DE20010118U1 - Vorrichtung zum lasergestützten Trennen von gelöteten Glasgegenständen an der Lötnaht - Google Patents
Vorrichtung zum lasergestützten Trennen von gelöteten Glasgegenständen an der LötnahtInfo
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Description
it * *
S 3. &idigr;
Prof. Dr. Ing. G. Müller
Dr. Ing. Georg Bostanjoglo Dipl. Ing. Stefan Beyer
Reinhard Dietrich
10
10
Laser- u. Medizin- Technologie gGmbH, Berlin Geschäftsbereich Angewandte Lasertechnik Schwarzschildstraße 8 D-12489 Berlin
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Vorrichtung zum lasergestützten Trennen von gelöteten Glasgegenständen an der Lötnaht '
Oft sind technische Gegenstände aus Glas funktionsbedingt aus verschiedenen Glassorten gefertigt. Neben Verschmelzung ist das Verlöten mittels Glaslot ein häufig angewandtes Verfahren.
Beispielsweise sind Bildröhren aus Fernsehgeräten, Monitoren und Oszillografen aus zwei Halbschalen unterschiedlicher Glassorten gefertigt, die mittels eines Glaslotes gefügt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die unterschiedlichen Glasteile zu trennen. Dabei soll eine vollständige Trennung entlang des Glaslotes erfolgen, so dass eine sortenreine Stofftrennung zum Zwecke des Recycling sowie - nach einer Aufarbeitung der Fügezone - die Wiedereingliederung von Ausschussteilen in den Produktionsprozess ermöglicht werden.
Zum Trennen von durch Glaslot gefügten Glästeileri sind verschiedene Verfahren bekannt, deren unterschiedlichen Funktionsprinzipien die Charakterisierung der Vorrichtungen bestimmen. Prinzipiell sind Verfahren bei denen das Lot zum Zwecke der Trennung verändert wird von solchen zu unterscheiden, bei denen das Glas in Lotnähe bearbeitet wird und die daher dem Trennen von Glas zuzuordenen sind.
Unter EP 0376 541 „Removing meltable material" werden Verfahren zum Entlöten unter Einbringung von Wärme und anschließender Abfuhr des flüssigen Lotes dargestellt. Diese Verfahren sind auf die erfindungsgemäße Lösung nicht übertragbar, da das Lot beidseitig von Glas umgeben ist und man es mit einem schmalen Lötspalt zu tun hat, aus dem das Lot nach den beschriebenen Verfahren nicht abgeführt werden kann.
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Ätzbad
Durch den Einsatz heißer Säuren löst sich das Lot vollständig oder teilweise auf, so dass die Glasteile getrennt werden können. Entscheidend hierbei ist die
Verwendung einer Säure unter solchen Prozessbedinungen, dass die Säure mit dem Lot, nicht aber dem Glas wechselwirkt.
Ein Stromfluss führt zur Erhitzung einer Widerstandsdrahtschlinge, welche entlang des Lotes geführt oder um den gesamten Bildschirm gelegt wird. Durch
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Wärmeleitung wird das Lot erhitzt und erweicht, so dass die Glasteile getrennt werden können.
Flamme
Eine einige mm große Flamme wird entlang des Lotes geführt, die Lotnaht anschließend mittels eines nassen Pinsels schockgekühlt. Die Trennung der Glasteile erfolgt Aufgrund der Rissausbreitung.
Verfahren, die auf der Trennung von Glas basieren Bei diesen Verfahren wird oftmals ein minderwertiger Bestandteil der Glaskonstruktion in der Nähe des Lotes abgetrennt und der höherwertige nach Nachbearbeitung der Fügezone weiterverwendet.
Mechanisches Trennen
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Die aus einem minderwertigeren Glas gefertigte Äusschussseite wird kurz oberhalb des Lotes mit Hilfe einer mechanischen Trennvorrichtung wie beispielsweise einer Trennscheibe entfernt und der verbleibende Rest auf der Gutseite plangeschliffen.
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In der EP 0717011 „Verfahren zum wärmeweichen Trennen von Glasrohren oder Platten" wird ein Verfahren beschrieben, bei dem das Glas mit einem CO2 Laser erwärmt wird, anschließend ausgezogen (gedehnt) und nach Abkühlung getrennt werden kann.
Weitere Verfahren
Sollbruchstellen im Glas können nach EP 0606623 „Verfahren zum Herstellen einer Sollbruchstelle an einem Glaskörper" mittels Laserstrahl eingebracht werden. Das Verfahren basiert auf der teilweisen Perforierung von -zumeist dünnwandigen- Glasgegenständen durch Bohren mit Laserstrahl.
