KR20160044431A - 유리 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법 - Google Patents

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발렌틴 세르게예비치 차딘
티무르 알렉페로피치 알리에브
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“라스콤” 리미티드
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Abstract

본 발명은 유리 물체를 처리하는 방법, 특히 유리 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 유리 모서리를 집속 레이저 빔으로 처리하면서, 유리 물체 및/또는 빔을 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하며, 유리 모서리의 상기 처리는 고리 모양 단면을 가진 레이저 빔으로 실행되며, 이 동안 유리 모서리는 유리 전이 온도 이상의 온도, T > Tg로 레이저 빔으로 가열된다. 본 발명은 모서리 근처 영역에서 원하는 모양과 크기의 강화 유리 영역을 생성하는데 이는 이런 영역에서 열 스트레스의 제공 때문이며, 이에 의해 깨지기 쉬운 갈라진 틈에서 유리 상에 둥근 또는 무딘 말단을 가진 모서리를 깎은 면의 형성을 일으킨다.

Description

유리 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법{Method for Blunting Sharp Edges of Glass Objects}
본 발명은 유리 물체를 처리하는 방법, 특히 유리 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 모서리를 무디게 하기 위한 유리의 처리에 관여된 다양한 산업에서 사용될 수 있다.
유리의 모서리를 처리하는 통상적인 기계적 및 화학적 방법은 유리판, 특히 유리 모서리에서 미세균열을 일으킬 수 있어서, 유리의 강도를 10배 감소시킨다.
대안적인 처리 방법은 레이저 챔퍼링(laser chamfering)이다. 레이저는 큰 가간섭 길이를 가진 단색광을 특징으로 한다. 레이저는 여러 산업 및 의료 응용분야에서 사용된다. 레이저의 상당한 기술적 응용분야는, 예를 들어, 분광학, 거리의 레이저 측정을 포함하며 레이저는 또한 금속, 세라믹 및 유리의 정확한 절삭 및 용접의 공정에 사용된다.
WO 03015976 A1은 유리 기판의 모서리를 챔퍼링하는 방법을 개시하며, 유리 모서리에 대해 일정한 각도로 위치한 타원형 열점을 가지며, 낮은 열 에너지 강도를 가진 제 1 집속 레이저 빔으로 연속적으로 처리하는 단계를 포함하며, 유리 기판이 공급 방향으로 이동할 때, 모서리의 근처에서 유리 기판의 일부를 예열한 후, 제 1 레이저 점이 모서리를 용해하고 깎으며, 기질은 유리 기판의 이동 방향으로 신장된 타원 형태의 열점을 가지는 제 2 레이저 빔에 의해 가열된다. 이에 의해, 작은 균열을 생성하기 않으며 잔류 스트레스가 완화된다. 그러나, 이 방법은 실행하기 어렵고 유리를 "탬퍼링하는 것", 즉 유리를 용융함으로써 발생된 열 스트레스를 제거하는 것이 이런 짧은 시간에는 불가능하다.
가장 관련된 종래 기술은 RU 2163226 C1에 교시된, 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법이며, 빔의 일부에 의해 또는 재료의 용융점을 초과하지 않는 온도로 2개의 개별 빔 중 하나에 의해 모서리의 적어도 한 표면을 가열하는 단계 및 빔의 다른 일부에 의해 또는 제 2 개별 빔에 의해 물체의 모서리의 다른 표면을 가열하는 단계를 포함한다. 가열에 사용된 레이저 빔은 재료의 표면상에 타원형 단면 형태를 가진다. 이런 방법의 단점은 가능한 잔류 열 스트레스에 의한 강도 감소 및 분리되는 재료의 조각의 떨어질 가능성뿐만 아니라 처리 지점의 각각에서 전력 밀도의 다른 분포에 의한 공정의 나쁜 제어성을 포함하며, 분포의 균일성은 단지 이론적일 수 있다.
본 발명의 목적은 유리 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법을 제공하며, 이는 더 좋은 품질의 제품을 보증하며, 유리 물체의 처리 속도를 증가시키는 반면, 처리의 길이 전체에서 일정한 최소 필요 크기를 가진 모서리를 깎은 면을 제공하고 제품의 강도를 증가시킨다.
이 목적은 본 발명에 따른 유리 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법으로 완성되며, 유리 모서리를 고리 모양 단면을 가진 집속 레이저 빔으로 처리하면서, 유리 물체 및/또는 빔을 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하며, 상기 처리는 유리 전이 온도 이상의 온도, T > Tg로 레이저 빔으로 유리 모서리를 가열하는 것을 포함한다.
