ES2236037T3 - Procedimiento y dispositivo para seccionar piezas de trabajo planas de material de rotura fragil. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para seccionar piezas de trabajo planas de material de rotura frágil, en el que un rayo láser con un perfil de rayo de forma lineal, con mancha de refrigeración subsiguiente, es movida a lo largo de una línea de separación con contorno prefijado, caracterizado porque se genera sobre la pieza de trabajo una mancha focal (1) de forma lineal por escaneado del rayo láser, y durante cada movimiento de escaneado se proporcionan datos de trayectoria de la línea de separación (2) de tal manera que la mancha focal (1) de forma lineal experimente una curvatura correspondiente a la curvatura del contorno de la línea de separación (2), y su longitud sea ajustada también en función de la curvatura del contorno de la línea de separación mediante ajuste de la amplitud del escaneado.

Description

Procedimiento y dispositivo para seccionar piezas de trabajo planas de material de rotura frágil.

La invención se refiere a un procedimiento para seccionar piezas de trabajo planas de material de rotura frágil, especialmente vidrio o cerámica, en el que se mueve un rayo láser con un perfil de rayo de forma lineal, con mancha de refrigeración subsiguiente, a lo largo de una línea de separación con un contorno prefijado, y a un dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento. Una aplicación preferida reside en el corte de vidrio plano.

La invención se refiere también a un dispositivo para seccionar una pieza de trabajo de esta clase por medio de un rayo láser en forma de un perfil de rayo lineal con mancha de refrigeración subsiguiente.

Los procedimientos de corte convencionales para vidrio plano se basan en generar por medio de un diamante o una ruedecilla de corte primero una traza de rayado en el vidrio para romper a continuación el vidrio por medio de una fuerza mecánica exterior a lo largo del sitio débil así generado (método de rayado-rotura). En este procedimiento es desventajoso el hecho de que se desprenden partículas (esquirlas) de la superficie debido a la traza de rayado, las cuales se pueden depositar sobre el vidrio y pueden conducir así, por ejemplo, a arañazos. Asimismo, se pueden producir en el canto de corte los llamados aconchamientos que conduce a un borde no plano del vidrio. Además, las microfisuras producidas durante el rayado en el canto de corte conducen a una reducida capacidad de solicitación mecánica, es decir, a un riesgo incrementado de rotura.

Un criterio para evitar tanto las esquirlas como los aconchamientos y microfisuras consiste en cortar vidrio sobre la base de una tensión mecánica térmicamente generada. En este caso, una fuente de calor que está dirigida hacia el vidrio es movida a una velocidad fija con relación al vidrio y genera así una tensión termomecánica tal alta que el vidrio forma fisuras. La propiedad necesaria de la fuente de calor, consistente en poder posicionar la energía térmica localmente, es decir, con una exactitud mejor de un milímetro, lo que corresponde a las exactitudes de corte típicas, la presentan los radiadores de infrarrojos, quemadores de gas especiales y especialmente láseres. Los láseres se han acreditado e impuesto a causa de su buena capacidad de enfoque, su buena capacidad de control de la potencia y la posibilidad de la formación del rayo y, por tanto, de la distribución de la intensidad sobre el vidrio. En este caso, es posible tanto rayar primero el vidrio por medio del rayo láser para romperlo a continuación mecánicamente, como seccionar, es decir, cortar, el vidrio directamente con el rayo en unión de una fisura de arranque mecánicamente aplicada. Tanto el "rayado-rotura" como el "corte" deberán quedar comprendidos por el término de "separación" o "seccionamiento".

Este procedimiento de separación con rayo láser, que, debido a un calentamiento local por el rayo láser enfocado, en unión de una refrigeración desde fuera, induce una tensión termomecánica hasta más allá de la resistencia a la rotura del material, ha sido dado a conocer por varios documentos, por ejemplo por el documento EP 0 872 303 A2.

Los procedimientos de separación con rayo láser antes citados se diferencian especialmente por la configuración de la mancha focal. Así, el procedimiento según el documento DE 693 04 194 T2 utiliza un rayo láser de sección transversal elíptica con mancha de refrigeración subsiguiente.