Unter EP 0062 484 wird eine „Method of cutting glass with a laser..." beschrieben. Bei diesem Verfahren wird mit einem fokussierten Strahl unter Prozessgas eine obere dünne Schicht des Glases verdampft und somit eine Sollbruchstelle erzeugt. ,
Die Linde AG hat ein Verfahren entwickelt, bei dem das Glas unter Verwendung eines zusätzlichen Schneidgases durch einen Laserstrahl komplett geschnitten wird (EP 0901870), die japanische Firma Toyo Glass beschreibt ein Verfahren(EP 0545592), die zu trennende Geometrie mittels eines Kolloid-Kohlenstoff-Gemisches vorzuzeichnen. Die so entstehenden Elektroden werden mit Spannungen von 500 - 10.000V bei Frequenzen von 10OkHz bis 10Mhz beaufschlagt, wodurch die Trennung erfolgt.
Eine mechanisch geführte Vorrichtung wurde derart mit dem Strahlführungssystem eines Lasers verbunden, dass die im Glas absorbierte Laserenergie zu einer kontrollierten Erwärmung des Lotes und des Glases führt. Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass wenn der Laserstrahl durch das Glas transmittiert und anschließend vom Lot direkt absorbiert wird, bei entsprechender Parameterwahl die Glasteile ohne Schockkühlung und mit einer hohen Genauigkeit getrennt werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung zur Realisierung der Vorrichtung basiert auf der Verwendung eines Laserstrahls unter Ausnutzung der geringen Absorption des Laserlichtes von Glas und der hohen Absorption des Laserlichtes durch das Lot. Dabei wird der Laserstrahl so geführt, dass das Lot über die gesamte für die Fügung maßgebliche Breite erwärmt wird. Durch den hohen Temperaturgradienten in unmittelbarer Nähe der Grenzfläche Glas - Lot entstehen Eigenspannungen im Glas und das Lot geht zum Teil in einen weniger festen Zustand über. Die Eigenspannungen und die verminderte Festigkeit des erweichten Lotes führen schließlich zu einer Trennung der Halbschalen.
Vorteile gegenüber den vorbekannten Lösungen Bei der Trennung der Glasteile durch die beschriebene Vorrichtung werden Vorteile hinsichtlich Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Vermeidung von Abfallstoffen, Standzeit des Werkzeuges und Automatisierbarkeit erzielt.
Gegenüber chemischen Verfahren ist der Verzicht auf ökologisch bedenkliche und gesundheitsschädliche Säuren als ein Vorteil zu nennen. Durch Verwendung der beschriebenen Vorrichtung wird die Erzeugung von Glasstäuben vermieden, wie sie beim mechanischen Trennen auftreten. Der mechanische Verfahren begleitende Werkzeugverschleiß wird wegen der berührungslosen Arbeitsweise des Werkzeugs ,Laserstrahl' vermieden. Gegenüber einer Vorrichtung unter Verwendung des Aufheizens eines stromdurchflossenen Widerstanddrahtes oder einer offenen Flamme ist die höhere Effizienz zu nennen: durch den direkt am Lot absorbierten Laserstrahl wird nur der Materialteil erwärmt, an dem die Trennung stattfinden soll. Eine ungünstige Wärmeleitung über die schmale Stirnseite des Lotes oder des nicht in unmittelbarer Nähe der Fügezone liegenden Glases wird vermieden., Wegen der hohen Gleichmäßigkeit bei lasergestützten Prozessen und weil eine anschließende Schockbehandlung zur Initiierung der Rissausbreitung nicht erforderlich ist, werden die Risiken von Glasbruch und Sprüngen in das zu trennende Glas hinein minimiert. Neben der erzielten höheren Wirtschaftlichkeit ,werden damit auch Gesundheitsrisiken für das Bedienpersonal vermindert. Da die Trennung innerhalb des Lotes selbst oder aber direkt an der Grenzfläche Glas - Lot erfolgt ist, als ein weiterer Vorteil gegenüber den auf der Trennung von Glas basierenden Verfahren zu nennen, das bei geeigneter Parameterwahl beide an das Lot angrenzende Glasteile unbeschädigt aus dem Prozess hervorgehen. Eine Vorbehandlung der zu trennenden Glasteile ist nicht notwendig.
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Das im folgenden beschriebene Ausführungsbeispiel ist beim Anmelder realisiert worden. Es dient der näheren Erläuterung der Erfindung. Bei den zu trennenden Glasteilen handelt es sich um die Halbschalen eines aus Trichter und Schirm bestehenden Fernsehbildschirmes. Die beiden Halbschalen sind durch Glaslot gefügt.
