DE2527080C3 - Verfahren zum Schneiden von Glas - Google Patents

Description

V = 5,20 χ

wobei V = die Schnittgeschwindigkeit in mm/min., P = die Leistung der Lasereinrichtung in Kilowatt und Λ = die Dicke des Glases in mm darstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des zu schneidenden Glases etwa 593° C beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Lasereinrichtung ein CO2-Laser benutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinrichtung eine Leistung von 15 Kilowatt besitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß daß Verfahren zum Schneiden von Glas zwischen der Float-Glas-Einrichtung und einem nachgeschalteten Abkühlofen stattfindet.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schneiden von Glas mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahles, wobei das zu schneidende Glas auf eine Temperatur zwischen 538°C und 677°C gebracht wird und der Laserstrahl eine Wellenlänge über 5 μίτι besitzt.

Durch die DE-AS 12 44 346 ist ein Verfahren zum Schneiden von Glas mittels eines Laserstrahles bekannt, bei dem das zu schneidende Glas auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Sodann kann alternativ eine Erwärmung des Glases durch den Laserstrahl unterhalb der Schmelztemperatur des Glases oder aber über den der Schmelztemperatur des Glases erfolgen. Mit diesen Angaben ist jedoch kein optimales Schneideergebnis erreichbar.

Durch die GB-PS 12 92 981 ist es bekannt, für das Schneiden von Glas einen CO2-Laser zu verwenden, der eine Wellenlänge von über 5 μηι besitzt. Dabei wird das zu schneidende Glas in die Nähe des Brennpunktes des Laserstrahls gebracht. Weitere Angaben bezüglich der Erreichung eines optimalen Ergebnisses beim Schneiden von Glas sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.

J(I

60 In der GB-PS 12 46 481 ist auf den Zusammenhang zwischen der Intensität des Laserstrahls und der Geschwindigkeit, mit der der Strahl über das Glas geführt wird, um einen Bruchverlauf des Glases zu erhalten, hingewiesen; auch auf die Abhängigkeit von der Dicke des Glases ist Bezug genommen. Genauire Hinweise auf ein optimaleres Verfahren sind jedoch auch dieser Patentschrift nicht zu entnehmen.

Insgesamt sind die bekannten Verfahren zum Schneiden von Glas, insbesondere für eine industrielle Anwendung, nicht als zufriedenstellend zu bezeichnen. Zum Teil sind diese Mißerfolge darauf zurückzuführen, daß im Glas Spannungen vorhanden sind, die zu einem Bruch führen, sobald der entsprechende Bereich einer konzentrierten Strahlung ausgesetzt wird. So kommt es immer wieder vor, daß ein nicht erwärmtes Glasstück dann zerspringt, wenn es einem konzentrierten Laserstrahl ausgesetzt wird. So hängt das erfolgreiche Schneiden von Glas mittels Laserstrahlen ganz wesentlich davon ab, ob es gelingt, den Bruch des Glases entlang der Bahn des Laserstrahles zu kontrollieren. Diese Überlegungen haben zu der Annahme geführt, daß zufriedenstellende Ergebnisse nur dann erzielt werden können, wenn das Schneiden unter genau definierten Bedingungen erfolgt und gewisse Grenzen dieser Bedingungen eingehalten werden.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Grenzbedingungen anzugeben, unter denen das Schneiden von Glas unter optimalen Bedingungen ohne Zerstörung des Glasstückes möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Anwendung und Einhaltung der im Hauptanspruch gekennzeichneten Merkmale erreicht.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich durch die Anwendung der Merkmale der Unteransprüche, für die ein Schutz nur in Verbindung mit dem Hauptanspruch besteht.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird in vorteilhafter Weise die Möglichkeit angegeben, unter optimalen Bedingungen mit Hilfe eines Laserstrahls Glas zu schneiden. Dabei treten die bei bekannten Verfahren auftretenden Nachteile nicht auf; außerdem erfolgt das Schneiden des Glases unter energiesparenden Bedingungen, was das Verfahren insbesondere für die industrielle Anwendung geeignet macht.