El documento EP 0 872 303 A2 ya citado describe un procedimiento de separación con rayo láser que prevé una mancha focal con un contorno en forma de U o de V, que se abre en la dirección de separación. Se describen también contornos diferentes de éstos, tales como manchas focales de forma de X. En ambos casos, las manchas focales del rayo láser tienen una estructura bidimensional que ha dado buenos resultados en la realización de cortes rectilíneos. En la realización de cortes de forma libre se tenía que generar una mancha focal bidimensional curvada adaptada al contorno de la línea de separación y se tenía que reajustar dicha mancha al contorno junto con la refrigeración subsiguiente. Esto requeriría especialmente un acoplamiento del dispositivo escaneador generador de la respectiva mancha focal bidimensional y el dispositivo de mancha de refrigeración con un control de trayectoria, cuya realización es muy problemática a consecuencia de, por un lado, la gran cantidad de datos que han de intercambiarse y, por otro lado, las velocidades de corte requeridas.

Se ha dado a conocer por el documento DE 43 05 107 C2 un procedimiento de separación con rayo láser en el que se forma el rayo láser estáticamente, es decir, con componentes ópticos estacionarios, de modo que la sección transversal de dicho rayo sobre la superficie de la pieza de trabajo presente una forma lineal, y en el que la relación de la longitud y anchura de la sección transversal del rayo incidente puede ser ajustada por medio de un diafragma dispuesto en la trayectoria del rayo láser. Este procedimiento está también fuertemente limitado en su capacidad de utilización. A causa de las generación estática de la mancha focal de forma lineal, no pueden realizarse cortes de forma libre y, dado que la refrigeración deberá aplicarse únicamente después del calentamiento completo de la línea de separación, por ejemplo mediante soplado con aire comprimido frío, el procedimiento conocido resulta adecuado en la práctica únicamente para el recortado descrito del borde de prensado de vidrios huecos, en el que el vidrio hueco gira en el rayo láser estacionario, calentándose primero el perímetro del borde por efecto del rayo láser y enfriándose a continuación con asistencia del soplado del gas.

Se han dado a conocer por el documento WO 96/20062 A un procedimiento y un dispositivo según el preámbulo de la reivindicación 1 y la reivindicación 4, respectivamente.

La invención se basa en el problema de desarrollar el procedimiento conocido identificado al principio y configurar el dispositivo correspondiente de modo que se puedan realizar cortes de forma libre con el procedimiento de separación con rayo láser de una manera relativamente sencilla.

Partiendo del procedimiento para seccionar piezas de trabajo planas de material de rotura frágil, en el que se mueve un rayo láser con un perfil de rayo de forma lineal con mancha de refrigeración subsiguiente a lo largo de una línea de separación con un contorno prefijado, se logra la solución del problema en el aspecto del procedimiento por el hecho de que se genera sobre la pieza de trabajo una mancha focal de forma lineal por escaneado del rayo láser, y durante cada movimiento de escaneado se proporcionan datos de trayectoria de la línea de separación, de tal manera que la mancha focal de forma lineal experimente una curvatura correspondiente a la curvatura del contorno de la línea de separación, y su longitud sea ajustada también en función de la curvatura del contorno de la línea de separación mediante un ajuste de la amplitud de escaneado.

Gracias a estas medidas, es posible generar cortes de forma libre con contorno cualquiera, dado que, en contraste con manchas focales bidimensionales, la mancha focal de forma lineal es ajustable en su curvatura con cantidades de datos controlables, y ello de manera correspondiente al contorno de la línea de separación, de modo que la mancha focal se mantiene sobre esta línea de separación, con adaptación de la longitud de la mancha focal de forma lineal a la curvatura del contorno, para que la longitud de la mancha focal sea relativamente pequeña en el caso de pequeños radios de curvaturas y correspondientemente grande en el caso de grandes radios de curvaturas, con el fin de garantizar la aportación de energía necesaria a la línea de separación.

Para evitar un reblandecimiento del material de la pieza de trabajo, el procedimiento según una ejecución de la invención se realiza de modo que la potencia del láser se ajuste en función de la longitud de la mancha focal de forma lineal.

El establecimiento de una tensión termomecánica óptima en la pieza de trabajo se puede lograr cuando la mancha de refrigeración se reajusta a la mancha focal de forma lineal de modo que sea constante su distancia al punto inicial de la mancha focal.

Respecto del dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según la invención, la solución del problema se logra haciendo que esté prevista una disposición óptica con un escáner para generar una mancha focal de forma lineal, los cuales están acoplados con un controlador de trayectoria numérico a través de un controlador de perfil que prefija el contorno de la mancha focal por medio de ejes U y V y a través de miembros de ajuste que prefijan ejes de posición X, Y, C de la mancha focal con respecto a la pieza de trabajo de tal manera que durante cada movimiento de escaneado se puedan alimentar datos de trayectoria de la línea de separación al controlador del perfil y a los miembros de ajuste, de tal modo que la mancha focal de forma lineal experimente una curvatura correspondiente a la curvatura del contorno de la línea de separación y pueda desplazarse sobre ésta, y su longitud pueda ser ajustada también en función del contorno de la línea de separación.

