WO2001049444A2 - Verfaren und vorrichtung zum durchtrennen von flachen werkstücken aus sprödbrüchigem material - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for severing flat workpieces made of brittle material, in particular glass or ceramic, in which a laser beam with a linear beam profile with a trailing cooling spot is moved along a dividing line with a predetermined contour.
  • a preferred application is the cutting of flat glass.
  • the invention further relates to a device for cutting through such a workpiece by means of a laser beam in the form of a linear beam profile with a trailing cooling spot.
  • Conventional separation processes for flat glass are based on first generating a scratch mark in the glass using a diamond or a cutting wheel, in order to then break the glass along the weak point generated by an external mechanical force (Ritz-Brech method).
  • a disadvantage of this method is that the scratch mark removes particles (splinters) from the surface that can deposit on the glass and can lead to scratches there, for example. So-called mussels on the cut edge can also occur, which lead to an uneven glass edge.
  • the microcracks in the cutting edge that occur during scribing lead to reduced mechanical strength, ie to an increased risk of breakage.
  • One approach to avoiding splinters as well as mussels and microcracks is to separate glass on the basis of thermally generated mechanical stress.
  • a heat source directed at the glass is moved at a fixed speed relative to the glass and so high a thermomechanical stress is generated that the glass forms cracks.
  • the necessary property of the heat source to be able to position the thermal energy locally ie with an accuracy better than a millimeter, which corresponds to the typical cutting accuracy, is satisfied by infrared radiators, special gas burners and in particular lasers. Lasers have proven themselves and become established because of their good focusability, good controllability of the power as well as the possibility of beam shaping and thus the intensity distribution on glass. It is possible to first scratch the glass with the laser beam in order to subsequently break it mechanically, as well as to cut through the glass directly with the beam in connection with a mechanically applied tear. Both the "crack breaking" and the “cutting” are intended to be encompassed by the terms “severing" and "severing”.
  • the aforementioned laser beam separation processes differ in particular in the configuration of the focal spot.
  • the method according to DE 693 04 194 T 2 uses a laser beam with an elliptical cross-section with a trailing cooling spot.
  • EP 0 872 303 A 2 already cited, describes a laser beam separation method that uses a focal spot with a U-shaped or V-shaped contour provides that opens in the separation direction. Contours modified from this, such as X-shaped focal spots, are also described. In both cases, the laser beam focal spots have a two-dimensional structure that has proven itself well when performing straight cuts. When performing free-form cuts, a curved, two-dimensional focal spot that would be adapted to the contour of the dividing line would have to be generated and the contour, including the subsequent cooling, would have to be traced. This would in particular require a coupling of the scanner device producing the respective two-dimensional focal spot and the cooling spot device to a path control, the implementation of which is very problematic on the one hand due to the large amounts of data to be exchanged and the required cutting speeds.
  • a laser beam separation method has become known in which the laser beam is static, i.e. with fixed optical components, is shaped so that its beam cross-section on the surface of the workpiece has a linear shape, in which the ratio of length and width of the incident beam cross-section is adjustable by means of an aperture in the laser beam path.
  • This method is also very limited in its usability. Because of the static generation of the linear focal spot, no free-form cuts can be carried out, and since the cooling only takes place after the separation line has been fully heated, e.g.
  • the known method is practically only suitable for the described cutting of the press rim of hollow glasses, in which the hollow glass rotates in the fixed laser beam, the periphery first being heated by the laser beam and then by inflating the Gases is cooled to support.
  • the object of the invention is to perform the known method described at the outset or the associated device to be designed in such a way that free-form cuts can be carried out in a relatively simple manner using the laser beam separation process.
  • the problem is solved procedurally by scanning a linear focal spot on the workpiece of the laser beam is generated, and path data of the dividing line are provided during each scanning movement, such that the linear focal point experiences a curvature corresponding to the curvature of the contour of the dividing line, and its length is also adjusted depending on the curvature of the contour of the dividing line by adjusting the scan amplitude ,
  • the method according to one embodiment of the invention is carried out in such a way that the laser power is set as a function of the length of the linear focal spot.
  • the build-up of an optimal thermomechanical tension in the workpiece can be achieved if the cooling spot tracks the linear focal spot in such a way that its distance from the starting point of the focal spot is constant.
  • an optical arrangement with a scanner for generating a linear focal spot is provided, which has a profile control and position axes X, Y, which define the contour of the focal spot through axes U and V.
