Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR CUTTING A GLASS ELEMENT AND CUTTING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/116031
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for cutting a glass element (2) with a machining layer (4) which is to allow for particularly easy processing with a high level of reliability and low equipment requirements. According to the invention, the machining laser (4) is operated as a perforation laser in a first machining step, with which a perforation (12) is formed in the glass element (2) along a provided cutting line (8), wherein the machining laser (4) is operated with a modified laser beam (14) as a cutting laser in a second machining step, with which a dividing of the filaments (6) forming the perforation (12) is brought about.

Inventors:
BETZ JÜRGEN (DE)
Application Number:
PCT/EP2020/084917
Publication Date:
June 17, 2021
Filing Date:
December 07, 2020
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
FLABEG AUTOMOTIVE GERMANY GMBH (DE)
International Classes:
B23K26/00; B23K26/06; B23K26/0622; B23K26/067; B23K26/402; B23K26/53; B23K103/00
Domestic Patent References:
WO2018130448A12018-07-19
Foreign References:
EP2859983A22015-04-15
EP2705812A12014-03-12
DE102007037133A12008-03-13
US20190221985A12019-07-18
US20130126573A12013-05-23
Attorney, Agent or Firm:
TERGAU & WALKENHORST PATENTANWÄLTE PARTGMBB (DE)
Download PDF:
Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Schneiden eines Glaselements (2) mit einem Bearbeitungslaser (4), bei dem der Bearbeitungslaser (4) in einem ersten Bearbeitungsschritt als Per forationslaser betrieben wird, mit dem entlang einer vorgesehenen Schnittlinie (8) eine Perforation (12) im Glaselement (2) erzeugt wird, und bei dem der Bearbei tungslaser (4) in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit modifiziertem Laserstrahl (14) als Trennlaser betrieben wird, mit dem eine Spaltung der die Perforation (12) bildenden Filamente (6) bewirkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem als Bearbeitungslaser (4) ein Ultrakurzpuls- Laser verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Spaltung der die Perforation (12) bildenden Filamente (6) durch ablative Laserbearbeitung erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Laserstrahl (14) des Bearbeitungslasers (4) im zweiten Bearbeitungsschritt durch Strahlformung in eine Mehrzahl von, vorzugsweise sechs, Teilstrahlen (28) geteilt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem durch den Bearbei tungslaser (4) im Betrieb als Trennlaser im Glaselement (2) ein Plasma erzeugt wird.

6. Schneidsystem (1) zum Schneiden von Glaselementen (2), mit einem Bear beitungslaser (4), in dessen Strahlengang (20) ein Strahlformungselement (16) einschwenkbar ist.

7. Schneidsystem (1) nach Anspruch 6, dessen Strahlformungselement (16) als dif- fraktives optisches Element (16) ausgeführt ist.

Description:
Beschreibung

Verfahren zum Schneiden eines Glaselements und Schneidsystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laserschneiden eines Glaselements, bei dem mittels eines Perforierungslasers entlang einer vorgesehenen Schnittlinie eine Perforation im Glaselement erzeugt wird. Sie betrifft weiter die Verwendung eines La sers in einem solchen Verfahren sowie ein Schneidsystem zur Durchführung des Ver fahrens.

Zum Schneiden oder Trennen von Gläsern oder Glaselementen können eine Vielzahl von Verfahren und Konzepten eingesetzt werden. Unter anderem können dabei gerade im Hinblick auf komplexe Schnittformen oder hohe Präzisionsanforderungen laserba sierte Verfahren wie beispielsweise das Laserfilament-Schneiden zum Einsatz kommen.

