DE202007001346U1

DE202007001346U1 - Einrichtung zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material

Info

Publication number: DE202007001346U1
Application number: DE202007001346U
Authority: DE
Original assignee: H2B Photonics GmbH
Current assignee: H2B Photonics GmbH
Priority date: 2007-01-24
Filing date: 2007-01-24
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2017-01-25

Abstract

Einrichtung zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material, insbesondere Glas, Keramik, Glaskeramik oder dergleichen, durch Erzeugen eines thermisch induzierten Spannungsrisses an dem Bauteil entlang einer Trennzone,
mit Mitteln zum Richten von Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Bauteil,
mit einem ersten Reflektor und einem zweiten Reflektor, zwischen denen während des Bearbeitungsvorgänges das zu bearbeitende Bauteil angeordnet ist,
wobei die Reflektoren im Querschnitt wenigstens abschnittsweise konkav geformt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens einer der Reflektoren (10, 12) eine durchgehende Öffnung für den Durchtritt der Laserstrahlung (8) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material, insbesondere Glas, Keramik, Glaskeramik oder dergleichen, durch Erzeugen eines thermisch induzierten Spannungsrisses an dem Bauteil entlang einer Trennzone.
Einrichtungen zum Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material sind beispielsweise durch DE 197 15 537 A1 , DE 196 16 327 A1 , WO 98/00266, DE 44 05 203 A1 , WO 93/20015, DE 43 05 106 , EP 0 448 168 A , JP 2000 281 373 A , Patent Abstracts of Japan, Veröffentlichungsnr. 10244386 A, den Aufsatz "Cutting Sheet Glass with the Beam of a Solid-State Laser" von Shepelov et al. (Welding International, Welding Institute. Abbington, GB, Band 14, Nr. 12, Dezember 2000(2012), S. 988–991, XP00998828, ISSN: 0950-07116), WO 2005/115678 A1 und WO 2005/107998 A1 bekannt.
Durch WO 02/48059 A1 ist eine Einrichtung zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material, beispielsweise Glas, Keramik, Glaskeramik oder dergleichen, durch Erzeugen eines thermisch induzierten Spannungsrisses an dem Bauteil entlang einer Trennzone bekannt, die einen Laser zum Richten eines Laserstrahles auf das zu bearbeitende Bauteil aufweist, derart, daß das Bauteil den Laserstrahl gleich zeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend entlang der Trennzone im wesentlichen an der gleichen Stelle oder an zueinander gering beabstandeten Stellen unter Teilabsorption wenigstens zweimal teilweise transmittiert.
Durch DE 102 40 033 B4 ist eine Einrichtung der betreffenden Art zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material, insbesondere Glas, Keramik, Glaskeramik oder dergleichen bekannt durch Erzeugen eines thermisch induzierten Spannungsrisses an dem Bauteil entlang einer Trennzone, die Mittel zum Richten von Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Bauteil sowie einen ersten Reflektor und einen zweiten Reflektor, zwischen denen während des Bearbeitungsvorganges das zu bearbeitende Bauteil angeordnet ist, aufweist. Die Reflektoren sind im Querschnitt wenigstens abschnittsweise konkav geformt, um die Laserstrahlung im Bereich der Trennzone zu bündeln. Bei der bekannten Einrichtung ist eine Strahlformungseinheit vorgesehen, die ein ringförmiges Strahlenbündel mit einem strahlungsfreien Zentralbereich formt, wobei der erste Reflektor im strahlungsfreien Zentralbereich hinter einem ersten Fokuspunkt steht und wobei eine Sammellinse vorhanden ist, die den ersten Reflektor umgibt und das auftreffende Strahlenbündel in das Werkstück in einen zweiten Fokuspunkt fokussiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art anzugeben, die einfacher aufgebaut und damit kostengünstiger herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene technische Lehre gelöst.
