DE4320895C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen einer Ausnehmung in einen Glaskörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen einer Ausnehmung in einen Glaskörper, insbesondere zum Einbringen von Löchern in Glasplatten, wobei die Ausnehmung durch Abtragen von Glasmaterial mit einem fokussierten Laserstrahl eingebracht wird.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Einbringen einer Ausnehmung in einen Glaskörper, wobei ein einen Laserstrahl erzeugender Laser und eine Strahlführungsvorrichtung, durch welche der Laserstrahl zu einem Auftreffpunkt auf dem Glaskörper geführt ist und durch welche der Laserstrahl fokussiert wird, vorgesehen sind.

Aus der US 4,689,467 ist eine Vorrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken mit Hilfe eines Laserstrahls bekannt. Der Laserstrahl wird entlang eines Bearbeitungsweges über das Werkstück geführt. Das Werkstück wird mit Hilfe einer zusätzlichen Energiequelle in einem im wesentlichen vor dem Auftreffpunkt des Laserstrahls liegenden Bereich entlang des Bearbeitungsweges vorgewärmt, um die notwendige Laserenergie und ein thermisches Verziehen des Werkstücks zu minimieren. Die Werkstücke sind unter anderem aus Glas.

Das lokale Erwärmen des Glaskörpers sowohl durch die Laserenergie als auch durch die zusätzliche Energiequelle führt zu Spannungen im Glaskörper, die zu einer Rißbildung führen können. Weiterhin führt eine Erwärmung immer zu einer Ausdehnung des Glases, so daß sich der Glaskörper verzieht. Zudem hat die lokale thermische Ausdehnung zur Folge, daß ein hochgradig genaues Positionieren der einzubringenden Ausnehmung nicht möglich ist.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen einer Ausnehmung in einen Glaskörper derart zu verbessern, daß ohne Spannungsrisse und möglichst effektiv hochgradig genaue Ausnehmungen in einen Glaskörper eingebracht werden können.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Glaskörper vor dem Einbringen der Ausnehmung als Ganzes auf eine konstante Temperatur erwärmt wird, die unterhalb seiner Erweichungstemperatur liegt.

Das Vorheizen des gesamten Glaskörpers vermeidet die beim lokalen Vorheizen auftretenden Spannungen zwischen vorgeheizten und nicht vorgeheizten Bereichen des Glaskörpers. Das Aufheizen des gesamten Glaskörpers auf eine konstante Temperatur, die unterhalb der Erweichungstemperatur liegt, führt zu einer gleichmäßigen Erwärmung des Glaskörpers, so daß besonders effektiv Spannungsrisse verhindert werden, da sich nur relativ geringe Temperaturdifferenzen zwischen dem Bereich, in dem der Laserstrahl auf den Glaskörper auftrifft, und dem restlichen vorgewärmten Bereich ergeben, bei dem thermisch bedingte Spannungen durch die gleichmäßige Temperierung ausgeschlossen sind. Zudem führt die gleichmäßige Temperierung des Glaskörpers unterhalb der Erweichungstemperatur zu einer definierten und vorausberechenbaren Maßänderung des Glaskörpers, so daß eine hochgradig genaue Positionierung der Ausnehmung ermöglicht wird. Dies ist insbesondere beim Einbringen einer Vielzahl von im Vergleich zum Glaskörper kleinen Ausnehmungen vorteilhaft, um auch eine hochgradig genaue relative Positionierung der Ausnehmungen zueinander zu erreichen.

Die Temperatur, auf die der Glaskörper aufgeheizt wird, liegt vorzugsweise um mindestens ungefähr 50° unterhalb der Erweichungstemperatur. Noch vorteilhafter ist es, wenn die Temperatur mindestens 100° unter der Erweichungstemperatur liegt.

Zweckmäßigerweise wird das Glas bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Temperatur von mehr als 400°C, noch besser mehr als 450°C und im optimalen Fall mehr als 500°C aufgeheizt.

Bei einem Ausführungsbeispiel eines Glaskörpers, eingesetzt zu dem erfindungsgemäßen Verfahren, liegt die Erweichungstemperatur bei 550°C, so daß eine Aufheizung vorzugsweise auf Temperaturen unterhalb 550°C erfolgt.

