegt, wobei die Werkstückauflage zumindest im Bereich des Fokusbereichs in z-Richtung aus einem Material besteht, welches Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere Glas und/oder Glaskeramik und/oder Röntgenschutzglas oder mit Glas gefülltes Kunststoffkomposit oder es befindet sich in Laserstrahlrichtung betrachtet unterhalb des Werkstücks ein Freiraum, insbesondere ein Luftspalt, wobei der Freiraum nach unten, in Fortsetzung der z-Richtung, zumindest bereichsweise von einem Element begrenzt wird, das Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ein Element aus Glas und/oder Glaskeramik und/oder Röntgenschutzglas und/oder mit Glas gefülltem Kunststoffkom posit.
Unterhalb bedeutet im Sinne der Erfindung in Laserstrahlrichtung betrachtet unterhalb des Werkstücks und/oder unterhalb der Bearbeitungsebene (W) auf der dem Laser abgewandten Seite des Werkstücks, d.h. mit anderen Worten weiter vom Laser entfernt und in z-Richtung.
Diese beiden Ausführungsformen ermöglichen es, dass emittierte Röntgenstrahlung auch unterhalb des Werkstücks absorbiert wird. Sie sind insbesondere vorteilhaft, wenn der Fokusbereich zumindest teilweise unterhalb des Werkstücks angeordnet ist, oder mit anderen Worten das Werkstück teilweise durchdringt mit einem signifikanten Energieanteil unterhalb der Werkstückebene.
Besonders vorteilhaft umfasst dieses genannte Element unterhalb des Werkstücks ein Material oder besteht zumindest in der Projektionslinie des Fokusbereichs aus einem Material, das kein Metall ist. Insbesondere vorteilhaft ist dieses Material Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltes Kunststoffkom posit.
Dem liegt die Erkenntnis der Erfinder zugrunde, dass das Auftreffen eines fokussierten ultrakurzen Laserpulses auf eine Metalloberfläche ebenfalls in signifikantem Maß Röntgenstrahlung erzeugt. Demzufolge sollte im Sinne der Erfindung verhindert werden, dass ein solcher fokussierter ultrakurzer Laserpuls auf eine Metalloberfläche trifft, beispielsweise einer bisher bekannten Standard- Werkstückauflage oder eines Standard-Werkstückhalters. Dies ist umso bedeutender, als das Werkstück wie beschrieben im Wesentlichen transparent für die eingestrahlte Laserstrahlung ist und so hochenergetische Laserstrahlung durch das Werkstück dringen kann. Befindet sich unmittelbar unter dem Werkstück, insbesondere in Kontakt mit dem Werkstück, das genannte Material, das kein Metall ist, entsteht die unerwünschte Röntgenstrahlung nicht oder nur in (sehr) verringertem Maß. Das zu bearbeitende Werkstück aus glasbasiertem Material besitzt für die auf dem Werkstückträger erzeugte Röntgenstrahlung ebenfalls eine abschirmende Wirkung, die abhängig ist von der Werkstückdicke ist. Je dünner das zu prozessierende Werlstück, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass auf der Werkstückoberfläche erzeugte Röntgenstrahlung durch das zu prozessierende Substrat in den freien Raum tritt.
Die vorgenannte alternative Lösungsmöglichkeit und/oder Ausführungsform sieht vor, dass sich unterhalb des Werkstücks ein Freiraum befindet. Der Fokusbereich des Lasers ist dabei so eingerichtet, dass dieser, wenn er das Werkstück durchdringt, ebenfalls innerhalb dieses Freiraums angeordnet ist. Auf diese Weise wird das Auftreffen auf Metall vermieden. Der Leerraum kann mit einem Fluid gefüllt sein, insbesondere einem Gas, im einfachsten Fall mit der umgebenden Atmosphäre und damit Luft. Der Freiraum kann dann als Luftspalt aufgefasst werden. Besonders vorteilhaft ist der Freiraum in Laserstrahlrichtung betrachtet nach unten, d.h. unterhalb der Bearbeitungsebene (W), durch zumindest ein Element begrenzt, das Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ein Element aus Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltem Kunststoffkom posit. Eine Beschichtung eines Substrats mit den genannten Materialien ist ebenso als ein vorgenanntes Element aufzufassen.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Werkstück dem Bearbeitungsraum auf einer Zuführebene (B) zugeführt wird, die sich von der Bearbeitungsebene (W) unterscheidet, insbesondere liegt die Zuführebene in z- Richtung betrachtet unterhalb oder oberhalb der Bearbeitungsebene (W).
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Ebene, auf welcher das Werkstück zum Bearbeitungsort und/oder Bearbeitungsraum geführt wird versetzt zu der Ebene der Bearbeitung des Werkstücks ist, und zwar versetzt bezogen auf die Laserstrahlrichtung z. Insbesondere liegt die Ebene der Zuführung oberhalb oder unterhalb der Ebene der Laserbearbeitung und damit dem Ort, an dem die Röntgenstrahlung entsteht. Dies erlaubt es insbesondere, dass sich im Bereich zwischen den Ebenen Bereiche des Abschirmungselements befinden können.
Dieses Prinzip des Ebenenversatzes ist prinzipiell für alle Arten von Werkstücken im Sinne dieser Beschreibung anwendbar. Bei einzelnen Werkstücken, beispielsweise Scheiben aus glasbasiertem Material, kann das Werkstück diskret von der Zuführebene (B) in die Bearbeitungsebene (W) gebracht werden, zum Beispiel durch einen Lift und/oder ein Laufband. Besonders vorteilhaft ist das Prinzip allerdings bei kontinuierlicher Bearbeitung und somit Zuführung des Werkstücks, zum Beispiel wenn diese in Form eines Bandes aus glasbasiertem Material vorliegt. Dann wird das Band insbesondere unter Biegung desselben von der Zuführebene (B) in die Bearbeitungsebene (W) gebracht. Solche Glasbänder können wie allgemein bekannt eine Dicke von einigen mm aufweisen, insbesondere aber Dünnstgläser oder Ultradünngläser sein mit Dickenbereichen wie hierin beschrieben.
Eine vorteilhafte Vorrichtung ist so ausgestaltet, dass das Abschirmungselement eine Zuführöffnung aufweist, durch welche das Werkstück in den Bearbeitungsraum einbringbar ist.
Das kann in der sequentiellen Bearbeitung beispielsweise von Glasscheiben anwendbar sein, aber auch in der kontinuierlichen Bearbeitung beispielsweise eines Glasbandes, insbesondere Eines aus Ultradünnglas. In der sequentiellen Bearbeitung kann die Zuführöffnung auch identisch mit einer Entnahmeöffnung sein.
Ein Ultradünnglas ist im Sinne dieser Beschreibung ein Glas mit einer Dicke von höchstens 400 pm, insbesondere höchstens 30 pm. Die Untergrenze beträgt zum Zeitpunkt der Erfindung etwa 5 pm, wobei in der weiteren Entwicklung mit noch geringeren Stärken zu rechnen ist. Untergrenzen von 2 pm oder 3 pm erscheinen möglich oder sogar absehbar. Vorteilhafte Dickenbereiche für Ultradünngläser, in Form von Scheiben oder Bändern und allen anderen möglichen Formen, sind somit von 5 pm bis 400 pm oder von 5 pm bis 200 pm oder von 5 pm bis 100 pm oder von 5 pm bis 50 pm oder von 5 pm bis 30 pm, insbesondere von 7 pm bis 40 pm.
Insbesondere vorteilhaft ist die Zuführöffnung durch zumindest eine Verschlusseinrichtung verschließbar, welche ein Material umfasst, das die im Betriebszustand emittierte Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ist die Verschlusseinrichtung ausgewählt aus der Gruppe Verschlussvorhang, Walze und/oder Wasservorhang oder Kombinationen derselben.
Insbesondere ein Verschlussvorhang und/oder eine Walze können beim Zuführen des Werkstücks in den Bearbeitungsraum in Kontakt mit dem Werkstück sein. Wird die Vorrichtung in den Herstellungsprozess integriert, bei dem das Werkstück mittels Heißformgebung erzeugt wird, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Zuführung an einer Stelle erfolgt, in welcher das Werkstück ausreichend abgekühlt ist und/oder eine so große Viskosität aufweist, dass die Verschlusseinrichtung möglichst wenig Einprägungen und/oder Kratzer auf dem Werkstück erzeugen.
Insbesondere vorteilhaft umfasst die ausgewählte Verschlusseinrichtung ein Material, das Röntgenstrahlung absorbiert. Beispielsweise kann eine entsprechende Walze eine Achse aus Metall aufweisen, auf der ein zylindrischer Körper aus absorbierendem Kunststoff angeordnet ist, insbesondere die zuvor genannten gefüllten Kunststoffe. Im einfachsten Fall befindet sich die Zuführöffnung auf einer Zuführebene (B), die auf oder in der Nähe der Bearbeitungsebene (W) liegt.
Alternativ oder zusätzlich kann die Zuführöffnung vorteilhaft in einer Ebene (B) angeordnet sein, welche sich senkrecht zur z-Richtung betrachtet oberhalb oder unterhalb der Bearbeitungsebene (W) befindet. Besonders vorteilhaft befindet sich dabei ein Bereich des Abschirmelements in der Bearbeitungsebene (W), insbesondere zwischen der Zuführebene (B) und der Bearbeitungsebene (W).
Diese Anordnung beruht auf dem vorgenannten Prinzip, dass das Werkstück der Bearbeitung auf einer versetzten Ebene zugeführt wird. Die Röntgenemission erfolgt zumindest hauptsächlich aus dem Fokusbereich des Lasers und somit der Bearbeitungsebene (W). Ist die Zuführöffnung außerhalb dieser Ebene (W) angeordnet, befindet sich zumindest ein Bereich des Abschirmelements in der Bearbeitungsebene (W), insbesondere aber zwischen der Zuführebene (B) und der Bearbeitungsebene (W). Die im Betriebszustand emittierte Röntgenstrahlung kann somit von anderen Elementen abgeschirmt und/oder abgelenkt werden, so dass sie nicht auf die Zuführöffnung tritt. Diese Elemente können beispielsweise die Werkstückauflage sein und/oder ein Werkstückhalter, aber insbesondere auch das Werkstück selbst. Es wurde im Rahmen der Erfindung wie zuvor beschrieben festgestellt, dass insbesondere Werkstücke umfassend oder bestehend aus glasbasiertem Material die bei der genannten Laserprozessierung entstehende Röntgenstrahlung absorbieren. In einer vorteilhaften Anordnung befindet sich ein scheibenförmiges Werkstück oder Werkstückelement, beispielsweise ein Abschnitt eines Glasbandes, parallel zu oder auf der Bearbeitungsebene (W). Entlang dieser Ebene emittierte Röntgenstrahlung tritt demnach auf einer relativ langen Wegstrecke in Wechselwirkung mit dem Werkstück, zumindest auf einer Wegstrecke, die größer ist, insbesondere bedeutend größer, als die Dicke des Werkstücks. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, trotz ggfls. geringer spezifischer Röntgenabsorptionseigenschaften des Werkstückmaterials aufgrund der größeren Wegstrecke eine gute Röntgenabsorption in Richtung, d.h. insbesondere parallel zur Ebene (W) zu erreichen. Das Werkstück selbst trägt dann sozusagen zur Röntgenabsorption in einer vorteilhaften Vorrichtung bei.
Anhand der Ausführungen ist leicht ersichtlich, dass die Zuführöffnung auch der Randbereich eines oder des Abschirmelements selbst sein kann, insbesondere wenn sich das Abschirmelement über die Bearbeitungsebene (W) hinaus in Richtung der Zuführebene (B) erstreckt und die Ebenen (W) und (B) nicht aufeinander liegen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass sich die Zuführöffnung in der Bearbeitungsebene W gemessen in einem Abstand von höchstens 200 cm vom Fokusbereich befindet, insbesondere höchstens 150 cm oder höchstens 100 cm oder höchstens 50 cm; bevorzugt im Bereich von 10 cm bis 200 cm oder 10 cm bis 150 cm oder von 10 cm bis 100 cm oder von 10 cm bis 50 cm. Insbesondere vorteilhaft befindet sich zwischen Fokusbereich und Zuführöffnung ein Bereich des Werkstücks und ein Luftraum. Sowohl das Werkstück aus glasbasiertem Material als auch der Luftraum absorbieren zumindest teilweise emittierte Röntgenstrahlung. Dadurch kann erreicht werden, dass die Zuführöffnung nicht mit Verschlussmitteln verschließbar ausgestaltet sein muss, sondern dass diese im einfachsten Fall insbesondere als Spalt in dem Abschirmungselement ausgeführt sein kann.
Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für, aber nicht beschränkt auf, Werkstücke in Form von kontinuierlichen Glasbändern. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung ist daher dazu eingerichtet, das Werkstück in Form eines Bandes aus glasbasiertem Material, insbesondere eines Glasbandes, zuzuführen, insbesondere in Form eines Ultradünnglases mit einer Dicke von 5 pm bis 400 pm oder von 5 pm bis 200 pm oder von 5 pm bis 100 pm oder von 5 pm bis 50 pm oder von 5 pm bis 30 pm, insbesondere von 7 pm bis 40 pm, welches dem Bearbeitungsraum insbesondere kontinuierlich zugeführt wird.
Kontinuierlich im Sinne dieser Beschreibung bedeutet selbstverständlich nicht ausschließlich die Zuführung über einen unendlich langen Zeitraum, sondern die Zuführung eines Werkstücks, dass bedeutend länger als breit ist und im Allgemeinen über einen längeren Zeitraum als wenige Sekunden dem Bearbeitungsraum zugeführt wird. Ein übliches Element ist ein Glasband, das in der Regel eine Länge von einigen bis vielen Metern aufweisen kann.
Besonders vorteilhaft ist die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, das Glasband dem Bearbeitungsraum unter Biegung des Glasbands zuzuführen.
Dabei wird die Eigenschaft eines Bandes aus glasbasiertem Material ausgenutzt, dass es biegbar ist. Befindet sich die Zuführebene (B) unterhalb oder oberhalb der Bearbeitungsebene (W), kann ein Glasband beispielsweise unter Benutzung von Rollen umgelenkt und so dem Bearbeitungsraum in der Bearbeitungsebene (W) zugeführt werden.
Die Dicke des Bandes aus glasbasiertem Material bestimmt im Allgemeinen die möglichen Biegeradien. Wie beschrieben ist eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung die Bearbeitung von Bändern aus Ultradünnglas. Diese weise sehr geringe Biegeradien auf, so dass eine kompakte Anordnung der Vorrichtung und deren Integration in Produktionsanlagen besonders gut möglich ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass das Abschirmungselement zusätzlich zur Zuführöffnung eine Entnahmeöffnung aufweist, die insbesondere die bzgl. der Zuführöffnung beschriebenen Maßnahmen und/oder Eigenschaften aufweist, insbesondere deren Anordnung bezüglich der Bearbeitungsebene W.
Die Entnahmeöffnung kann im sequentiellen Betrieb als auch besonders vorteilhaft im kontinuierlichen Betrieb zur Bearbeitung von Bändern aus glasbasiertem Material vorgesehen sein,
Besonders vorteilhaft umfasst die Vorrichtung Zuführmitteln, die dazu eingerichtet sind, das Werkstück in den Bearbeitungsraum einzubringen, und insbesondere vorteilhaft Entnahmemittel, die dazu eingerichtet sind, das Werkstück aus dem Bearbeitungsraum herauszuführen und/oder synonym zu entnehmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung umfasst diese eine Sensoreinrichtung, insbesondere eine dem Bearbeitungsraum zugeordnete Sensoreinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die emittierten Röntgenstrahlung zu erfassen und so Sensordaten bereitzustellen, wobei bevorzugt der Laser so eingerichtet ist, dass er unter Berücksichtigung der Sensordaten steuerbar ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Laser bei Erreichen maximaler Emissionswerte der Röntgenstrahlung auch abgeschaltet wird und somit sicherheitstechnische Funktionen realisiert werden können.
Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise im Bearbeitungsraum angeordnet sein und Lichtreflexe des eintreffenden Laserstrahls detektieren oder aber insbesondere die emittierte Röntgenstrahlung. Weitere Messgrößen sind ebenso vorstellbar, insbesondere wenn diese mit der Energie der eingestrahlten Laserleistung und/oder der Intensität der erzeugten Röntgenstrahlung korrelieren. Vorteilhaft kann die Energie der emittierten Laserleistung als Steuergröße für den Laser und eine Positioniereinrichtung verwendet werden. Dazu kann die Sensoreinrichtung mit der Steuereinrichtung verbunden sein. Es kann zum Beispiel die Röntgenemission als Maß für die ankommende Laserleistung verwendet werden und der Laser so angesteuert werden, dass gewünschte Bearbeitungsparameter unter Verwendung dieser Messgrößen eingehalten werden. Auf diese Weise lässt sich auch die Menge der erzeugten Röntgenstrahlung erfassen und weitere Sicherheitsmaßnahmen in einer Produktionsumgebung angestoßen werden. Ebenso möglich ist es selbstverständlich, dass eine Sensoreinrichtung außerhalb des Bearbeitungsraums vorhanden ist, welche die durch das Abschirmelement dringende Reströntgenstrahlung detektiert und die erhaltenen Werte insbesondere für weitere Sicherheitsmaßnahmen nutzt.
Eine insbesondere vorteilhafte Vorrichtung ist so eingerichtet, dass der Laser und die strahlformende Optik, eine filamentförmige Schädigung im Werkstück zu erzeugen, insbesondere einen filamentförmigen Hohlkanal.
Der Hohlkanal wurde zuvor bereits beschrieben. Von dem Begriff ist selbstverständlich auch ein Sackloch umfasst. Ein filamentförmiger Hohlkanal kann das Werkstück als Durchgangsöffnung durchdringen, d.h. insbesondere eine Oberfläche mit einer anderen Oberfläche verbinden, oder im Volumen des Werkstücks enden und somit ein Sackloch repräsentieren.