  • C of the focal point in relation to the workpiece-defining actuators are coupled to a numerical path control in such a way that path data of the dividing line of the profile control and the actuators can be fed during each scanning movement, in such a way that the linear focal spot experiences a curvature corresponding to the curvature of the contour of the dividing line and is movable on this and its length is also adjustable depending on the contour of the dividing line.
  • Optimal separation is ensured if, according to an embodiment of the invention, further axes coupled to the path control are provided for positioning the cooling spot in relation to the linear focal spot and the workpiece.
  • the device can be constructed particularly expediently if the optical arrangement has a scanner with two oscillating mirrors that oscillate perpendicular to one another. To change the length and the curvature of the linear focal point, it is then only necessary to change the vibration of the two oscillating mirrors, so that the profile control and the path control can also be made relatively simple. Not only is the vibration amplitude changed, but also the vibration disturbance and the position of the Vibrations to each other. For example, the vibrations are not harmonious in the case of straight-line transitions.
  • FIG. 1 is a schematic block diagram representation of the basic structure of the contour control of the device according to the invention.
  • Fig. 2 is a schematic, diagrammatic representation of the shape of the focal spot and the cooling spot and the associated axes of motion to be processed by the contour control, and
  • Fig. 3 shows a schematic representation of the curvature of the
  • FIG. 1 and 2 illustrate the principle according to the invention of severing a flat workpiece made of brittle material, in particular flat glass, by means of the laser beam separation method
  • FIG. 1 showing the basic structure of the control of the motion sequences along a predetermined contour
  • FIG. 2 shows the focal spot geometry of the laser beam with the trailing cooling spot and the assignment of the axes of motion to the contour control according to FIG. 1.
  • the separation principle according to the invention is based on a linear focal spot 1 which is curved in accordance with the respective contour of the separation line 2. If the dividing line 2 is linear, the focal line 1 can be relatively long be, as shown in FIG. 3. The smaller the radius of curvature of the contour of the dividing line 2, the shorter the line 1 is, so that the necessary energy input on the dividing line is ensured.
  • the line length varies between 10 mm and 100 mm. In parallel to changing the line length, the laser power is expediently reduced for short lines and increased for long lines.
  • a known laser beam scanner with oscillating mirrors and an oscillator motor that moves them is preferably used, preferably in the form of a galvanometer mirror, e.g. 5 of EP 0 872 303 A 2 cited at the outset.
  • a galvanometer mirror e.g. 5 of EP 0 872 303 A 2 cited at the outset.
  • only one mirror, which is pivotably mounted, could also be provided.
  • the scanner is controlled by a profile controller 3 in FIG. 1.
  • This profile controller receives from an NC controller, among other things, the setpoint value for the length of the focal spot 1 required at the respective point on the dividing line 2.
  • the profile controller controls the oscillator motor of the first oscillating mirror in this way indicates that this carries out corresponding vibration amplitude for the required length of the profile.
  • the profile controller 3 generates an analog voltage oscillation as a setpoint, which is converted directly by the oscillator motor into an oscillating movement.
  • the setpoint which is given by the NC controller 4 to the profile controller 3, is either in the form of an analog constant voltage signal, for example Pass 0 - 10 N, whereby the length is proportional to the level of the voltage, or in the form of a digital value with a resolution of at least 8 bit.
  • the actual value feedback of the measuring system of the oscillator motor shown as part of a regulation can be omitted if a calibration curve is stored in the profile controller 3 or the ⁇ C controller 4 for the oscillator motor.
  • the scanner receives data for the axes U, V, which control the second vibration mirror, from the ⁇ C controller 4 at predetermined times, which are marked with a cross in FIG. 2, during each vibration. that the focal line 1 is curved according to the contour of the dividing line 2 during the respective oscillation of the first mirror. The more data per vibration can be provided, the better the curvature can be approximated.
  • the ⁇ C control 4 controls the ⁇ C axes 8 (X, Y and C) and the profile length or their curvature via the setpoint specification of the axes U and V to the profile control 3 after one Known ⁇ C program 5.
  • the ⁇ C control is able to guide the focal line 1 so that it follows the dividing line with a maximum deviation of typically less than 0.2 mm.
  • the tracing of the dividing line is more precise the faster the ⁇ C control is able to generate new setpoints for axes 8 and profile control 3 and the faster these can be implemented by axes 8 and the oscillator motors of the oscillating mirror.
  • the focal spot 1 is linear, since a linear section is to be separated.
  • the focal point softens a strongly curved section of the dividing line. It is then curved and shortened by the data of the path control according to the dividing line.
  • focal spot 1 is located on a less curved section of dividing line 2. It is accordingly less curved and also somewhat longer than at time t 2 .