Das Verfahren wird an Hand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen von Einrichtungsgegenständen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen Teil einer Float-Glas-Kammer, im Längsschnitt dargestellt, unter Anwendung einer Einrichtung zum Schneiden von Glas mit Laserstrahlen;

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Anordnung nach Fig. 1.

Innerhalb der in den Figuren dargestellten Fertigungseinrichtung wird ein Glasband 10 aus einem Zinnbad herausgehoben, wobei die Float-Glas-Kammer insgesamt mit 14 bezeichnet ist. Das Glasband 10 gelangt am Ende der Glaskammer 14 auf Rollen 16 und 18, die entsprechend gelagert und auf übliche Weise angetrieben werden. Kohlenstoffblöcke 20 und 22 werden unter Federdruck auf die Rollen gepreßt und entfernen so Reste von Material, die sich darauf abgesetzt haben.

Die Kohlenstoffblöcke werden auf Kammerfortsätzen 24 gelagert, auf die das entfernte Material fällt. Von dort kann es dann entfernt werden.

Das Glasband JO wird in einen Abkühlofen 26 geschickt, in dem sich Rollen 28, 30 und 32 befinden. Dabei ist eine geeignete Einrichtung vorgesehen, die für einen gleichmäßigen Antrieb aller Rollen sorgt, jede der Rollen erzeugt eine Zugkraft auf das Glasband, wobei die Zugkraft so groß ist daß das Glasband durch die Abkühlkammer hindurchbewegt werden kann. Innerhalb der Abkühlkammer ist die Temperatur entsprechend den Fertigungsvorschriften kontrolliert.

Um die Atmosphäre innerhalb des Innenraums der Glaskamrf.er 14 zu halten, ist das Ende der Kammer mit einer Reihe von Vorhangschleusen 34 versehen, die auf dem Glasband 10 schleifen. Diese Vorhangschleusen sind im allgemeinen aus Asbestmaterial gefertigt; sie widerstehen der hier herrschenden Temperatur von 538 bis 677°C. Entsprechende Vorhangschleusen 36 sind auch im Bereich des Eingangs des Abkühlofens 26 angeordnet

Horizontal erstreckt sich eine Schiene 38 quer über das Glasband; die Schiene wird von nicht dargestellten vertikal verlaufenden Armen getragen, die auf beiden Seiten der Glaskammer und des Abkühlofens vorhanden sind. An der Schiene 38 befindet sich eine Laserstrahleinrichtung40, die an einer Haltevorrichtung 42 mittels einer Vielzahl von Rädern 44 auf der Schiene 38 beweglich angeordnet ist. Weiterhin ist ein Kettenantrieb 46 vorgesehen, der Kettenräder 48 und 50 besitzt die auf Befestigungsträgern 52 und 54 angeordnet sind. Die Kettenräder 48 und 50 werden durch einen nicht dargestellten Motor angetrieben, sie sorgen dafür, daß die Laserstrahleinrichtung 40 über die Breite des Glasbandes 10 hinweg bewegt werden kann. Obwohl in den Figuren dargestellt ist, daß die Schiene 38 senkrecht zur Bewegungsrichtung des Glasbandes 10 verläuft ist es auch möglich, hier eine Anordnung unter Einschaltung eines bestimmten Winkels vorzunehmen. Somit kann erreicht werden, daß bei gleichzeitiger Bewegung vom Glasband 10 und Laserstrahleinrichtung 40 ein zur Kante des Glasbandes 10 senkrecht verlaufender Schnitt erfolgt. Die Ausrichtung der Schiene 38 muß somit die Geschwindigkeit des Glasbandes 10 und die Schnittgeschwindigkeit der Laserstrahleinrichtung 40 in Rechnung stellen.