Hinsichtlich der Art der Aufheizung gibt es mehrere Möglichkeiten. So sieht eine vorteilhafte Möglichkeit vor, daß der Glaskörper durch ein erhitztes Gas aufgeheizt wird. Vorzugsweise strömt das Gas entweder durch Konvektion oder als beschleunigter Gasstrom an dem Glaskörper vorbei, um diesen aufzuheizen.

Eine ergänzende oder alternative Möglichkeit hierzu sieht vor, daß der Glaskörper mit einem Wärmestrahler aufgeheizt wird.

Vorzugsweise ist dabei der Wärmestrahler im Abstand von dem Glaskörper angeordnet.

Darüber hinaus wird die eingangs genannte Aufgabe bei einer Vorrichtung zum Einbringen einer Ausnehmung in einen Glaskörper gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 5 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Heizeinrichtung zum Aufheizen des gesamten Glaskörpers auf eine konstante Temperatur vorgesehen ist.

Vorzugsweise ist dabei die Heizeinrichtung so ausgebildet, daß sie ein im Abstand von dem Glaskörper angeordnetes Heizelement umfaßt, welches den Glaskörper aufheizt und zwar entweder durch Strahlungskopplung oder durch Auf­ heizen eines Gases, welches seinerseits wiederum den Glaskörper aufheizt, oder durch eine Kombination beider Möglichkeiten.

Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, daß das aufgeheizte Gas von dem Heizelement entweder durch Konvektion zum Glas­ körper strömt oder daß ein Luftstrom durch das Heizelement aufgeheizt wird und der aufgeheizte Luftstrom dann wieder­ um den Glaskörper beaufschlagt. Dies wäre beispielsweise durch Vorsehen eines Heißgasgebläses als Heizelement mög­ lich.

Die Anordnung der Heizeinrichtung im Abstand von dem Glas­ körper kann auf unterschiedlichen Seiten des Glaskörpers erfolgen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Heizele­ ment auf einer dem Auftreffpunkt gegenüberliegenden Seite des Glaskörpers angeordnet ist, da damit einerseits die Führung des Laserstrahls zum Auftreffpunkt nicht behindert ist und andererseits ein Abstand zwischen dem Glaskörper und dem Heizelement besteht, so daß der auf den Auftreff­ punkt fokussierte Laserstrahl nach Durchtritt durch den Glaskörper wieder soweit aufgeweitet ist, daß das Heizele­ ment nicht beschädigt wird.

Um eine zusätzliche Schutzmaßnahme für das Heizelement zu treffen, ist vorzugsweise vorgesehen, daß das Heizelement durch einen Schutz, vorzugsweise eine Schutzplatte, abge­ deckt ist.

Vorzugsweise weist die Schutzplatte eine den Laserstrahl nicht reflektierende Oberfläche auf, um Überhitzungen auf einer Unterseite des Glaskörpers zu vermeiden.

Um möglichst gleichmäßige Umgebungsbedingungen beim Ein­ bringen der Ausnehmungen in den Glaskörper zu erhalten, ist vorzugsweise vorgesehen, daß der Glaskörper in einem diesen abschirmenden Gehäuse angeordnet ist. Vorzugsweise ist dabei das Gehäuse mit isolierenden Wänden versehen, so daß dieses für eine gleichmäßige Temperierung des Glas­ körpers sorgt und diesen - insbesondere im Hinblick auf seine Temperierung - gegen Umgebungseinflüsse abschirmt.

Ferner sieht ein zweckmäßiges Ausführungsbeispiel eine Positioniereinrichtung vor, mit welcher der Auftreffpunkt des Laserstrahls relativ zum Glaskörper bewegbar ist, um beliebige Formen von Ausnehmungen in den Glaskörper einzu­ bringen oder Ausnehmungen in beliebigem Muster in den Glaskörper einbringen zu können.

Alternativ oder ergänzend dazu ist es auch denkbar, dem Laserstrahl durch Blenden im Strahlenverlauf desselben eine bestimmte Form zu verleihen, so daß dann die herge­ stellten Ausnehmungen im Glaskörper auch diese Form auf­ weisen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt ein fokussierter Laserstrahl zum Einsatz, wobei die Lage des Fokus von der Dicke des Glaskörpers an der für die Ausnehmung vorgesehenen Stelle abhängt. Vorzugsweise ist dabei der Fokus so gelegt, daß mit dem Laserstrahl Boh­ rungen eines gewünschten Durchmessers einbringbar sind, wobei eine Durchmesservariation durch Variation der Fokus­ lage relativ zum Glaskörper möglich ist.