  • focal spot 1 is again in a linear section and has the dimensions as at time t t .
  • the width of the focal line 1 is predetermined by the diameter of the focused laser beam on the workpiece surface.
  • the diameter on the workpiece surface is typically between 0.3 mm and several millimeters.
  • Optical elements are used to focus the laser beam. When selecting the optical elements and the laser, the aim is to make the intensity distribution along the line uniform without local intensity peaks. In this way, most of the laser energy can be coupled into the workpiece without the glass softening temperature being exceeded. Long focal length focusing elements from approx. 300 mm, top hat lenses, axicons or lasers with a ring mode or multimode can be used for this purpose.
  • the width of the line depends on the required laser power, cooling, material type, material thickness and feed rate.
  • a line profile of any length and shape can be provided.
  • cooling in the form of a cooling spot 6 is carried out in a known distance at a defined distance on the contour 2 to be cut behind the Lase BrrofiL ⁇ i7lrrder Bren ⁇ rmie ⁇ i. . tracked.
  • This cooling spot 6 is generated, for example, by blowing cold air or gas / liquid mixtures through a nozzle.
  • the cut follows any free form very precisely.
  • any geometry can be cut or scored to a depth of several tenths of a millimeter.
  • the advantage of cutting is that no subsequent breaking is necessary, thus saving one manufacturing step.
  • the advantage of scribing is that the material was cut almost splinter-free at much higher speeds (up to 1000 mm / s), even after breaking, and a significantly higher edge strength is achieved due to the lack of micro-cracks and shells.
  • cooling i.e. the cooling spot 6 can be adjusted very precisely in its position relative to the focal line 1.
  • Axes A and B also interpolate with the axes X, Y, C and the axis specified by the oscillator motor of the first oscillating mirror.
  • the task of the axes A and B is to keep the distance of the cooling spot 6 from the starting point of the focal line 1 constant.
  • the profile controller 3 can be designed so that the lowest voltage value of the oscillating voltage for the oscillator of the oscillating mirror always remains constant. In this way, this starting point is fixed. Axes 7 A and B therefore only have to perform short strokes.
  • axis A can be dispensed with in a variant of the implementation of the axes. In this way, when the contour is traced, the cooling distance from the starting position of the focal line is not constant. This can be compensated for by reducing the cutting speed by adapting the process parameters.
  • Axes in the sense of the invention are not only to be understood as the geometric axes, but also the associated movement elements which specify the axes, such as actuators and actuators.

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Abstract

Bei derartigen Verfahren ist es bekannt, dass ein Laserstrahl mit einem linienförmigen Strahlprofil mit nachlaufendem Kühlfleck zur Erhöhung der thermomechanischen Spannung entlang einer Trennlinie mit vorgegebener Kontur bewegt wird. Um eine beliebige Kontur trennen zu können (Freiformschnitt), wird das Verfahren erfindungsgemäss so geführt, dass auf dem Werkstück ein linienförmiger Brennfleck (1) durch Scannen des Laserstrahles erzeugt wird, und während jeder Scanbewegung Bahndaten der Trennlinie (2) bereitgestellt werden, derart, dass der linienförmige Brennfleck (1) eine Krümmung entsprechend der Krümmung der Kontur der Trennlinie (2) erfährt, und seine Länge ebenfalls abhängig von der Krümmung der Kontur der Trennlinie durch Einstellen der Scanamplitude eingestellt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus sprödbrüchigem Material
Beschreibung:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus sprödbrüchigem Material, insbesondere Glas oder Keramik, bei dem ein Laserstrahl mit einem linienförmigen Strahlprofil mit nachlaufendem Kühlspot entlang einer Trennlinie mit vorgegebener Kontur bewegt wird. Eine bevorzugte Anwendung ist dabei das Schneiden von Flachglas.
Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zum Durchtrennen eines derartigen Werkstückes mittels eines Laserstrahles in Form eines linienförmigen Strahlprofils mit nachlaufendem Kühlspot.