Beim Laser-Filamentschneiden, auch als Filamentierung bezeichnet, werden nichtlinea re optische Effekte ausgenutzt. Dafür kommt üblicherweise ein geeignet ausgewählter Laser - nachfolgend auch als „Perforierungslaser“ bezeichnet - zum Einsatz, dessen Fokus unter die Glasoberfläche des zu schneidenden Glaselements in das Material hin ein gelegt wird. Aufgrund der so genannten Selbstfokussierung kommt es an der Stelle, an der der Brennpunkt liegt, zu einer lokalen Erhitzung im Glasmaterial, der Ausbildung lokaler Spannungen und zu einer Änderung der Brechzahl. Dadurch wirkt das zunächst kleine Volumenelement wie eine Linse, und in seiner Fortsetzung können weitere sol che Filamente erzeugt werden. Wird der Laserstrahl dabei über das Glas geführt, ent steht ein sogenannter Filamentvorhang, der in der Art einer Perforation wirkt und als Ansatz für einen nachfolgenden Trennschritt, beispielsweise durch Brechen, dienen kann. Dieses Konzept des Laser-Filamentierens ist beispielsweise aus der US 2013/0126573 A1 bekannt. Eine besonders hochwertige und präzise Trennung ist bei einem solchen laserbasierten Filament-Schneidverfahren erreichbar, indem nachfolgend, also nach Einbringung der Filamentierung oder Perforation, zur eigentlichen Trennung ein weiterer Behandlungs schritt mit einem Laser vorgenommen wird. Dabei kann beispielsweise ein CO2-Laser vorgesehen sein, mit dem im Bereich der Filamentspur eine lokal begrenzte Erwärmung im Glasmaterial erzeugt wird. Dies bewirkt ein Absprengen oder Brechen entlang der Kontur. Ein solches Verfahren ist besonders für Gläser vergleichsweiser hoher thermi scher Ausdehnung geeignet; es liefert jedoch auch eine vergleichsweise scharfkantige und damit anfällige Trennkante. Üblicherweise ist daher nach dem Schneiden oder Trennen eine weitere Nachbehandlung erforderlich, bei der die Trennkante beispiels weise mit einer Rundung oder einer Fase versehen wird.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben genannten Art anzugeben, das bei hoher Zuverlässigkeit einen besonders einfach gehaltenen Pro- zess-ablauf ermöglicht. Des Weiteren soll ein für die Durchführung des Verfahrens be sonders geeignetes Schneidsystem angegeben werden.

Bezüglich des Verfahrens zum Schneiden eines Glaselements mit einem Bearbei tungslaser wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem der Bearbeitungslaser in einem ersten Bearbeitungsschritt als Perforationslaser betrieben wird, mit dem entlang einer vorgesehenen Schnittlinie eine Perforation im Glaselement erzeugt wird, und bei dem der Bearbeitungslaser in einem zweiten Bearbeitungsschritt mit modifiziertem La serstrahl als Trennlaser betrieben wird, mit dem eine Spaltung der die Perforation bil denden Filamente bewirkt wird.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass bei den bekannten und übli chen Prozessen des Laser-Filamentschneidens zwar oftmals sehr gute und qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielt werden, wobei allerdings zwei unterschiedliche Laser systeme und bei der Verfahrensführung ein zusätzlicher Zwischenarbeitsgang erforder lich sind. Diese Konzepte des Laser-Filamentschneidens sind somit vergleichsweise aufwendig. Um vor diesem Hintergrund eine Vereinfachung der Prozessführung unter Einhaltung der qualitativen Anforderungen zu ermöglichen, sollte daher die Ausrichtung der Verfahrensschritte dahingehend erfolgen, dass sowohl die Einbringung der Perfora- tion im ersten Bearbeitungsschritt als auch die Induzierung der eigentlichen Trennung im zweiten Bearbeitungsschritt mit ein und demselben Laser durchgeführt werden kön nen. Im Hinblick auf die unterschiedlichen Anforderungen an die Wechselwirkung mit dem (Glas-) Substrat bei beiden Arbeitsschritten ist dies jedoch nicht ohne Weiteres mit einem bekannten Lasersystem möglich. Um dem Rechnung zu tragen, ist nunmehr vor gesehen, den Laserstrahl im zweiten Bearbeitungsschritt geeignet zu modifizieren, so dass die gewünschte Trennung unter Verwendung desselben Lasers ermöglicht wird, der auch zur Einbringung der Perforation in das Substrat verwendet wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhafterweise wird, wie dies grundsätzlich zur Erzeugung von filamentförmigen Schädigungen in einem Glassubstrat beispielsweise aus der WO 2018/130448 A1 be kannt ist, als Bearbeitungslaser ein Ultrakurzpuls (UKP) - Laser verwendet. Als Ultra kurzpulslaserwerden insbesondere Laserstrahlquellen bezeichnet, die gepulstes Laser licht mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden und Femtosekunden aussenden. In besonders bevorzugter Ausgestaltung kann dazu ein Festkörperlaser, vorzugsweise ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder mit Frequenzverdoppelung (entsprechend einer grünen Laserfarbe), vorgesehen sein.