Funktionsbeschreibung
der
Vorrichtung
In dem bevorzugten Beispiel wird das Werkstück (WKS) durch den Bediener auf die Positionierhilfen (15) gefegt und ist somit positioniert und ausgerichtet. Für
verschieden große Bildröhren kann die Vorrichtung durch die verschieblichen Träger (14) auf der Grundplatte der Bildröhrenaufnahme (13) angepasst werden. Diese Grundplatte ist fest mit der Antriebswelle (6) verbunden, welche drehbar an dem Gestell (1) gelagert ist.
Die fest mit der Antriebswelle (6) verbundene Riemenscheibe (5) wird durch den Antriebsriemen (4) angetrieben, so dass die Bildröhre (WKS) in eine Drehbewegung versetzt wird. Der Antriebsriemen (4) ist kraftschlüssig am Getriebemotor (3) befestigt, der den Hauptantrieb darstellt. Durch die Drehung der Bildröhre verändert sich der Abstand zwischen Bildröhrenmittelpunkt und Drehgeber, wobei der maximale Abstand an den Diagonalen der Bildröhren auftritt. Diese Abstandsänderung wird durch die Linearführung ausgeglichen. Die Linearführung, sowie die Grundplatte der Schwenkvoreinheit (25) werden durch den Formschluss zwischen Bildröhre (WKS) und der Drehgeber (20) angetrieben. Die Grundplatte (7) stellt den beweglichen Teil der Linearführung dar, welcher sich auf dem statischen Teil (2) abstützt. Da sich bei konstanter Winkelgeschwindigkeit und veränderlichem Abstand zur Bildröhrenmitte die Relativgeschwindigkeit zwischen Lot und Laserstrahl ändert, wird die der Winkelgeschwindigkeit der Bildröhre proportionale Drehzahl der Drehgeber (20) über den Drehgeberriemen (21) einem Tachogenerator (22) zugeführt und das so erzeugte elektrische Signal in der Regelelektronik (16) ausgewertet. Die Regelelektronik (16) regelt die durch den integrierten Drehzahlsteller (16) vorgegebene Drehzahl des Antriebsmotors (3) so, dass die Umfangsgeschwindigkeit am Ort der Lasermaterialbearbeitung konstant bleibt. Auf der Grundplatte der Linearführung (7) ist die Schwenkeinheit montiert. Die Schwenkeinheit trägt die Optikhalterung (8) mit Bearbeitungsoptik (9) und Anschluss an einen Lichtwellenleiter (10). Über den Lichtwellenleiter wird dem Werkstück die Laserenergie eines Nd:YAG - Festkörperlasers zugeführt. Da die Grundplatte der Schwenkvoreinheit (25) nur geringe Kräfte aufnehmen kann, wird die Schwenkbewegung der Bearbeitungsoptik (9) energetisch durch den Servomotor (12) angetrieben, der über einen Servoriemen (19) ein Halbkreis Zahnrad (18) bewegt. Durch die Verwendung von zwei Drehgebern (20) richtet sich die Schwenkeinheit so aus, das die optische Achse (O) in einer Projektion in der x-y - Ebene stets senkrecht zum Lot steht, während der Auftreffwinkel in der x-z - Ebene der Einrichtung der Optik entsprechend konstant bleibt
(typischerweise 45°, siehe Fig. 2). Um dieses zu erzielen, sind die beiden Drehgeber formschlüssig auf der Grundplatte der Schwenkvoreinheit befestigt. Dadurch liegt die Verbindungslinie der beiden Berührpunkte der Drehgeber mit der Bildröhre an geraden Abschnitten der Bildröhre tangential zur Bildröhre. Die Optik ist so ausgerichtet, dass die optische Achse O des Laserstrahls senkrecht zu dieser Tangente verläuft. Liegen beide Drehgeber auf dem gleichen Radius, wird die Tangente zu eine Sekante, die Orthogonalposition bleibt erhalten (siehe Fig. 6). Liegt ein Drehgeber auf einem Radius, der zweite auf einem geraden Abschnitt eines Werkstückes, treten in Abhängigkeit von Radius und Achsabstand der Drehgeber Abweichungen von der Orthogonalposition auf. Um die durch die . Drehung der Bildröhre hervorgerufene Schwenkbewegung der Schwenkvoreinheit auf die eigentliche Schwenkeinheit zu übertragen, befindet sich an der Grundplatte der Schwenkvoreinheit ein Dauermagnet (23), an der Grundplatte der . .
Schwenkeinheit eine Feldplatte (24) (magnetoresistiv). Durch Schwenken der Schwenkvoreinheit bewegt sich der Dauermagnet aus seiner Ruhelage über der Feldplatte und der Sensor reagiert mit einem positiven (Rechtsschwenk) oder negativem (Linksschwenk) Signal. Das Signal wird in der Regelelektronik der Schwenknachführung (6) so ausgewertet, dass der Servomotor (3) die Schwenkbewegung ausführt, bis Dauermagnet und Sensor wieder übereinander , liegen (Ruhelage). Hierdurch wird aus einer zwangsgeführten Schwenkvorbewegung die servogestützte eigentliche Schwenkbewegung erzeugt.