Se garantiza una separación óptima cuando, según una ejecución de la invención, están previstos otros ejes acoplados con el controlador de trayectoria para posicionar la mancha de refrigeración con respecto a la mancha focal de forma lineal y a la pieza de trabajo.

El dispositivo puede construirse de manera especialmente conveniente según otra ejecución de la invención cuando la disposición óptica presenta un escáner con dos espejos oscilantes que basculan perpendicularmente uno a otro. Para variar la longitud y la curvatura de la mancha focal de forma lineal es necesario entonces variar únicamente la oscilación de los dos espejos oscilantes, de modo que también el controlador del perfil y el controlador de la trayectoria pueden configurarse en forma relativamente sencilla. Se varía aquí no sólo la amplitud de oscilación, sino también la forma de oscilación y la posición de las oscilaciones unas respecto de otras. Así, las oscilaciones no son armónicas, por ejemplo en la transiciones de arco-recta.

Otras características y ventajas de la invención se desprenden de la descripción de un ejemplo de ejecución representado en el dibujo.

Muestran:

La Figura 1, en una representación esquemática en diagrama de bloques, la estructura de principio del controlador de contorno del dispositivo según la invención,

la Figura 2, en una representación esquemática a manera de diagrama, la forma de la mancha focal y de la mancha de refrigeración, así como los ejes de movimiento correspondientes que han de ser procesados por el controlador del contorno, y

la Figura 3, en una representación esquemática, la diferente longitud de la mancha focal de forma lineal, dependiente de la curvatura del contorno de la línea de separación, en el caso de un corte de forma libre especial.

En las Figuras 1 y 2 se representa el principio según la invención para seccionar una pieza de trabajo plana de material de rotura frágil, especialmente de vidrio plano, por medio de un procedimiento de separación con rayo láser, mostrando la Figura 1 la estructura de principio del controlador de los procesos de movimiento a lo largo de un contorno prefijado y la Figura 2 la geometría de la mancha focal del rayo láser con la mancha de refrigeración subsiguiente y la asignación de los ejes de movimiento al controlador del contorno según la Figura 1.

El principio de separación según la invención se basa en una mancha focal 1 de forma lineal que se curva de acuerdo con el respectivo contorno de la línea de separación 2. Cuando la línea de separación 2 es lineal, la línea focal 1 puede ser relativamente larga, tal como se representa en la Figura 3. Cuanto más pequeño sea el radio de curvatura del contorno de la línea de separación 2, tanto más corta será la línea 1 para que quede garantizada la aportación de energía necesaria a la línea de separación. La longitud de la línea varía siempre entre 10 mm y 100 mm. Paralelamente a la variación de la longitud de la línea se regula convenientemente la potencia del láser hacia abajo en el caso de líneas cortas y hacia arriba en el caso de líneas largas.

Para generar la mancha focal 1 de forma lineal se emplea preferiblemente un escáner de rayo láser conocido con espejos oscilantes y un motor de oscilador que los mueve, preferiblemente en forma de un espejo de galvanómetro, por ejemplo correspondiente a la Figura 5 del documento EP 0 872 303 A2 inicialmente citado. En principio, podría estar previsto también solamente un espejo que esté montado en forma basculable.

Se puede aplicar también un escaneado por medio de espejos giratorios correspondientes a la Figura 6 del documento EP antes citado (rueda poligonal).

En el escaneado típico con espejos oscilantes, éstos presentan una frecuencia de oscilación de 400 Hz y más, determinando la amplitud de oscilación del primer espejo oscilante la longitud de la línea y determinando la del otro segundo espejo la desviación de la línea respecto de una recta. El control del escáner se efectúa por medio de un controlador de perfil 3 en la Figura 1. Este controlador de perfil recibe de un controlador NC (control numérico), entre otros, el valor nominal para la longitud de la mancha focal 1 necesaria en el respectivo sitio de la línea de separación 2. El controlador del perfil activa aquí el motor del oscilador del primer espejo oscilante de modo que éste realice una amplitud de oscilación correspondiente para la longitud requerida del perfil. El controlador 3 del perfil genera así una oscilación de tensión análoga como valor nominal que es convertido directamente por el motor del oscilador en un movimiento oscilante. El valor nominal entregado por el controlador NC 4 al controlador 3 del perfil se transmite en forma de una señal de tensión analógica constante, por ejemplo 0-10 V, siendo la longitud proporcional a la magnitud de la tensión, o bien en forma de un valor digital con una resolución de al menos 8 bits. Se puede suprimir en el marco de una regulación el retroaviso de valor real representado del sistema de medida del motor del oscilador cuando esté archivada una curva de calibrado para el motor del oscilador en el controlador 3 el perfil o en el controlador NC 4. Además de especificar la amplitud de oscilación, el escáner obtiene del controlador NC 4 durante cada oscilación de los espejos, en instantes prefijados que están identificados con una cruz en la Figura 2, datos para los ejes U, V que controlan el segundo espejo oscilante de modo que durante la respectiva oscilación del primer espejo la línea focal 1 se curve de manera correspondiente al contorno de la línea de separación 2. Cuanto más datos puedan proporcionarse por oscilación, tanto mejor podrá aproximarse la curvatura.

