DE19957317C2 - Verfahren zur Anbringung von Sollbruchkanten an einem Werkstück - Google Patents
Verfahren zur Anbringung von Sollbruchkanten an einem WerkstückInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anbringung von
Sollbruchkanten an einem plattenförmigen Werkstück, wobei auf
das Werkstück mit einem Strahl hoher Leistungsdichte örtlich
entlang der vorgesehenen Sollbruchkante eingewirkt wird, wobei
der Strahl in einem Wirkvolumen im Inneren des Werkstückes mit
Abstand von dessen Oberfläche fokussiert wird und die
Sollbruchkante durch Aneinanderreihung von Wirkvolumina
gebildet wird.
Sollbruchkanten werden beispielsweise an plattenförmigen
Werkstücken vorgesehen, um später durch Biegung oder ähnliche
Materialbeanspruchung des Werkstückes auf einfache Weise mit
einer vordefinierten Bruchkante zu trennen. Dabei ist bekannt,
an den Oberflächen des Werkstückes Vertiefungen entlang der
vorgesehenen Sollbruchkante anzubringen. Auf diese Weise wird
die Wandstärke des Werkstückes verringert und so die
Biegesteifigkeit des Werkstückes im Bereich der Sollbruchkante
geschwächt.
Die Sollbruchkanten können angebracht werden, indem mit
einem Strahl hoher Leistungsdichte örtlich entlang der
vorgesehenen Sollbruchkante auf das Werkstück eingewirkt wird.
Mit einem Laserstrahl werden bei bekannten Verfahren Löcher in
die Oberfläche des Werkstückes eingebracht und durch
Aneinanderreihung von Löchern eine Einritzung der Oberfläche
entlang der vorgesehenen Sollbruchkante vorgenommen. Die
Löcher werden dabei derart aneinandergereiht, daß bei späterer
Biegung die Bruchkanten in den gewünschten Richtungen
verlaufen. Mit Laserbearbeitung können Sollbruchkanten durch
Einritzungen oder Perforationen genau ausgebildet werden.
Bei größeren Materialstärken, welche im Bereich der
Sollbruchstelle zu durchtrennen sind, sind meist sehr tiefe
Einritzungen erforderlich, um ein sauberes Brechen entlang der
Sollbruchkante zu ermöglichen. Die tiefen Einritzungen
erfordern einen hohen Bearbeitungs- und Energieaufwand.
Darüber hinaus ist die Anbringung von Sollbruchstellen durch
Einritzen der Oberflächen bei Verbundwerksktücken
problematisch, welche aus mehreren zusammengefügten Schichten
bestehen. Dabei werden ausschließlich die außen liegenden
Materialschichten mechanisch mit Sollbruchstellen versehen.
Beim Trennen der Werkstücke brechen dabei oft nur die außen
liegenden Schichten. Die innere Schicht, die nicht mit einer
Sollbruchstelle versehen ist, bricht dabei unkontrolliert und
trägt oft Schäden davon.
Aus der DE 197 28 766 C1 ist bereits ein Verfahren zur
Herstellung einer Sollbruchstelle bei einem Glaskörper
bekannt, bei dem auf den Glaskörper mit einem Strahl hoher
Leistungsdichte eingewirkt wird, wobei der Strahl in einem
Wirkvolumen im Inneren des Glaskörpers mit Abstand von dessen
Oberfläche fokussiert wird.
In dem Werkstück, der für den Strahl durchlässig ist, wird
der Strahl in jedem Wirkvolumen fokussiert, wobei oberhalb
eines materialspezifischen Kennwertes des Leistungsdichte eine
Energieabsorbtion stattfindet. Die absorbierte Energie wird
zum größten Teil in Wärme umgesetzt, wodurch sich innerhalb
des Wirkvolumens das Material des Werkstückes örtlich rasch
aufwärmt. Unter dem Wärmeeinfluß verändert sich die
Werkstoffstruktur und in der Folge eines Crackens von
Molekülen oder der Bildung von Gaskavitäten wird eine
Schwächung der Festigkeit in diesem Wirkvolumen erzielt. Durch
eine Aneinanderreihung von Wirkvolumina wird die
Sollbruchkante innerhalb des Werkstückes gebildet. Die
Sollbruchkante kann dabei in beliebigem Abstand von der
Oberfläche des Werkstückes vorgesehen sein, indem der Strahl
in entsprechender Eindringtiefe im Werkstoff fokussiert wird
und so jedes Wirkvolumen dort hingelegt wird.