Besonders vorteilhaft wird die Spaltung der die Perforation bildenden Filamente bei der Trennung durch ablative Laserbearbeitung bewirkt. Dabei wird der Bearbeitungslaser in seiner Funktion als Trennlaser im zweiten Bearbeitungsschritt bevorzugt derart betrie ben, dass in Folge der Einwirkung des Laserstrahls auf das Glassubstrat im Bereich der zuvor eingebrachten Perforation bzw. der diese bildenden Filamente durch Laserablati on eine Kerbe entsteht. Bei zunehmender Ablation der Kerbe entsteht in besonders vor teilhafter Ausgestaltung in der Kerbe ein expandierendes Plasma, dessen Expansions druck vorzugsweise durch geeignete Steuerung und Nachführung der Laserparameter derart gesteuert wird, dass die infolge des Expansionsdrucks auf die Ränder der Kerbe einwirkenden Kräfte die Spaltung des Glaselements im Bereich der Filamente oder Mo difikationen bewirken. Um den vorgesehenen Einsatz des Perforationslasers auch als Trennlaser im zweiten Bearbeitungsschritt zu ermöglichen, ist in besonders vorteilhafter Ausgestaltung im zweiten Bearbeitungsschritt eine geeignete Modifikation oder Strahlformung des Laser strahls vorgesehen. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, ist für ein qualita tiv hochwertiges Trennergebnis mit besonders geringen Schädigungen an der Trenn kante wie beispielsweise Muscheln oder Rissen eine zuverlässige Steuerung der Ex pansionsdrücke im Plasma sowie der Lage des Plasmas in der Kerbe und der damit ausgeübten Spaltkräfte sehr bedeutsam. Eine derartige, vergleichsweise präzise Steue rung ist für den eigentlich vom Bearbeitungslaser gelieferten Einzel-Laserstrahl nicht ausreichend; dies könnte zu einem frühzeitigen Bruch der Kante führen. Um dem ent gegenzuwirken und ein qualitativ besonders hochwertiges Trennergebnis zu ermögli chen, wird der Laserstrahl des Bearbeitungslasers vorteilhafterweise im zweiten Bear beitungsschritt durch Strahlformung in eine Mehrzahl, vorzugsweise sechs, parallele Teilstrahlen geteilt.

Die Strahlformung erfolgt dabei in ganz besonders vorteilhafter Weiterbildung mittels eines in den Strahlengang des Bearbeitungslasers einschwenkbaren diffraktiven opti schen Elements (DOE). Durch dieses wird der einfallende Primärstrahl in die Vielzahl an sekundären Laserstrahlen aufgeteilt und refokussiert. Entsprechend der Gitterstruk tur des ersten DOEs ergibt sich ein Muster mit Brennpunk-ten in der Linie, entspre chend dem zweiten oder weiteren DOEs erhält man eine Fokusmatrix auf, oder unter halb der Glasoberfläche, je nach räumlicher Anordnung. Durch Rotation oder seitliche Bewegung der DOEs kann die konturangepasste Fokusmatrix realisiert werden. Im Er gebnis kann durch das DOE die Strahlformung geeignet eingestellt werden, durch die wiederum die Expansionsdrücke des Plasmas und die Lage des Plasmas in der Kerbe geeignet gesteuert werden können. Die Strahlformung mittels des DOE erfüllt zudem gleichzeitig die Aufgabe der lateralen Anordnung der Laserstrahlen für das Schneiden von Konturen, beispielsweise eine Dreieckanordnung, in der die Strahlen wie ein Gleichdick oder Polygon mit konstantem Durchmesser in alle Richtungen wirken. Dabei beeinflusst die angepasste Fokusmatrix mit Brennpunkten unterschiedlicher Intensität und räumlichen Lage (Strahlformung) die Bildung des verfahrensbedingten, laserindu zierten Plasmas. Als Folge von Plasmazusammensetzung, -dichte, -temperatur und - läge im Filament-Vorhang entsteht der vorgesehene Expansionsdruck zum Spalten hin und entlang der Filamente im Glaskörper.

Bezüglich des Schneidsystems wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem Bear beitungslaser, in dessen Strahlengang ein Strahlformungselement, vorteilhafterweise ausgeführt als diffraktives optisches Element, einschwenkbar ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Verwendung ein und desselben Bearbeitungslasers in beiden Bearbeitungsschritten, also bei der Erzeugung der Filamente und der durch diese gebildeten Perforation eben so wie bei der anschließenden Trennung, bei unverändert hoher Bearbeitungs- und Produktionsqualität eine deutliche Vereinfachung der Verfahrensführung und auch des apparativen Aufwands für den Prozess des Laserschneidens erreichbar ist. Die dabei erzeugbaren Trennkanten weisen eine hohe Kantenschärfe und Qualität auf, und ins besondere für das Trennen vergleichsweise dickerer Materialien und/oder Konturen mit vergleichsweise kleinen Abmessungen ist das Konzept der Trennung durch mechani sche Kräfte durch Nutzung des Expansionsdrucks des Plasmas in der entstehenden Kerbe sehr vorteilhaft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