Konventionelle Trennverfahren für Flachglas basieren darauf, mittels eines Diamanten oder eines Schneidrädchens zunächst eine Ritzspur im Glas zu generieren, um das Glas anschließend durch eine äußere mechanische Kraft entlang der so erzeugten Schwachstelle zu brechen (Ritz-Brech-Methode). Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß durch die Ritzspur Partikel (Splitter) aus der Oberfläche gelöst werden, die sich auf dem Glas ablagern können und dort beispielsweise zu Kratzern führen können. Ebenfalls können sogenannte Ausmuschelungen an der Schnittkante entstehen, die zu einem unebenen Glasrand führen. Weiterhin führen die beim Ritzen entstehenden Mikrorisse in der Schnittkante zu einer verringerten mechanischen Beanspruchbarkeit, d. h. zu einer erhöhten Bruchgefahr. Ein Ansatz, sowohl Splitter als auch Ausmuschelungen und Mikrorisse zu vermeiden, besteht im Trennen von Glas auf der Basis thermisch generierter mechanischer Spannung. Hierbei wird eine Wärmequelle, die auf das Glas gerichtet ist, mit fester Geschwindigkeit relativ zu dem Glas bewegt und so eine derart hohe thermomechanische Spannung erzeugt, daß das Glas Risse bildet. Der notwendigen Eigenschaft der Wärmequelle, die thermische Energie lokal, d. h. mit einer Genauigkeit besser einen Millimeter, was den typischen Schnittgenauigkeiten entspricht, positionieren zu können, genügen Infrarotstrahler, spezielle Gasbrenner und insbesondere Laser. Laser haben sich wegen ihrer guten Fokussierbarkeit, guten Steuerbarkeit der Leistung sowie der Möglichkeit der Strahlformung und damit der Intensitätsverteilung auf Glas bewährt und durchgesetzt. Dabei ist es sowohl möglich, das Glas durch den Laserstrahl zunächst zu ritzen, um es anschließend mechanisch zu brechen, als auch das Glas direkt mit dem Strahl in Verbindung mit einem mechanisch aufgebrachten Startriß zu durchtrennen, d.h. zu schneiden. Sowohl das "Ritzen-Brechen" als auch das "Schneiden" soll von dem Begriff "Trennen" bzw. "Durchtrennen" umfaßt werden.
Dieses Laserstrahl-Trennverfahren, das durch eine lokale Erwärmung durch den fokussierten Laserstrahl in Verbindung mit einer Kühlung von außen eine thermomechanische Spannung bis über die Bruchfestigkeit des Werkstoffes induziert, ist durch mehrere Schriften bekannt geworden, beispielsweise durch die EP 0 872 303 A 2.
Die vorgenannten Laserstrahl-Trennverfahren unterscheiden sich insbesondere durch die Konfiguration des Brennfleckes. So nutzt das Verfahren nach der DE 693 04 194 T 2 einen Laserstrahl mit elliptischem Querschnitt mit nachlaufendem Kühlspot.
Die bereits zitierte EP 0 872 303 A 2 beschreibt ein Laserstrahl- Trennverfahren, das einen Brennfleck mit einer U- bzw. V-förmigen Kontur vorsieht, die sich in der Trennrichtung öffnet. Auch davon abgewandelte Konturen, wie X-förmige Brennflecke, werden beschrieben. In beiden Fällen haben die Laserstrahl-Brennflecke eine zweidimensionale Struktur, die sich bei der Ausführung von geraden Schnitten gut bewährt hat. Bei der Ausführung von Freiformschnitten müßten eine der Kontur der Trennlinie angepaßte, gekrümmte zweidimensionale Brennflecke erzeugt und der Kontur samt der nachfolgenden Kühlung nachgefahren werden. Dies würde insbesondere eine Kopplung der den jeweiligen zweidimensionalen Brennfleck erzeugenden Scannereinrichtung und der Kühlspoteinrichtung mit einer Bahnsteuerung erfordern, deren Realisierung infolge der großen auszutauschenden Datenmengen einerseits und der geforderten Schnittgeschwindigkeiten andererseits sehr problematisch ist.
Durch die DE 43 05 107 C 2 ist ein Laserstrahl-Trennverfahren bekannt geworden, bei dem der Laserstrahl statisch, d.h. mit feststehenden optischen Komponenten, so geformt ist, daß sein Strahlquerschnitt auf der Oberfläche des Werkstückes eine linienförmige Form aufweist, bei dem das Verhältnis von Länge und Breite des auftreffenden Strahlquerschnittes mittels einer Blende im Laser strahlengang einstellbar ist. Auch dieses Verfahren ist in seiner Einsatzfähigkeit stark eingeschränkt. Wegen der statischen Erzeugung des linienförmigen Brennfleckes können keine Freiformschnitte durchgeführt werden, und, da die Kühlung erst nach dem vollständigen Erwärmen der Trennlinie, z.B. durch Anblasen mittels kalter Druckluft, aufgebracht werden soll, eignet sich das bekannte Verfahren praktisch nur für das beschriebene Abschneiden des Preßrandes von Hohlgläsern, bei dem sich das Hohlglas im ortsfesten Laserstrahl dreht, wobei zunächst umfänglich der Rand durch den Laserstrahl erwärmt und anschließend durch Aufblasen des Gases unterstützend gekühlt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs bezeichnete, bekannte Verfahren so zu führen bzw. die zugehörige Vorrichtung so auszubilden, daß auf relativ einfache Weise Freiformschnitte mit dem Laserstrahl-Trennverfahren durchführbar sind.