In der US 3,790,744 und in der US 4,044,936 sind noch
weitere Verfahren zur Anbringung von Sollbruchkanten
offenbart. Nach diesen Verfahren werden jedoch keine
plattenförmigen Werkstücke bearbeitet.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur Anbringung von Sollbruchkanten mittels Strahlen
hoher Leistungsdichte zu schaffen, mit dem eine Sollbruchkante
ausgebildet wird, die insbesondere bei höheren Materialstärken
und Verbundwerkstücken ein definiertes Trennen des Werkstückes
an der vorgesehenen Bruchkante ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Werkstück auf Höhe der vorgesehenen Sollbruchkante in mehreren
Tiefen gegenüber der Oberfläche bearbeitet wird.
Zweckmäßig wird zur erfindungsgemäßen Anbringung von
Sollbruchkanten innerhalb des Werkstückes ein Laserstrahl
eingesetzt. Die Materialerwärmung aufgrund der Absorbtion der
Laserstrahlung in dem Wirkvolumen führt bei mineralischen
Gläsern und ähnlichen Materialien zur Bildung von Rissen und
Kavitäten im Material. In dem Material, welches die zur
Anbringung von Sollbruchkanten geschwächten Bereich umgibt,
treten aufgrund der Hohlraumbildung und Materialverdrängung in
den Wirkvolumina Druckspannungen auf, welche die definierte
Trennbarkeit im Bereich der Sollbruchkante unterstützen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß mehrere Wirkvolumina
auf gleicher Höhe der vorgesehenen Sollbruchkante in
unterschiedlichen Tiefen gegenüber der Oberfläche des
Werkstückes angeordnet werden, um das Werkstück im Bereich der
Sollbruchkante gezielt zu schwächen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit in dem zu
bearbeitenden Material nicht lediglich eine Sollbruchstelle
mit einem Wirkvolumen erzeugt, sondern das Werkstück wird auf
Höhe der vorgesehenen Sollbruchkante in mehreren Tiefen
bearbeitet. Es werden dadurch mehrere Wirkvolumina
übereinander erzeugt, die eine bessere Ausbildung der
Sollbruchkante ermöglichen.
Das Anordnen von mehreren Wirkvolumina übereinander ist
insbesondere für das Trennen von Verbundwerkstücken
vorteilhaft. Hier werden mit dem Strahl hoher Leistungsdichte
in jeder einzelnen Verbundschicht des Verbundwerkstückes
Wirkvolumina angeordnet.
Die Sollbruchkante wird durch Perforation des Werkstückes
gebildet, wobei die Abstände der Wirkvolumina entsprechend der
vorgesehenen Bruchkraft zum Trennen des Werkstückes
eingestellt wird. Ist eine leichte Trennbarkeit, die oft
irrtümlich auftreten kann, unerwünscht, so werden
Perforationen des Werkstückes mit großen Abständen der
Wirkvolumina eingestellt. Vorteilhaft kann das
erfindungsgemäße Verfahren auch zum Trennen des Werkstückes
eingesetzt werden, wobei die Wirkvolumina entsprechend dicht
benachbart angeordnet werden, daß sich eine durchgehende Linie
ergibt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Werkstück
zusätzlich auf Höhe der Sollbruchkante mindestens an einer
seiner Oberflächen geritzt. Wird das Werkstück gebogen, so
treten die Spannungen in der Sollbruchkante ausschließlich in
dem verbleibenden Material zwischen der Einritzung der
Oberfläche und der erfindungsgemäß im Inneren vorgesehenen
Sollbruchkante auf, wodurch sich eine besonders saubere
Bruchkante ergibt. Die Einritzung an der Oberfläche kann durch
Laserbearbeitung erfolgen, wobei jedoch auch
Bearbeitungsverfahren mit mechanischem Kontakt mit der
Oberfläche vorteilhaft sein können. Die Einritzungen der
Oberfläche können auch vorteilhaft mittels Wasserstrahlen
ausgebildet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird besonders vorteilhaft
zur Anbringung von Sollbruchkanten an Verbundwerkstücken
eingesetzt. Bei mehrlagigen Verbundwerkstücken kann mit den
erfindungsgemäßen Maßnahmen auf die innen liegenden
Materialschichten, welche vollständig von den äußeren
Schichten abgedeckt liegen, eingewirkt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein scheibenförmiges Werkstück, an dem eine
Sollbruchkante angebracht wird,
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein scheibenförmiges
Werkstück und
Fig. 3 einen Querschnitt durch ein Verbundwerkstück
mit drei Materialschichten.