Weiterhin ist eine Lichtführeinrichtung 56 vorgesehen, die mit einer Lichteinführeinrichtung 57 der Laserstrahleinrichtung 40 zusammenwirkt. Dadurch wird die Laserstrahleinrichtung 40 mit dem Lasererzeuger 58 verbunden. Gemäß der Erfindung muß die Laserstrahleinrichtung eine Wellenlänge von mehr als 5 μΐη haben.

Vor und hinter dem Bereich, in dem die Laserstrahleinrichtung schneidet, ist eine Unterdruckhaube 60 angeordnet. Diese Hauben auf beiden Seiten erstrecken sich vertikal nach oben zu zwei Ansaugstutzen 62. Die Unterdruckhauben haben einen so großen Abstand voneinander, daß die Laserslrahleinrichtung 40 zwischen ihnen bewegt werden kann. Die Einrichtung zum Transportieren der Unterdruckhauben rind nicht im einzelnen dargestellt; sie sind bekannt.

Gemäß der Erfindung wird vorzugsweise eine Laserstrahleinrichtung 40 benutzt, die eine Leistung von 15 Kilowatt besitzt. Dabei kann vorzugsweise ein CO2-Laser benutzt werden. Der Laser wird durch den Lasererzeuger 58 und die Lichtführeinrichtung 56/57 mit Energie versorgt. Das Glasband befindet sich im ι Bereich der Lasereinrichtung bei einer Temperatur zwischen 538°C und 677°C, vorzugsweise bei etwa 592°C. Das Glasband gelangt dabei in den Bereich, der begrenzt wird von den Jnterdruckhauben 60. In diesem Bereich hat der Laser eine Wellenlänge von über 5 μπι. Dabei ist der Brennpunkt des fokussierten Laserstrahles so angeordnet, daß er einen Abstand von einer der Oberflächen des Glases besitzt. Im vorliegenden Fall liegt dieser Brennpunkt unter der Glasplatte, so daß sich eine ausreichend große Brennpunktgröße auf der Oberfläche des Glasbandes befindet. Dabei ist die Brennpunktgröße in diesem Bereich so gewählt, daß bei normalen Schrittgeschwindigkeiten eine Verdampfung des Glases durch den Laserstrahl auftritt und diese Verdampfung größer ist als die Nachfließgeschwindigkeit der angrenzenden Glaspartikel in den Bereich hinein, in dem das Glas verdampft ist. Der Ausdruck »Verdampfen« meint eine Zersetzung des Glases und nicht so sehr die übliche Form einer Phasenänderung aus dem festen oder flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand. Durch die Zersetzung durch den Laserstrahl wird eine Wolke von sehr feinem weißem Pulver erzeugt sowie ein scharfer saurer Geruch.

Das weiße Pulver besteht im wesentlichen aus Kieselerde, so daß offensichtlich durch den Laserstrahl das Natronkalk-Glas in Kieselerde und Natrium und Kalzium zerlegt wird. Dieser Vorgang wird kurz mit »Verdampfung« bezeichnet.

Gleichzeitig mit der Verdampfung wird der Bereich des Glases neben dem Weg des Laserstrahles erhitzt, und zwar auf sehr hohe Temperaturen, wobei sowohl Wärme übertragen wird innerhalb des Glases als auch Energie abso^rbiert wird in den Randbereichen, wo der Laserstrahl zu diffus ist, um eine Verdampfung zu erzeugen. Das Glas in diesem Bereich ist von sehr hoher Temperatur und fließt sofort. Die Fließkraft wird bestimmt durch die Oberflächenspannung, die bestrebt ist, die Oberfläche so klein wie möglich zu halten. Dadurch will das Glas in den Bereich fließen, in dem eine Verdampfung von Glas erfolgt ist. Ein sauberer Schnitt kann nur dann erreicht werden, wenn die Verdampfung schneller vor sich geht als das Nachfließen der angrenzenden Glasbereiche. Die Unterdruckhauben 60 unterstützen durch ihre Ansaugstutzen 62 die Tendenz, das verdampfte Material von dem Bereich fernzuhalten, in dem das Glas geschnitten wird.

