LISSOTSCHENKO, Vitalij (Fasanenweg 9, Fröndenberg, 58730, DE)
| Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks (1 ) entlang mindestens einer Schnittlinie (SL) zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile (1 a, 1 b), dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 ) mit Laserlicht (2) beaufschlagt wird, das in einem an die zu erzeugende Schnittlinie (SL) angrenzenden Bereich des Werkstücks (1 ) eine dreidimensionale Wärmeeintragszone (100) mit einer lateralen Breite E lokal derart erwärmt, dass in zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen (12, 13) des Werkstücks thermisch induzierte Zugspannungen generiert werden, die so groß sind, dass sie einen Riss erzeugen, der sich entlang der Schnittlinie (SL) ausbreitet, so dass das Werkstück (1 ) in mindestens zwei Werkstückteile (1 a, 1 b) mit jeweils einer Schnittfläche (16a, 16b) geteilt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 ) über seine gesamte Länge L gleichzeitig mit dem Laserlicht (2) beaufschlagt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden einander gegenüberliegende Seitenflächen (12, 13) des Werkstücks (1 ) thermisch induzierte Erhebungen (101 , 102) erzeugt werden, die sich von den Seitenflächen (12, 13) weg erstrecken.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Erhebungen (101 , 102) thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Elastizitätsgrenze des Werkstücks (1 ).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Erhebungen (101 , 102) thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Bruchspannung des Werkstücks (1 ).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die maximalen Zugspannungen σ x im Bereich der Erhebungen (101 , 102) in einer Größenordnung von etwa 300 bis etwa 400 N/mm 2 liegen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Laserlicht (2) beaufschlagte Wärmeeintragszone (100) des Werkstücks (1 ) eine laterale Gesamtbreite E zwischen etwa 0,25 mm und etwa 0,35 mm aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Laserlicht (2) in die Wärmeeintragszone (100) insgesamt eingebrachte Wärmeenergie mindestens so groß ist wie die zur Bildung der Schnittflächen (16a, 16b) notwendige Energie.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge λ des Laserlichts (2) < 1 μm ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeintragszone (100) vom Laserlicht (2) einer einzelnen Laserlichtquelle erzeugt wird.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeintragszone (100) vom Laserlicht (2) von mindestens zwei voneinander beabstandeten Laserlichtquellen erzeugt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Laserschneiden des Werkstücks (1 ) kühlmittelfrei erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (1 ) entlang der Schnittlinie (SL) mechanisch vorgeschnitten wird, bevor das Werkstück (1 ) mit dem Laserlicht (2) beaufschlagt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittlinie (SL) mechanisch eingeritzt wird. |
"Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen
Werkstücks"
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks entlang mindestens einer Schnittlinie zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile.
Verfahren zum Laserschneiden nichtmetallischer Werkstücke sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Verfahrensvarianten bereits bekannt.
Die internationale Patentanmeldung WO 93/20015 A1 offenbart ein Verfahren zum Schneiden nichtmetallischer Werkstücke, die insbesondere aus Glas bestehen können, unter Einwirkung thermoelastischer Spannungen. Bei diesem Verfahren ist eine einzelne Laserlichtquelle vorgesehen, die relativ zum Werkstück bewegbar ist. Das von der Laserlichtquelle emittierte Laserlicht trifft auf die Oberfläche des Werkstücks und erwärmt diese lokal auf eine Temperatur, die unterhalb des Erweichungspunkts des Materials liegt, aus dem das Werkstück besteht. Auf diese Weise wird entlang der beabsichtigten Schnittlinie in oberflächennahen Bereichen des Werkstücks ein Riss erzeugt. Nach dem lokalen Erwärmen der Oberfläche des Werkstücks mit Laserlicht wird diese mit einem Kühlfluid angeströmt, so dass schließlich ein Blindriss in einer bestimmten Tiefe des Werkstücks erzeugt wird und das Werkstück in zwei Teile geteilt werden kann. Ein Nachteil des aus der vorstehend genannten Druckschrift bekannt gewordenen Verfahrens besteht darin, dass unmittelbar im Bereich der sich bildenden Schnittflächen, ein hoher Wärmeeintrag erfolgt und dass durch das nachfolgende