In einer insbesondere vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die strahlformende Optik so eingerichtet, dass sie eine Laserintensitätsverteilung im Fokusbereich bereitstellt, die in Laserstrahlrichtung im Bereich von ± 30% konstant ist.
Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die emittierte Röntgenstrahlung geringer ist, wenn die Intensität der Laserstrahlung über die Länge des Fokusbereichs, d.h. im Allgemeinen in z-Richtung, d.h. parallel zur optischen Achse und damit senkrecht zur Bearbeitungsebene (W), weitestgehend konstant ist und/oder im genannten Bereich bleibt. Die alternative Möglichkeit, den Laser möglichst stark in einem Punkt zu fokussieren, führt zu höheren Röntgenemissionen und ist damit weniger vorteilhaft, kann aber entsprechend angewendet werden. Dann sind die Abschirmungselemente entsprechend auszugestalten, dass sie mehr Röntgenstrahlung absorbieren können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wie beschrieben in eine Produktionseinrichtung für Werkstücke aus glasbasiertem Material integriert werden. Besonders vorteilhaft ist eine Vorrichtung als Element einer Glasherstellungseinrichtung, insbesondere einer Einrichtung zum Herstellen von Ultradünnglas, insbesondere angeordnet an einem kontinuierlichen Glasband mit einer Borte, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die Borte und/oder einen Querschnitt auszuführen.
Die Borte ist im Allgemeinen ein Bereich an den Rändern eines Bands aus glasbasiertem Material, der sich in Längsrichtung erstreckt, d.h. in die Transportrichtung des Glasbandes. Die Borte weist üblicherweise eine geringere Oberflächenqualität als der Mittenbereich auf, insbesondere kann sie eine höhere Dicke und/oder Welligkeit aufweisen, und wird daher vorteilhaft vom Glasband entfernt. Das entsprechende Verfahren nennt man Borten- oder Längsschnitt.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, mit der beschriebenen Vorrichtung einen Querschnitt durchzuführen. Dieser läuft senkrecht oder einem bestimmten Winkel zur Längsrichtung des Glasbandes. Auch ist es möglich, mehrere der beschriebenen Vorrichtungen an einem Glasband anzuordnen, beispielsweise um eine zum Bortenschnitt und eine andere zum Querschnitt einzusetzen.
Insbesondere ist es auch möglich mit der beschriebenen Vorrichtung Werkstücke zu strukturieren oder gar zu kennzeichnen, d.h. beispielsweise nach einem Querschnitt das erzeugte einzelne Werkstück mit einer eindeutigen Identifikationsnummer oder 1 D-/2D-Barcode zu versehen, um rückführbare Erzeugnisse zu erhalten. Die Kennzeichnung kann beispielsweise ablativ durch Veränderung der Werkstückoberfläche geschehen oder - bevorzugt mit einem Ultrakurzpuls-Laser, da die hiermit erzeugte Materialschädigung räumlich sehr begrenzt ist - durch lokale Modifikation des Materials im Innern des Substrates. Die Strukturierung umfasst selbstverständlich auch das Einbringen von Strukturen, insbesondere als Folge von Schädigungen, die ein späteres Trennen des Werkstücks aus glasbasiertem Material ermöglichen.
Neben der Vorrichtung umfasst die Erfindung auch das ein Verfahren zur Bearbeitung eines sprödbrechenden Werkstücks mit einem Ultrakurzpulslaser. Die bezüglich der Vorrichtung erfolgte Beschreibung ist ebenso bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens anwendbar. Alle die Vorrichtung betreffenden Merkmale und/oder Ausführungen gelten auch für das im Folgenden beschriebene Verfahren.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bearbeitung eines sprödbrechenden Werkstücks mit einem Ultrakurzpulslaser, insbesondere zum Einbringen von Schädigungen in das Werkstück, wobei das Werkstück in der Bearbeitungsebene (W) angeordnet ist, wobei der Laser ultrakurzer Laserpulse mit einer Wellenlänge A und einer Einzelpulsenergie Ep abgibt, wobei der Laserstrahl mittels einer strahlformenden Optik in einem Fokusbereich fokussiert wird, und wobei die Einzelpulsenergie Ep innerhalb des Fokusbereichs so groß ist, dass Röntgenstrahlung emittiert wird, und wobei zumindest der Fokusbereich von zumindest einem Abschirmungselement für Röntgenstrahlung zumindest bereichsweise umgeben ist und so, entweder allein oder in Kombination mit weiteren Abschirmungselementen, ein Bearbeitungsraum bereitgestellt wird, so dass außerhalb des Bearbeitungsraums eine geringere Intensität der Röntgenstrahlung vorliegt als innerhalb des Bearbeitungsraums.
Vorteilhaft kann so erreicht werden, dass außerhalb des Bearbeitungsraums, gemessen in einem Abstand von 10 cm von der äußerer Wandung des Abschirmungselements (300), eine Röntgendosis von weniger als 10 pSv/h vorliegt, besonders vorteilhaft weniger als 1 pSv/h, insbesondere von 0.1 bis 10 pSv/h oder von 0.1 bis 1 pSv/h.
Das Material des Abschirmelements und dessen Ausgestaltung, insbesondere dessen Dicke, werden insbesondere so gewählt, dass die beschriebene Röntgenabsorption in der angestrebten Stärke vorliegt und insbesondere außerhalb des Bearbeitungsraums nur der genannte Anteil der im Bearbeitungsraum auftretenden Röntgenstrahlung vorhanden ist.
Insbesondere kann das Verfahren so ausgestaltet sein, dass die Röntgenstrahlung innerhalb des Bearbeitungsraums eine Energie von mehr als 1 keV, bevorzugt zwischen 2 keV bis 30 keV aufweist, besonders eine Energie zwischen 3 und 20 keV aufweist.
Besonders vorteilhaft umfasst das Verfahren den Einsatz eines Abschirmungselements, das aus einem Material besteht oder umfasst ein wie zuvor beschriebenes Material, das insbesondere auf die typische Emission eines glasbasierten Materials abgestimmt ist, mithin ausgewählt aus der Gruppe der Metalle, insbesondere umfassend Eisen, Blei oder Bleifolie, Stahl, Edelstahl, Wolfram, Glas, oder ausgewählt aus der Gruppe der Kunststoffkomposite, insbesondere umfassend mit Wolfram oder Glas gefülltes Kunststoffkomposit.
Vorteilhaft ist ein Verfahren, wobei im Fokusbereich des Laserstrahls ein Plasma erzeugt wird, welches Röntgenstrahlung emittiert, insbesondere emittiert der Laser zumindest ein Burstpaket von Laserpulsen, welches aus einer Folge von ultrakurzen Bursteinzelpulsen besteht.
Besonders vorteilhaft erzeugt der erste Bursteinzelpuls des Burstpakets ein initiales Plasma, welches durch die folgenden Bursteinzelpulse des Burstpakets mit Energie versorgt und so aufrecht erhalten wird.
Die auf den ersten Bursteinzelpuls des Burstpakets folgenden Bursteinzelpulse füttern sozusagen das Plasma nach und halten es am Brennen. Weil aber die auf den ersten Bursteinzelpuls folgenden Pulse des Burstpakets eine geringere Bursteinzelpulsenergie ausweisen, wird anscheinend die Plasmaexplosion steuerbar. Dies kann insbesondere Vorteile bei der Anwendung des Verfahrens zum Trennen von sprödbrechenden Werkstücken haben, auch Schneiden genannt. Weiterhin vorteilhaft ist ein Verfahren, wobei die Laserwellenlänge A ist so gewählt, dass das Werkstück (2) zumindest im Wesentlichen transparent für die Laserwellenlänge A ist. Besonders vorteilhaft beträgt die Laserwellenlänge A von 350 nm bis 1100 nm und/oder die Pulsdauer eines Einzelpulses beträgt von 200 fs bis 11 ps und/oder die Burstdauer beträgt von 1 ps bis 500 ns und/oder die akkumulierte Energie eines Burstpakets beträgt von 100 pJ bis 1 J und/oder die Wiederholfrequenz frep beträgt von 10 kHz bis 100 MHz und/oder das Werkstück besteht aus oder umfasst Glas und/oder Glaskeramiken und/oder Silizium und/oder Keramik. Ebenso vorteilhafte Bereiche für die akkumulierte Energie eines Burstpakets sind von 100 pJ bis 50 mJ oder von 100 pJ bis 10 mJ.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Werkstück auf einer Werkstückauflage aufliegt und wobei die Werkstückauflage zumindest im Bereich des Fokusbereichs aus einem Material besteht, welches Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltes Kunststoffkomposit, oder wobei sich (in Laserstrahlrichtung betrachtet) unterhalb des Werkstücks ein Freiraum befindet, insbesondere ein Luftspalt, wobei der Freiraum nach unten zumindest bereichsweise von einem Element begrenzt wird, das Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ein Element aus Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltem Kunststoffkomposit, und wobei der Fokusbereich des Lasers bevorzugt zumindest teilweise innerhalb des Leerraums angeordnet wird.
Wie zuvor bzgl. der Vorrichtung erläutert macht sich das Verfahren vorteilhafterweise ebenfalls das Prinzip des Versatzes von Zuführebene (B) und Bearbeitungsebene (W) zunutze. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass das Werkstück dem Bearbeitungsraum auf einer Zuführebene (B) zugeführt wird, die sich von der Bearbeitungsebene (W) unterscheidet, insbesondere liegt die Zuführebene (B) in z-Richtung betrachtet unterhalb oder oberhalb der Bearbeitungsebene (W). Insbesondere vorteilhaft befindet sich dabei ein Bereich des Abschirmelements in der Bearbeitungsebene (W), insbesondere zwischen der Zuführebene (B) und der Bearbeitungsebene (W). Dieses Prinzip und/oder diese Ausgestaltung wurden bereits anlässlich der Vorrichtung ausführlich beschrieben. Diese Beschreibung gilt ebenfalls für das Verfahren.
Vorteilhaft ist ein Verfahren, wobei das Abschirmungselement eine Zuführöffnung aufweist, durch welche das Werkstück in den Bearbeitungsraum eingebracht wird.
Besonders vorteilhaft wird die Zuführöffnung durch zumindest eine Verschlusseinrichtung verschlossen, welche ein Material umfasst, das die emittierte Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ist die Verschlusseinrichtung ausgewählt aus der Gruppe Verschlussvorhang, Walze und/oder Wasservorhang oder Kombinationen derselben.
Insbesondere vorteilhaft ist ein Verfahren, wobei die Zuführöffnung in einer Ebene (B) angeordnet ist, welche sich oberhalb oder unterhalb der Bearbeitungsebene (Z) befindet. Insbesondere kann sich ein Bereich des Abschirmelements in der Bearbeitungsebene (Z) befinden.
Zu diesen Ausgestaltungen wurde bereits ausführlich anlässlich der Vorrichtung ausgeführt.
Ein vorteilhaftes Verfahren sieht ebenso vor, dass das Werkstück in Form eines Glasbandes vorliegt, insbesondere eines Ultradünnglases mit einer Dicke von 5 pm bis 100 pm, welches dem Bearbeitungsraum kontinuierlich zugeführt wird.
Die zuvor genannten Dickenbereiche für ein Ultradünnglas gelten auch hier.
Vorteilhaft ist in einem Verfahren, wenn das Glasband dem Bearbeitungsraum unter Biegung des Glasbands zugeführt wird.
Ebenso vorteilhaft ist es in einem Verfahren, wenn die erzeugte Röntgenstrahlung mit einer Sensoreinrichtung erfasst wird, insbesondere die im Bearbeitungsraum erzeugte Röntgenstrahlung, und so Sensordaten bereitgestellt werden, die bevorzugt bei der Steuerung des Lasers berücksichtigt werden. Ein vorteilhaftes Verfahren sieht insbesondere vor, dass filamentförmige Schädigungen im Werkstück zu erzeugt werden, insbesondere filamentförmige Hohlkanäle oder filamentförmige Sacklöcher.
Besonders vorteilhaft ist ein Verfahren, wobei die Laserintensitätsverteilung im Fokusbereich in Laserstrahlrichtung im Bereich von ± 30% konstant ist. Auch dazu wurde bereits detailliert ausgeführt.
Ganz besonders vorteilhaft ist ein Verfahren zum Herstellen von Glaselementen, insbesondere Elementen aus Ultradünnglas, beinhaltend die zuvor genannten Verfahrensschritte, wobei das zugeführte Glasband insbesondere eine Borte aufweist, die mittels dem Verfahren abgetrennt wird, oder wobei ein Querschnitt mittels dem Verfahren durchgeführt wird.
Entsprechend ist von der Erfindung umfasst ebenfalls ein Glaselement aus Ultradünnglas, das mit dem beschriebenen hergestellt wird oder herstellbar ist.
Die Erfindung umfasst damit ebenso die Verwendung einer Vorrichtung nach der voranstehenden Beschreibung und/oder die Anwendung eines voranstehend beschriebenen Verfahrens zum Herstellen von Glaselementen, insbesondere von Ultradünnglas.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie den Einsatz hochenergetischer ultrakurzer Laserpulse ermöglicht, ohne dass dadurch eine Produktionsumgebung durch entstehende Röntgenstrahlung beeinträchtigt wird. Es kann auch der Einfluss von Röntgenstrahlung auf empfindliche Elektronik vermieden werden, insbesondere Störungen derselben. Hochenergetische ultrakurze Laserpulse ermöglichen schnelle Bearbeitungsprozesse, die insbesondere in einer Massenfertigung benötigt werden. Insgesamt lassen sich mit der Erfindung somit rationell arbeitende Vorrichtungen, Verfahren, Produktionsanlagen und/oder Produktionsumgebungen realisieren. Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den Zeichnungen weiter erläutert. Ausführungen zu den Zeichnungen repräsentieren ebenfalls Ausführungsbeispiele.
Wie beschrieben ist die Erfindung zum Trennen Werkstücken aus glasbasierten Materialien geeignet. Solche sind in der Regel sprödbrechend.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung werden dazu durch Mikroexplosionen des Plasmas Mikrorisse in dem Werkstück erzeugt, die von dem hohlkanalförmigen Filament in das Volumen des Werkstücks verlaufen.
Dazu wurde in einem Ausführungsbeispiel ein fokussierter Laserstrahl eines gepulsten Lasers mit einer Wellenlänge A zum Bearbeiten auf das Werkstück aus glasbasiertem Material gerichtet, wobei das Werkstück transparent für die Wellenlänge A des Lasers ist, wobei das Filament durch die Einstrahlung zumindest eines Burstpakets von Laserpulsen erzeugt wird, wobei das zumindest eine Burstpaket eine Burstdauer Tb aufweist und eine Folge von ultrakurzen Bursteinzelpulsen umfasst, die eine Einzelpulsenergie Ep und einen Intra-Burst- Delay Ti aufweisen, wobei die Einzelpulsenergie des Bursteinzelpulses zu Beginn der Burstdauer Tb größer ist als die Bursteinzelpulsenergie des Laserpulses am Ende der Burstdauer. Ein hohlkanalförmiges Filament kann durch die Anwendung einer Mehrzahl von Burstpaketen erzeugt werden. Vorteilhaft ist es, wenn jedes hohlkanalförmige Filament durch ein einziges Burstpaket erzeugt wird.
Werden eine Mehrzahl von Burstpaketen für die Erzeugung eines hohlkanalförmigen Filaments eingesetzt, ist es im Sinne dieser Beschreibung ausreichend, wenn ein einziges Burstpaket, insbesondere das erste, die genannte Eigenschaft aufweist, dass der erste Bursteinzelpuls des Burstpakets eine höhere Energie aufweist als der letzte. Besonders vorteilhaft gilt dies für alle jeweiligen Burstpakete. Ganz besonders vorteilhaft gilt innerhalb eines Burstpakets, dass die Einzelpulsenergie jedes Bursteinzelpulses geringer ist als diejenige des vorherigen Bursteinzelpulses. Ein Werkstück aus glasbasiertem Mateiral im Sinne der Beschreibung umfasst zumindest im Bereich des Filaments einen Werkstoff, der aus einem glasbasiertem Material besteht oder dieses umfasst. Ein glasbasiertes Material ist üblicherweise ein sprödbrechender Werkstoff, der sich nur im geringen Maße plastisch verformen lässt. Er zeichnet sich folglich durch geringe Duktilität aus. Ein Sprödbruch erfolgt bei geringer Dehnung und meist nahe der Streckgrenze. Ein glasbasierter Werkstoff und/oder ein glasbasiertes Material umfasst im Sinne der Erfindung insbesondere Glas und/oder Glaskeramik, einschließlich ein Grünglas als Vorläuferprodukt einer Glaskeramik.
Um ausreichend Energie zur Erzeugung des Filaments rationell auch mit industriell verfügbaren Laserquellen zur Verfügung zu stellen, wird das Filament vorteilhaft durch die Einstrahlung zumindest eines Burstpakets von Laserpulsen, den Bursteinzelpulsen erzeugt. Ein Burstpaket besteht aus einer Folge von ultrakurzen Bursteinzelpulsen. Ein Burstpaket weist somit mindestens zwei Bursteinzelpulse auf. In der Regel werden allerdings etwa 2 bis 20 Bursteinzelpulse eingesetzt, vorteilhaft 3 bis 10, wobei als Obergrenzen auch durchaus um die 100 Bursteinzelpulse möglich sind.
Die Pulsdauer eines Bursteinzelpulses entspricht der Pulsdauer des Lasers, die zeitliche Dauer des Burstpaket, genannt Burstdauer Tb, ist abhängig von der Pulsdauer des Bursteinzelpulses, der Zahl der Bursteinzelpulse in dem entsprechenden Burstpaket und dem zeitlichen Abstand der Bursteinzelpulse, genannt Intra-Burst-Delay Ti, gemessen jeweils an dem Zeitpunkt der maximalen Intensität eines Bursteinzelpulses. Das Burstpaket weist somit eine Wiederholgfrequent auf, die als frep bezeichnet wird. Jeder Bursteinzelpuls weist eine Bursteinzelpulsenergie Ep auf, die dem Integral des Intensitätsverlaufs eines Bursteinzelpulses über die Bursteinzelpulsdauer entspricht und bei konstanter Bursteinzelpulsdauer mit der maximalen Intensität eines Einzelpulses im Burstpaket korreliert. Als besonders geeignet wurde erkannt, die Bursteinzelpulsenergie des Bursteinzelpulses zu Beginn der Burstdauer Tb größer ist als die Bursteinzelpulsenergie des Bursteinzelpulses am Ende der Burstdauer einzustellen.