Fig. 1 zeigt eine ebene Glasplatte 1, bei der mittels
eines Laserstrahls 6 eine Sollbruchkante 2 angebracht wird.
Der Laserstrahl 6 wird in einem Werkzeugkopf 7 erzeugt und in
einem Wirkvolumen 8 fokussiert, welches innerhalb der
Glasplatte 1 mit Abstand zu der Oberfläche der Glasplatte 1
liegt. Die Glasplatte 1 ist für den Laserstrahl 6
durchdringbar und im Wirkvolumen 8 wird durch lokale Erwärmung
das Material verändert und in seiner Festigkeit geschwächt.
Bei mineralischen Gläsern oder transparenten Kunststoffen wie
zum Beispiel PMMA führt die Einwirkung des Laserstrahls 6 im
Wirkvolumen zur Bildung von Rissen und Hohlräumen im Material.
Die Sollbruchkante 2 wird durch Aneinanderreihung mehrerer
Wirkvolumina 8 gebildet, in denen jeweils durch den Einfluß
des Laserstrahls 6 eine Materialschädigung herbeigeführt wird.
Durch entsprechende Aneinanderreihung der punktförmigen
Materialschwächungen in den Wirkvolumina 8 des Laserstrahls 6
können Sollbruchkanten 2 mit beliebiger Kontur angebracht
werden, beispielsweise bogenförmige Linien wie in der Fig. 1
angedeutet. Zur Anbringung der Sollbruchkante 2 wird die
Glasplatte 1 relativ zum Werkzeugkopf 7 bewegt. Dabei kann der
Werkzeugkopf 7 entlang der vorgesehenen Sollbruchkante 2 über
die Glasplatte 1 gefahren werden und ist in einer
entsprechenden Werkzeugmaschine in Längsrichtung 10 und in
Querrichtung 11 der Werkzeugplatte bewegbar. Alternativ oder
ergänzend ist auch möglich, die Glasplatte auf einem
entsprechend bewegbaren Werkzeugtisch aufzuspannen, dem ein
entsprechender Stellantrieb 12 zugeordnet ist.
Mit der erfindungsgemäßen Anbringung der Sollbruchkanten
durch Materialschädigungen im Inneren können saubere
Bruchkanten bei scheibenförmigen Werkstücken wie der gezeigten
Glasplatte 1, beispielsweise Floatglas oder Verbundglas,
erreicht werden. Auch bei voluminösen Körpern wie zum Beispiel
Glaswürfeln oder Rohdiamanten kann ein sauberes Trennen und
Teilen über die gezielte Anbringung der Sollbruchkante durch
Materialschädigung im Inneren durchgeführt werden. Die
Wirkvolumina werden in einstellbaren Abständen entlang der
gewünschten Sollbruchkante 2 plaziert. Bei einer hohen Dichte
und entsprechend nah benachbart liegenden Wirkvolumina 2 kann
auch eine sofortige Trennung des Materials erfolgen. Bei
geringerer Dichte der Wirkvolumina 2 ist zum Trennen der
beiden Abschnitte der Glasplatte 1 an der Sollbruchkante 2
eine entsprechende Biegekraft aufzubringen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Glasplatte 1,
bei der entlang der vorgesehenen Sollbruchkante mehrere
Wirkvolumina in gleicher Höhe der Sollbruchkante, jedoch
unterschiedlicher Tiefe 13 vorgesehen sind. Dabei werden mit
dem Laserstrahl 6 mehrere in unterschiedlichen Abständen zur
Oberfläche 9 liegende Stellen bearbeitet. Die Fokussierung des
Laserstrahls 6 in verschiedene Eindringtiefen ergibt dabei in
Überdeckung liegende Wirkvolumina 8, in denen jeweils das
Material der Glasplatte 1 geschwächt wird. Dadurch können
insbesondere bei größeren Materialstärken perforierte
Sollbruchkanten ausgebildet werden, die eine Trennung mit
sauberen Bruchkanten ermöglichen.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Verbundglas 3 wird mit dem
Laserstrahl 6 die innen liegende Glasscheibe 4 bearbeitet,
welche auf beiden Seiten von einer Außenschicht 5 abgedeckt
ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine
Sollbruchkante in der innen liegenden Scheibe 4 ausgebildet
werden, ohne hierfür zuvor die Außenschichten 5 mechanisch
bearbeiten zu müssen. Dabei durchdringt der Laserstrahl 6 die
außen liegenden Schichten und wird in den Wirkvolumina 8
innerhalb der Scheibe 4 fokussiert.