Abkühlen unerwünschte Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen entstehen können. Das Schneiden eines Werkstücks mit diesem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren liefert somit häufig nur unzureichende Schneidergebnisse. Das US-Patent US 6,259,068 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Schneiden nichtmetallischer Werkstücke, bei dem ein als Schreibstrahl dienender Laserstrahl vorgesehen ist, mittels dessen in der Oberfläche des Werkstücks entlang der gewünschten Schnittlinie zunächst Mikrorisse erzeugt werden. Der von dem Schreibstrahl mit Laserlicht beaufschlagte Oberflächenbereich des Werkstücks wird anschließend durch Beaufschlagung mit einem Gas und/oder Fluid abgeschreckt, so dass sich die Mikrorisse weiter entlang der gewünschten Schnittlinie ausbreiten können. Mit Hilfe zweier weiterer Laserstrahlen, die im Anschluss an das Abschrecken auf die Oberfläche treffen, werden Zugkräfte induziert, um das Werkstück entlang der gewünschten Schnittlinie in zwei Teile zu teilen. Das zwischenzeitliche Abkühlen nach der vorhergehenden Erwärmung des Werkstücks mit dem Schreibstrahl kann auch hier zu unerwünschten Materialausbrüchen im Bereich der Schnittflächen führen.
Die internationale Patentanmeldung WO 2006/045130 A1 offenbart ein Verfahren zum Laserschneiden eines Glassubstrats, bei dem ein gebündelter Laserstrahl zum Erzeugen eines Spalts sowie zwei Laserstrahlbündel links und rechts vom Spalt verwendet werden, um das Glassubstrat in zwei Teile zu teilen.
Die europäische Patentanmeldung EP 1 803 538 A1 offenbart ein Verfahren zum Schneiden eines Werkstücks aus einem spröden Material, wie zum Beispiel Glas, mit Laserstrahlen. Entlang der gewünschten Schnittlinie werden zwei Bereiche auf der Oberfläche des Werkstücks mit Laserlicht bestrahlt. Zwischen diesen beiden Bereichen gibt es einen Bereich mit einer bestimmten Breite, der
seinerseits nicht mit Laserlicht beaufschlagt wird, wobei die Schnittlinie selbst auch nicht mit dem Laserlicht beaufschlagt wird. Ferner ist eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die im Bereich der Schnittlinie einen Kühlfleck erzeugen kann. In den von den Laserstrahlen beaufschlagten Bereichen wird zunächst eine Druckspannung erzeugt. Durch das anschließende Abkühlen wird in der Nähe des Kühlflecks eine Zugspannung erzeugt, so dass das Werkstück entlang der gewünschten Schnittlinie in zwei Teile geteilt werden kann. Auch bei einem derartigen Verfahren kann sich das Problem ergeben, dass es im Bereich der Schnittflächen zu unerwünschten Materialausbrüchen kommen kann.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks vorzuschlagen, das einfach in der Handhabung ist und bei dem das Problem der Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen des Werkstücks wirksam verhindert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks entlang mindestens einer Schnittlinie zum Erzeugen mindestens zweier Werkstückteile zeichnet sich gemäß Anspruch 1 dadurch aus, dass das Werkstück mit Laserlicht beaufschlagt wird, das in eineni an die zu erzeugende Schnittlinie angrenzenden Bereich des Werkstücks eine dreidimensionale Wärmeeintragszone mit einer lateralen Breite E lokal derart erwärmt,
dass in zwei einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Werkstücks thermisch induzierte Zugspannungen generiert werden, die so groß sind, dass sie einen Riss erzeugen, der sich entlang der Schnittlinie ausbreitet, so dass das Werkstück in mindestens zwei Werkstückteile mit jeweils einer Schnittfläche geteilt wird. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass nur an den einander gegenüberliegenden Seitenflächen sehr hohe Zugspannungen erzeugt werden, die eine Rissbildung und eine werkstückeinwärts gerichtete Rissausbreitung induzieren. Es hat sich gezeigt, dass dadurch das im Stand der Technik häufig auftretende Problem der Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen der Werkstückteile wirksam verhindert werden kann. Es soll in diesem Zusammenhang angemerkt werden, dass in dieser Anmeldung unter dem Begriff „Schnittlinie" sowohl gerade als auch zumindest abschnittsweise gekrümmte Schnittlinienverläufe verstanden werden sollen. Die Schnittlinienverläufe können einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Lineare Schnittlinienverläufe können jedoch besonders einfach erzeugt werden und sind daher besonders vorteilhaft. Zur Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens können unterschiedliche Laserlichtquellen, insbesondere Halbleiterlaserdiodenbarren, und geeignete
Strahlformungsvorrichtungen verwendet werden, um die gewünschte Strahlform im Bereich der Wärmeeintragszone auf der Oberfläche des Werkstücks zu erzeugen. Nichtmetallische Werkstücke, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in wenigstens zwei Teile geschnitten werden können, können beispielsweise aus Silizium, Glas oder Keramik bestehen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass das Werkstück über seine gesamte Länge L gleichzeitig mit dem Laserlicht beaufschlagt wird.