Bisher wurde davon ausgegangen, dass durch die Bursteinzelpulse des Burstpakets möglichst viel Energie in dem Werkstück akkumuliert werden sollte. Die Erfinder haben erkannt, dass es nicht notwendig ist, so viel Energie wie möglich einzusetzen, sondern dass sich durch eine zeitlich gesteuerte Größe des Energieeintrags einerseits effizient ein hohlkanalförmiges Filament erzeugen lässt, andererseits aber dessen insbesondere mechanische Wechselwirkung mit dem umgebenden Werkstückmaterial steuern lässt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht es vor, dass das Burstpaket eine Burst-Degression von 40% bis 90% aufweist, vorteilhaft 50% bis 70%, besonders vorteilhaft 60% bis 70%.
Die Burst-Degression BG betrachtet das Verhältnis der Bursteinzelpulsenergie Epx des letzten Bursteinzelpulses des Burstpakets am Ende der Burstdauer und der Bursteinzelpulsenergie des ersten Bursteinzelpulses Epo des Burstpakets am Beginn der Burstdauer in Prozent. Die Burst-Degression BG ist demnach der der Quotient aus Epx und Epo, angegeben vorzugsweise in Prozent. Es gilt entsprechend die Formel
Figure imgf000034_0001
Betragen beispielsweise Epo 100 Einheiten und Epx 60 Einheiten, ergibt sich BG = 0,6 = 60%
Die Bursteinzelpulsenergie ist am Ende der Burstdauer gegenüber dem ersten Burstenzelpuls signifikant reduziert. Dadurch ist es möglich, dass rund um das Filament weniger und/oder kürzere Mikrorisse vom Filament ausgehend in das Werkstück verlaufen. Dies trägt dazu bei, das filamentierte Werkstück nicht ungewollt zu schwächen.
Insbesondere hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Verfahren so ausgestaltet ist, dass ab dem zweiten Bursteinzelpuls eines Burstpakets gilt, dass die Bursteinzelpulsenergie eines Laserpulses geringer ist als die Bursteinzelpulsenergie des jeweils vorigen Bursteinzelpulses.
Dies gilt selbstverständlich ab dem zweiten Bursteinzelpuls. Man kann auch äquivalent formulieren, dass die die Bursteinzelpulsenergie eines Laserpulses im Burstpaket größer ist als die Bursteinzelpulsenergie des jeweils folgenden Bursteinzelpulses.
Das bedeutet mit anderen Worten, dass die Bursteinzelpulsenergie im Burstpaket mit fortschreitender Zeit abnimmt. Obwohl auf diese Weise deutlich weniger Energie durch das Burstpaket von Bursteinzelpulsen im Werkstück und/oder Filament sozusagen deponiert wird, ist es dennoch möglich, effizient ein hohlkanalförmiges Filament zu erzeugen. Dies ist insbesondere erstaunlich, da eigentlich davon ausgegangen wird, dass möglichst viel Energie aufzubringen ist.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn die Bursteinzelpulsenergie innerhalb des Burstpakets linear abnimmt oder besonders vorteilhaft, wenn die Bursteinzelpulsenergie während der Burstdauer exponentiell abnimmt.
Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Bursteinzelpulsenergie bei der exponentiellen Abnahme entsprechend der Formel
E(t) = E
Figure imgf000035_0001
abnimmt. E(t) symbolisiert dabei die Intensität eines Bursteinzelpulses zum Zeitpunkt t eines Burstpakets, Eo die Bursteinzelpulsenergie des ersten Bursteinzelpulses des Burstpakets, und AF den Abnahmefaktor des gesamten Burstpakets, d.h. die Abnahme der Bursteinzelpulsenergie des letzten Pulses des Burstpakets gegenüber dem ersten Puls. In der vorgenannten vorteilhaften Ausführungsform, bei welcher der letzte Bursteinzelpuls beispielsweise 60% der Bursteinzelpulsenergie aufweist, beträgt die Abnahme 40%.
Als besonders geeignet hat sich in Versuchen herausgestellt, wenn beim ersten Bursteinzelpuls eines Burstpakets ein filamentförmiger Initialkanal erzeugt wird, insbesondere ein initialer Hohlkanal, der durch die folgenden Bursteinzelpulse des Burstspakets aufgeweitet wird.
Es wird davon ausgegangen, dass dies den Wirkungsmechanismus der hierin beschriebenen Filamentierung beschreibt. Schon der erste Bursteinzelpuls erzeugt in dem gewählten Ausführungsbeispiel einen filamentförmigen Initialkanal. Dieser kann insbesondere schon ein Hohlkanal sein. Die folgenden Burstinzelpulse des Lasers im Burstpaket weiten dann diesen Initialkanal weiter auf, das bedeutet zumindest im Wesentlichen dessen Durchmesser. Das Resultat ist das hohlkanalförmige Filament im Werkstück.
Auch wenn hier von dem Durchmesser eines Hohlkanals die Rede ist, ist darauf hinzuweisen, dass ein lasererzeugtes Filament in einem Werkstück in der Realität in den seltensten Fällen einem gleichmäßigen Kanal entspricht. Es handelt sich bei dieser Betrachtungsweise um eine idealisierte, vereinfachte Beschreibung. Lokale Variationen der Durchmesser sind entlang der Filamentachse, d.h. der Achse in Längsrichtung des Filaments, durchaus möglich. Auch ist es möglich und von der Erfindung umfasst, dass das Filament am Beginn und/oder an dessen Ende einen anderen Durchmesser aufweisen kann als dazwischen.
Allerdings entsteht insbesondere bei der Anwendung von Burstpaketen wie zuvor beschrieben ein beträchtliches Maß an Röntgenstrahlung. Daher wird es entsprechend der Erfindung vorgesehen, den Energieverlauf der Bursteinzelpulse im Burstpaket zu kontrollieren. Alternativ ist es von der Erfindung umfasst, dass die Erzeugung eines Filaments durch einen einzigen Laserpuls erfolgt, d.h. ohne die Anwendung von Burstpaketen. Eine weitere Variation des Verfahrens hat beinhaltet, dass um das hohlkanalförmige Filament herum ein Bereich von komprimiertem Werkstückmaterial erzeugt wird, auch Kompressionszone oder Kompressionsbereich genannt, der insbesondere im Vergleich zu dem Ausgangsmaterial eine höhere Dichte aufweist.
Die Verdichtung des umliegenden Materials scheint eine Folge der Aufweitung des Initialkanals durch die Laserpulseinwirkung zu sein. Vereinfacht ausgedrückt befindet sich um das hohlkanalförmige Filament ein zylindrischer Bereich von verdichtetem Werkstückmaterial, wobei die Filamentachse und die Zylinderachse im Wesentlichen übereinander liegen. Dieser Bereich von komprimiertem Material hat den Vorteil, dass das hohlkanalförmige Filament, insbesondere die Filamentwand, durch diesen Bereich mechanisch stabilisiert werden kann. Die Filamentwand wird dadurch sozusagen gehärtet.
Es ist erstaunlich, dass erstens der erste Bursteinzelpuls des Burstpakets zur Erzeugung des Initialkanals ausreicht, ohne dass ein Energiepooling stattfinden kann, und dass weiterhin die Abnahme der Bursteinzelpulsenergien im Burstpaket dennoch zu der Komprimierung des umliegenden Werkstückmaterials führt.
Es wurde beobachtet, dass die Bursteinzelpulse eines Burstpakets bei der Aufweitung des Initialkanals Material des Werkstücks, insbesondere senkrecht zur Kanalachse, in das Werkstück hineindrücken können.
Die beschriebene Kompression hat auch zur Folge, dass Werkstückmaterial durch die Wechselwirkung mit den Laserpulsen nicht aus dem Werkstück entfernt wird, sondern sozusagen in die Filamentwand und damit in das Werkstück hineingedrückt wird. Es ist ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens, dass in der Regel bedeutend weniger Material durch das Einfügen der hohlkanalförmigen Filamente entfernt als in dieses hineingedrückt wird. Denn entferntes Material, das sozusagen ablatiert wird, wird als Staub in den Produktionsanlagen freigesetzt. Dieser Staub kann nicht nur die empfindlichen Optiken zur Stahlformung verschmutzen, sondern absorbiert, sofern er im Strahlengang und/oder sogar im Initialkanal schwebt, die eintreffende Laserstrahlung, insbesondere da das ablatierte Material mindestens im Wesentlichen dem Material entspricht, das durch die Wechselwirkung mit der Laserstrahlung bearbeitet wird. Durch solche parasitären Absorptionen wird die Effizienz des Verfahrens negativ beeinflusst.
Es wird insbesondere davon ausgegangen, dass die beschriebene Reduzierung der Bursteinzelpulsenergie im Burstpaket dazu beiträgt, den Anteil des ablatierten Materials zu Gunsten des komprimierten Materials zu reduzieren.
Die Erkenntnis, dass bei dem hierein beschriebenen Verfahren die vorgenannte Kompression eintritt, wurde durch Messversuche begründet, nach denen ein zu filamentierendes Werkstück zuerst gewogen wurde. Danach wurde das Werkstück mit dem beschriebenen Verfahren filamentiert, d.h. die hohlkanalförmigen Filamente wurden wie beschrieben in das Werkstück eingebracht. Die Durchmesser und Länge der Hohlkanäle wurde ausgemessen und daraus deren Volumen bestimmt. Korreliert man dieses ausgemessene Volumen der Hohlkanäle mit dem spezifischen Gewicht des Materials des Werkstücks hat man festgestellt, dass signifikant weniger Gewicht und somit Material von dem Werkstück durch die Filamentierung entfernt wurde, als es das eingefügte Hohlkanalvolumen erwarten lässt. Das Material muss also noch im Werkstück vorhanden sein, plausibler Weise als komprimiertes Material wie zuvor beschrieben.
Bei dem beschriebenen Verfahren beträgt der relative Gewichtsverlust pro Filament weniger als 10%.
Dass der relative Gewichtsverlust pro hohlkanalförmigem Filament weniger als 10% beträgt, wurde wie folgt bestimmt (hier exemplarisch für ein 2 mm dickes Kalk- Natron-Glas, das durch manuelles Ritzen und Brechen mit einem handelsüblichen Glasschneider auf eine Größe von 150 x 250 mm2 gebracht wurde): Partikel, Fingerabdrücke und sonstige Verschmutzungen wurden durch Reinigen beider Seiten mit Glasreiniger, Ethanol und Druckluft manuell oder in einem automatisierten Reinigungsprozess (Waschmaschine) beseitigt. Anschließend wurde die so vorbereitete Probe auf einer Präzisionswaage gewogen. Dabei wurde der gesamte Aufbau von einer transparenten Kunststoffbox umgeben, um die Messgenauigkeit zu erhöhen. Danach wurde die Probe auf der Aufnahme eines XY- Achsensystems befestigt. Dabei wurde sie an zwei Anschlägen ausgerichtet und gegen Verrutschen gesichert. Die Laserbearbeitung erfolgte wie zuvor beschrieben mit einem Ultrakurzpulslaser mit 10 ps Pulsbreite bei einer Wellenlänge von 1064 nm und einer Energie von 400 pJ im Burstpaket, insbesondere mit 3 bis 7 Einzelpulsen. Es wurde ein zweidimensionales Raster aus hohlkanalförmigen Filamenten mit einer Größe von 90 x 160 mm2 erzeugt. Anschließend wurde die Probe ein weiteres Mal gewogen. Um eine Verfälschung des Messergebnisses auszuschließen, die durch eine Ablagerung von Partikeln während des Laserprozesses entstehen könnte, wurden die zuvor genannten Reinigungsschritte (Glasreiniger, Ethanol, Druckluft) oder automatisiertes Reinigungsverfahren ein weiteres Mal durchgeführt und die Probe noch einmal gewogen. Folgende Berechnungsvorschrift wurde verwendet, um den relativen Gewichtsverlust pro Filament zu berechnen.
Der theoretische Gewichtsverlust mtheo pro hohlkanalförmigem Filament, wenn das komplette Material des Hohlkanals aus der Probe entfernt werden würde, berechnet sich zu:
Figure imgf000039_0001
Es bedeuten d: Durchmesser des hohlzylinderförmigen Filaments, bestimmt aus SEM- Aufnahmen von Bruchkanten entlang der Filamentierung h: Glasdicke p: Dichte der Probe, aus Materialdatenblatt Der tatsächliche Gewichtsverlust mactual pro Vorschädigung ergibt sich, wenn der gemessene Gewichtsverlust mmess durch die Anzahl der Vorschädigungen N geteilt wird:
Figure imgf000040_0001
Durch Quotientenbildung ergibt sich der relative Masseverlust:
Figure imgf000040_0002
Hier exemplarisch für ein 2 mm dickes Glas ausgeführt: Bei einer Probendicke von h = 2 mm und einer Dichte von p = 2,5 g/cm3 sowie einem ermittelten Filamentdurchmesser von d = 600 ± 60 nm ergibt sich so ein theoretischer Masseverlust von rritheo = 1413 ± 60 pg pro Filament.
Der tatsächliche (mittlere) Gewichtsverlust ergibt sich bei mmess = 6 ± 1 mg und N = 5,8 ■ 107 zu mactuai = 104 ± 17 pg pro Filament. Der relative Gewichtsverlust berechnet sich daraus zu 7,4 ± 2,7%. Alle Berechnungen erfolgen unter Berücksichtigung von Fehlerfortpflanzung.
Der relative Gewichtsverlust mfe/ pro hohlkanalförmigem Filament kann geringer als 10 % ist, gemessen durch
IDrel = actual / mtheo und/oder besonders voreilhaft weist das Werkstück gemessen im Radius von 3 pm um die Längsachse des jeweiligen hohlkanalförmigen Filaments eine Materialverdichtung von mindestens 1 % gegenüber der eigentlichen Materialdichte auf.
Dass das Glas oder die Glaskeramik im Radius von 3 pm um die Längsachse der jeweiligen zylindersymmetrischen Vorschädigung eine Materialverdichtung von mindestens 1 % gegenüber der eigentlichen Materialdichte aufweist wurde mittels folgendem Messverfahren bestimmt: Lena Bressel, Dominique de Ligny, Camille Sonneville, et al. „Femtosecond laser induced density changes in GeO2 and SiO2 glasses: Fictive temperature effect [Invited]“, Optical Materials Express, Vol. 1 , No.
4, 605 613 (1 August 2011 ) DOI: 10.1364/OME.1 .000605. Der Nachweis der Matenalverdichtung wurde hierbei indirekt über eine spektrale Verschiebung des Nd-Peaks im Ramanspektrum nachgewiesen. Dazu musste das Raman-Mikroskop einen Spektralbereich von 10000 cm-1 haben, damit bei Anregung mit 488 nm die Nd-Lumineszenz bei ca. 890 nm gemessen werden kann, und mit geeigneten motorisierten XYZ-Schrittmotor-Achsen und einem geeigneten Mikroskopobjektiv (NA > 0,7) ausgestattet sein, um eine Ortsauflösung kleiner als ein Mikrometer zu realisieren. Die erfindungsgemäßen Bauteile wurden im zu messenden Bereich mittels der Schrittmotoren abgerastert. An jedem Punkt wurde ein Raman-Spektrum des Nd-Peaks aufgenommen. Dessen spektrale Position wird aufgezeichnet und es wurde mit Normspektren auf Drücke und Dichten zurückgerechnet. Diese Normspektren wurden von Glas- oder Glaskeramik-Körpern aufgenommen, die mit Bandpressen verdichtet wurden. Eine weitere Überprüfung konnte durch ortsaufgelöste Brillouin-Spektren erfolgen. Der Radius von 3 pm um die Längsachse oder Filamentachse repräsentiert dabei den Messort der Verdichtung oder Kompaktierung und wird im Folgenden auch Kompressionsmesslinie genannt. Die Verdichtungszone kann sich noch weiter um das Filament in das Material des Werkstücks hinein erstrecken.
Der Durchmesser des hohlkanalförmigen Filaments im Sinne dieser Beschreibung bezeichnet die Strecke von einer Kanalwand zur anderen senkrecht zur Filamentachse. Bei einem zylinderförmigen Kanal ist der Durchmesser im Wesentlichen überall gleich. Allerdings ist es möglich, dass das hohlkanalförmige Filament sich in Richtung einer der Oberflächen des Werkstücks verjüngt oder, je nach Standpunkt, erweitert. Dann spricht man von V-förmigen Filamenten. Ebenso ist es möglich, dass das hohlkanalförmige Filament eine lokale Verengung aufweist, damit sozusagen eine Sanduhr- oder X-form. Die Formen des Filaments kann durch die Ausbildung der Fokuslinie und deren Lage beeinflusst werden. Ein vorteilhaftes Verfahren sieht es vor, dass das hohlkanalförmige Filament einen Durchmesser von 100 nm bis 3 pm aufweist. Besonders vorteilhaft sind Bereiche von 250 nm bis 1 ,5 pm oder von 500 nm bis 1 pm. Der Pitch zwischen einzelnen Filamenten kann insbesondere von 3 pm bis 50 pm betragen.
Ist das Filament nicht als Hohlzylinder ausgebildet, oder als Hohlzylinder mit stärkeren lokalen Abweichungen, sondern in V-Form oder X-Form, dann bezeichnet der vorgenannte Durchmesser den Durchmesser an dem Ort mit dem maximalen Wert, oder, mit anderen Worten, an der breitesten Stelle. In dieser Beschreibung wird der Durchmesser des Filaments an der Oberfläche des Werkstücks gemessen, insbesondere an der Oberfläche, welcher dem Laser zugewandt ist und/oder war. Diese Seite lässt sich auch am bearbeitenden Werkstück eindeutig feststellen.