Ausgehend von dem Verfahren zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus sprödbrüchigem Material, bei dem ein Laserstrahl mit einem linienförmigen Strahlprofil mit nachlaufendem Kühlfleck entlang einer Trennlinie mit vorgegebener Kontur bewegt wird, gelingt die Lösung der Aufgabe verfahrensmäßig dadurch, daß auf dem Werkstück ein linienförmiger Brennfleck durch Scannen des Laserstrahles erzeugt wird, und während jeder Scanbewegung Bahndaten der Trennlinie bereitgestellt werden, derart, daß der linienförmige Brennfleck eine Krümmung entsprechend der Krümmung der Kontur der Trennlinie erfährt, und seine Länge ebenfalls abhängig von der Krümmung der Kontur der Trennlinie durch Einstellen der Scanamplitude eingestellt wird.
Durch diese Maßnahmen ist es möglich, Freiformschnitte mit beliebiger Kontur zu erzeugen, da der linienförmige Brennfleck im Gegensatz zu zweidimensionalen Brennflecken mit beherrschbaren Datenmengen in seiner Krümmung einstellbar ist, und zwar entsprechend der Kontur der Trennlinie, so daß der Brennfleck auf dieser Trennlinie gehalten wird, unter Anpassung der Länge des linienförmigen Brennfleckes an die Krümmung der Kontur, damit bei kleinen Krümmungsradien die Brennflecklänge entsprechend kurz und bei großen Radien entsprechend lang ist, um den notwendigen Energieeintrag auf der Trennlinie zu gewährleisten.
Um ein Erweichen des Materials des Werkstückes zu vermeiden, wird das Verfahren nach einer Ausgestaltung der Erfindung so geführt, daß die Laserleistung abhängig von der Länge des linienförmigen Brennfleckes eingestellt wird. Das Aufbauen einer optimalen thermomechanischen Spannung im Werkstück läßt sich erzielen, wenn der Kühlfleck so dem linienförmigen Brennfleck nachgeführt wird, daß sein Abstand zum Anfangspunkt des Brennfleckes konstant ist.
Hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß eine optische Anordnung mit einem Scanner zur Erzeugung eines linienförmigen Brennfleckes vorgesehen ist, die über eine die Kontur des Brennfleckes durch Achsen U und V vorgebende Profilsteuerung und Lageachsen X, Y, C des Brennfieckes in Bezug auf das Werkstück vorgebende Stellglieder derart mit einer numerischen Bahnsteuerung gekoppelt sind, daß während jeder Scanbewegung Bahndaten der Trennlinie der Profilsteuerung und den Stellgliedern zuführbar sind, derart, daß der linienförmige Brennfleck eine Krümmung entsprechend der Krümmung der Kontur der Trennlinie erfährt sowie auf dieser verfahrbar ist und seine Länge ebenfalls abhängig von der Kontur der Trennlinie einstellbar ist.
Ein optimales Trennen ist gewährleistet, wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung weitere mit der Bahnsteuerung gekoppelte Achsen zum Positionieren des Kühlfleckes in Bezug auf den linienförmigen Brennfleck und das Werkstück vorgesehen sind.
Die Vorrichtung kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders zweckmäßig aufgebaut werden, wenn die optische Anordnung einen Scanner mit zwei senkrecht zueinander oszillierenden Schwingspiegeln aufweist. Zur Veränderung der Länge und der Krümmung des linienförmigen Brennfleckes braucht dann lediglich die Schwingung der beiden Schwingspiegel verändert zu werden, so daß auch die Profilsteuerung und die Bahnsteuerung relativ einfach gestaltet werden können. Es wird dabei nicht nur die Schwingweite geändert, sondern auch die Schwingungst orrn un^TdieT Lage der Schwingungen zueinander. So sind beispielsweise bei Bogen-Geraden- Übergängen die Schwingungen nicht harmonisch.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles.
Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Blockschaltbild-Darstellung den prinzipiellen Aufbau der Kontur-Steuerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 in einer schematischen, diagrammartigen Darstellung die Form des Brennfleckes und des Kühlfleckes sowie die zugehörigen Bewegungsachsen, die von der Kontursteuerung zu verarbeiten sind, und
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung die von der Krümmung der
Kontur der Trennlinie abhängige unterschiedliche Länge des linienförmigen Brennfleckes bei einem speziellen Freiformschnitt.