FIG. 1 schematisch ein Schneidsystem zum Schneiden von Glaselementen,

FIG. 2 ein Strahlformungselement des Schneidsystems gemäß FIG. 1 ,

FIG. 3 ein Glaselement mit eingebrachten Filamenten, und

FIG. 4 das Kantenprofil einer Trennkante des Glaselements gemäß FIG. 3.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Das Schneidsystem 1 gemäß FIG. 1 ist zum Schneiden von Glaselementen 2 durch Laserfilament-Schneiden vorgesehen. Dazu umfasst das Schneidsystem 1 einen Bear beitungslaser 4, der dem Grunde nach und bauartbedingt als für die Filamentierung ge eigneter Perforationslaser ausgelegt ist und über eine Fl-Optik 5 in Richtung zum Gla selement 2 hin geleitet wird. Infolge der Auslegung des Bearbeitungslasers 4 beim Be trieb als Perforationslaser kommt es an der Stelle, an der der Brennpunkt liegt, zu einer lokalen Erhitzung im Material des Glaselements 2, der Ausbildung lokaler Spannungen und zu einer Änderung der Brechzahl, so dass letztlich infolge nichtlinearer optischer Effekte im Glasmaterial länglich ausgedehnte Störungen oder Modifikationen, auch als Filamente 6 bezeichnet, entstehen. Er ist über eine zugeordnete, nicht näher dargestell te Steuerungseinrichtung steuerbar. Über die Ansteuerung mittels der Steuereinrichtung 8 kann der Fokuspunkt des Bearbeitungslasers 4 entlang einer vorgebbaren Schnittlinie 10 auf der Oberfläche des zu schneidenden Glaselements 2 geführt werden. Entlang dieser Schnittlinie 10 entstehen somit die Filamente 6, die die gewünschte Perforation 12 bilden.

Bei der Führung des Laserstrahls 14 des Bearbeitungslasers 4 wird sein Auftreffpunkt auf dem Glaselement 2 und/oder sein Fokuspunkt geeignet geführt. Im Rahmen der Steuerung kann dabei insbesondere als Kenngröße zur Verrechnung in CNC-Daten die Fokuslage genutzt werden, da diese meist leicht beschreibbar ist. Die Fokuslage könnte dabei im, unter oder über dem Material des Glaselements 2 liegen, um flächige Bear beitungen durch das Laserlicht zu ermöglichen.

Zum eigentlichen Schneiden des Glaselements 2, also zur Separation der Teile entlang der Schnittlinie 10 und der Perforation 12, ist nachfolgend zur Filamentierung im ersten Bearbeitungsschritt, also nach Einbringung der Perforation 12, ein weiterer Bearbei tungsschritt vorgesehen. Das Schneidsystem 1 ist dabei für eine besonders effiziente und kostensparende Betriebsweise bei der Durchführung des Schneid- oder Trennpro zesses ausgelegt. Dabei ist insbesondere dem Umstand Rechnung getragen, dass beim Prozess des Laser-Filamentschneidens üblicherweise zwei verschiedene Laser systeme eingesetzt werden, wobei einer der Laser gezielt als Perforationslaser und der andere Laser zum Einsatz im nachfolgenden Trennschnitt als Trennlaser ausgelegt ist. Um den hierdurch bedingten möglicherweise erheblichen apparativen und auch verfah- rensseitigen Mehraufwand gezielt zu vermeiden, ist beim Schneidsystem 1 der Bearbei tungslaser 4 für eine Verwendung sowohl während des ersten, zur Herstellung der Per foration vorgesehenen Bearbeitungsschritts als auch beim zweiten, für die eigentliche Trennung vorgesehenen Bearbeitungsschritt vorgesehen und ausgelegt. Für eine be sonders effiziente Verfahrensführung ist das Schneidsystem 1 somit in der Art einer kombinierten Ausgestaltung des Bearbeitungslasers 4 dabei dafür ausgelegt, dass mit dem Bearbeitungslaser 4 im ersten Behandlungsschritt die Filamente 6 im Glassubstrat 2 erzeugt werden, wobei in einem zweiten Behandlungsschritt der Laserstrahl 14 des Bearbeitungslasers 4 mittels einer als Strahlformungselement vorgesehenen DOE - („diffraktiven optischen Element-“) Optik 16 umgeformt wird und die Filamente 6 damit erneut bestrahlt werden. Dabei wird ein Plasma im Bereich der Filamente 6 erzeugt; der dadurch ausgeübte Druck bewirkt die Trennung der Elemente.