Para que la línea focal 1 esté situada sobre la línea de separación deseada 2, el controlador NC 4 controla los ejes NC 8 (X, Y y C) y la longitud del perfil o su curvatura a través de la especificación del valor nominal de los ejes U y V en el controlador 3 del perfil según un programa NC conocido 5. Con las informaciones sobre la longitud del perfil, su curvatura por medio de los valores de los ejes U y V, la posición o las velocidades de los ejes X, Y y C y la forma de la línea de separación 2 descrita por el programa NC 5, el controlador NC está en condiciones de conducir la línea focal 1 de modo que siga la línea de separación con una desviación máxima de, típicamente, menos de 0,2 mm. El seguimiento de la línea de separación es tanto más exacto cuanto más rápidamente esté el controlador NC en condiciones de generar nuevos valores nominales para los ejes 8 y el controlador 3 del perfil y cuanto más rápidamente puedan ser convertidos éstos por los ejes 8 y los motores del oscilador del espejo oscilante.

La Figura 3 muestra un ejemplo para un corte de forma libre con un contorno trapecial de la línea de separación 2 con esquinas fuertemente redondeadas. En el instante de arranque t_{1} la mancha focal 1 es lineal, ya que hay que separar un tramo parcial lineal. En el instante t_{2} la mancha focal reblandece un tramo parcial fuertemente curvado de la línea de separación. Esta mancha es curvada entonces y también acortada por los datos del controlador de trayectoria de conformidad con la línea de separación.

En el instante t_{3} la mancha focal 1 se encuentra sobre un segmento menos curvado de la línea de separación 2. Esta mancha se curva así en una medida correspondientemente menor y también durante algo más de tiempo que en el instante t_{2}. En el instante t_{4} la mancha focal 1 se encuentra nuevamente en un segmento lineal y tiene las mismas dimensiones que en el instante t_{1}.

La anchura de la línea focal 1 viene prefijada por el diámetro del rayo láser enfocado sobre la superficie de la pieza de trabajo. El diámetro sobre la superficie de la pieza de trabajo está típicamente entre 0,3 mm y varios milímetros. Se emplean elementos ópticos para enfocar el rayo láser. En la elección de los elementos ópticos y del láser el objetivo es configurar la distribución de intensidad uniformemente sin picos de intensidad locales a lo largo de la línea. De esta manera, la mayor parte de la energía del láser puede acoplarse con la pieza de trabajo sin que se sobrepase la temperatura de reblandecimiento del vidrio. A este fin, se pueden utilizar elementos de enfoque de gran distancia focal a partir de aproximadamente 300 mm, lentes top-hat, Axikons o láseres con un modo de anillo o multimodo. La anchura de la línea depende entonces de la potencia de láser, la refrigeración, la clase de material, el espesor de material y la velocidad de avance que sean necesarios.

Con el método según la invención se puede proporcionar entonces una .... lineal de cualquier longitud y forma.

Para aumentar la tensión termodinámica se reajusta de manera conocida una refrigeración en forma de una mancha de refrigeración 6 a una distancia definida sobre el contorno 2 a seccionar detrás del perfil de láser, es decir, la línea focal 1. Esta mancha de refrigeración 6 se genera, por ejemplo, por soplado de aire frío o mezclas de gas/líquido frías a través de una boquilla.

Debido a la alta temperatura generada en la pieza de trabajo por el rayo láser se genera una alta tensión termodinámica a lo largo del contorno a separar en la pieza de trabajo. En la refrigeración subsiguiente y en el debilitamiento precedente del vidrio en el punto de arranque del corte/fisura, el vidrio se rompe a lo largo del contorno descrito por la boquilla de refrigeración y la "línea del rayo".