In den Figuren 1 und 2 ist das erfindungsgemäße Prinzip der Durchtrennung eines flachen Werkstückes aus sprödbrüchigem Material, insbesondere von Flachglas, mittels des Laserstrahl-Trennverfahrens dargestellt, wobei die Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Steuerung der Bewegungsabläufe entlang einer vorgegebenen Kontur und die Fig. 2 die Brennfleckgeometrie des Laserstrahles mit dem nachlaufenden Kühlfleck und die Zuordnung der Bewegungsachsen zu der Kontursteuerung nach Fig. 1 zeigt.
Das erfindungsgemäße Trennprinzip beruht auf einem linienförmigen Brennfleck 1, der entsprechend der jeweiligen Kontur der Trennlinie 2 gekrümmt wird. Ist die Trennlinie 2 linear, kann die Brennlinie 1 relativ lang sein, wie in der Fig. 3 dargestellt ist. Je kleiner der Krümmungsradius der Kontur der Trennlinie 2 ist, umso kürzer ist die Linie 1 , damit der notwendige Energieeintrag auf der Trennlinie gewährleistet ist. Die Linienlänge variiert hierbei zwischen 10 mm und 100 mm. Parallel zur Änderung der Linienlänge wird zweckmäßig die Laserleistung bei kurzen Linien heruntergeregelt und bei langen Linien heraufgeregelt.
Zur Erzeugung des linienförmigen Brennfleckes 1 wird vorzugsweise ein bekannter Laserstrahl-Scanner mit Schwingspiegeln und einem sie bewegenden Oszillatormotor, vorzugsweise in Form eines Galvanometerspiegels, z.B. entsprechend Fig. 5 der eingangs zitierten EP 0 872 303 A 2, verwendet. Prinzipiell könnte auch nur ein Spiegel, der schwenkbar gelagert ist, vorgesehen sein.
Auch kann ein Scannen mittels Drehspiegel entsprechend Fig. 6 der vorgenannten EP-Schrift (Polygonrad) Anwendung finden.
Beim typischen Scannen mit Schwingspiegeln weisen diese eine Schwingfrequenz von 400 Hz und höher auf, wobei die Schwingweite des einen ersten Schwingspiegels die Linienlänge und des anderen, zweiten Spiegels die Abweichung der Linie von einer Geraden bestimmt. Die Steuerung des Scanners erfolgt durch eine Profilsteuerung 3 in Fig. 1. Diese Profilsteuerung empfängt von einer NC-Steuerung u.a. den Sollwert für die an der jeweiligen Stelle der Trennlinie 2 erforderliche Länge des Brennflecks 1. Die Profilsteuerung steuert dabei den Oszillatormotor des ersten Schwingspiegels so an, daß dieser für die geforderte Länge des Profils entsprechende Schwingungsamplitude ausführt. Die Profilsteuerung 3 erzeugt hierbei eine analoge Spannungsschwingung als Sollwert, der direkt von dem Oszillatormotor zu einer oszillierenden Bewegung umgesetzt wird. Der Sollwert, welcher von der NC-Steuerung 4 an die Profilsteuerung 3 gegeben wird, wird entweder in Form eines analogen konstanten Spannungssignals, z.B. 0 - 10 N übergeben, wobei die Länge proportional zur Höhe der Spannung ist, oder in Form eines digitalen Wertes mit einer Auflösung von mindestens 8 bit. Die dargestellte Istwertrückmeldung des Meßsystems des Oszillatormotors im Rahmen einer Regelung kann entfallen, wenn für den Oszillatormotor eine Kalibrierkurve in der Profilsteuerung 3 oder der ΝC-Steuerung 4 abgelegt ist. Zusätzlich zur Vorgabe der Schwingweite erhält der Scanner während jeder Schwingung der Spiegel von der ΝC-Steuerung 4 zu vorgegebenen Zeitpunkten, die in der Fig. 2 mit einem Kreuz gekennzeichnet sind, Daten für die Achsen U, V, die den zweiten Schwingspiegel so steuern, daß während der jeweiligen Schwingung des ersten Spiegels die Brennlinie 1 entsprechend der Kontur der Trennlinie 2 gekrümmt wird. Je mehr Daten pro Schwingung bereitgestellt werden können, umso besser kann die Krümmung angenähert werden.