Indem also 1. die Umfangsgeschwindigkeit
und 2. der Winkel zwischen Laserstrahl und Lot am Wirkort
konstant bleiben, erfolgt die Bearbeitung mit konstanter Streckenenergie.
In Weiterführung des erfindungsgemäßen Gedankens kann das Signal des Tachogenerator auch derart ausgewertet werden, das nicht die Drehzahl des Hauptantriebes, sondern die Leistung des Laserstrahls angepasst wird, um eine konstante Streckenenergie zu applizieren.
Fig. 1: Prinzipskizze einer zu trennenden Bildröhre Fig. 2: Position des Laserstrahls beim Trennen Fig. 3: Freiheitsgrade der Vorrichtung
Fig. 4: Ausführungsbeispiel Skizze 1 ,
Fig. 5: Ausführungsbeispiel Skizze 2 Fig. 6: Realisierung der Orthogonalposition zwischen Lot und Laser
B: Schirmteil
L: Lötnaht -
T: Trichter
O: optische Achse des einfallenden Läserstrahls
x,y,z: kartesische Koordinaten
F1: Freiheitsgrad 1, Drehung der Bildröhre
F2: Freiheitsgrad 2, Linearbewegung des die Optik tragenden Schlittens
F3: Freiheitsgrad 3, Schwenkbewegung des die Optik tragenden Schlittens
WKS: Werkstück, hier eine komplette Bildröhre, bestehend aus B1L und T (s.o.)
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1: Gestell
2: statischer Teil der Linearführung ,
3: Getriebemotor als Hauptantrieb
4: Antriebsriemen
5: Riemenscheibe
6: Antriebswelle
7: Grundplatte der Linearführung
8: Optikhalterung , , ,
9: Bearbeitungsoptik
10: - Lichtwellenleiter
11: Regelelektronik .
12: Servomotor der Schwenknachführung
13: Grundplatte der Bildröhrenaufnahme
14: verschiebliche Träger
15: Positionierhilfen
16: Drehzahlsteller und Regelelektronik für den Hauptantrieb
17: Grundplatte der Schwenknachführung
18: Halbkreis - Zahnrad
19: Servoriemen
20: Drehgeber
21: Drehgeberriemen
22: Tachogenerator
23: Dauermagnet
24: Feldplatte
25: Grundplatte der Schwenkvoreinheit
Claims (13)
1. Vorrichtung zum Trennen von mittels Glaslot gefügten Glasteilen dadurch gekennzeichnet, dass die zur Trennung benötigte Energie durch einen Laserstrahl eingebracht wird, der durch eines der durch Glaslot verbundenen Glasteile transmittiert und anschließend vom Lot absorbiert wird.
2. Vorrichtung zum Trennen von mittels Glaslot gefügten Glasteilen nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass während des Prozesses eine konstante Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Lot stattfindet.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Nd:YAG-Laser erzeugte elektromagnetische Strahlung mit einer Leistung von 500 W-2000 W über einen Lichtwellenleiter mit Kerndurchmesser zischen 100 µm-600 µm einer an der Vorrichtung adaptierten Bearbeitungsoptik mit Brennweiten zwischen 50 mm und 200 mm zugeführt wird.
4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl in einem polaren Winkel zwischen 30 und 60 Grad und azimuthalem Winkel zwischen 80° und 100° auf das Lot trifft.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativgeschwindigkeit des Lotes zum Laserstrahl konstant bleibt und zwischen 0,1 m/min und 10 m/min geregelt wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Trennung benötigte Energie durch einen CO2-Laserstrahl mit der Wellenlänge 10,6 µm eingebracht wird und ein geeignetes Strahlführungssystem verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Trennung benötigte Energie durch einen Excimer - Laserstrahl mit Wellenlängen zwischen 0,18 und 0,35 µm eingebracht wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die zur Trennung benötigte Energie durch Diodenlaser eingebracht wird.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl nicht über die gesamte gefügte Länge appliziert wird und die Trennung an den nicht bestrahlten Teilstellen aufgrund der Eigenspannungen zwischen Glas und Lot erfolgt.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass bei ruhendem Werkstück die Bearbeitungsoptik entlang des Lotes geführt wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Laser gepulst betrieben wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass durch Regelung der Laserleistung eine konstante Streckenenergie appliziert wird.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl durch einen Roboter erzielt wird.
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