Die Erfindung löst die zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß wenigstens einer der Reflektoren eine durchgehende Öffnung für den Durchtritt der Laserstrah lung aufweist. Durch diese Öffnung tritt der Laserstrahl in den Bereich zwischen dem ersten und zweiten Reflektor ein, so daß sie nachfolgend zwischen den Reflektoren hin- und herreflektiert wird, wobei in dem zu bearbeitenden Bauteil eine Mehrfachabsorption der Laserstrahlung auftritt, durch die das zu bearbeitende Bauteil entlang der Trennzone erwärmt wird und bei einer nachfolgenden Abkühlung des Bauteiles in der gewünschten Weise ein Sprödbruch entlang der Trennzone auftritt.
Dadurch, daß die Laserstrahlung durch die Öffnung in dem Reflektor hindurchtritt, sind aufwendige Strahlformungseinheiten oder teiltransmissive Reflektorspiegel bei der erfindungsgemäßen Einrichtung nicht erforderlich. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung wesentlich einfacher aufgebaut und damit kostengünstiger herstellbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht darin, daß sie besonders robust sowohl im Aufbau als auch hinsichtlich eines stabilen Betriebes ist.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 2 angegeben.
Der Lehre des Anspruchs 2 liegt der Gedanke zugrunde, den Abstand der Reflektoren in Strahlrichtung der Laserstrahlung zueinander einstellbar zu gestalten. Auf diese Weise ist hinsichtlich des Eintrags von Laserenergie in das zu bearbeitende Werkstück mit einem besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau eine hohe Flexibilität erzielt. Insbesondere ermöglicht es die Lehre des Anspruchs 2, Bauteile unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlicher Materialien mit derselben Einrichtung zu bearbeiten. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung können beispielsweise Krümmungs radien und Abstand der Reflektoren zueinander so gewählt werden, daß die Reflektoren konfokal sind und der gemeinsame Fokus in dem zu bearbeitenden Bauteil liegt. Auf diese Weise erfolgt ein besonders intensiver Eintrag der Laserenergie in das zu bearbeitende Bauteil. Soll demgegenüber ein Bauteil bearbeitet werden, bei dem ein geringerer Eintrag von Laserenergie wünschenswert oder erforderlich ist, so kann dies erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, daß der Abstand der Reflektoren zueinander so verändert wird, daß die Reflektoren nicht mehr konfokal sind, also beispielsweise der Fokus eines Reflektors oberhalb und der Fokus des anderen Reflektors unterhalb des Bauteiles liegt. Auf diese Weise kann der Eintrag von Laserenergie in das zu bearbeitende Bauteil an die jeweiligen Anforderungen angepaßt werden. Es ist somit nicht mehr erforderlich, eine Bearbeitung von Bauteilen unterschiedlicher Dicken und/oder Materialien mit unterschiedlichen Einrichtungen durchzuführen. Vielmehr kann die erfindungsgemäße Einrichtung für eine durchtrennende Bearbeitung von Bauteilen verwendet werden, deren Dicke und/oder Material innerhalb weiter Grenzen wählbar ist.
Eine Weiterbildung der Lehre des Anspruchs 2 sieht vor, daß die Reflektoren im Querschnitt wenigstens abschnittsweise konkav geformt sind. Auf diese Weise bewirken die Reflektoren eine Fokussierung der Laserstrahlung, die bei entsprechender Wahl der Fokuslage zu einem besonders intensiven Energieeintrag in das zu bearbeitende Bauteil führt.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Lehre des Anspruchs 2 sieht vor, daß wenigstens einer der Reflektoren eine durchgehende Öffnung für den Durchtritt der Laserstrahlung aufweist. Auf diese Weise ergeben sich bei einer Einrichtung gemäß Anspruch 2 die im Zusammenhang mit der Lehre des Anspruchs 1 geschilderten Vorteile.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Lehre des Anspruchs 1 sieht vor, daß der Abstand der Reflektoren in Strahlrichtung der Laserstrahlung zueinander einstellbar ist. Auf diese Weise ergeben sich bei einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 die im Zusammenhang mit der Lehre des Anspruchs 2 geschilderten Vorteile.