Damit die Brennlinie 1 auf der gewünschten Trennlinie 2 liegt, steuert die ΝC- Steuerung 4 die ΝC-Achsen 8 (X, Y und C) und die Profillänge bzw. deren Krümmung über die Sollwertvorgabe der Achsen U und V an die Profilsteuerung 3 nach einem bekannten ΝC-Programm 5. Mit den Informationen über die Profillänge, deren Krümmung durch die Werte der Achsen U und V, die Position bzw. die Geschwindigkeiten der Achsen X, Y und C und der durch ein ΝC-Programm 5 beschriebenen Form der Trennlinie 2, ist die ΝC-Steuerung in der Lage, die Brennlinie 1 so zu führen, daß sie mit einer maximalen Abweichung von typischerweise weniger als 0,2 mm die Trennlinie verfolgt. Die Verfolgung der Trennlinie ist umso genauer, je schneller die ΝC-Steuerung in der Lage ist, neue Sollwerte für die Achsen 8 und die Profilsteuerung 3 zu generieren und je schneller diese von den Achsen 8 und den Oszillatormotoren des Schwingspiegels umgesetzt werden können.
Die Fig. 3 zeigt ein Beispiel für einen Freiformschnitt mit einer trapezförmigen Kontur der Trennlinie 2 mit stark abgerundeten Ecken. Im Startzeitpunkt t, ist der Brennfleck 1 linear, da ein lineares Teilstück zu trennen ist. Zum Zeitpunkt t2 erweicht der Brennfleck ein stark gekrümmtes Teilstück der Trennlinie. Er wird dann durch die Daten der Bahnsteuerung entsprechend der Trennlinie gekrümmt und auch verkürzt.
Zum Zeitpunkt t3 befindet sich der Brennfleck 1 auf einem weniger gekrümmten Abschnitt der Trennlinie 2. Er ist dadurch entsprechend weniger gekrümmt und auch etwas länger als im Zeitpunkt t2. Zum Zeitpunkt t4 befindet sich der Brennfleck 1 wieder in einem linearen Abschnitt und hat die Abmessungen wie zum Zeitpunkt tt .
Die Breite der Brennlinie 1 wird durch den Durchmesser des fokussierten Laserstrahles auf der Werkstückoberfläche vorgegeben. Der Durchmesser auf der Werkstückoberfläche liegt typischerweise zwischen 0,3 mm und mehreren Millimetern. Zur Fokussierung des Laserstrahles werden optische Elemente verwendet. Bei der Auswahl der optischen Elemente und des Lasers ist es Ziel, die Intensitätsverteilung entlang der Linie gleichmäßig ohne lokale Intensitätspeaks zu gestalten. Auf diese Weise kann die meiste Laserenergie in das Werkstück eingekoppelt werden, ohne daß die Glaserweichungstemperatur überschritten wird. Zu diesem Zweck können langbrennweitige fokussierende Elemente ab ca. 300 mm, Top-Hat-Linsen, Axikons oder Laser mit einem Ringmode oder Multimode eingesetzt werden. Die Breite der Linie ist dabei abhängig von der benötigen Laserleistung, Kühlung, Materialart, Materialdicke und Vörschubgeschwindigkeit.
Mit der erfindungsgemäßen Methode kann dabei ein Linienprofil beliebiger Länge und Form bereitgestellt werden.
Zur Erhöhung der thermomechanischen Spannung wird in bekannter Weise eine Kühlung in Form eines Kühlflecks 6 in einem definierten Abstand auf der durchzutrennenden Kontur 2 hinter dem LaseψrofiLτi7lrrder Brenπrmie~i. , nachgeführt. Dieser Kühlfleck 6 wird beispielsweise durch Aufblasen von kalter Luft oder Gas/Flüssigkeitsgemische durch eine Düse erzeugt.
Durch die hohe Temperatur im Werkstück, die durch den Laserstrahl erzeugt wird, wird eine hohe thermomechanische Spannung entlang der zu trennenden Kontur im Werkstück erzeugt. Bei nachfolgender Kühlung und vorheriger Schwächung des Glases am Startpunkt des Schnittes/Risses, reißt das Glas entlang der durch die Kühldüse und die "Strahllinie" beschriebene Kontur.
Wegen der gezielten Erwärmung des Werkstücks entlang der durchzutrennenden Kontur und der an der Kontur in einem definierenden Abstand zwischen ca. 2 mm und 15 mm nachgeführten Kühlung, folgt der Schnitt sehr präzise jeder beliebigen Freiform. Auf diese Weise können beispielsweise bei Dünnglas (ca. 50 μm), aber auch bei dickem Glas (mehrere Millimeter) jede beliebige Geometrie durchschnitten oder bis zu einer Tiefe von mehreren Zehntel Millimetern geritzt werden.