Wie bereits beschrieben balanciert die Erfindung den Bedarf nach einer rationellen Produktion mit dem Erzeugen möglichst großer Filamente, insbesondere von Filamenten mit den größten Durchmessern, die aber durch ungewollte Rissbildung um das Filament das Werkstück nachteilhaft schwächen können, mit der Kontrolle des Energieeintrags und damit der Rissbildung. Dabei wird wie beschrieben insbesondere vorteilhafterweise Material des Werkstücks um die Filamentachse herum verdichtet.
Dies geschieht besonders vorteilhaft gemäß einem Verfahren, in dem der fokussierte Laserstrahl im Werkstück ein Plasma erzeugt, welches das hohlkanalförmige Filament formt.
Es wird davon ausgegangen, dass das Burstpaket der ultrakurze Laserpulse insbesondere innerhalb der langgestreckten Laserfokuslinie im Werkstück ein Plasma zündet. Die Plasmaexplosion kann wie beschrieben Material senkrecht zur Filamentachse in das Werkstück hineindrücken und so als Hohlraum den Hohlkanal und/oder das hohlkanalförmige Filament mit den zuvor beschriebenen Geometrien erzeugen. Entsprechend einer Ausführungsform des Verfahrens werden durch das Plasma Mikrorisse in dem Werkstück erzeugt, die von dem hohlkanalförmigen Filament in das Volumen des Werkstücks verlaufen.
Eine solche Rissbildung ist insbesondere bei der Anwendung des Verfahrens zum Trennen des Werkstücks als Grundlage einzusetzen. Prinzipiell erfolgt die Rissbildung senkrecht zur Filamentachse und läuft vom Filament in das Volumen des Werkstücks. Die Risse sind üblicherweise gleich um die Filamentachse herum verteilt. Das bedeutet, dass in Aufsicht auf das Filament und/oder die Filamentachse im Bereich von 360° um das Filament herum im Wesentlichen die gleiche Rissdichte vorliegt. Es hat sich gezeigt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren die Anzahl der Risse und damit die Rissdichte sowie die durchschnittliche Risslänge geringer ist als bei einem Verfahren, bei dem die Einzelpulsenergie innerhalb des Burstpakets nicht reduziert wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass wenigstens 90% der Mikrorisse innerhalb der vorgenannten Kompressionszone enden, besonders vorteilhaft innerhalb eines Radius von 3 pm um die Längsachse des hohlkanalförmigen Filaments.
Hierbei handelt es sich um eine statistische Betrachtung. Die Zahl der Mikrorisse und deren Länge wird betrachtet und es wird ausgewertet, wie viele der Mikrorisse innerhalb des Kompressionsbereichs enden und wie viele über sie hinausreichen. Vorteilhaft ist, wenn wenigstens 10% der Mikrorisse innerhalb des Kompressionsbereichs enden. Wie beschrieben wird der Grad der Kompression innerhalb eines Radius von 3 pm um die Längsachse des hohlkanalförmigen Filaments herum gemessen. Das bedeutet, dass besonders vorteilhaft 90% der Mikrorisse innerhalb dieses 3 pm-Radius enden. Der Kompressionsbereich begrenzt somit vorteilhaft sozusagen die wesentliche Mehrheit der Mikrorisse.
Um ein besonders effizientes Trennverfahren bereitstellen zu können, sieht es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass die langgestreckte Fokuslinie in einer Richtung senkrecht zur Achse des Filaments aufgeweitet ist und die Länge und/oder Anzahl von Mikrorissen in Richtung der Aufweitung der Fokuslinie größer ist als in Richtung senkrecht zur Aufweitung.
Die Richtung der Aufweitung der Fokuslinie senkrecht zur Filamentachse wird im Folgenden auch Vorzugsrichtung genannt. Die Aufweitung der Fokuslinie in eine Richtung bewirkt auch ein in diese Richtung aufgeweitetes Plasma. Die Plasmaexplosion ist vermutlich stärker in Richtung der Aufweitung. Jedenfalls ist die Anzahl von Mikrorissen in die Vorzugsrichtung größer als senkrecht zur Vorzugsrichtung und/oder die durchschnittliche Länge der Mikrorisse ist in die Vorzugsrichtung größer als senkrecht zur Vorzugsrichtung. Oder mit anderen Worten: Die Spannungsverteilung in den schmalen Spitzen der Ellipse ist deutlich höher als entlang der breiten Seite, mithin breiten sich Mikrorisse bevorzugt von den Spitzen ausgehend aus.
Insbesondere kann die Vorzugsrichtung in Richtung und/oder zumindest im Wesentlichen deckungsgleich auf einer vorgesehenen Trennlinie des Werkstücks liegend ausgewählt sein. Dies bedeutet, dass die Aufweitung des Laserfokus relativ zum Werkstück entsprechend gesteuert wird. Dies kann durch verfahrbare optische Einrichtungen und/oder verfahrbare Werkstückhalter realisiert werden, die insbesondere von Mikrocontrollern und/oder Datenverarbeitungseinrichtungen gesteuert werden. Damit und im Sinne der Erfindung ist auch umfasst, dass sich die Vorzugsrichtung an beliebigen Stellen des Werkstücks individuell einstellen lässt, d.h. dass die Vorzugsrichtung abhängig von der Position der Fokuslinie auf dem Werkstück variabel und insbesondere einstellbar sein kann.
Die Form der Aufweitung der Fokuslinie kann im Sinne der Erfindung beliebig gewählt werden. Besonders gebräuchlich ist ein Laserfokus in Form eines Ovals. Die Hauptachse des Ovals entspricht dann der Vorzugsrichtung. Linienförmige, nichtsymmetrische sowie jede andere geeignete Form der Aufweitungen sind ebenso vorstellbar und von der Erfindung umfasst. Das beschriebene Verfahren kann so ausgestaltet werden, dass das Plasma Röntgenstrahlung emittiert, die durch zumindest ein Abschirmungselement geschwächt und/oder abgeschirmt wird.
Die zuvor beschriebene Plasmaexplosion bewirkt in erprobten Ausführungsformen die Emission von Röntgenstrahlung. Insbesondere kann diese zumindest im Bereich von 2 keV bis 20 keV liegen und ist somit erstaunlich intensiv. Diese kann beispielsweise auch gezielt genutzt werden, um Material und/oder Werkstücke und/oder das zu bearbeitende Werkstück zu untersuchen, insbesondere gleichzeitig zu dessen Bearbeitung mit dem Laser. Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass die Abnahme der Bursteinzelpulsenergien im Burstpaket zu einer Verminderung der emittierten Röntgenstrahlung beitragen kann.
In Hinsicht auf eine möglichst niedrige Röntgenemission jenseits (auf der dem Laserprozess abgewandten Seite) des Abschirmungselements, damit außerhalb des Bearbeitungsraums, kann sich die Verwendung eines Laserstrahl mit Vorzugsrichtung in zweifacher Weise vorteilhaft auswirken:
Erstens ermöglicht das Strukturieren des Werkstücks mit Vorzugsrichtung die Verwendung von größeren Schuss-zu-Schuss-Abständen (Pitches). Das bedeutet, dass die Anzahl der Laserschüsse und damit die Röntgendosis pro Schnittlänge reduziert wird. Bei einem gegebenen Durchsatz im Schnittprozess reduziert sich damit die Dosisrate der generierten Röntgenstrahlung.
Zweitens interagiert die Ablationswolke, d.h. die Wolke oberhalb der Werkstücks, bestehend aus Material, das durch die Mikroexplosion verdampft und/oder weggeschleudert wird, mit der Röntgenstrahlung und kann neben technischen Vorrichtungen wie einem oben genannten Abschirmungselement signifikant zur Abschwächung Röntgenstrahlung beitragen. Wenn die Ablationswolke durch die Verwendung eines in einer Richtung aufgeweiteten Strahls ebenfalls in dieser Richtung aufgeweitet wird, kann dies zu einer vorteilhaften Abschwächung der Röntgenstrahlung in dieser Richtung führen. Das stellt einen besonderen Vorteil für solche Vorrichtungen dar, die auf das Schneiden eines kontinuierlichen Bands ausgelegt sind, da die Röntgenstrahlung dann bei Schnitten, die parallel zum Transportrichtung des Bandes liegen, in Richtung der Öffnungen der Umhausung, d.h. der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung, stärker abgeschwächt wird als in der Richtung senkrecht dazu, in der eine effektive Abschirmung durch die in dieser Richtung geschlossenen Umhausung sichergestellt werden kann.
Unabhängig von der lateralen Form des Laserfokus kann die Ablationswolke durch andere Mittel beeinflusst werden, insbesondere durch Absaugung oder Druckluft. Dabei ist das Strömungsprofil an der Stelle des Laserprozesses vorteilhaft so einzustellen, dass sich möglichst wenige Ablationsprodukte in dem Volumen befinden, das vom Laserstrahl überstrichen wird. Dadurch wird die Absorption von Laserstrahlung reduziert, was erstens zu einem effizienteren und stabileren Strukturierungsprozess des Werkstücks führt und zweitens die Entstehung von Röntgenstrahlung in der Ablationswolke reduziert. Es wird davon ausgegangen, dass somit bereits ablatiertes und/oder ausgetragenes Material nicht noch einmal angeregt wird.
Weiterhin kann durch ein geeignetes Strömungsprofil die abschirmende Wirkung der Ablationswolke vorteilhaft genutzt werden, wie zuvor anhand der Strukturierung mittels eines Laserstrahls mit Vorzugsrichtung dargelegt.
Wie zuvor beschrieben ist es vorteilhaft, den Laserstrahl in Form einer langgestreckten Fokuslinie auf das Werkstück zu richten. Ein vorteilhaftes Verfahren umfasst entsprechend, dass der fokussierte Laserstrahl in einer langgestreckten Fokuslinie auf das Werkstück gerichtet wird. Besonders vorteilhaft wird die langgestreckte Fokuslinie erzeugt durch eine strahlformende Optik beinhaltend optische Elemente ausgewählt aus der Gruppe SLM (Spacial Light Modulator), Axicon, Kegelstumpfaxicon, Doppelaxicon, sphärisch aberrierende Linse und/oder chromatisch aberrierende Linse.
Um über die Fokuslinie eine räumliche Begrenzung der Laserstrahlung zu erreichen, werden idealerweise so genannte Besselstrahlen verwendet. Diese bestehen aus einem von schwächeren Ringen umgebenen, zentralen, hellen Maximum und haben gegenüber den vom Laser emittierten Gaußstrahlen die Eigenschaft, dass ihr Radius in Ausbreitungsrichtung konstant bleibt. Sie ermöglichen sowohl die Bearbeitung eines größeren Tiefenbereichs als auch eine größere Toleranz bei der Werkstückausrichtung. Zudem sind sie quasi beugungsfrei.
Die Erzeugung von Besselstrahlen und eines lang ausgedehnten Linienfokus wird unter anderem mit sogenannten Axicons als strahlformende Linsen erreicht. Das Axicon als optisches Element wurde 1954 von McLeod beschrieben (John H. McLeod: The Axicon: A New Type oft Optical Element. J. Opt. Soc. Am. / Vol. 44, No. 8, August 1954). Demnach ist ein Axicon ein optisches Element welches das Licht von kleinen Punktquellen auf eine gerade, kontinuierliche Brennlinie abbildet. McLeod beschreibt verschiedene Formen von Axicons, stellt jedoch den Glaskegel als wichtigstes Axicon heraus.
Das Kegelstumpfaxicon weist in der Laserstrahlachse eine angeflachte Fläche an der Spitze des Axiconkegels auf. Der Mittelpunktstrahl wird durch das Kegelstumpfaxicon nicht gebrochen. Dies erleichtert die Justierbarkeit des optischen Systems, da es üblicherweise sehr schwierig ist, den Mittelpunktstrahl des genau auf die Spitze des Axicons auszurichten. Ebenso sind Verkippungen des Axicons und/oder dessen Präzission in der Herstellung, d.h. die Spitzheit und Symmetrie insbes. der Kegelspitze, weniger kritisch.
Das Doppelaxicon weist eine Eintrittsfläche auf, die derart ausgebildet ist, dass der Laserstrahl im Doppelaxicon in einen Ringstrahl geformt wird. Der Vorteil des Doppelaxicons besteht darin, dass durch die Wahl der Energie des Lasers, der Brechzahl des Doppelaxicons sowie des Axiconwinkels der E intrittsfläche die Intensität des Laserstrahls innerhalb des Doppelaxicons geringer als die Schwellintensität des Materials des Doppelaxicons eingestellt werden kann, so dass das Material des Doppelaxicons beim Strahldurchgang nicht zerstört wird.
Es kann auch vorteilhaft sein, den langgestreckten Laserfokus und/oder den Linienfokus mit Hilfe von Gauß-Optiken zu erzeugen. Die Strahlverlängerung kann dann über die sphärische Aberration einer Gauß-Linse erzeugt werden. Dabei sind insbesondere sphärische Linsen und/oder Zylinderlinsen einsetzbar, jeweils auch mit asphärischen Anteilen.
Beim Ausnutzen der sphärischen Aberration kann es insbesondere vorgesehen sein, dass der Laserstrahl nicht auf die geometrische Mitte der Linse ausgerichtet ist und/oder dass die Linse verkippt ist. Dies kann insbesondere auch dynamisch ausgeführt sein, d.h. dass die Linsenausrichtung relativ zu Laserstrahl durch Aktuatoren und Microcontroller und/oder Datenverarbeitungseinrichtungen steuerbar sind.
Statt eines monochromatischen Lasers ist auch ein gepulster, polychromatischer Laserstrahl mit insbesondere bestimmter Pulsdauer und mit bestimmten Wellenlängen des Laserstrahls einsetzbar. Dieser kann mittels der optischen Anordnung mit chromatischer Aberration zum wellenlängenabhängigen Fokussieren des Laserstrahls und vorteilhaft mit wenigstens einem Filter zum wellenlängenabhängigen Filtern des Laserstrahls eine Brennlinie entlang der Strahlrichtung des Laserstrahls erzeugt werden, bei der die Bearbeitungstiefe des Werkstücks selektiv und genau eingestellt werden kann. Insbesondere kann die Länge der Brennlinie über die Erzeugung unterschiedlicher Fokusse eingestellt werden.
In manchen Fällen - kommt es nicht auf das Vorhandensein eines langgestreckten Laserfokus an. Dann ist meistens eine konventionelle Gauß-Optik ausreichend. Diese Fälle sind von der Erfindung selbstverständlich ebenfalls umfasst.
Wie beschrieben kann die Form des erzeugten Hohlkanals oder Sacklochs zylinderförmig, V-förmig und/oder X-förmig sein. Dies ist insbesondere über die Fokuslage des Linienfokus relativ zum Werkstück in Strahlrichtung und dem Intensitätsprofil der Fokuslinie senkrecht zur Strahlrichtung einstellbar.
In einem vorteilhaften Verfahren beträgt die Laserwellenlänge von 350 nm bis 1100 nm, vorteilhaft 1020 nm bis 1080 nm, und/oder die Pulsdauer eines Einzelpulses beträgt von 40 fs bis 20 ps und/oder die Burstdauer beträgt von 1 ps bis 500 ns und/oder die Einzelpulsenergie des ersten Einzelpulses am Beginn der Burstdauer beträgt von 100 pJ bis 1 pJ, vorteilhaft von 200 pJ bis 500 pJ, und/oder das Werkstück besteht aus oder umfasst Glas und/oder Glaskeramiken und/oder Silizium und/oder Keramik.
In den voranstehenden Absätzen wurde ausgeführt, dass sich die Mikrorissdichte und/oder Mikrorisslänge um das hohlkanalförmige Element herum durch das Reduzieren der Einzelpulsenergie im Burstpaket kontrollieren lässt.
Um eine mögliche effiziente Trennung des Werkstücks durch die Filamentierung zu ermöglichen, ist es vorgesehen, den Abstand zwischen zwei benachbarten Filamenten entsprechend einzustellen. Bei der Verwendung von Burstpaketen beträgt der Abstand zwischen zwei benachbarten Filamenten vorteilhaft von 3 pm bis 20 pm, insbesondere von 3 pm bis 10 pm oder von 4 pm bis 8 pm. Für Gläser der Dicke über 0.5 mm gilt besonders vorteilhaft die empirische Formel für den Abstand der Filamente:
Abstand in mm = Dicke des Werkstücks ■ Z wobei der Faktor Z Werte von 3 bis 7 annehmen kann. Diese empirische Formel zur Auswahl des Abstands hat sich als insbesondere anwendbar für Werkstücke aus Glas und/oder Glaskeramik mit einer Dicke oder Materialstärke im Bereich von 0,5 mm bis 30 mm erwiesen. Zum Beispiel ergibt sich unter Anwendung dieser Formel für ein Werkstück der Dicke 1 mm ein vorteilhafter Abstand der Filamente von 3 pm bis 7 pm.
Insbesondere vorteilhaft ist eine Burst-Degression von 90% bis 70%, insbesondere mit Burstpaketen mit 2 bis 7 Bursteinzelpulsen, insbesondere 3 bis 5 Bursteinzelpulsen.