Es kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein, dass an den beiden einander gegenüberliegende Seitenflächen des Werkstücks thermisch induzierte Erhebungen erzeugt werden, die sich von den Seitenflächen weg erstrecken. Diese Erhebungen können auf Grund einer ungleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks in diesen Bereichen der Wärmeeintragszone erzeugt werden. Durch den lokalen Wärmeeintrag des Laserlichts in die Wärmeeintragszone kommt es dort auf Grund von thermischen Ausdehnungen zu wärmeinduzierten änderungen der Materialstruktur, die zur Bildung der Erhebungen führen. Die zugspannungsinduzierte Rissbildung und Rissausbreitung erfolgt somit von außen - das heißt von den Erhebungen der beiden Seitenflächen ausgehend - nach innen zur Mitte des Werkstücks.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass im Bereich der Erhebungen thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Elastizitätsgrenze des Werkstücks. Insbesondere können im Bereich der Erhebungen thermisch induzierte Zugspannungen erzeugt werden, die höher sind als die Bruchspannung des Werkstücks. Dadurch können die Rissbildung und die Rissausbreitung diesen Bereichen wirksam verbessert werden. Die maximalen Zugspannungen σ x im Bereich der Erhebungen können vorteilhaft in einer Größenordnung von etwa 300 bis etwa 400 N/mm 2 liegen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die mit dem Laserlicht beaufschlagte Wärmeeintragszone des Werkstücks eine laterale Gesamtbreite E zwischen etwa 0,25 mm und etwa 0,35 mm aufweist. Insbesondere kann die Wärmeeintragszone eine laterale Gesamtbreite von etwa 0,3 mm aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass der Wärmeeintrag über die gesamte Länge des Werkstücks nur
in einem vergleichsweise schmalen, räumlich begrenzten Bereich des erfolgt.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die vom Laserlicht in die Wärmeeintragszone insgesamt eingebrachte Wärmeenergie mindestens so groß ist wie die zur Bildung der Schnittflächen der Werkstückteile notwendige Energie. Dadurch kann erreicht werden, dass sich ein einmal im Bereich der Seitenflächen entstandener Makroriss nahezu augenblicklich entlang der gewünschten Schnittlinie über die gesamte Länge L von außen nach innen zur Werkstückmitte ausbreiten kann. Werden also bei einer Teilung des Werkstücks in zwei Werkstückteile insgesamt zwei gleichartige Schnittflächen (auf jedem der beiden Werkstückteile also eine Schnittfläche) erzeugt, muss die vom Laserlicht in die Wärmeeintragszone eingebrachte Energie also mindestens doppelt so groß sein wie die für die Erzeugung einer Schnittfläche erforderliche Energie. Die insgesamt in die Wärmeeintragszone eingebrachte Wärmeenergie kann auch etwas größer als die zur Bildung der Schnittflächen der Werkstückteile notwendige Energie sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Wellenlänge λ des Laserlichts < 1 μm ist. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Wellenlängen die Rissbildung im Werkstück nicht negativ beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die Wärmeeintragszone vom Laserlicht einer einzelnen Laserlichtquelle erzeugt wird. In einer alternativen Ausführungsform besteht auch die Möglichkeit, dass die Wärmeeintragszone vom Laserlicht von mindestens zwei voneinander beabstandet angeordneten Laserlichtquellen erzeugt wird . Die Strahlformen und Strahlparameter sind so gewählt, um materialabhängig einen optimierten Eintrag des
Laserlichts in die Wärmeeintragszone des Werkstücks zu bewirken. Wenn zum Beispiel zwei Laserlichtquellen verwendet werden, besteht die Möglichkeit, dass die von den Laserlichtquellen emittierten Laserstrahlen im Wesentlichen identische Strahlprofile aufweisen. Um auf einfache Weise lineare Schnittlinienverläufe erzeugen zu können, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass das Werkstück mit Laserstrahlen erwärmt wird, die auf der Oberfläche im Wesentlichen linienförmige Intensitätsverteilungen erzeugen. Es hat sich ferner gezeigt, dass die Intensitätsprofile des Laserlichts, die zum Beispiel im Wesentlichen rechteckförmig, dreiecksförmig oder auch im Wesentlichen gaußförmig sein können, die Rissbildung und Rissausbreitung entlang der gewünschten Schnittlinie des Werkstücks nicht negativ beeinflussen.