Der Vorteil des Schneidens besteht darin, daß kein anschließendes Brechen notwendig ist und somit ein Fertigungsschritt eingespart wird. Der Vorteil des Ritzens besteht darin, daß mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten (bis zu 1000 mm/s) der Werkstoff auch nach dem Brechen nahezu splitterfrei getrennt wurde und aufgrund von fehlenden Mikrorissen und Ausmuschelungen eine deutlich höhere Kantenfestigkeit erreicht wird.
Um dies zu erreichen, muß auch die Kühlung, d.h. der Kühlfleck 6, sehr präzise in seiner Position relativ zu der Brennlinie 1 eingestellt werden.
Die in Fig. 1 dargestellten Achsen 7 (A und B), welche für die Nachführung der Kühldüse auf der Trennlinie 2 verantwortlich sind, sind daher ebenfalls mit der NC-Steuerung 4 verbunden. Die Achsen A und B interpolieren ebenfalls mit den Achsen X, Y, C und der vom Oszillatormotor des ersten Schwingspiegels vorgegebenen Achse.
Die Aufgabe der Achsen A und B ist es, den Abstand des Kühlflecks 6 zum Anfangspunkt der Brennlinie 1 konstant zu halten. Die Profilsteuerung 3 kann hierbei so gestaltet werden, daß der niedrigste Spannungswert der Schwingspannung für den Oszillator des Schwingspiegels immer konstant bleibt. Auf diese Weise ist dieser Anfangspunkt ortsfest. Die Achsen 7 A und B müssen somit nur kurze Hübe ausführen.
Zur Vereinfachung des Aufbaues der Anlage kann in einer Variante der Umsetzung der Achsen auf die Achse A verzichtet werden. Auf diese Weise ergibt sich beim Nachfahren der Kontur ein nicht konstanter Abstand der Kühlung zur Anfangsposition der Brennlinie. Dieser Umstand kann mit Verringerung der Schnittgeschwindigkeit durch die Anpassung der Prozeßparameter kompensiert werden.
Unter Achsen im Sinne der Erfindung sollen nicht nur die geometrischen Achsen, sondern auch die zugehörigen, die Achsen vorgebenden Bewegungselemente, wie Aktuatoren und Stellglieder, verstanden werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Durchtrennen von flachen Werkstücken aus sprödbrüchigem Material, bei dem ein Laserstrahl mit einem linienförmigen Strahlprofil mit nachlaufendem Kühlfleck entlang einer Trennlinie mit vorgegebener Kontur bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Werkstück ein linienförmiger Brennfleck (1) durch Scannen des Laserstrahles erzeugt wird, und während jeder Scanbewegung Bahndaten der Trennlinie (2) bereitgestellt worden, derart, daß der linienförmige Brennfleck (1) eine Krümmung entsprechend der Krümmung der Kontur der Trennlinie (2) erfährt, und seine Länge ebenfalls abhängig von der Krümmung der Kontur der Trennlinie durch Einstellen der Scannamplitude eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung abhängig von der Länge des linienförmigen Brennfleckes eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlfleck (6) so dem linienförmigen Brennfleck (1) nachgeführt wird, daß sein Abstand zum Anfangspunkt des Brennfleckes (1) konstant ist.
4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine optische Anordnung mit einem Scanner zur Erzeugung eines linienförmigen Brennfleckes (1) vorgesehen ist, die über eine die Kontur des Brennfleckes durch Achsen U und V vorgebende Profilsteuerung (3) und Lageachsen X, Y, C des Brennfleckes in Bezug auf das Werkstück vorgebende Stellgliedes (8) derart mit einer numerischen Bahnsteuerung (4) gekoppelt sind, daß während jeder Scanbewegung Bahndaten der Trennlinie (2) der Profilsteuemn^(3πih^r^errStHlgπe^er r(8) zuführbar sind, derart, daß der linienförmige Brennfleck (1) eine Krümmung entsprechend der Krümmung der Kontur der Trennlinie (2) erfährt sowie auf dieser verfahrbar ist und seine Länge ebenfalls abhängig von der Kontur der Trennlinie (2) einstellbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere mit der Bahnsteuerung (4) gekoppelte Achsens (7) zum Positionieren des Kühlfleckes (6) in Bezug auf den linienförmigen Brennfleck (1) und das Werkstück vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung einen Scanner mit zwei senkrecht zueinander oszillierenden Schwingspiegeln aufweist.
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