Eine andere zweckmäßige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Öffnung zentrisch in dem Reflektor angeordnet ist. Auf diese Weise ergibt sich hinsichtlich der Strahlführung der Laserstrahlung in der erfindungsgemäßen Einrichtung ein besonders einfacher Aufbau.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Öffnung konzentrisch zur Strahlachse der Laserstrahlung angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform ist der Reflektor, in dem die Öffnung gebildet ist, besonders einfach im Aufbau und damit besonders kostengünstig herstellbar.
Erfindungsgemäß kann die Öffnung entsprechend den jeweiligen Anforderungen einen beliebigen Querschnitt aufweisen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre weist die Öffnung jedoch senkrecht zur Strahlachse einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Bei dieser Ausführungsform kann die Öffnung während der Herstellung des Reflektors auf besonders einfache Weise in demselben gebildet werden, beispielsweise durch Bohren. Auf diese Weise sind die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Einrichtung weiter verringert.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß zur Einstellung des Abstandes der Reflektoren zueinander die Reflektoren unabhängig von einander beweglich sind. Bei dieser Ausführungsform können die Foki der Reflektoren relativ zu dem zu bearbeitenden Bauteil unterschiedlich verstellt werden. Auf diese Weise ergibt sich hinsichtlich des Eintrags von Laserenergie in das zu bearbeitende Bauteil eine besonders hohe Flexibilität.
Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, daß zur Einstellung des Abstandes der Reflektoren zueinander die Reflektoren aneinander gekoppelt beweglich sind, wie dies eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre vorsieht. Auf diese Weise ist die Verstellung des Fokus eines Reflektors relativ zu dem zu bearbeitenden Bauteil an eine Verstellung des Fokus des anderen Reflektors relativ zu dem bearbeitenden Bauteil gekoppelt.
Um die Justagemöglichkeiten an der erfindungsgemäßen Einrichtung, insbesondere hinsichtlich des Eintrags von Laserenergie in das zu bearbeitende Bauteil, zu erweitern, sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre vor, daß die Reflektoren relativ zueinander parallel zu einer senkrecht zur Strahlachse verlaufenden Ebene verstellbar sind.
Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lehre sieht vor, daß die Orientierung der Strahlachse der Laserstrahlung relativ zu den Reflektoren verstellbar ist. Bei dieser Ausführungsform besteht insbesondere die Möglichkeit, durch entsprechende Wahl der Orientierung der Strahlachse der Laserstrahlung relativ zu den Reflektoren und damit des Einfallswinkels der Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Bauteil hinsichtlich des Eintrags von Strahlungsenergie in das zu bearbeitende Bauteil mehrere parallel zur Oberfläche des Bauteiles zueinander beabstandete Maxima zu erzielen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten stark schematisierten Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt ist. Dabei bilden alle beanspruchten, beschriebenen oder in der Zeichnung dargestellten Merkmale für sich genommen oder in beliebiger Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Schutzansprüchen sowie unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung.
Es zeigt.
1 stark schematisiert einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung und
2 eine Draufsicht auf eine mittels der Einrichtung gemäß 1 zu bearbeitende Glasscheibe.
In 1 ist nach Art einer Prinzipskizze ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung 2 zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material, bei diesem Ausführungsbeispiel einer Glasscheibe 4, durch Erzeugen eines thermisch induzierten Spannungsrisses an dem Bauteil entlang einer Trennzone dargestellt, die Mittel zum Richten von Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Bauteil aufweisen, die bei diesem Ausführungsbeispiel einen Laser 6 aufweisen. Die von dem Laser 6 erzeugte Laserstrahlung ist in 1 symbolisiert dargestellt und durch das Bezugszeichen 8 bezeichnet. Die erfindungsgemäße Einrichtung 2 weist ferner einen ersten Reflektor 10 und einen zweiten Reflektor 12 auf, die zur Reflexion der Laserstrahlung 8 dienen. Der erste Reflektor und der zweite Reflektor sind bei diesem Ausführungsbeispiel abschnittsweise konkav geformt, so daß sie fokussierend auf die Laserstrahlung 8 wirken.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Orientierung der Strahlachse der Laserstrahlung 8 relativ zu den Reflektoren 10, 12 verstellbar. Hierzu ist der Laser 6 um eine in die Zeichenebene hinein bzw. aus der Zeichenebene heraus verlaufende Schwenkachse 14 in Richtung eines Doppelpfeiles 16 verschwenkbar. Die Strahlachse der Laserstrahlung in der nicht verschwenkten Position des Lasers 6 ist in 1 durch eine strichpunktierte Linie 18 symbolisiert, während die Strahlachse der Laserstrahlung 8 in der verschwenkten Position des Lasers 6 in 1 durch eine gestrichelte Linie 20 symbolisiert ist.