Darüber hinaus ist ein großer Vorteil des erfindungsge­ mäßen Verfahrens darin zu sehen, daß die durch den fokussierten Laserstrahl eingebrachten Ausnehmungen auf­ grund von Oberflächenspannungen des geschmolzenen Glases gerundete Berandungen aufweisen und somit keine scharfen Ecken oder Kanten haben, was insbesondere einer späteren Ausbildung von Spannungsvisionen entgegenwirkt.

Besonders vorteilhaft ist dies dann, wenn mit einem runden Laserstrahl Bohrungen hergestellt werden sollen, da die Berandungen dieser Bohrungen dann in jedem Fall rund werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegen­ stand der nachfolgenden Beschreibung sowie der zeichne­ rischen Darstellung eines Ausführungsbeispiels.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, welches entsprechend dem erfindungs­ gemäßen Verfahren betrieben wird.

Ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Laser, von welchem ausgehend mit einer Strahlführungsvorrichtung 12 ein Laserstrahl 14 zu einem Auftreffpunkt 16 auf einem Glaskörper 18 geführt ist, wobei der Glaskörper 18 in diesem Fall aus einer Glas­ platte besteht. Dieser Glaskörper 18 ist von einem Glas­ körperträger 20 gehalten, welcher sich über Stützen 22 auf einer Grundplatte 24 eines als Ganzes mit 26 bezeichneten Abschirmgehäuses abstützt. Der Glaskörperträger 20 hat im Bereich des Glaskörpers 18 eine Ausnehmung, so daß der Laserstrahl 14 hindurchtreten kann.

Die Grundplatte 24 ist ihrerseits wiederum auf einem Positioniertisch 28 angeordnet, welcher in einer X- und Y-Richtung verfahrbar ist, wobei die X- und Y-Richtung vorzugsweise quer zu einem auf dem Glaskörper 18 auf­ treffenden Ast 30 des Laserstrahls 14 verlaufen und eine Positionierebene aufspannen, in welcher der Glaskörper 18 bewegbar ist.

Das Abschirmgehäuse 26 umfaßt ferner eine den Glaskörper­ träger 20 mit dem Glaskörper 18 umschließende Außenhülle 32, welche durch Seitenwände gebildet ist und eine Öffnung 34 für den in dieses Abschirmgehäuse 26 eintretenden Laserstrahl 14 umfaßt. Vorzugsweise sind die Seitenwände zylindrisch um den Glaskörperträger 20 mit dem Glaskörper 18 angeordnet.

Die Öffnung 34 ist mit einer Abdeckplatte 36 verschlossen, welche seitlich über die Öffnung 34 übersteht und ihrer­ seits eine mittige Ausnehmung 38 aufweist, durch welche sich die Strahlführungsvorrichtung 12, vorzugsweise mit einem Außenmantel 40 hindurcherstreckt, wobei der Augen­ mantel 40 dicht mit der Abdeckplatte 36 abschließt und die Abdeckplatte 36 fest mit dem Außenmantel 40 verbunden ist.

Die Abdeckplatte 36 ist dabei so dimensioniert, daß in allen Relativstellungen des mit dem Positioniertisch 28 in X- und Y-Richtung verfahrbaren Glaskörpers 18 mitsamt der diesen umschließenden Außenhülle 32 stets die Abdeckplatte die Öffnung 34 vollständig überdeckt.

Vorzugsweise ist die den Glaskörper 18 bildende Glasplatte von dem Glaskörperträger in einer Ebene parallel zu der Positionierebene angeordnet und somit in einer Ebene parallel zur Positionierebene verfahrbar.