Um die Gefahr von Materialausbrüchen im Bereich der Schnittflächen weiter zu verringern und möglichst gering zu halten, sieht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform vor, dass das Laserschneiden des Werkstücks kühlmittelfrei erfolgt.
Um zum Beispiel auch Werkstücke aus vergleichsweise harten Materialien mittels des hier vorgestellten Verfahren besonders einfach schneiden zu können, kann in einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass das Werkstück entlang der Schnittlinie mechanisch vorgeschnitten wird, bevor das Werkstück mit dem Laserlicht beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel eine mechanische Schneidvorrichtung über die Oberfläche des Werkstücks geführt werden, um diese zumindest abschnittsweise entlang der gewünschten Schnittlinie vorzuschneiden. Der gewünschte Schnittlinienverlauf kann insbesondere mechanisch in die Oberfläche des Werkstücks eingeritzt werden.
Nach dem hier vorgestellten Prinzip können im Werkstück auch mehrere Schnittlinien erzeugt werden, um aus einem Werkstück mehr als zwei Teile herauszuschneiden.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 a bis 1 c schematisch stark vereinfacht das grundlegende Prinzip eines Verfahrens zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 den Verlauf der Zugspannung in y-Richtung innerhalb des Werkstücks bezogen auf den Abstand vom Ursprung des Koordinatensystems.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 a bis 1 c soll nachfolgend zunächst das grundlegende Prinzip eines Verfahrens zum Laserschneiden eines nichtmetallischen Werkstücks 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden. In Fig. 1 a ist ein nichtmetallisches, in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen quaderförmiges Werkstück 1 vor dem Laserschneidprozesses dargestellt. Zur Vereinfachung der weiteren Darstellung ist hier sowie in Fig. 1 b jeweils ein kartesisches Koordinatensystem eingezeichnet, dessen Ursprung genau im Mittelpunkt des Werkstücks 1 liegt. Das Werkstück 1 besteht aus einem nichtmetallischen Material, insbesondere aus Silizium, Glas oder Keramik, und weist in x-Richtung eine Breite B, in y-Richtung eine Länge L sowie in z-Richtung eine Dicke D auf. Man erkennt, dass die Dicke D des Werkstücks 1 wesentlich kleiner als dessen Länge L und dessen Breite B ist, so dass es insgesamt im Wesentlichen plattenförmig ausgebildet ist.