A causa del calentamiento deliberado de la pieza de trabajo a lo largo del contorno a seccionar y de la refrigeración reajustada al contorno a una distancia definidora entre aproximadamente 2 mm y 15 mm, el corte sigue cualquier forma libre arbitraria con muchísima precisión. De esta manera, se puede cortar cualquier geometría deseada, por ejemplo, en vidrio delgado (aproximadamente 50 \mum), pero también en vidrio grueso (varios milímetros) o bien se le puede rayar hasta una profundidad de varias décimas de milímetro.

La ventaja del corte consiste en que no es necesaria ninguna rotura subsiguiente y, por tanto, se economiza un paso de fabricación. La ventaja del rayado consiste en que se ha separado el material también después de la rotura casi sin esquirlas con velocidades sensiblemente más altas (hasta 1000 mm/s) y, a consecuencia de la falta de microfisuras y aconchamientos, se consigue una resistencia netamente mayor de los cantos.

Para conseguir esto se tiene que ajustar también con mucha precisión la refrigeración, es decir, la mancha de refrigeración 6, en su posición con relación a la línea focal 1.

Por tanto, los ejes 7 (A y B) representados en la Figura 1, que son responsables del reajuste de la boquilla de refrigeración sobre la línea de separación 2, están unidos también con el controlador NC 4. Los ejes A y B se interpolan también con los ejes X, Y, C y con el eje prefijado por el motor del oscilador del primer espejo oscilante.

El cometido de los ejes A y B consiste en mantener constante la distancia de la mancha de refrigeración 6 al punto inicial de la línea focal 1. El controlador 3 del perfil puede configurarse aquí de modo que se mantenga siempre constante el valor más bajo de la tensión de oscilación para el oscilador del espejo oscilante. De esta manera, el punto inicial es estacionario. Por consiguiente, los ejes 7 A y B tienen que realizar solamente cortas carreras.

Para simplificar la estructura de la instalación se puede prescindir del eje A en una variante de la conversión de los ejes. De esta manera se obtiene, al seguir al contorno, una distancia no constante de la refrigeración a la posición inicial de la línea focal. Esta circunstancia puede compensarse con una reducción de la velocidad de corte mediante la adaptación de los parámetros del proceso.

Por ejes en el sentido de la invención deberán entenderse no sólo los ejes geométricos, sino también los elementos de movimiento correspondientes que prefijan los ejes, tales como actuadores y miembros de ajuste.

Claims (6)

1. Procedimiento para seccionar piezas de trabajo planas de material de rotura frágil, en el que un rayo láser con un perfil de rayo de forma lineal, con mancha de refrigeración subsiguiente, es movida a lo largo de una línea de separación con contorno prefijado, caracterizado porque se genera sobre la pieza de trabajo una mancha focal (1) de forma lineal por escaneado del rayo láser, y durante cada movimiento de escaneado se proporcionan datos de trayectoria de la línea de separación (2) de tal manera que la mancha focal (1) de forma lineal experimente una curvatura correspondiente a la curvatura del contorno de la línea de separación (2), y su longitud sea ajustada también en función de la curvatura del contorno de la línea de separación mediante ajuste de la amplitud del escaneado.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la potencia del láser se ajusta en función de la longitud de la mancha focal de forma lineal.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la mancha de refrigeración (6) se reajusta a la mancha focal (1) de forma lineal de modo que sea constante su distancia al punto inicial de la mancha focal (1).

4. Dispositivo para la puesta en práctica del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque está prevista una disposición óptica con un escáner para generar una mancha focal (1) de forma lineal, los cuales están acoplados con un controlador de trayectoria numérico (4) a través de un controlador de perfil (3) que prefija el contorno de la mancha focal por medio de ejes U y V y a través de miembros de ajuste (8) que prefijan ejes de posición X, Y, C de la mancha focal con respecto a la pieza de trabajo, de tal manera que durante cada movimiento de escaneado se puedan alimentar datos de trayectoria de la línea de separación (2) al controlador (3) del perfil y a los miembros de ajuste (8) para que la mancha focal (1) de forma lineal experimente una curvatura correspondiente a la curvatura del contorno de la línea de separación (2) y se pueda trasladar sobre ésta, y su longitud pueda ajustarse también en función del contorno de la línea de separación (2).

5. Dispositivo según la reivindicación 4, caracterizado porque están previstos otros ejes (7) acoplados con el controlador de trayectoria (4) para posicionar la mancha de refrigeración (6) con respecto a la mancha focal (1) de forma lineal y a la pieza de trabajo.

6. Dispositivo según la reivindicación 4 ó 5, caracterizado porque la disposición óptica presenta un escáner con dos espejos oscilantes que basculan perpendicularmente uno a otro.