Wenn der Brennpunkt bzw. die Breite der Brennlinie auf dem Glas zu schmal ist, wird der Laserstrahl zwar das Glas schneiden, aber das flüssige Glas hinter dem Laserstrahl wird die Schnittlinie wieder schließen. Um nun einen sauberen Schnitt zu erhalten, der sich selbst wieder zufüllt, ist es notwendig, daß die Schnittgeschwindigkeit in einer bestimmten Beziehung zur Leistung des Lasers steht, wobei auch die Dicke des Glases berücksichtigt werden muß. Gemäß der Erfindung darf die Laserstrahleinrichtung nicht schneller über die zu schneidende Glasfläche bewegt werden, als es der nachstehenden Formel entspricht:

V = 5,20 χ

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Dabei ist Vdie Schnittgeschwindigkeit in mm/min, P die Leistung des Lasers in Kilowatt und h die Dicke des zu schneidenden Glases in mm. Ist die Schnittgeschwindigkeit gemäß dieser Formel nicht größer, so schneidet die Lasereinrichutng das Glas, wobei das flüssige Glas die Schnittfläche nicht wieder zuschmilzt.

Aus vorgehendem geht hervor, daß zwei kritische Faktoren vorhanden sind, die bei einem Schneiden von Glas mit einer Lasereinrichtung beachtet werden

müssen. Der erste Faktor betrifft die Tatsache, daß die Breite des Laserstrahls (in der Nähe des Brennpunktes) auf der Glasoberfläche so breit sein muß, daß bei einem Wegschmelzen des Glases mit anschließendem Verdampfen das flüssige Gas auf beiden Seiten ausreichend ■ Raum hat. um unter der Oberflächenspannung getrennte Oberflächen zu bilden, die sich nicht berühren. Ist der Spalt zu breit oder zu schmal, ist kein ausreichender Raum vorhanden, um neue Kanten für das Glas zu bilden oder aber die Energie wird über einen so großen n Bereich von Material verstreut, daß sich ein Schnitt durch das zu schneidende Material nicht ergibt. Der zweite wichtige Faktor betrifft die Tatsache, daß die Schnittgeschwindigkeit der Laserstrahleinrichtung nicht größer sein darf als in der oben angegebenen Formel angegeben. Ist die Schnittgeschwindigkeit größer, so hat der fokussierte Laserstrahl nicht die Möglichkeit, ausreichend Material zu verdampfen, um damit den Oberflächenspannungen des Glases die Möglichkeit zu geben, zwei getrennte Kanten zu erzeugen.

Beim Schneiden kann das verdampfte Material, wie bereits ausgeführt, durch die Unterdruckhauben 60 abgeführt werden. Das Glasband kann dann nach dem Schneiden in den Abkühlofen 26 bewegt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schneiden von Glas mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahles, wobei das zu schneidende Glas auf eine Temperatur zwischen 538° Celsius und 677° Celsius gebracht wird und der Laserstrahl eine Wellenlänge über 5 μπι besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der fokussierte Laserstrahl so eingestellt ist, daß der Brennpunkt etwas von der oberen bzw. unteren Fläche des zu schneidenden Glases entfernt liegt, dergestellt, daß eine geeignete Laserlichtmarkengröße auf der Oberfläche des Glases vorhanden ist, wobei die Größe der Lichtmarke so gewählt ist, daß ü beim Schneiden des Glases die Verdampfung des Glases durch den Laserstrahl schneller stattfindet als das Nachfließen des der Schnittfläche benachbarten Glases in den Raum hinein, der durch die Verdampfung der Glaspartikel entsteht und daß die Schnittgeschwindigkeit des Laserstrahles relativ zum Glas folgenden Wert besitzt