Erfindungsgemäß weist bei diesem Ausführungsbeispiel der erste Reflektor 10 eine durchgehende Öffnung 22 für den Durchtritt der Laserstrahlung 8 auf. Die Öffnung 22 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zentrisch in dem ersten Reflektor 10 gebildet und bei diesem Ausführungsbeispiel konzentrisch zur Strahlachse 18 der Laserstrahlung 8 in der nicht verschwenkten Position des Lasers 6. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Öffnung 22 senkrecht zur Strahlachse der Laserstrahlung 8 in der nicht verschwenkten Position des Lasers einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf.
Erfindungsgemäß ist bei diesem Ausführungsbeispiel der Abstand der Reflektoren 10, 12 in Strahlrichtung der Laserstrahlung 8 zueinander einstellbar, wie dies in 1 durch Doppelpfeile 24, 26 angedeutet ist. Durch Verstellung des Abstandes der Reflektoren 10, 12 zueinander ist die Lage der Foki der Reflektoren 10, 12 relativ zueinander und damit zu dem zu bearbeitenden Bauteil verstellbar, beispielsweise zwischen einer kon fokalen Anordnung, in der die Foki der Reflektoren 10, 12 zusammenfallen und in dem zu bearbeitenden Bauteil liegen, und einer Anordnung, in der die Foki der Reflektoren 10, 12 in Strahlrichtung der Laserstrahlung zueinander beabstandet sind. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zur Einstellung des Abstandes der Reflektoren 10, 12 zueinander die Reflektoren 10, 12 unabhängig voneinander beweglich.
Um die Justagemöglichkeiten der erfindungsgemäßen Einrichtung 2 zu erweitern, sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Reflektoren 10, 12 relativ zueinander parallel zu einer senkrecht zur Strahlachse 18 verlaufenden Ebene verstellbar, wie dies in 1 durch einen Doppelpfeil 28 angedeutet ist.
In 1 ist durch einen Pfeil 30 angedeutet, daß die zu bearbeitende, nämlich zu durchtrennende Glasscheibe 4 zur Erzielung eines thermisch induzierten Spannungsrisses in einer Vorschubrichtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit Vf relativ zu den Reflektoren 10, 12 beweglich ist.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung 2 ist wie folgt:
Während des Bearbeitungsvorganges erzeugt der Laser 6 Laserstrahlung 8, die von der dem zweiten Reflektor 12 abgewandten Seite des ersten Reflektors 10 auf denselben gerichtet wird und durch die Öffnung 22 in den Raum zwischen dem ersten Reflektor 10 und dem zweiten Reflektor 12 eintritt. Nach Reflexion an dem zweiten Reflektor 12 wird die Laserstrahlung von diesem auf den ersten Reflektor 10 reflektiert und von diesem wieder auf den zweiten Reflektor 12 zurückreflektiert. Auf diese Weise wird die Laserstrahlung zwischen den Reflektoren 10, 12 mehrfach hin- und herreflektiert, wobei sie zwischen zwei Reflexionen die Glasscheibe 4 durchquert und von dem Material der Glasscheibe 4 jeweils teilweise absorbiert wird. Die mehrfache teilweise Absorption der Laserstrahlung führt zu einer schnellen Erwärmung der Glasscheibe 4 am Auftreffort der Laserstrahlung, so daß sich bei einer daran anschließenden Abkühlung der Glasscheibe 4 in dem zuvor erwärmten Bereich in der gewünschten Weise ein thermisch induzierter Spannungsriß in der Glasscheibe 4 ausbildet. Um beispielsweise eine Trennung der Glasscheibe 4 entlang der linienförmigen Trennzone zu erreichen, wird die Glasscheibe 4 in Richtung des Pfeiles 30 linear mit der Vorschubgeschwindigkeit Vf bewegt. Der jeweils durch die Laserstrahlung erwärmte Bereich der Trennzone kühlt sich während der Vorschubbewegung ab, wobei die Kühlung ggf. durch geeignete Kühlmittel unterstützt werden kann.