Zum Aufheizen des Glaskörpers 18 ist auf der Grundplatte 24 im Abstand von dem Glaskörper 18, und zwar unterhalb desselben, ein Heizelement 42 vorgesehen, welches zusätz­ lich noch mit einer Schutzplatte 44 abgedeckt ist. Das Heizelement 42 ist durch eine Heizungsregelung 46 ge­ speist, wobei die Heizungsregelung 46 mit einem am Glas­ körper 18 angeordneten Thermoelement 48 ebenfalls verbun­ den ist und einen Heizstrom für das Heizelement derart regelt, daß der Glaskörper 18 auf einer vorwählbaren, im wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden kann.

Vorzugsweise ist der Abstand zwischen dem Glaskörper 18 und der Schutzplatte 44 oder dem Heizelement 42 derart groß gewählt, daß der auf den Auftreffpunkt 16 fokussierte Laserstrahl 14 nach Hindurchtreten durch den Glaskörper 18 wieder derart aufgeweitet ist, daß kein Loch in die Schutzplatte 44 oder das Heizelement 42 gebrannt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet nun wie folgt:

Zunächst wird die den Glaskörper 18 bildende Glasplatte auf dem Glaskörperträger mittels des Heizelements 42 der­ art aufgeheizt, daß dieses eine vorgewählte Temperatur aufweist. Die Temperatur liegt vorzugsweise nahe der Er­ weichungstemperatur des Glasmaterials, vorzugsweise unter­ halb derselben, und zwar ungefähr 30 bis 50° unterhalb des Erweichungspunktes. Danach erfolgt mittels des auf den Auftreffpunkt 16 fokussierten Astes 30 des Laserstrahls ein Einbringen der Ausnehmungen, beispielsweise das Bohren von Löchern 50, in den als Glasplatte ausgebildeten Glas­ körper 18. Dabei werden je nach Positionierung des Glas­ körpers 18 relativ zum Ast 30 des Laserstrahls 14 exakte Konturen gebohrt, wobei der minimale Durchmessers des Lasers unter anderem auch bei kleinen Löchern von der Fokussierung des Astes 30 des Laserstrahls 14 relativ zum Glaskörper 18 abhängt.

Vorzugsweise ist die Strahlführungsvorrichtung noch mit einer Schutzgaszufuhrvorrichtung 52 versehen, welche Schutzgas durch den Außenmantel 40 der Strahlführungs­ vorrichtung 12 hindurchführt, welches dann gemeinsam mit dem Ast 30 des Laserstrahls 14 auf den als Glasplatte aus­ gebildeten Glaskörper 18 auftrifft und den Glaskörper 18 geringfügig abkühlt. Dabei werden Temperaturen von < 400°C, beispielsweise ungefähr 450°C erreicht, wobei die Temperaturkonstanz mittels der Heizungsregelung 46 bei dieser Temperatur erzielt wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Einbringen einer Ausnehmung in einen Glaskörper, wobei die Ausnehmung durch Abtragen von Glasmaterial mit einem fokussierten Laserstrahl eingebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper vor dem Einbringen der Ausnehmung als Ganzes auf eine konstante Temperatur erwärmt wird, die unterhalb seiner Erweichungstemperatur liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper auf eine Temperatur aufgeheizt wird, welche mindestens 50°C unter der Erweichungstemperatur liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper durch ein erhitztes Gas aufgeheizt wird.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper mit einem Wärmestrahler aufgeheizt wird.

5. Vorrichtung zum Einbringen einer Ausnehmung in einen Glaskörper, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein einen Laserstrahl (14) erzeugender Laser (10) und eine Strahlführungsvorrichtung (12), durch welche der Laserstrahl (14) zu einem Auftreffpunkt (16) auf dem Glaskörper (18) geführt ist und durch welche der Laserstrahl (14) fokussiert wird, vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizeinrichtung (42, 46) zum Aufheizen des gesamten Glaskörpers (18) auf eine konstante Temperatur vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (42, 46) ein im Abstand von dem Glaskörper (18) angeordnetes Heizelement (42) umfaßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (42) auf einer dem Auftreffpunkt (16) gegenüberliegenden Seite des Glaskörpers (18) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (42) mit einem Schutz (44) abgedeckt ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskörper (18) in einem diesen abschirmenden Gehäuse (26) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Positioniereinrichtung (28) vorgesehen ist, mit welcher der Auftreffpunkt (16) des Laserstrahls (14) relativ zum Glaskörper (18) bewegbar ist.