Die äußeren Materialschichten 5 werden auf ihren
Außenseiten auf Höhe der vorgesehenen Sollbruchkante 2 mit
einem entsprechenden Werkzeug 14 eingeritzt. Dazu kann ein
Werkzeug vorgesehen sein, welches mechanisch in das
Verbundglas 3 eindringt. Besonders vorteilhaft werden jedoch
auch die Einritzungen der Außenschichten durch das
Laserwerkzeug vorgesehen, mit dem die eingeschlossenen
Materialschädigungen in der innen liegenden Glasplatte 4
ausgebildet werden. Die Bearbeitung der innen liegenden
Glasplatte 4 und die Einritzung der Außenschichten 5 erfolgt
zweckmäßig gleichzeitig, wobei in allen übereinander liegenden
Schichten des Verbundglases 3 durchgängig Sollbruchkanten
ausgebildet werden.
Claims (7)
1. Verfahren zur Anbringung von Sollbruchkanten an einem
plattenförmigen Werkstück, wobei auf das Werkstück mit einem
Strahl hoher Leistungsdichte örtlich entlang der vorgesehenen
Sollbruchkante eingewirkt wird, wobei der Strahl in einem
Wirkvolumen im Inneren des Werkstückes mit Abstand von dessen
Oberfläche fokussiert wird und die Sollbruchkante durch
Aneinanderreihung von Wirkvolumina gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Werkstück auf Höhe der vorgesehenen Sollbruchkante in
mehreren Tiefen gegenüber der Oberfläche bearbeitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sollbruchkante (2) durch Perforation des Werkstückes (1,
3) gebildet wird, wobei die Abstände der Wirkvolumina (8)
entsprechend der vorgesehenen Bruchkraft zum Trennen des
Werkstückes eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wirkvolumina (8) derart dicht
benachbart angeordnet werden, daß das Werkstück (1, 3)
getrennt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Strahl (6) ein Laserstrahl ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Werkstück (1, 3) zusätzlich auf Höhe
der Sollbruchkante (2) mindestens an einer seiner Oberflächen
(9) geritzt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
gekennzeichnet durch die Verwendung des Verfahrens bei
Verbundwerkstücken (3), welche aus mehreren Materialschichten
(4, 5) gefügt sind, wobei der Strahl (6) bei der Bearbeitung
einer Materialschicht (4) die dem Strahl erzeugenden
Werkzeugkopf (6) zugewandten Materialschichten (5)
durchdringt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einritzung der Oberfläche (9) des
Werkstückes (3) und die Anbringung einer Sollbruchkante (2) im
Inneren einer Materialschicht (4) gleichzeitig erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19957317A DE19957317C2 (de) | 1999-11-29 | 1999-11-29 | Verfahren zur Anbringung von Sollbruchkanten an einem Werkstück |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19957317A1 DE19957317A1 (de) | 2001-06-13 |
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ID=7930671
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---|---|
DE (1) | DE19957317C2 (de) |
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DE102017106372A1 (de) | 2017-03-24 | 2018-09-27 | Lpkf Laser & Electronics Ag | Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes und ein dadurch hergestelltes Werkstück |
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DE19957317A1 (de) | 2001-06-13 |
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