Um auf vergleichsweise einfache Weise zwischen den Betriebsweisen des Bear beitungslasers 4 als Perforationslaser einerseits und Trennlaser andererseits um schalten zu können, ist die als Strahlformungselement vorgesehene DOE-Optik 16 wie durch den Doppelpfeil 18 angedeutet mittels einer geeigneten Aufhängung schwenkbar gehaltert und in den Strahlengang 20 des Bearbeitungslasers 4 ein- und aus diesem ausschwenkbar. Alternativ oder zusätzlich kann die DOE-Optik 16 nach dem Laser 4 parallel zur Fl-Optik 5 angeordnet sein, wobei eine Strahlweiche den Laserausgangs strahl zwischen Fl-Optik 5 und DOE-Optik 16 schaltet.

Die als Strahlformungselement vorgesehene DOE-Optik 16 ist in ihrem Aufbau im in den Strahlengang 20 eingeschwenkten Zustand schematisch in Fig, 2 gezeigt. Das Element oder die DOE-Optik 16 umfasst das eigentliche diffraktive optische Element 22 und diesem im Strahlengang 20 nachgeschaltet eine Linse 24. Die Zusammenschaltung dieser Komponenten ist dabei im Ausführungsbeispiel derart vorgesehen, dass der auf das Element 16 auftreffende kollim ierte Laserstrahl 14 in sechs sekundäre Laserstrah len oder Teilstrahlen 28 geteilt wird. Für die im Ausführungsbeispiel vorgesehene Wel lenlänge des Bearbeitungslasers 4 von 1064 nm ergeben sich damit sechs Teilstrahlen 28 mit einem Abstand zueinander von etwa 10 pm. Die Transmission der Laserstrah lung für das Element 16 liegt bei 97 %, und die sechs Teilstrahlen 28 weisen mit glei cher Intensität einen Gesamtanteil der zugeführten Laserleistung von 86 % auf. Wie der ausschnittsweise vergrößerten Darstellung des Glaselements 2 in FIG. 3 wäh rend der Phase des zweiten Bearbeitungsschritts entnehmbar ist, wird der Bearbei tungslaser 4 in seiner Funktion als Trennlaser im Bereich der im Glaselement bereits gesetzten Filamente 6 als Ablationslaser betrieben. In Folge der Einwirkung des im Element 16 geformten, aus den genannten sechs Teilstrahlen 28 zusammengesetzten Laserstrahls 14 auf das Glassubstrat 2 entsteht im Bereich der zuvor eingebrachten Perforation 12 bzw. der diese bildenden Filamente 6 durch Laserablation eine Kerbe 30. Bei zunehmender Ablation der Kerbe 30 entsteht in der Kerbe 30 ein expandierendes Plasma. Bei geeigneter Form und Geometrie der Kerbe 30 kann der Expansionsdruck dieses Plasmas genutzt werden, um infolge der auf die Ränder der Kerbe 30 einwirken den Kräfte die Spaltung des Glaselements 2 im Bereich der Filamente 6 oder Modifika tionen zu bewirken.

Diese Wirkungsweise wird insbesondere durch eine geeignete Steuerung und Nachfüh rung der Laserparameter sichergestellt. Wie sich überraschenderweise herausgestellt hat, ist für eine zuverlässige Nutzung des Expansionsdrucks zum Brechen des Gla selements 2 unter anderem eben auch die Strahlformung des einfallenden Laserstrahls 26 wichtig: Für den Aufbau des gewünschten Drucks in der Kerbe 30 wird die Strahl formung benötigt, da ein Einzelstrahl bei der zur Bildung des Plasmas erforderlichen Intensität oder Energiedichte das Material zerstören würde. Neben der Plasmabildung (Intensität) spielt auch die Länge und Lage des wirkenden Plasmas in der Kerbe 30 ei ne wichtige Rolle für eine zuverlässige Trennung.

Das Kantenprofil der bei diesem Trennprozess entstehenden Trennkante 32 ist in FIG. 4 gezeigt. In ihrem oberen Bereich, von der Oberfläche des Glaselements 2 aus gesehen bis in eine Tiefe von etwa 20 - 30 pm, weist die Trennkante 32 eine die Kerbe 30 begrenzende Abschrägung 34 auf, an die sich in die Tiefe des Substrats hinein ge sehen eine vergleichsweise gerade verlaufende Bruchwand 36 anschließt. Bezugszeichenliste

Schneidsystem

Glaselement

Bearbeitungslaser

Fl-Optik

Filament

Schnittlinie

Perforation

Laserstrahl

DOE-Optik

Doppelpfeil

Strahlengang

Diffraktives optisches Element Linse

Teilstrahlen

Kerbe

Trennkante

Abschrägung

Bruchkante