Die vorgenannten Parameter gelten insbesondere für Gläser beinhaltend Silizium und Bor. Die Kombination von vorgenannten Parametern ermöglicht ein besonders rationelles Verfahren zum Bearbeiten der Werkstücke.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und nicht unbedingt maßstabsgetreu. Die Figuren stellen ebenfalls Ausführungsbeispiele dar. Gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren haben die gleiche Bedeutung. Es zeigen:
Fig. 1 : Spektrale Energieverteilung der emittierten Röntgenstrahlung bei der Burstprozessierung von Edelstahl
Fig. 2: Spektrale Energieverteilung bei der Burstprozessierung von Glas, simultan gemessen in verschiedenen Abständen vom Fokusauftreffpunkt
Fig. 3: Massenabschwächung von Eisen
Fig. 4: Transmission von Luft in Abhängigkeit von der Energie des Röntgenphotons, gemessen in verschiedenen Abständen von der Strahlungsquelle
Fig. 5: Eine schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 6: Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 7: Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 8: Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 9: Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 10: Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 11 : Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 12: Schematische Darstellung der Selbstabsorption des Werkstücks
Fig. 13: Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung Fig. 14: Eine weitere schematisch dargestellte Vorrichtung
Fig. 15: Eine schematisch dargestellte Einrichtung zur Erzeugung von Glasbändern mit Vorrichtung
Fig. 16: Burstpakete von Laserpulsen
Fig. 17a bis 17d: Beispiele von Energieverläufen der Laserpulse innerhalb eines Burstpakets
Fig. 18a bis 18c: Beispiele von bearbeiteten Werkstücken
Fig. 19: Aufsicht auf ein bearbeitetes Werkstück
Fig. 20: Filamente mit Mikrorissen im Werkstück
Fig. 21 : Filamente mit Mikrorissen im Kompressionsbereich
Fig. 22: Filamente mit verkürzten Mikrorissen in der Aufsicht
Fig. 23: Filamente mit Mikrorissen in Vorzugsrichtung in der Aufsicht
Fig. 24: Abhängigkeit der Mikrorisslänge von der Vorzugsrichtung
Fig. 25: Beispiele von Fokusbereichen mit Vorzugsrichtung in der Aufsicht
Fig. 1 zeigt die spektrale Energieverteilung der emittierten Röntgenstrahlung, die entsteht, wenn Edelstahl mit einem Burstpaket ultrakurzer Laserpulse bestrahlt wird. Dem Diagramm liegt die Bearbeitung des Edelstahls mit einem Laser der Wellenlänge: 1030 nm, Wiederholfrequenz 100 kHz, Pulsdauer 1 ps, mittlere Laserleistung 80 W, 2 Bursteinzelpulse und Bestrahlungsstärke im Fokus ca. 1 ,2 * 1016 W/cm2 zu Grunde. Die Intensität der emittierten Photonen wird als Emission in Arbeitseinheiten (A.U.) gegen die Energie der emittierten Photonen EPh in keV aufgetragen, die bei der Laserbearbeitung des Laserstrahls entstehen. Wie ersichtlich ist, entsteht eine sehr starke Emission bei etwa 7 keV. Daraus kann in Sinne der Erfindung abgeleitet werden, dass bei der Bearbeitung von glasbasierten Materialien in entsprechenden Anlagen, der ultrakurze Laserstrahl vorteilhaft nicht auf Bauteile aus Metall treffen sollten, insbes. nicht solchen aus Edelstahl.
Fig. 2 zeigt die spektrale Energieverteilung der Emission von emittierter Strahlung bei der Bearbeitung von glasbasiertem Material, hier ein Glas, mittels ultrakurzer Laserstrahlung, hier unter Anwendung eines Burstpakets. Die Intensität der emittierten Photonen wird wie in Fig. 1 als Emission in Arbeitseinheiten (A.U.) gegen die Energie der emittierten Photonen EPh in keV aufgetragen. Die durchgezeichnete Linie S11 repräsentiert die Messung mit einem Sensor, der in einem Abstand von 38 cm vom Bearbeitungsort, d.h. dem Bereich der Bearbeitung des Glases mit der ulktrakurzen Laserpulsen, angebracht war. Die durchbrochene Linie S3 repräsentiert die Messung mit einem Sensor, der 106 cm vom Bearbeitungsort entfernt angebracht war. Bei der dieser Figur zugrunde liegenden Laserbearbeitung wurden folgende Parameter eingesetzt: mittlere Laserleistung 200 W bei einer Emissionswellenlänge von 1030 nm, Pulswiederholfrequenz 50 kHz, 2 Bursteinzelpulse, Pulsdauer eines Bursteinzelpulses 1 ps.
Damit haben die Erfinder festgestellt, dass bei der genannten Laserbearbeitung von Glas in einem signifikanten Maß Röntgenstrahlung in einem Energiebereich von 4 bis 10 keV entsteht. Ein Maximum liegt im Bereich von etwa 6 keV bis 9 keV vor. Ebenso feststellbar ist, dass ein Unterschied zwischen den Messungen mit den unterschiedlich entfernt angebrachten Sensoren besteht. Dieser ergibt sich zum einen aus dem Quadrat-Abstand-Gesetz sowie den Absorptionseigenschaften von Luft. Energiereichere Strahlung wird von Luft weniger stark absorbiert als energieärmere, d.h. weichere Strahlung.
Fig. 3 zeigt die Massenabschwächung von Eisen. Das bedeutet, die von der Energie Ephoton der auf ein Element aus Eisen auftreffenden Photonen in MeV Absorptionsfähigkeit (.Absorption' in Fig. 3) des Eisens in Arbeitseinheiten (Mass Attenuation Coefficient). Zur Darstellung der Photonenenergie wurde ein logarithmischer Maßstab gewählt. Ersichtlich ist, dass die Absorptionsfähigkeit von Eisen im Bereich von 1 keV bis 100 keV am höchsten ist, mit einem Maximum bei etwa 6 bis 12 keV. Dieses Maximum der Absorption liegt überraschenderweise im Bereich der Emission von Röntgenstrahlung, die bei der Laserbearbeitung von glasbasierten Materialien, insbesondere von Glas, mit ultrakurzen Laserpulsen entsteht. Oder mit anderen Worten wenn ein eisenhaltiges Material als Material für das oder in dem Abschirmungselement eingesetzt wird, weist dieses eine besonders gute Röntgenabsorption für die bei der Bearbeitung von glasbasierten Materialien entstehende Röntgenstrahlung auf. Durch diese Abstimmung von zu bearbeitendem glasbasiertem Material und Material des Abschirmungselements kann dieses besonders effizient ausgeführt werden.
Fig. 4 zeigt die Transmission von Luft in Abhängigkeit von der Energie des Röntgenphotons, gemessen in verschiedenen Abständen zur Strahlungsquelle. Es ist zu erkennen, dass die Transmission von Luft deutlich energieabhängig ist. Für niederenergetische Photonen der Energie 2,5 keV in 10 mm Abstand weist Luft eine Transmission von ca. 75% auf, während ihr Transmissionsgrad in 100 mm Abstand weniger als 10% beträgt. Hingegen werden in 1 m Abstand Photonen mit einer Energie von maximal 5 keV nahezu vollständig absorbiert, während Photonen mit einer Energie von 10 keV noch zu 50% am Detektor registriert werden. Da typische Abmessungen einer Laserbearbeitungsvorrichtung im Bereich von ca. 1 m liegen (Entfernung Laserauftreffpunkt-Innenwand) ist zu erwarten, dass ein Abschirmelement im Wesentlichen mit Röntgenstrahlung der Energie größer als 5 keV, insbesondere 7,5 keV oder mehr als 10 keV, beaufschlagt wird. Die Abschirmung des Gehäuses ist daher besonders effektiv, wenn das Material des Abschirmungselements zwischen 5 keV und 10 keV ein besonders gutes Absorptionsvermögen aufweist.
Wie zuvor beschrieben ist das vorteilhaft für Abschirmungselemente bestehend aus einem eisenhaltigen Material, oder umfassend ein solches, möglich. Entsprechend sind Stahl und/oder Edelstahl besonders vorteilhafte Materialien. Fig. 5 zeigt schematisch das Prinzip einer Vorrichtung entsprechend der vorliegenden Beschreibung. Insbesondere ist die Vorrichtung (100) zur Anwendung des beschriebenen Verfahrens geeignet. Mit der Vorrichtung (100) wird insbesondere ein hohlkanalförmiges Filament (180) in das Werkstück (2) eingefügt. Die Vorrichtung umfasst einen Ultrakurzpulslaser (3) mit einer strahlformenden Optik (30). Diese fokussiert den Laserstrahl (4) mit der Wellenlänge A als langgestreckte Fokuslinie im Fokusbereich (1) in das Werkstück (2). Zumindest ein Teil dieser Fokuslinie liegt innerhalb des Werkstücks, wo durch Wechselwirkung mit den ultrakurzen Einzelpulsen oder Bursteinzelpulsen des Burstpakets das Filament (180) erzeugt wird.
Das Werkstück (2) ist auf einem Werkstückhalter (303) angeordnet. Mit der Positioniereinrichtung (200) kann der Auftreffpunkt des Laserstrahls (4) des Ultrakurzpulslasers (3) auf der Oberfläche des Werkstücks (2) lateral und/oder transversal positioniert werden. Wie beschrieben ist das Werkstück (2) ein Werkstück umfassend ein glasbasiertes Material, insbesondere Glas und/oder Glaskeramik. Die Wellenlänge A des Lasers (3) wird wie bereits beschrieben so ausgewählt, dass das Werkstück (2) transparent für diese Wellenlänge ist.
Wie beschrieben kann die strahlformende Optik (30) auch so ausgebildet sein, dass die Fokuslinie senkrecht zur Filamentachse aufgeweitet ist, um eine Vorzugsrichtung (VR) bereit zu stellen. Ebenso möglich ist es, Blenden in den Strahlengang einzubringen, welche eine entsprechend geformten Fokus erzeugen.
Bei dem dargestellten Beispiel umfasst die Positioniereinrichtung (200) einen x-y- Tisch, auf dem das Werkstück (2) auf dessen Unterseite aufliegt. Alternativ oder zusätzlich möglich ist aber auch, den Laser (3) und/oder die strahlformende Optik (30) beweglich auszubilden, um den Laserstrahl (4) zu bewegen, so dass der Auftreffpunkt des Laserstrahls 4 auch bei festgehaltenem Glaselement (2) bewegbar ist. Eine Kombination der beiden Verfahrungen ist ebenso möglich. Der Ultrakurzpulslaser (3), die Positioniereinrichtung (200) und/oder der die strahlformende Optik (30) sind mit einer Steuereinrichtung (210) verbunden, beispielsweise einem Microcontroller und/oder einer Datenverarbeitungseinrichtung.
Wie voran beschrieben wird durch die Wechselwirkung der ultrakurzen Laserpulsen und dem Werkstück (2), insbesondere bei Anwendung eines Burstpakets, ein Plasma erzeugt, in dessen Folge das Filament im Werkstück (2) entsteht. Dabei wird Röntgenstrahlung freigesetzt. Das Abschirmungselement (300) dient dazu, die Umgebung vor dieser zu schützen. Das Abschirmungselement (300) ist so ausgestaltet, dass es einen Bearbeitungsraum (302) bildet. Außerhalb des Bearbeitungsraums ist die Umgebung vor der Röntgenstrahlung insbesondere durch das Abschirmungselement (300) geschützt.
Das Abschirmungselement (300) umfasst ein beschriebenes Material in einer geeigneten Dicke, welches die Röntgenstrahlung zumindest teilweise absorbiert. Im dargestellten Fall ist das Abschirmungselement (300) hergestellt aus Edelstahlblech, welches zumindest den Bereich des Laserfokus umschließt. Als optionales Element ist die Sensoreinrichtung (400) vorgesehen, welche beispielsweise Lichtreflexe des eintreffenden Laserstrahls detektieren kann oder aber insbesondere die emittierte Röntgenstrahlung. Weitere Messgrößen sind ebenso vorstellbar, insbesondere wenn diese mit der Energie der eingestrahlten Laserleistung korrelieren. Im vorliegenden Fall kann die Energie der emittierten Laserleistung als Steuergröße für den Laser (3) und/oder die Positioniereinrichtung (200) verwendet werden. Dazu ist sie mit der Steuereinrichtung (210) verbunden. Auf diese Weise kann eine hohe Prozessstabilität erreicht werden, indem zum Beispiel die Röntgenemission als Maß für die ankommende Laserleistung verwendet wird und der Laser (3) so angesteuert wird, dass gewünschte Bearbeitungsparameter unter Verwendung dieser Messgrößen eingehalten werden.
Das Werkstück (2) in dieser Ausführungsform auf dem Werkstückhalter (310) angebracht. Dessen Oberfläche definiert die Bearbeitungsebene W, die sich in Rahmen dieser Beschreibung in x-y-Richtung erstreckt. Die Bearbeitung des Werkstücks (2) findet in dieser Ebene und/oder in deren unmittelbarer Nähe statt. Das Abschirmungselement setzt sich in Richtung des Laserstrahls (4) in z-Richtung über die Bearbeitungsebene W hinaus fort bis in die Ebene B, durch welche die Zuführung und/oder Entnahme des Werkstücks (2) erfolgen kann.
Der Rand und/oder der Bereich in z-Richtung unterhalb des Randes des Abschirmungselements (300) repräsentiert sozusagen die Zuführ- und/oder die Entnahmeöffnung. Die Zuführöffnung ist mit anderen Worten hier in einer Ebene (B) angeordnet ist, welche sich senkrecht zur z-Richtung unterhalb der Bearbeitungsebene (W) befindet. Insbesondere befindet sich ein Bereich des Abschirmelements (300) in der Bearbeitungsebene (W). Die Zuführ- oder Entnahmeebene (B) wird hier aufgrund der geometrischen Anordnung sowohl von der Werkstückauflage (303) als auch durch das Werkstück (2) selbst von der entstehenden Röntgenstrahlung abgeschattet.
Das Werkstück (2) wird mittels einer Lifteinrichtung (201 ), die im Allgemeinen in z- Richtung heb- und absenkbar ist, in den Bearbeitungsraum (302) eingebraucht.
Das Werkstück (2) kann dem Bearbeitungsraum (302) in dieser Ausführungsform sequentiell zugeführt werden; diese eignet sich daher insbesondere für scheibenförmige Werkstücke, insbesondere Glasscheiben.
Die Werkstückauflage (303) besteht zumindest im Bereich und/oder in Verlängerung des Laserstrahls (4) in z-Richtung aus einem Material, welches Röntgenstrahlung absorbiert. Dies umfasst wie beschrieben insbesondere Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltem Kunststoffkomposit. Dadurch wird der ebenso zuvor beschriebenen Erkenntnis Rechnung getragen, dass beim Auftreffen der Laserstrahlung auf Metall, insbesondere eisenhaltiges Metall, in signifikantem Ausmaß Röntgenstrahlung entsteht. Die dargestellte Ausführungsform vermeidet dieses Problem, indem die Werkstückauflage (303) aus einem anderen Material besteht. In dem gezeigten Beispiel einer Ausführungsform entsprechend Fig. 5 sei darauf hingewiesen, dass das Abschirmungselement (300) selbstverständlich eine Öffnung für den Laserstrahl (4) beinhaltet, durch den die Bearbeitung erfolgen soll. Dabei kann entstehende Röntgenstrahlung durch diese Öffnung in die Umgebung gelangen. Diese kann dadurch reduziert werden, dass das optische Element (30) in z-Richtung emittierte Röntgenstrahlung selbst absorbiert, insbesondere, da dieses in der Regel aus Glas besteht. Ein anderer Effekt ist, dass bei der Laserbearbeitung durch das Plasma eine Wolke aus Partikeln des Materials des Werkstücks entstehen kann, die insbesondere in z-Richtung aus dem Werkstück herausgeschlagen werden. Diese Wolke absorbiert selbst entstehende Röntgenstrahlung.
Für den Fachmann ist leicht ersichtlich, dass das Prinzip der Erfindung auf Abweichungen und Varianten der dargestellten Vorrichtung anwendbar ist. Insbesondere ist es möglich, auch eine geschlossene Vorrichtung, insbesondere einen geschlossenen Bearbeitungsraum (302) vorzusehen. Dieser wird insbesondere zur Zuführung und/oder Entnahme eines Werkstücks geöffnet und zur Bearbeitung verschlossen. Eine Solche ist hauptsächlich für die sequentielle Bearbeitung von Werkstücken geeignet.
Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung (100), in welcher insbesondere ein Werkstück (2) als Bandmaterial bearbeitbar ist und somit einen kontinuierlichen Prozess ermöglicht. Beispielsweise ein Band aus Glas. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei insbesondere um Ultradünnglas, dass mittels eines Downdrawverfahrens aus einem Ziehtank (250) gewonnen wird (vgl. Fig. 15). Eine entsprechende Anwendung der Erfindung ist ebenfalls bei alternativen Ultradünnglas- Herstellungsverfahren wir dem Overflow-Fusion-Verfahren möglich. Das Ultradünnglas hat hier eine Materialstärke von in etwa höchstens 100 pm, insbesondere beträgt die Materialstärke in diesem Beispiel von 20 pm bis 50 pm.
Diese (sowie weitere hierin dargestellte Vorrichtungen) machen sich das vorgenannte Prinzip zu Nutze, dass sich die Bearbeitungsebene (W) von der Zuführebene (B) unterscheidet. Insbesondere kann sich die Zuführebene (B) in z- Richtung betrachtet unterhalb versetzt von der Bearbeitungsebene (W) befinden. Wie anhand folgender Abbildungen gezeigt wird ist auch eine Anordnung der Zuführebene (B) oberhalb der Bearbeitungsebene (W) möglich. Dies
Mittels zumindest einer Umlenkeinrichtung (203) wird das Bandmaterial hier in Richtung der Laserbearbeitungseinrichtung mit dem Laser (3) umgelenkt und in die Bearbeitungsebene (W) gebracht. Diese Ausgestaltung macht sich die Biegbarkeit des Werkstücks (2) aus glasbasiertem Material zu Nutze, die insbesondere bei dünnen Gläsern und/oder Glaskeramiken vorliegt, vor allem bei Ultradünngläsern.
Aufgrund des Abstands zum Ziehtank erfolgt die Laserbearbeitung hier im Kaltbereich der Anlage. Es ist aber ebenso möglich, dass die Laserbearbeitung im Heißbereich (220) näher in Richtung des Ziehtanks (250) stattfindet. Das Bandmaterial kann beispielsweise auf einer Trommel in Form einer Rolle, hier eine Glasrolle (221 ), aufgenommen und/oder gelagert werden. Dazu wird die Trommel entsprechend der Abzugsgeschwindigkeit des Glasbandes rotiert (vgl. Fig. 15).