Das Werkstück 1 weist in einem Abstand +D/2 vom Koordinatensystemursprung eine erste Oberfläche 10 und in einem Abstand -D/2 vom Koordinatensystemursprung eine zweite Oberfläche 1 1 auf, die im Wesentlichen parallel zur ersten Oberfläche 10 orientiert ist. In y-Richtung (= Längsrichtung des Werkstücks 1 ) weist das Werkstück 1 in einem Abstand +L/2 vom
Koordinatensystemursprung eine erste Seitenfläche 12 und in einem Abstand -L/2 vom Koordinatensystemursprung eine zweite Seitenfläche 13 auf. In x-Richtung (= Querrichtung des Werkstücks 1 ) weist das Werkstück 1 in einem Abstand +B/2 vom Koordinatensystemursprung eine dritte Seitenfläche 14 und in einem Abstand -B/2 vom Koordinatensystemursprung eine vierte Seitenfläche 15 auf.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 b wird Laserlicht 2, das von mindestens einer Laserlichtquelle erzeugt wird, auf die erste Oberfläche 10 des Werkstücks 1 gerichtet, um das Werkstück 1 entlang einer gewünschten, hier gestrichelt dargestellten Schnittlinie SL unter dem Einfluss thermisch induzierter Zugspannungen zu schneiden. Es soll an dieser Stelle angemerkt werden, dass unter dem Begriff „Schnittlinie" sowohl gerade als auch zumindest abschnittsweise gekrümmte Schnittlinienverläufe verstanden werden sollen. Die Schnittlinienverläufe können einfach oder mehrfach gekrümmt sein. Ein im Wesentlichen linearer Verlauf der Schnittlinie SL, wie er hier dargestellt ist, kann allerdings besonders einfach erzeugt werden und ist daher besonders vorteilhaft.
Während des Laserschneidprozesses wird die Oberfläche 10 nicht vollständig, sondern nur abschnittsweise mit dem Laserlicht 2 beaufschlagt. Das Werkstück 1 wird dabei in Längsrichtung (y- Richtung) über seine gesamte Länge L gleichzeitig mit dem Laserlicht 2, das auf der Oberfläche 10 des Werkstücks 1 eine gewisse
voreingestellte oder voreinstellbare Breite aufweist, beaufschlagt. Durch die Absorption des Laserlichts 2 wird das Werkstück 1 lokal erwärmt, so dass über die gesamte Länge L eine dreidimensionale Wärmeeintragszone 100 erzeugt wird, die eine laterale Breite E und eine Dicke D aufweist. Die Dicke der Wärmeeintragszone 100 in z- Richtung entspricht also der Dicke D des Werkstücks 1 . Es wird deutlich, dass die Länge L der Wärmeeintragszone 100 wesentlich größer als deren Breite E ist. Vorzugsweise weist die mit dem Laserlicht 2 beaufschlagte Wärmeeintragszone 100 des Werkstücks 1 eine laterale Breite E zwischen etwa 0,25 mm und etwa 0,35 mm auf. Insbesondere kann die laterale Gesamtbreite E der mit dem Laserlicht 2 beaufschlagten Wärmeeintragszone 100 etwa 0,3 mm betragen. Dadurch wird erreicht, dass der Wärmeeintrag nur in einem vergleichsweise schmalen Bereich des Werkstücks 1 erfolgt.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Verfahrensvariante kann das Laserlicht 2 von einer einzelnen, in Fig. 1 b nicht explizit dargestellten Laserlichtquelle erzeugt werden. Gemäß einer zweiten vorteilhaften Verfahrensvariante kann das Laserlicht 2 auch von zwei separaten, voneinander beabstandeten Laserlichtquellen erzeugt werden, die jeweils ein im Wesentlichen linienförmiges Laserstrahlbündel erzeugen. Dadurch kann die Effektivität des thermisch induzierten Laserschneidvorgangs erhöht werden, solange dies zu einer Steigerung der gespeicherten elastischen Energie führt, mittels derer das Risswachstum unterstützt werden kann. Dasselbe kann auch mit der Verbreiterung eines einzelnen Laserstrahls einer einzelnen Laserlichtquelle erreicht werden. Zur Durchführung des hier vorgestellten Verfahrens können verschiedene Arten von Laserlichtquellen, insbesondere Halbleiterlaserdiodenbarren, und geeignete Strahlformungsvorrichtungen verwendet werden, um die gewünschte Strahlform im Bereich der Wärmeeintragszone 100 auf der ersten Oberfläche 10 des Werkstücks 1 zu erzeugen, so dass das
Werkstück 1 entlang der gewünschten Schnittlinie SL geschnitten und anschließend in zwei Teile 1 a, 1 b geteilt werden kann. Insbesondere kann mindestens eine auf die Laserlichtquelle beziehungsweise auf die Laserlichtquellen angepasste, hocheffiziente, wenig Aberrationen erzeugende, refraktive Mikrooptik auf der Oberfläche 10 des Werkstücks homogene Linienprofile mit sehr hoher Intensität und hoher Strahlqualität erzeugen.