Nach einer vollständigen Durchtrennung der Glasscheibe 4 können die dadurch entstandenen Teile aus der Einrichtung 2 entnommen werden.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Glasscheibe 4. Durch Verschwenken des Lasers 6 um die Schwenkachse 14 in eine Position, in der die Strahlachse so verläuft, wie bei dem Bezugszeichen 20 dargestellt, ist es möglich, bezüglich der Strahlungsintensität der Laserstrahlung mehrere parallele zur Oberfläche der Glasscheibe 4 beabstandete Maxima zu erzeugen, von denen in 2 zwei Maxima schematisch angedeutet und mit den Bezugszeichen 32, 34 versehen sind.
Die erfindungsgemäße Einrichtung weist einen besonders einfachen und damit kostengünstigen Aufbau auf. Sie ist sowohl hinsichtlich des Aufbaus als auch hinsichtlich eines stabilen Betriebs besonders robust. Durch Verstellung des Abstandes der Reflektoren 10, 12 zueinander ist es erfindungsgemäß möglich, die Lage der Foki der Reflektoren 10, 12 relativ zueinander zu verändern, um die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 damit an zu bearbeitende Bauteile unterschiedlicher Dicke und/oder unterschiedlichen Materiales anzupassen.

Claims

Einrichtung zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material, insbesondere Glas, Keramik, Glaskeramik oder dergleichen, durch Erzeugen eines thermisch induzierten Spannungsrisses an dem Bauteil entlang einer Trennzone, mit Mitteln zum Richten von Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Bauteil, mit einem ersten Reflektor und einem zweiten Reflektor, zwischen denen während des Bearbeitungsvorgänges das zu bearbeitende Bauteil angeordnet ist, wobei die Reflektoren im Querschnitt wenigstens abschnittsweise konkav geformt sind, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Reflektoren (10, 12) eine durchgehende Öffnung für den Durchtritt der Laserstrahlung (8) aufweist.
Einrichtung zum durchtrennenden Bearbeiten von Bauteilen aus sprödbrüchigem Material, insbesondere Glas, Keramik, Glaskeramik oder dergleichen, durch Erzeugen eines thermisch induzierten Spannungsrisses an dem Bauteil entlang einer Trennzone, mit Mitteln zum Richten von Laserstrahlung (8) auf das zu bearbeitende Bauteil, mit einem ersten Reflektor (10) und einem zweiten Reflektor (12), zwischen denen während des Bearbeitungsvorganges das zu bearbeitende Bauteil angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Reflektoren (10, 12) in Strahlrichtung der Laserstrahlung (8) zueinander einstellbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (10, 12) im Querschnitt wenigstens abschnittsweise konkav geformt sind.
Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Reflektoren (10, 12) eine durchgehende Öffnung für den Durchtritt der Laserstrahlung (8) aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Reflektoren (10, 12) in Strahlrichtung der Laserstrahlung (8) zueinander einstellbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung zentrisch in dem Reflektor (10, 12) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung konzentrisch zur Strahlachse (18) der Laserstrahlung (8) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Einrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Abstandes der Reflektoren (10, 12) zueinander die Reflektoren (10, 12) unabhängig voneinander beweglich sind.
Einrichtung nach Anspruch 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Abstandes der Reflektoren (10, 12) zueinander die Reflektoren (10, 12) aneinander gekoppelt beweglich sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (10, 12) relativ zueinander parallel zu einer senkrecht zur Strahlachse (18) verlaufenden Ebene verstellbar sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Orientierung der Strahlachse (18) der Laserstrahlung (8) relativ zu den Reflektoren (10, 12) verstellbar ist.