Ebenso vorgesehen ist ein Abschirmungselement (300), welches den Bereich der Laserbearbeitung (1 ) zumindest teilweise umgibt, einen Bearbeitungsraum (302) bildet und wie beschrieben die Umgebung von der emittierten Röntgenstrahlung abschirmt. Wie anhand der vorherigen Fig. 5 erläutert, befindet sich in diesem Beispiel die Zuführ- und/oder Entnahmeebene (B) in z-Richtung unterhalb der Bearbeitungsebene (W). Im Bereich zwischen diesen Ebenen befindet sich ein Bereich des Abschirmelements (300).
Unterhalb der Bearbeitungsebene (W) (in z-Richtung betrachtet) befindet sich ein Luftspalt (305). Der Laserstrahl (4), d.h. dessen Fokusbereich (1 ) und/oder ein Bereich des Laserstrahls mit hoher Energiedichte, trifft beim Durchtreten des Werkstücks (2) daher auf kein weiteres Material, das seinerseits bei Bestrahlung mit einem fokussierten Laserstrahl Röntgenstrahlung entstehen lassen könnte. Im vorliegenden Fall ist ein optionales Abschirmungselement (310) auch unterhalb des Werkstücks vorgesehen. Dieses kann aus den genannten Materialien bestehen, insbes. Glas und/oder den genannten Kunststoffkompositen. Ebenso möglich sind aber auch metallbasierte Materialien, weil wie gesagt der fokussierte Laserstrahl in dieser Anordnung das Abschirmungselement (310) zumindest nicht mit hoher Energiedichte erreicht.
Wie leicht ersichtlich ist, bildet der Bereich zwischen dem zusätzlichen Abschirmungselement (310) und dem der Zuführ- und/oder Entnahmeebene B zugewandten Bereich des Abschirmungselements (300) die Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320).
An dieser Stelle sei nochmals darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen rein schematischer Natur sind. Insbesondere ist die Darstellung von Krümmungsradien und/oder Umlenkradien nicht maßstabsgerecht. Dem Fachmann ist bekannt, dass diese insbesondere dem Werkstück anzupassen sind.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform analog dem Prinzip nach Fig. 6. Die Zuführ- und/oder Entnahmeebene (B) ist hier in z-Richtung allerdings oberhalb der Bearbeitungsebene (W) angeordnet. Die lässt sich insbesondere durch die Anordnung der Umlenkeinrichtungen (203) erreichen. Auch hier ist der Luftspalt (305) unterhalb des Werkstücks (2) vorgesehen sowie das optionale Abschirmungselement (310). An dieser Stelle sei bemerkt, dass die Umlenkeinrichtungen (203) ebenso aus einem Material bestehen können oder ein solches umfassen, welches selbst Röntgenstrahlung absorbiert. Beispielsweise in Ausgestaltung einer Walze aus Metall und/oder Kunststoffen, insbesondere den voran genannten gefüllten Kunststoffen. Dies gilt für selbstverständlich für alle Ausführungsformen, in denen Umlenkeinrichtungen (203) vorhanden sind.
Die Ausführungsform nach Fig. 7 zeigt ein insbesondere kompakt ausgeführtes Abschirmungselement (300) mit geringen Abmessungen. Hier erfolgt die Umlenkung der Zuführebene (B) auf die Bearbeitungsebene (W) außerhalb des Bearbeitungsraums (302). Ebenso wie in der Ausführungsform nach Fig. 6 (und allen weiteren entsprechenden Ausführungsformen) absorbiert das Werkstück (2) selbst in Richtung der Ebene (W) entstehende Röntgenstrahlung. Der Laser (3) ist in einer Öffnung des Abschirmungselements (300) angeordnet und trägt so in dieser Ausführungsform selbst zur Abschirmung der auftretenden Röntgenstrahlung bei. Dies ist ein optionales Anordnungsprinzip, das auf alle Ausführungsformen anwendbar ist. Gleiches gilt selbstverständlich für die zuvor beschriebenen alternativen Anordnungsmöglichkeiten.
Fig. 8 stellt eine weitere Variante einer Ausführungsform ähnlich derer in Fig. 6 und Fig. 7 dar, in welcher das Abschirmungselement (300) auch unterhalb der Bearbeitungsebene W vorhanden sein kann. Insbesondere bildet es hier sozusagen einen Kasten als geschlossenen Bearbeitungsraum (302). Die Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) kann insbesondere als Schlitz in dem Abschirmungselement (300) ausgebildet sein. Das Um lenken des Bandes des Werkstücks (2) von der Zuführebene (B) in die Bearbeitungsebene (W) erfolgt hier innerhalb des Bearbeitungsraums (302). Ebenso möglich ist es selbstverständlich, dass diese Umlenkung ähnlich wie in Fig. 7 außerhalb des Bearbeitungsraums erfolgt.
Fig. 9 zeigt eine weitere Variante und/oder Ausführungsform. In dieser erfolgt eine mehrfache Umlenkung des Werkstücks (2), insbes. eines Bandes aus glasbasiertem Material, insbesondere einem Band aus Glas, insbesondere Ultradünnglas. Die Zuführebene (B) wird auf der Seite der Zuführ- und/oder der Entnahmeöffnung (320) jeweils mehrfach gekreuzt. Entsprechend ist eine Mehrzahl von Umlenkeinrichtungen (203) vorhanden. Da wie beschrieben das glasbasierte Material selbst eine Absorption der bei dessen Bearbeitung entstehenden Röntgenstrahlung aufweist, muss die Röntgenstrahlung in dieser Ausführungsform das glasbasierte Material mehrfach durchtreten, wenn sie aus der Zuführ- oder Entnahmeöffnung (320) entweichen soll. Durch die Selbstabsorption wird das unterbunden und/oder die entweichende Röntgendosis wird zumindest signifikant reduziert. Ebenso dargestellt sind optionale Blenden (312) aus dem Material des Abschirmungselements (300), die im Bereich der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) angebracht sein können und die Röntgenstrahlung in diesem Bereich abschirmen sollen. Die Blenden (312) können als Teil des Abschirmungselements (300) ausgebildet sein. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass diese Blenden (312) und/oder das zusätzliche Abschirmungselements unterhalb der Bearbeitungsebene (W) so ausgestaltet ist, dass es dem Verlauf des Werkstücks folgt, insbes. des bandförmig zugeführten Werkstücks (2). Dieser Verlauf wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das geknickte Abschirmungselement (310) unterhalb der Zuführebene (B) repräsentiert.
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 10 dargestellt. Hier ist eine Umlenkeinrichtung weitergebildet derart, dass sie gleichzeitig die Werkstückauflage (208) bildet. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, indem diese als Walze ausgebildet ist, insbesondere rotierbare Walze, über welche das insbesondere bandförmig ausgebildete Werkstück (2) dem Bearbeitungsraum (302) zugeführt wird. Diese Umlenkeinrichtung und Werkstückauflage (208) bewirkt wie in den zuvorigen Ausführungsformen, dass das Werkstück (2) von der Zuführ- und/oder Entnahmeebene (B) in die Bearbeitungsebene (W) gebracht wird. Die Umlenkeinrichtung und Werkstückauflage (208) ist hier zumindest bereichsweise innerhalb des Bearbeitungsraums (302) angebracht. Die Umlenkeinrichtung und Werkstückauflage (208) kann insbesondere aus einem Material bestehen oder dieses zumindest an ihrer Oberfläche umfassen, welches Röntgenstrahlung absorbiert. Insbesondere geeignet sind glasbasierte Materialien oder Kunststoffe, insbesondere mit Glas gefüllte Kunststoffe.
Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsform, in welcher die Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) in einem Abstand A vom Ort der Laserbearbeitung (1 ) und/oder des Laserfokus (1 ) beabstandet ist. A wird gemessen vom Laserfokus (1 ), genauer gesagt von der Zentrallinie des Laserfokus, bis zur inneren Wandung des Abschirmungselements (300) an der Stelle, an welcher die Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) vorhanden ist. Der Abstand A wird so gewählt, dass die entstehende Röntgenstrahlung durch eine ausreichend lange Luftstrecke treten muss, in welcher sie wie zuvor beschrieben durch die Luft absorbiert wird, bevor sie der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) mit unerwünscht hoher Dosisleistung entkommen könnte. Da wie beschrieben bei der genannten Bearbeitung von glasbasierten Materialien Röntgenstrahlung im Energiebereich um 8 keV und/oder größer auftritt, wird A vorteilhafterweise im Bereich 10 mm bis 1000 mm gewählt. Weil in dieser Ausführungsform die Bearbeitungsebene (W) in der Ebene der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) liegt, ist diese Ausführungsform sowohl für Werkstücke (2) geeignet, welche nicht flexibel genug für eine Umlenkung sind, oder aber auch für Umgebungen, in denen ausreichend Bauraum zur Verfügung steht und diese am einfachsten zu realisierende Ausführung bevorzugt wird.
In der Auslegung des Abstands A ist auch zu berücksichtigen, dass das Material des Werkstücks 2 selbst die entstehende Röntgenstrahlung absorbiert, und zwar effizienter als in Luft. Üblicherweise wird in z-Richtung betrachtet, d.h. im Volumen und/oder der Tiefe des Werkstücks (2) hauptsächlich die Röntgenstrahlung. Da es zu einer Selbstabsorption des glasbasierten Materials kommt, entweicht der Hauptanteil XEm der entstehenden Röntgenstrahlung, insbesondere der Anteil mit der höchsten Dosisleistung, unter einem Winkel a dem Bearbeitungsort, wobei a gemessen wird von der Oberfläche des Werkstücks (2). Bei geeignetem Abstand A trifft diese (genauer gesagt der Hauptanteil), insbesondere weil gilt a > 1 ° oder 1 ° < a < 90°, nicht durch die Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320).
An dieser Stelle sei erwähnt, dass die weiteren Abschirmungselemente (310, 300) einzeln oder in Kombination optional auch in dieser Ausführungsform vorhanden sein können.
Das Prinzip der richtungsabhängigen Emission von Röntgenstrahlung XEm bei der Bearbeitung von glasbasierten Materialien mit ultrakurzen Laserpulsen wird anhand der Fig. 12 näher erläutert. Dargestellt ist der Bearbeitungsort (1 ) des Laserstrahls im Werkstück (2). Dies ist der Ort, an dem die Wechselwirkung stattfindet, d.h. an dem insbesondere das Plasma wie beschrieben erzeugt wird, insbesondere im Bereich des Laserfokus. Innerhalb des Werkstücks (2) aus glasbasiertem Material findet eine stärkere Absorption statt. Außerhalb des Werkstücks findet eine Absorption an Luft statt, die allerdings schwächer ist als die durch das Werkstückmaterial selbst. Weil der Hauptanteil der emittierten Röntgenstrahlung im Volumen des Werkstücks (2) und damit in z-Richtung unterhalb der Werkstückoberfläche entsteht, tritt der Hauptanteil der Röntgenstrahlung XEm unter einem Winkel a aus der Werkstückoberfläche aus. a wird gemessen von der Ebene der Werkstückoberfläche und damit in x-y-Richtung. a ist größer als 0°, insbesondere größer als 1°. Insbesondere liegt a im Bereich von 1 ° bis 90°, wobei der Hauptanteil XEm den über alle Emissionswinkel gemittelten arithmetischen Mittelwert der Winkelabhängigen Emissionstärke angibt. Damit ist ersichtlich, dass eine geometrische Auslegung des Bearbeitungsraums (302) und/oder eine geometrisch geeignete Anordnung der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320), insbesondere in Bezug auf Abstand A und/oder Anordnung zur Bearbeitungsebene W in z-Richtung, zur Reduktion der entweichenden Röntgenstrahlung herangezogen werden kann.
Fig. 13 stellt eine weiter Ausführungsform dar, in welcher die Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) durch zumindest eine Umlenkeinrichtung und/oder Zuführ- und/oder Entnahmemittel (203) sozusagen verschlossen ist. Diese besteht oder umfasst vorteilhaft ein Material, welches Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere die bzgl. des Abschirmungselements (300) beschriebenen Materialien und/oder die zuvor genannten Kunststoffe und/oder gefüllten Kunststoffe. Diese Zuführ- und/oder Entnahmemittel (203) können insbesondere als Walze ausgeführt sein. Eine geeignete Kombination und/oder Anordnung dieser Zuführ- und/oder Entnahmemittel (203) kann wie in beispielsweise der Fig. 13 gezeigt die Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) für die Röntgenstrahlung verschließen.
Eine alternative Möglichkeit zum Verschluss der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) ist in der Fig. 14 dargestellt. Hier wird diese durch einen Vorhang (326) aus röntgenabsorbierenden Medien verschlossen, insbesondere Fluiden. Die Fluide können durch beispielsweise Fluiddüsen (325) im Bereich der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) appliziert werden. Solche sind im beispielsweise ein Gasvorhang und/oder ein Wasservorhang.
An dieser Stelle sie nochmals betont, dass alle bezüglich einer Ausführungsform gezeigten und/oder beschriebenen Elemente mit andern Ausführungsformen kombinierbar sind. Der Fachmann kann durch die hierein zur Verfügung gestellte Lehre eine Vorrichtung erstellen, welche den individuellen Anforderungen genügt sowie einen effizienten Röntgenschutz bereitstellen kann.
Fig. 15 zeigt eine Ausführungsorm, in welcher die hierin beschriebene Vorrichtung (100) in einer Produktionsumgebung für glasbasierte Werkstücke (2) als Bandmaterial eingesetzt wird. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich dabei insbesondere bei dem Werkstück (2) um Ultradünnglas, das mittels eines Downdrawverfahrens aus einem Ziehtank (250) gewonnen wird. Eine entsprechende Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ebenfalls bei alternativen Ultradünnglas-Herstellungsverfahren wie dem Overflow-Fusion- Verfahren möglich. Das Ultradünnglas hat hier eine Materialstärke im zuvor genannten Bereich, vorteilhaft von in etwa höchstens 400 pm oder 100 pm, insbesondere beträgt die Materialstärke in diesem Beispiel von 20 pm bis 50 pm. Mittels einer Umlenkeinrichtung (203) wird das Bandmaterial in Richtung der Vorrichtung (100) mit dem Laser (3) und den Abschirmungselementen (300, 310) umgelenkt. Aufgrund des Abstands zum Ziehtank erfolgt die Laserbearbeitung hier im Kaltbereich der Anlage. Es ist aber ebenso möglich, dass die Laserbearbeitung im Heißbereich näher in Richtung des Ziehtanks (250) stattfindet. Das Bandmaterial kann beispielsweise auf einer Trommel in Form einer Rolle, hier eine Glasrolle (221), aufgenommen und/oder gelagert werden. Dazu wird die Trommel entsprechend der Abzugsgeschwindigkeit des Glasbandes rotiert. Die hierin beschriebene Vorrichtung (100) kann insbesondere zum Bortenschnitt und/oder Querschnitt des Glasbandes (2) eingesetzt werden.
In Fig. 16 sind drei Burstpakete von Laserpulsen als Auftragung der Intensität I des Laserpulses über der Zeit t dargestellt. Da die Energie eines einzelnen Laserpulses dem Integral der Laserleistung über die Zeit entspricht, korreliert die Energie E eines Laserpulses mit dessen Intensität in einer betrachteten Normfläche. Entsprechend entspricht die Darstellung auch einer schematischen Auftragung der Laserpulsenergie über die Zeit. Gezeigt sind drei Burstpakete von jeweils vier Laserpulsen, hier Bursteinzelpulse, wobei die Burstdauer Tb beträgt. Tb wird vom Zeitpunkt der höchsten Intensität des jeweils ersten Laserpulses (41 ) des Burstpakets bis zum Zeitpunkt der höchsten Intensität des jeweils letzten Pulses eines Burstpakets bestimmt.
Im angegebenen Beispiel beträgt die Anzahl der Bursteinzelpulse in einem Burstpaket vier. Vorteilhaft sind beispielsweise von zwei bis 20 Bursteinzelpulse und/oder von 2 bis 10 Bursteinzelpulse im Burstpaket. Die Einzelpulsbreite beträgt vorteilhaft von 300 fs bis 11 ps. Tb lieg vorteilhaft in dem Bereich von 1 ps bis 500 ns und Ti von 400 fs bis 400 ns. Für die Erzeugung eines hohlkanalförmigen Filaments in einem glasbasierten Werkstück kann vorteilhaft die Einstrahlung eines einzigen Burstpakets auf das Werkstück ausreichend sein. Ebenso möglich und vorteilhaft ist aber auch die Anwendung von zwei bis 10 Burstpaketen, insbesondere von 2 bis 5 Burstpaketen. Der zeitliche Abstand der einzelnen Burstpakete wird als Inter-Burst-Delay Td bezeichnet. 1/Td kann vorteilhaft betragen von 1 bis 1000kHz.
Diese vorgenannten Parameter werden insbesondere in Abhängigkeit von der spezifischen Zusammensetzung des glasbasierten Material des Werkstücks und den gewünschten Geometrien des Filaments und Abständen von Filamenten untereinander ausgewählt.
Die Energie Epo des ersten Einzelpulses (41 ) eines Burstpaktes vorteilhaft so eingestellt werden, dass sie größer als die Energie Epx des letzten Einzelpulses (42) des selben Burstpaktes ist. Die Erfinder haben festgestellt, dass sich dadurch die emittierte Röntgenstrahlung reduzieren lässt.
Die Fig. 17a bis 17d zeigen exemplarisch vorteilhafte Verläufe der Energien der Bursteinzelpulse über der zeit t in einem einzelnen Burstpaket. Der Einfachheit halber sind die Verläufe als Kurven und nicht als diskrete Wertepunkte angegeben. Die Zahl der Einzelpulse im Burstpaket ist beliebig, vorteilhaft innerhalb der voran genannten Bereiche. Der einfachste Energieverlauf ist ein linearer Verlauf entsprechend Fig. 17a. Bei diesem nehmen die Einzelpulsenergien innerhalb des Burstpakets zumindest im Wesentlichen um den gleichen Betrag ab. Es ist ebenso möglich, dass der oder die ersten Einzelpulse des Burstpakets eine zumindest im Wesentlichen gleiche Energie aufweisen, und die folgenden Pulse eine geringere, insbesondere ebenso konstante Energie. Dies entspricht einem zweistufigen Energieverlauf, wie in Fig. 17b dargestellt.