Die Wellenlänge des Laserlichts 2, das bei dem hier vorgestellten Laserschneidverfahren verwendet wird , beträgt vorzugsweise λ < 1 μm. Es hat sich gezeigt, dass bei diesen Wellenlängen die Rissbildung im Werkstück 1 nicht negativ beeinflusst wird. Es hat sich ferner gezeigt, dass auch die Intensitätsverteilung des Laserlichts 2, die zum Beispiel im Wesentlichen rechteckförmig, dreiecksförmig oder auch im Wesentlichen gaußförmig sein kann, die Rissbildung und Rissausbreitung entlang der gewünschten Schnittlinie SL des Werkstücks 1 ebenfalls nicht negativ beeinflusst.
Durch den lokalen Wärmeeintrag des Laserlichts 2 in die Wärmeeintragszone 100 kommt es dort auf Grund von thermischen Ausdehnungen zu wärmeinduzierten änderungen der Materialstruktur. Man erkennt in Fig. 1 b, dass an der ersten Seitenfläche 12 und an der zweiten Seitenfläche 13 des Werkstücks 1 , die einander gegenüberliegen und sich jeweils quer zur gewünschten Schnittlinie SL erstrecken, thermisch induzierte, sich von den beiden gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 weg erstreckende Erhebungen 101 , 102 erzeugt werden. Diese sich durch den lokalen Wärmeeintrag in die Wärmeeintragszone 100 bildenden Erhebungen 101 , 102 erzeugen in diesen Bereichen der Wärmeeintragszone 100 in x-Richtung (also in Querrichtung des Werkstücks 1 ) hohe thermisch induzierte Zugspannungen σ x .
Auf Grund dieser hohen Zugspannungen σ x , die in der Wärmeeintragszone 100 im Bereich der Seitenflächen 12, 13 generiert werden, kommt es zu einer Rissbildung entlang der gewünschten Schnittlinie SL in y-Richtung (Längsrichtung des Werkstücks 1 ). Schließlich bricht das Werkstück 1 entlang der Schnittlinie SL und wird dabei in zwei Werkstückteile 1 a, 1 b (siehe Fig. 1 c) geteilt. Die Rissausbreitung erfolgt somit von außen (das heißt von den Erhebungen 101 , 102 der beiden Seitenflächen 12, 13 ausgehend) nach innen zur Mitte des Werkstücks. Der maximale Wert der Zugspannungen σ x , die in den Erhebungen 101 , 102 der Seitenflächen 12, 13 erzeugt werden, soll dabei vorzugsweise die Bruchspannung der Werkstoffs, aus dem das Werkstück 1 besteht, überschreiten. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 c wird deutlich, dass jedes der beiden durch den hier vorgestellten Laserschneidprozess erhaltenen Werkstückteile 1 a, 1 b eine Schnittfläche 16a, 16b aufweist.
Bei einer Erwärmung des Werkstücks 1 auf bis zu 1000 K können thermisch induzierte Zugspannungen σ x in einer Größenordnung von etwa 300 N/mm 2 entstehen, welche die Bruchspannung des Werkstücks 1 überschreiten können. Ursache für die Rissbildung entlang der gewünschten Schnittlinie SL sind bei dem hier vorgestellten Verfahren also die Zugspannungen, die durch die Beaufschlagung des Werkstücks 1 mit dem Laserlicht 2 in den vergleichsweise schmalen Erhebungen 101 , 102 im Bereich der ersten und zweiten Seitenfläche 12, 13 des Werkstücks 1 gezielt erzeugt werden und die Elastizitätsgrenze überschreiten. Die relativ hohen Zugspannungen entstehen mit anderen Worten durch die Bildung der Erhebungen 101 , 102 in den Seitenflächen 12, 13 auf Grund einer ungleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks 1 in diesen Bereichen der Wärmeeintragszone 100.
Unter den hier beschriebenen Bedingungen bilden sich derart hohe Zugspannungen also unmittelbar an den Seitenflächen 12, 13 des Werkstücks 1 , und zwar nur in den oberflächennahen Erhebungen 101 , 102 der Wärmeeintragszone 100. Ein sich im Bereich der Seitenflächen 12, 13 bildender makroskopischer Riss breitet sich weiter entlang der gewünschten Schnittlinie SL aus, solange die bei seiner Ausbreitung freigesetzte elastische Energie die Energieverluste bei der Bildung der sich neu bildenden freien Oberflächen (Schnittflächen 16a, 16b) der beiden Werkstückteile 1 a, 1 b überschreitet. Deshalb muss das auf die erste Oberfläche 10 des Werkstücks 1 treffende Laserlicht 2 eine ausreichende Breite aufweisen, damit die in der Wärmeeintragszone 100 des Werkstücks 1 gespeicherte Energie, die bei der Rissausbreitung im Werkstück 1 entlang der gewünschten Schnittlinie SL verbraucht wird, die Verluste der vom System absorbierten Energie, die für die Bildung der neuen freien Oberflächen (Schnittflächen 16a, 16b) verbraucht wird, immer übersteigt. Dann entwickelt sich ein einmal im Bereich der Seitenflächen 1 1 , 12 entstandener Makroriss nahezu augenblicklich entlang der gewünschten Schnittlinie SL über die gesamte Länge L von außen nach innen aus, so dass das Werkstück 1 in zwei Teile 1 a, 1 b geteilt wird.
Die maximal erreichbaren Zugspannungen σ x , die im Bereich der Erhebungen 101 , 102 erzeugt werden können, betragen etwa 400 N/mm 2 , was einer Temperatur von etwa 1073 K entspricht. Unter der Annahme, dass das Werkstück 1 eine Bruchspannung von 270 N/mm 2 aufweist, kann die Dicke D des in zwei Werkstückteile 1 a, 1 b geteilten Werkstücks 1 bei etwa 0,05 bis 0,3 mm liegen. Falls das Werkstück 1 beispielsweise eine Bruchspannung von 215 N/mm 2 aufweist, kann der Bereich der maximal zulässigen Dicke D des Werkstücks 1 bis auf etwa 0,5 mm ausgedehnt werden.
In Fig. 2 ist der Verlauf der Zugspannung σ x in Abhängigkeit von der Entfernung zum Mittelpunkt des Werkstücks 1 (= Ursprung des Koordinatensystems mit x = 0) in y-Richtung über die gesamte Länge L des Werkstücks 1 dargestellt. Es wird deutlich, dass die Zugspannung σ x an den gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 des Werkstücks 1 im Bereich der Erhebungen 101 , 102 am größten ist. Somit wird einmal mehr verständlich, dass die Rissbildung und die Rissausbreitung am Rand des Werkstücks 1 an den beiden einander gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 ihren Ursprung haben. Die Zugspannung σ x überschreitet die Bruchspannung des Werkstücks 1 somit nur in relativ schmalen Bereichen an den gegenüberliegenden Seitenflächen 12, 13 des Werkstücks 1 , wo sich die Erhebungen 101 , 102 durch den Wärmeeintrag in die Wärmeeintragszone 100 gebildet haben.
Mit Hilfe des hier vorgestellten Laserschneidverfahrens kann ein Werkstück 1 auf einfache Weise in (mindestens) zwei Werkstückteile 1 a, 1 b geteilt werden. Ein Vorteil der hier vorgestellten Lösung besteht darin, dass Materialausbrüche im Bereich der Schnittflächen 16a, 16b, die bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf Grund des hohen Wärmeeintrags und der anschließenden Abkühlung im Bereich der Schneidzone entstehen können, wirksam vermieden werden können.
Es kann gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des hier beschriebenen Laserschneidverfahrens vorgesehen sein, dass das Werkstück 1 entlang der gewünschten Schnittlinie SL mechanisch vorgeschnitten (insbesondere eingeritzt) wird, bevor das Werkstück 1 mit dem Laserlicht 2 beaufschlagt wird, um das Werkstück 1 entlang der Schnittlinie SL schließlich in die beiden Werkstückteile 1 a, 1 b zu teilen.