Ebenso möglich sind nichtlineare Verläufe, zum Beispiel eine exponentielle Abnahme der Einzelpulsenergien im Burstpaket entsprechend Fig. 17c. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Einzelpulsenergie im Burstpaket zunächst ansteigt und dann wieder abfällt, wobei der erste Einzelpuls vorteilhaft eine höhere Energie aufweist als der letzte. Der oder die auf den ersten Einzelpulse folgenden Laserpulse weisen dann eine höhere Energie auf, die dann zum letzten Einzelpuls hin abfällt. Ein solcher Verlauf ist in Fig. 17d gezeigt.
In den Fig. 18a bis 18c sind die Querschnitte durch filamentierte Werkstücke (2) aus glasbasiertem Material dargestellt, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem beschriebenen Verfahren erzeugbar sind, um schematisch mögliche Formen von hohlkanalförmigen Filamenten zu verdeutlichen. Fig. 18a zeigt den einfachsten Fall, wenn zylinderförmige Hohlkanäle als Filamente (180) in das Werkstück (2) eingebracht werden. Die Filamente liegen im Wesentlichen im Bereich des Laserfokus (1). Die Filamentachse A geht durch den Mittelpunkt des Filaments. Die Filamentwände sind achssymmetrisch. Im dargestellten Beispiel verbinden die Filamente (180) die Oberseite (0) des Werkstücks (2) mit dessen Unterseite (U). Das hohlkanalförmige Filament (180) stellt somit einen Durchgangskanal oder eine Durchgangsöffnung dar. Wie zuvor beschrieben ist es auch möglich, dass das Filament im Werkstück endet. In diesem nicht dargestellten Fall repräsentiert es ein Sackloch. Das Werkstück weist die Werkstückdicke (s) auf. Die Werkstückdicke (s) umfasst den Bereich von Ultradünnglas oder Dünnstglas mit wenigen Mikrometern Dicke bis hin zu Normalglas mit Dicken von mehreren Zentimetern. Insbesondere angewendet wird der Bereich von 10 pm bis 200 pm, mithin der Bereich der Dünnstgläser einschließlich Ultradünngläser, sowie der Bereich von 0,5 mm bis 3 mm, mithin der Bereich der Substrat- oder Flachgläser.
In der Fig. 18a ist auch der Kompressionsbereich (22) dargestellt, der das Filament umgibt. Der Kompressionsbereich, oder auch Kompressionszone genannt, und dessen Entstehen wurden voran ausführlich beschrieben. Er erstreckt sich im Wesentlichen senkrecht zur Filamentachse in das Material des Werkstücks hinein.
Entsprechend Fig. 18b kann auch ein kegelstumpfförmiges Filament (180) vorgesehen sein, das synonym als v-förmiges Filament bezeichnet wird. Auch ein solches ist als hohlkanalförmig zu bezeichnen. Das kegelstumpfförmige Filament ist insbesondere auch achsymmetrisch zur Filamentachse (A). In der vorliegenden Darstellung öffnet sich das Filament zur Unterseite des Werkstücks hin. Das bedeutet, dass der Durchmesser (dU) des Filaments (180) an der Unterseite des Werkstücks (2) größer ist als der Durchmesser (dO) an der Oberseite. Nicht dargestellt aber möglich ist wiederum die Ausführung als Sackloch. Die Aufweitung des Filaments in Richtung einer Seite des Werkstücks kann insbesondere durch das Einstellen der Fokuslage der strahlformenden Optik erreicht werden, insbesondere durch Einstellen der Konvergenz des Laserstrahls und den Abstand zum Werkstück. Übliche Kanalwinkel ß betragen etwa von 0,05 bis 0,1 °. Dieser Kanalwinkel wird gemessen zwischen der Senkrechten durch das Werkstück und der inneren Wandung des Filaments und entspricht damit dem halben Öffnungswinkel.
In Fig. 18c sind sanduhrförmige oder synonym x-förmige Filamente (180), wiederum ausgebildet als durchgehende Hohlkanäle, dargestellt. Diese Ausführungsform lässt sich insbesondere dadurch erzeugen, dass der Bereich der engsten Fokussierung des Lasers in das Volumen des Werkstücks gelegt wird. Für die Kanal- und/oder Öffnungswinkel ß sind die gleichen Bereiche vorteilhaft wie für die v-förmigen Filamente genannt. Die x-förmigen Filamente (180) zeichnen sich durch eine Ein- schnürung des Filamentdurchmessers in einem Bereich entlang der Filamentachse (A) aus. In dem dargestellten Beispiel liegt die Einschnürung in der Mitte des Werkstücks (2), d.h. in gleichem Abstand zu dessen Oberflächen. Es gibt ebenso Ausführungsformen, bei denen die Einschnürung näher an einer Oberfläche des Werkstücks angeordnet ist als an der Gegenüberliegenden.
Der Kompressionsbereich (22) ist der Übersichtlichkeit wegen nicht in den Fig. 18b und 18c dargestellt. Selbstverständlich kann er aber auch im Fall der v- und/oder x- förmigen Filamente (180) vorhanden sein. Er folgt dann insbesondere der jeweiligen Kanalwand.
Fig. 19 zeigt die Aufsicht auf ein filamentiertes Werkstück (2). Die hohlkanalförmigen Filamente (180) sind in einem vorgegebenen Muster in dem Werkstück (2) angeordnet. Man spricht hier auch von einem strukturierten Werkstück (2). Die Filamente (180) sind von dem Kompressionsbereich (22) umgeben, in dem wie zuvor beschrieben das Material des Werkstücks durch die Einwirkung der Bestrahlung mit den ultrakurzen Laserpulsen verdichtet ist. Wie ebenfalls zuvor beschrieben liegt eine Kompression von mindestens 1% in einem Radius von 3 pm, der sogenannten Kompressionsmesslinie (23), um die Filamentachse herum vor. Das bedeutet, dass an dieser Kompressionsmesslinie (23) der Grad der Verdichtung, synonym Kompression genannt, bestimmt wird.
Fig. 20 zeigt schematisch den allgemeinen Mechanismus, nach dem das Trennen von glasbasierten Werkstücken mit Hilfe von Laserfilamentierung erfolgen soll. Es ist die Aufsicht auf ein Werkstück dargestellt. Die Filamente (180) sind von Mikrorissen (50) der Länge RL umgeben. Die Mikrorisse entstehen laut gängiger Erklärung durch die Schockwelle, welche die Plasmaexplosion im Fokusbereich des ultrakurzen Laserpulses im Material des Werkstücks (2) erzeugen und wobei Röntgenstrahlung entstehen kann. Verbinden sich Mikrorisse (50) zu einem verbundenen Mikroriss (51 ) eines benachbarten Filaments, können diese verbunden Mikrorisse (51 ) eine durchgehende Risslinie bilden, entlang derer das Werkstück getrennt werden kann. Fig. 21 zeigt schematisch die Aufsicht auf ein weiteres Werkstück (2), das filamentiert wurde mit abnehmender Einzelpulsenergie im Burstpaket. Dadurch, dass hierbei die Energie des letzten Einzelpulses eines Burstpakets kleiner ist als die Energie des ersten Einzelpulses einen Burstpakets, das für die Erzeugung eines Filaments (180) eingesetzt wird, ist die Risslänge RL kürzer als nach dem Stand der Technik und es wird weniger Röntgenstrahlung erzeugt und/oder emittiert. Es wird vermutet, dass die Reduzierung der Laserpulsenergien im Burstpaket einen unkontrollierten Energieeintrag in das Material des Werkstücks (2) zumindest verringert. Der Energieeintrag in das Plasma wird sozusagen besser kontrolliert. Dabei entsteht dann auch weniger Röntgenstrahlung. Dies ist insofern überraschend, da üblicherweise davon ausgegangen wird, dass es günstiger ist, beim Filamentieren möglichst viel Laserenergie im Material des Werkstücks zu deponieren.
Die Mikrorisse (50) setzen sich in der Aufsicht betrachtet in der Regel strahlenförmig vom Filament (180) als Mittelpunkt in das Material des Werkstücks fort. Auch hier können sich die Mikrorisse benachbarter Filamente zu einem oder einer Mehrzahl von verbundenen Mikrorissen (51 ) verbinden und so eine Trennlinie bilden.
Die verkürzte Risslänge RL hat somit zwar den Nachteil, dass die Filamente (1 ) näher zueinander angeordnet werden müssen, um verbundene Filamente (51) und somit eine Trennlinie auszubilden. Dies wird aber durch den Vorteil ausbalanciert, dass sich damit auch kürzere und/oder weniger Mikrorisse abseits der Trennlinie in das Material des Werkstücks (2) hinein fortsetzen. Diese schwächen ansonsten die nach dem Trennen entstehende Kante des Werkstücks, was sich in einer verminderten Kantenfestigkeit manifestiert. Eine hohe Kantenfestigkeit ist aber vorteilhaft, da die Weiterverarbeitung und/oder Anwendung des filamentierten Werkstücks damit rationeller erfolgen kann und insbesondere weniger Ausschuss entsteht. Ebenso wird dieser potentielle Nachteil auch durch die Reduzierung der Röntgenstrahlung aufgewogen. Fig. 22 erläutert eine vorteilhafte Ausführungsform in einer Darstellung analog den Fig. 20 bis 21 . Nach dieser verlaufen sich die Mikrorisse (50) innerhalb des Kompressionsbereichs (22). Die Risslänge RL ist somit geringer als die Breite des Kompressionsrings um die Filamente (180). Um eine durchgehende Trennlinie mit verbundenen Mikrorissen (51 ) zu bilden, müssen die Kompressionsbereiche (22) zumindest aneinander angrenzen und/oder überlappen. Dies gilt insbesondere für die Kompressionsmesslinie. Sind die Filamente (180) zu weit voneinander entfernt, bildet sich kein Mikroriss (52) und somit eine an dieser Stelle unterbrochene Trennlinie aus. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, um die für die tatsächliche Separierung der Teile des Werkstücks entlang der Trennlinie notwendige Bruchkraft einzustellen. In vielen Fällen ist es nämlich vorteilhaft, wenn sich das filamentierte Werkstück nicht von allein trennt oder separiert, sondern dafür eine zusätzliche mechanische Kraft, die Trennkraft, erforderlich ist. Dies kann die Weiterverarbeitung, insbesondere den Transport, von filamentierten Werkstücken erleichtern.
Im vorliegenden Beispiel der Fig. 22 wird ebenfalls eine Abnahme der Einzelpulsenergie im Burstpaket angewendet und damit erreicht, dass sich die Mikrorisse (50) im Kompressionsbereich (22) sozusagen totlaufen. In dem verdichteten Material ist die Rissausbreitung anscheinend gehemmt, so dass sich die wie beschrieben abnehmenden Einzelpulsenergien im Burstpaket besonders gut so einstellen lassen, dass die Mikrorisse (50) innerhalb des Kompressionsbereichs (22) enden, insbesondere innerhalb der Kompressionsmesslinie, bei gleichzeitiger Minimierung der entstehenden Röntgenstrahlung. Die Kompressionsmesslinie ist zur Verbesserung der Übersichtlichkeit hier nicht dargestellt.
Eine insbesondere vorteilhafte Ausführungsform ist durch Fig. 23 repräsentiert. In der Darstellungsform ist diese analog zu den Fig. 20 bis 22, eine Steuerung der Energie der Einzelpulse im Burstpaket ist optional, aber nicht notwendig. In der Aufsicht ist der Laserfokus in Richtung der Trennlinie, insbesondere der vorgesehenen Trennlinie, aufgeweitet. Somit wird wie zuvor beschrieben eine Vorzugsrichtung erzeugt. Diese hat zur Folge, dass die Risslänge RL von Mikrorissen (50) in Vorzugsrichtung (VR) größer ist als die Risslänge von Mikrorissen (50), die nicht in die Vorzugsrichtung verlaufen. Damit kann erreicht werden, dass die Filamente (180) in der Vorzugsrichtung weiter entfernt voneinander angeordnet werden können, sich Mikrorisse in Vorzugsrichtung zu verbundenen Mikrorissen (51 ) ausbilden und somit eine Trennlinie erzeugen, sich aber nur weniger und/oder kürzere Mikrorisse in das Material des Werkstücks (2) hinein fortsetzen und damit eine geringere Schwächung der Kante erfolgt. Durch die beschriebene Abnahme der Einzelpulsenergien im Burstpaket ist es insbesondere vorteilhaft möglich, die Mikrorisse außerhalb der Vorzugsrichtung im Kompressionsbereich (22) einzugrenzen, insbesondere innerhalb der Kompressionsmesslinie, während sich Mikrorisse (50) in Richtung der Vorzugsrichtung außerhalb des Kompressionsbereichs fortpflanzen.
Wie zuvor beschrieben interagiert die Ablationswolke, d.h. die Wolke oberhalb des Werkstücks (2), bestehend aus Material, das durch die Mikroexplosion verdampft und/oder weggeschleudert wird, mit der erzeugten Röntgenstrahlung und kann, neben technischen Vorrichtungen wie einem oben genannten Abschirmungselement, signifikant zur Abschwächung Röntgenstrahlung beitragen. Wenn die Ablationswolke durch die Verwendung eines in die Vorzugsrichtung VR aufgeweiteten Laserstrahls (4) ebenfalls in dieser Richtung aufgeweitet wird, kann dies zu einer vorteilhaften Abschwächung der Röntgenstrahlung in Richtung der Vorzugsrichtung (VR) führen. Weil diese insbesondere in Richtung der Zuführ- und/oder Entnahmeöffnung (320) zeigen kann und/oder dies üblicherweise vorliegt, kann die dort ankommende Röntgenstrahlung in diese Richtung ebenfalls vorteilhaft reduziert werden.
Somit wird besonders guter Kompromiss aus Bearbeitungseffizienz, Kantenstabilität und Röntgenschutz erzielt.
Der Zusammenhang zwischen der Risslänge RL eines individuellen Mikrorisses und dem Winkel Q dessen Verlaufs zur Vorzugsrichtung ist in der Fig. 24 schematisch dargestellt. Die aus der Fig. 24 ablesbaren Aussagen sind qualitativ. Es wird die durchschnittliche Risslänge RL über dem Winkel Q gezeigt. Der Winkel Q gibt wie gesagt den Winkel der Laufrichtung eines Mikrorisses zur Achse der Vorzugsrichtung an, hier am Beispiel einer elliptischen Fokusaufweitung mit der Hauptachse der Ellipse in Vorzugsrichtung.
Es besteht ein hochgradig nichtlinearer Zusammenhang zwischen RL und Q. Senkrecht zur Vorzugsrichtung, bei dem Wert 90° für Q, ist die Risslänge am kürzesten und RL weist den geringsten Wert auf. In Richtung der Vorzugsrichtung, bei dem Wert 0° für Q, ist die Risslänge hingegen am größten. Dies zeigt, dass die effiziente Ausrichtung der Vorzugsrichtung in Richtung der Trennlinien einen überproportionalen Vorteil für die Effektivität des Verfahrens und die Kantenfestigkeit bewirkt.
Die Form des in Vorzugsrichtung aufgeweiteten Fokus ist nicht auf die zuvor beschriebene in der Aufsicht elliptische Form beschränkt. Prinzipiell sind alle anwendbaren Formen von der Erfindung umfasst. In der Fig. 25 sind exemplarisch einige mögliche Aufsichten von in Vorzugsrichtung aufgeweiteten Foki dargestellt. VR bezeichnet die Vorzugsrichtung als Vektor. Diese liegt auf der vorgesehenen Trennlinie (53). Das erste Beispiel ist die elliptische Aufweitung mit der Hauptachse auf der Trennlinie (53). Weiterhin möglich ist eine tropfenförmige Aufweitung, eine herzförmige Aufweitung, eine dreieckige Aufweitung und/oder eine zwei- oder mehrteilige Aufweitung mit der Symmetrieachse auf der Trennlinie (53).
Wie gezeigt wurde weist die Erfindung insgesamt den Vorteil auf, dass sie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung stellt, welche eine effiziente Bearbeitung von glasbasierten Materialien ermöglicht, aber die Umgebung vor emittierter Röntgenstrahlung schützt. Die dazu eingesetzten Mittel und Maßnahmen sind in Produktionsumgebungen einsetzbar. Bezugszeichenliste
1 Fokusbereich 2 Werkstück
3 Laser 4 Laserstrahl 22 Kompressionsbereich 23 Kompressionsmesslinie 30 strahlformende Optik 41 Erster Puls eines Burstpakets 42 Letzter Puls eines Burstpakets 50 Mikroriss 51 verbundener Mikroriss 52 kein Mikroriss 53 Trennlinie
100 Vorrichtung 180 Filament 200 Positioniereinrichtung 201 Lifteinrichtung 203 Umlenkeinrichtung, Zuführ- und/oder Entnahmemittel 208 Umlenkeinrichtung und Werkstückauflage 210 Steuereinrichtung 221 Rolle 250 Ziehtank 300 Abschirmungselement 302 Bearbeitungsraum 303 Werkstückauflage 305 Freiraum 312 Blende 320 Zuführöffnung, Entnahmeöffnung 400 Sensoreinrichtung
W Bearbeitungsebene B Zuführebene, Entnahmeebene Tb Burstdauer Ti Intra Burst Delay Td Inter Burst Delay Epo Pulsenergie des ersten Pulses eines Burstpakets Epx Pulsenergie des letzten Pulses eines Burstpakets A Filamentachse O Oberseite U Unterseite dO Filamentdurchmesser an der Oberseite dll Filamentdurchmesser an der Unterseite s Werkstückdicke a Winkel von XEm ß Kanalwinkel
RL Risslänge
VR Vorzugsrichtung
Q Winkel zur Vorzugsrichtung
XEm emittierte Röntgenstrahlung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (100) zur lasergestützten Bearbeitung eines Werkstücks (2) aus glasbasiertem Material, insbesondere zum Einbringen von Schädigungen in das Werkstück (2), die dazu eingerichtet ist, das Werkstück in der Bearbeitungsebene (W) anzuordnen, mit einem Ultrakurzpulslaser (3) für die Abgabe ultrakurzer Laserpulse mit einer Wellenlänge A und einer Einzelpulsenergie Ep und einer Laserstrahlrichtung mit zumindest einer Komponente in der Richtung z, die senkrecht auf der Bearbeitungsebene (W) ist, wobei der Laser und/oder die Laserpulse so eingerichtet sind, dass das Werkstück zumindest im Wesentlichen transparent für die Wellenlänge A ist, sowie einer strahlformenden Optik (30), die eingerichtet ist, einen Fokusbereich (1 ) des Laserstrahls zu bilden, der im Betriebszustand zumindest teilweise innerhalb des Werkstücks liegt und in dem die Bestrahlungsstärke Ef so groß ist, dass im Betriebszustand Röntgenstrahlung in zumindest einem Energiebereich EM emittiert wird, und wobei zumindest der Fokusbereich (1 ) von zumindest einem Abschirmungselement für Röntgenstrahlung (300) zumindest bereichsweise umgeben ist und so, entweder allein oder in Kombination mit weiteren Abschirmungselementen (310), ein Bearbeitungsraum (302) bereitgestellt wird, wobei das Abschirmungselement (300, 310) aus einem Material besteht oder dieses umfasset, welches eine Röntgenabsorption aufweist, die dem Energiebereich EM angepasst ist; bevorzugt weist das Material des Abschirmungselements (300, 310) eine besonders hohe Röntgenabsorption im Energiebereich EM auf.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 , wobei die Röntgenstrahlung zumindest im Energiebereich von 4 keV bis 20 keV vorliegt, bevorzugt mit Maxima im Bereich von 6 keV bis 10 keV.
3. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Material des Abschirmungselements (300, 310) ein Maximum der Röntgenabsorption im Energiebereich von 5 keV bis 8 keV aufweist.
4. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei im Betriebszustand die Äquivalentsdosisleistungen außerhalb des Bearbeitungsraums (302), gemessen in einem Abstand von 10 cm von dessen äußerer Wandung, weniger als 10 pSv/h, bevorzugt weniger als 1 pSv/h betragen, insbesondere von 0.1 bis 10 pSv/h oder von 0.1 bis 1 pSv/h.
5. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Abschirmungselement (300, 310) aus einem Material besteht oder dieses umfasst ausgewählt aus der Gruppe der Metalle, insbesondere umfassend Eisen, Blei oder Bleifolie, Stahl, Edelstahl, Wolfram, Glas, oder ausgewählt aus der Gruppe der Kunststoffkomposite, insbesondere umfassend mit Wolfram oder Glas gefülltes Kunststoffkomposit.
6. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Abschirmungselement (300, 310) für Röntgenstrahlung das Werkstück (2) zumindest teilweise umschließt.
7. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, die so eingerichtet ist, im Fokusbereich des Laserstrahls (1) ein Plasma zu erzeugen, welches Röntgenstrahlung emittiert.
8. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Laser (3) so eingerichtet ist, dass er zumindest ein Burstpaket von Laserpulsen emittiert, welches aus einer Folge von ultrakurzen Bursteinzelpulsen mit der Wiederholfrequenz frep besteht; bevorzugt erzeugt der erste Bursteinzelpuls (41 ) des Burstpakets ein initiales Plasma, welches durch die folgenden Einzelpulse des Burstpakets mit Energie versorgt und so aufrecht erhalten oder/oder verstärkt wird.
9. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, die so eingerichtet ist, dass die Laserwellenlänge A von 350 nm bis 1100 nm und/oder die Pulsdauer eines Einzelpulses, insbesondere eines Bursteinzelpulses, beträgt von 40 fs bis 20 ps und/oder die Burstdauer Tb beträgt von 1 ps bis 500 ns und/oder die akkumulierte Energie eines Burstpakets beträgt von 100 pJ bis 1 J und/oder die Wiederholfrequenz frep beträgt von 10 kHz bis 100 MHz und/oder das Werkstück besteht aus oder umfasst Glas und/oder Glaskeramiken.
10. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Fokusbereich (1) so eingerichtet ist, dass das Werkstück (2) selbst zumindest teilweise die emittierte Röntgenstrahlung absorbiert.
11 . Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, mit einer Werkstückauflage (303), auf der das Werkstück (2) während der Bearbeitung aufliegt, wobei die Werkstückauflage (303) zumindest im Bereich und/oder in Verlängerung des Fokusbereichs (1 ) aus einem Material besteht, welches Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltem Kunststoffkom posit oder wobei sich in z- Richtung unterhalb des Werkstücks (2) ein Freiraum (305) befindet, insbesondere ein Luftspalt, wobei der Freiraum (305) nach unten in z- Richtung zumindest bereichsweise von einem Element (310) begrenzt wird, das Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ein Element aus Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltem Kunststoffkom posit.
12. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Werkstück (2) dem Bearbeitungsraum auf einer Zuführebene (B) zugeführt wird, die sich von der Bearbeitungsebene (W) unterscheidet, insbesondere liegt die Zuführebene in z-Richtung betrachtet unterhalb oder oberhalb der Bearbeitungsebene (W).
13. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Abschirmungselement (300) eine Zuführöffnung (320) aufweist, durch welche das Werkstück in den Bearbeitungsraum (302) einbringbar ist.
14. Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei das Werkstück (2) selbst in Richtung der Zuführöffnung (320) Röntgenstrahlung absorbiert.
15. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 14, wobei die Zuführöffnung (320) durch zumindest eine Verschlusseinrichtung (203, 326) verschließbar ist, welche ein Material umfasst, das die im Betriebszustand emittierte Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ist die Verschlusseinrichtung ausgewählt aus der Gruppe Verschlussvorhang, Walze und/oder Wasservorhang oder Kombinationen derselben; besonders bevorzugt umfasst die Verschlusseinrichtung ein Material entsprechend der Ansprüche 1 bis 4.
16. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Zuführöffnung (320) in einer Zuführebene (B) angeordnet ist; bevorzugt unterscheidet sich dabei die Zuführebene (B) von der Bearbeitungsebene (W); besonders bevorzugt befindet sich ein Bereich des Abschirmelements in der Bearbeitungsebene (W), insbesondere zwischen der Zuführebene (B) und der Bearbeitungsebene (W).
17. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei sich die Zuführöffnung (320) in der Bearbeitungsebene (W) gemessen in einem Abstand A von höchstens 200 cm vom Fokusbereich (1) befindet, insbesondere höchstens 150 cm oder höchstens 100 cm oder höchstens 50 cm; bevorzugt im Bereich von 10 cm bis 200 cm oder 10 cm bis 150 cm oder von 10 cm bis 100 cm oder von 10 cm bis 50 cm; besonders bevorzugt befindet sich zwischen Fokusbereich und Zuführöffnung ein Bereich des Werkstücks und ein Luftraum, die zumindest teilweise emittierte Röntgenstrahlung absorbiert.
18. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, die dazu eingerichtet ist, das Werkstück (2) in Form eines Bandes aus glasbasiertem Material zuzuführen, insbesondere in Form eines Dünnstglases oder Ultradünnglases mit einer Dicke von von 5 pm bis 400 pm oder von 5 pm bis 200 pm oder von 5 pm bis 100 pm oder von 5 pm bis 50 pm oder von 5 pm bis 30 pm, insbesondere von 7 pm bis 40 pm, welches dem Bearbeitungsraum (302) insbesondere kontinuierlich zugeführt wird.
19. Vorrichtung (100) nach Anspruch 18, die dazu eingerichtet ist, das Band aus glasbasiertem Material (2) dem Bearbeitungsraum (302) unter Biegung des Bandes (2) zuzuführen.
20. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das Abschirmungselement (300) zusätzlich zur Zuführöffnung (320) eine Entnahmeöffnung (320) aufweist, die insbesondere die bzgl. der Zuführöffnung beschriebenen Maßnahmen und/oder Eigenschaften aufweist.
21 . Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, mit Zuführmitteln (203), die dazu eingerichtet sind das Werkstück (2) in den Bearbeitungsraum (302) einzubringen und bevorzugt mit Entnahmemitteln (203), die dazu eingerichtet sind, das Werkstück aus dem Bearbeitungsraum (302) herauszuführen.
22. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung eine Sensoreinrichtung (400) umfasst, insbesondere eine dem Bearbeitungsraum (302) zugeordnete Sensoreinrichtung (400), welche dazu eingerichtet ist, die emittierte Röntgenstrahlung zu erfassen und so Sensordaten bereitzustellen, wobei bevorzugt der Laser (3) so eingerichtet ist, dass er unter Berücksichtigung der Sensordaten steuerbar ist.
23. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Laser (3) und die strahlformende Optik (30) so eingerichtet sind, eine filamentförmige Schädigung (180) im Werkstück (2) zu erzeugen, insbesondere einen filamentförmigen Hohlkanal oder ein filamentförmiges Sackloch.
24. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die strahlformende Optik (30) so eingerichtet ist, dass sie eine Laserintensitätsverteilung im Fokusbereich bereitstellt, die in Laserstrahlrichtung z im Bereich von ± 30% konstant ist.
25. Vorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche als Element einer Glasherstellungseinrichtung, insbesondere einer Einrichtung zum Herstellen von Ultradünnglas, insbesondere angeordnet an einem kontinuierlichen Glasband mit einer Borte, wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, die Borte und/oder einen Querschnitt auszuführen.
26. Verfahren zur Bearbeitung eines glasbasierten Werkstücks (2) mit einem Ultrakurzpulslaser (3), insbesondere zum Einbringen von Schädigungen in das Werkstück (2), wobei das Werkstück in der Bearbeitungsebene (W) angeordnet ist, wobei der Laser (3) ultrakurze Laserpulse mit einer Wellenlänge A und einer Einzelpulsenergie Ep in einer Laserstrahlrichtung z abgibt, wobei die Laserwellenlänge A ist so gewählt, dass das Werkstück (2) zumindest im Wesentlichen transparent für die Laserwellenlänge A ist, wobei der Laserstrahl mittels einer strahlformenden Optik (30) in einem Fokusbereich (1 ) fokussiert wird, und wobei die Einzelpulsenergie Ep innerhalb des Fokusbereichs so groß ist, dass Röntgenstrahlung emittiert wird, und wobei zumindest der Fokusbereich (1 ) von zumindest einem Abschirmungselement für Röntgenstrahlung (300) zumindest bereichsweise umgeben ist und so, entweder allein oder in Kombination mit weiteren Abschirmungselementen (310), ein Bearbeitungsraum (302) bereitgestellt wird, insbesondere so dass außerhalb des Bearbeitungsraums, gemessen in einem Abstand von 10 cm von der äußerer Wandung des Abschirmungselements (300), eine Röntgendosis von weniger als 10 pSv/h vorliegt, bevorzugt weniger als 1 pSv/h, insbesondere von 0.1 bis 10 pSv/h oder von 0.1 bis 1 pSv/h.
27. Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Werkstück (2) zumindest im Fokusbereich (1) ein glasbasiertes Material umfasst und die Röntgenstrahlung innerhalb des Bearbeitungsraums (302) zumindest im Energiebereich EM von 4 keV bis 20 keV entsteht, insbesondere mit Maxima im Bereich von 6 keV bis 10 keV; bevorzugt weist das Material des Abschirmungselement ein Maximum der Röntgenabsorption im Energiebereich von 6 keV bis 10 keV auf.
28. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 27, wobei das Abschirmungselement (300, 310) aus einem Material besteht oder umfasst ein Material ausgewählt aus der Gruppe der Metalle, insbesondere umfassend Eisen, Stahl, Edelstahl, Wolfram, Glas, oder ausgewählt aus der Gruppe der Kunststoffkomposite, insbesondere umfassend mit Wolfram oder Glas gefülltes Kunststoffkomposit.
29. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche 26 bis 28, wobei im Fokusbereich des Laserstrahls (1 ) ein Plasma erzeugt wird, welches Röntgenstrahlung emittiert; bevorzugt emittiert der Laser (3) zumindest ein Burstpaket von Laserpulsen, welches aus einer Folge von ultrakurzen Einzelpulsen besteht; besonders bevorzugt erzeugt der erste Einzelpuls des Burstpakets ein initiales Plasma, welches durch die folgenden Einzelpulse des Burstpakets mit Energie versorgt und so aufrecht erhalten und/oder verstärkt wird.
30. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche 26 bis 29, wobei die Laserwellenlänge A von 350 nm bis 1100 nm und/oder die Pulsdauer eines Einzelpulses, insbesondere eines Bursteinzelpulses, beträgt von 40 fs bis 20 ps und/oder die Burstdauer Tb beträgt von 1 ps bis 500 ns und/oder die akkumulierte Energie eines Burstpakets beträgt von 100 pJ bis
1 J und/oder die Wiederholfrequenz frep beträgt von 10 kHz bis 100 MHz und/oder das Werkstück besteht aus oder umfasst Glas und/oder Glaskeramiken..
31 . Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche 26 bis 30, wobei das Werkstück (2) auf einer Werktstückauflage (303) aufliegt und wobei die Werktstückauflage (303) zumindest im Bereich und/oder in Verlängerung des Fokusbereichs (1 ) in z-Richtung aus einem Material besteht, welches Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltem Kunststoffkomposit, oder wobei sich unterhalb des Werkstücks in z-Richtung ein Freiraum (305) befindet, insbesondere ein Luftspalt, wobei der Freiraum (305) in z-Richtung zumindest bereichsweise von einem Element (300, 310) begrenzt wird, das Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ein Element aus Glas und/oder Glaskeramik oder mit Glas gefülltem Kunststoffkom posit, und wobei der Fokusbereich (1 ) des Lasers bevorzugt zumindest teilweise innerhalb des Freiraums (305) angeordnet wird.
32. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche 26 bis 31 , wobei das Werkstück (2) dem Bearbeitungsraum (302) auf einer Zuführebene (B) zugeführt wird, die sich von der Bearbeitungsebene (W) unterscheidet, insbesondere liegt die Zuführebene (B) in z-Richtung betrachtet unterhalb oder oberhalb der Bearbeitungsebene (W); bevorzugt befindet sich ein Bereich des Abschirmelements (300) in der Bearbeitungsebene (W), insbesondere zwischen der Zuführebene (B) und der Bearbeitungsebene (W).
33. Verfahren nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche 25 bis 31 , wobei das Abschirmungselement (300) eine Zuführöffnung (320) aufweist, durch welche das Werkstück in den Bearbeitungsraum (305) eingebracht wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Zuführöffnung (320) durch zumindest eine Verschlusseinrichtung (203, 326) verschlossen wird, welche ein Material umfasst, das die emittierte Röntgenstrahlung absorbiert, insbesondere ist die Verschlusseinrichtung (203, 326) ausgewählt aus der Gruppe Verschlussvorhang, Walze und/oder Wasservorhang oder Kombinationen derselben; bevorzugt umfasst die Verschlusseinrichtung ein Material entsprechend der Ansprüche 26 bis 27.
35. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 33 bis 34, wobei die Zuführöffnung (320) in der Zuführebene (B) angeordnet ist, welche sich in z- Richtung betrachtet oberhalb oder unterhalb der Bearbeitungsebene (W) befindet.
36. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 35, wobei das Werkstück (2) in Form eines Bandes aus glasbasiertem Material vorliegt, insbesondere als Band eine Dünnstglases oder Ultradünnglases mit einer Dicke von 5 pm bis 400 pm oder von 5 pm bis 200 pm oder von 5 pm bis 100 pm oder von 5 pm bis 50 pm oder von 5 pm bis 30 pm, insbesondere von 7 pm bis 40 pm, welches dem Bearbeitungsraum (302) insbesondere kontinuierlich zugeführt wird.
37. Verfahren nach Anspruch 35, wobei das Glasband dem Bearbeitungsraum (302) unter Biegung des Glasbands zugeführt wird.
38. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 37, wobei das Abschirmungselement (300) zusätzlich zur Zuführöffnung (320) eine Entnahmeöffnung (320) aufweist, die insbesondere die bzgl. der Zuführöffnung beschriebenen Maßnahmen und/oder Eigenschaften aufweist.
39. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 38, wobei das Werkstück (2) mittels Zuführmitteln (201 , 203) in den Bearbeitungsraum (302) transportiert und/oder mittels Entnahmemitteln (201 , 203) aus diesem transportiert wird.
40. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 39, wobei die erzeugte Röntgenstrahlung mit einer Sensoreinrichtung (400) erfasst wird, insbesondere die im Bearbeitungsraum (302) erzeugte Röntgenstrahlung, und so Sensordaten bereitgestellt werden, die bevorzugt bei der Steuerung des Lasers (3) berücksichtigt werden.
41 . Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 40, wobei filamentförmige Schädigungen (180) im Werkstück (2) erzeugt werden, insbesondere filamentförmige Hohlkanäle oder filamentförmige Sacklöcher.
42. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 41 , wobei die Laserintensitätsverteilung im Fokusbereich (1 ) in Laserstrahlrichtung z im Bereich von ± 30% konstant ist.
43. Verfahren zum Herstellen von Glaselementen, insbesondere Elementen aus Ultradünnglas, beinhaltend Verfahrensschritte nach mindestens einem der Ansprüche 26 bis 42, wobei das zugeführte Glasband (2) insbesondere eine Borte aufweist, die mittels dem Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 42 abgetrennt wird und/oder wobei ein Querschnitt mittels dem Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 42 durchgeführt wird.
44. Glaselement, insbesondere Glaselement aus Ultradünnglas, hergestellt nach einem der Ansprüche 26 bis 43.
45. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach zumindest einem der voranstehenden Vorrichtungsansprüchen oder eines Verfahrens nach zumindest einem der voranstehenden Verfahrensansprüchen zum Bearbeiten und/oder Herstellen von Glaselementen (2), insbesondere von Ultradünnglas.
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