고리 모양 단면을 가진 빔은 단단한 단면을 가진 빔을 고리 모양 단면을 가진 빔으로 변환하는 동축 렌즈에 의해 생산된 빔으로 본 발명에서 불린다. 예시적 빔 변형기는 외부 및 내부의 2개의 거울 원뿔("액시콘(axicon)"으로 불림)로 이루어진 어셈블리이다.
유리 전이 온도 Tg는 폴리머 재료의 기본 특징 중 하나이다. 유리 전이 온도 이하의 온도에서 폴리머 재료는 더욱 단단하며 깨지기 쉬운 상태이며; 이 온도가 초과될 때 재료는 실질적으로 간헐적으로 플라스틱 상태로 변이된다. 이에 의해, 재료의 열 팽창 계수도 급격하게 증가한다. 유리 전이 온도는 재료의 확산 특징 및 다양한 기술의 사용 때문에 정확하게 측정되기 어렵다. 대부분의 산업용 유리의 경우, Tg는 400-600℃ 범위 내에 있다.
본 발명에서, 레이저 빔의 고리 모양 단면은 유리 물체를 챔퍼링하기 위한 결정 인자이며, 유리 표면에 대한 손상과 치핑(chipping)을 예방한다. 먼저, 이는 모서리 근처 영역에서 원하는 모양과 크기의 강화 유리 영역을 생성하는데 이는 이런 영역에서 열 스트레스 때문이며, 이에 의해 깨지기 쉬운 갈라진 틈에서 유리 상에 둥근 또는 무딘 말단을 가진 모서리를 깎은 면의 형성을 일으킨다.
본 발명에 따른 방법은, 모서리 근처 영역에서, 열 스트레스를 가진 경화된 유리 부분의 형성을 가능하게 하며, 이의 크기 및 방향은 깨지기 쉬운 갈라진 틈에서 유리 상에 둥근 말단을 가진 모서리를 깎은 면의 형성을 제공한다.
경화된 부분이 유리 전이 온도 이상으로 가열하자마자 유리 물체의 날카로운 모서리 상에 생성될 때, 조각은 떨어져 나가고 품질을 손상시킨다. 본 발명에 따라 고리 모양 단면을 가진 빔이 모서리 근처 지역에 경화된 부분을 생성하면서 조각의 선단이 더욱 탄성 상태가 되며, 따라서 조각은 전체 공정 동안 완결성을 유지한다. 이에 의해 모서리를 깎은 면의 소정의 기하학적 형태가 보존되고 유지된다.
레이저 빔은 이의 축이 레이저 빔을 향하는 유리 표면의 연장부인 평면에 대해 20-70°의 각도로 놓이도록 향하는 것이 바람직하다. 하부 한계 이상에서 빔의 대부분(70%까지)이 반사될 것이며, 치핑과 챔퍼링에 대한 조건은 실행 불가능할 것이며, 상부 한계 이상에서 모서리를 깎은 면보다 그루브가 형성될 것이다.
바람직하게는, 상기 각도는 유리 물체 및/또는 빔의 이동 벡터에 수직인 평면에 놓인다.
레이저 빔의 축은 또한 유리 물체 및/또는 빔의 상기 이동 벡터에 수직인 평면에 0-30°의 각도로 향할 수 있다.
바람직하게는, 처리는 상기 유리 물체 및/또는 빔의 이동 방향으로 신장된 고리의 형태를 가진 레이저 빔으로 실행되어 신장된 고리 형태의 열점을 생산한다. 이것이 더 큰 양의 열 에너지(W, watts)를 최적의 전력 밀도(P, watts/sq mm)에서 재료 속에 제공하는 추가 효과를 보증하여, 공정 효율을 증가시킨다.
레이저 빔에 의한 처리는 바람직하게는 조각 형태의 유리 재료를 제거하여 유리 모서리를 깎아내는 단계를 포함하며, 모서리를 깎은 면의 크기는 열점의 단축, 열점에서 복사 에너지 전력 밀도(W)(watts/sq cm), 및 노출 시간(τ)(s)에 의해 정해진다.
물체의 모서리를 처리한 후 가열 영역에 냉각제가 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 이점 및 특징은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시태양의 다음 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명의 내용 중에 포함되어 있다.
본 발명은 도면을 참조하여 이의 예시적 실시태양을 기초로 하여 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 레이저 빔에 의한 유리 모서리의 처리 및 유리 표면에 대한 빔의 방향을 한정하는 평면을 예시하는 그림이다.
도 2는 본 발명에 따라 처리된 유리의 모서리에서 발생하는 현상을 예시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 처리에 의해 유리 상에 형성된 모서리를 깎은 면의 단면 형상을 도시한다.
도 4는 본 발명에 따라 처리된 유리에서 발생하는 열 스트레스를 예시한다.
도 5는 다른 형태의 점에서 발생하는 열 분해의 특성을 예시하는 비교 그래프를 도시한다.
도 6은 타원형 단면 형태를 가진 레이저 빔을 생산하기 위한 렌즈의 배열을 도시한다.
도 7은 다른 고리 지름을 가진 고리의 단면 형태를 가진 레이저 빔을 생산하기 위한 내부 및 외부 거울 원뿔의 선택적 위치를 도시한다.
도 8은 원통 렌즈의 예시적 배열을 도시한다.
본 발명에 따라 유리 물체의 모서리를 무디게 하는 방법은 유리 물체(1)의 모서리를 고리 모양 단면을 가진 집속 레이저 빔(2)으로 처리하면서, 유리 물체 및/또는 빔을 상대적으로 이동시키는 단계를 포함한다. 레이저 빔에 의한 처리는 유리 전이 온도 이상의 온도, T > Tg로 유리 모서리(4)를 가열하는 것을 포함한다. 이것이 유리 물체(1)의 모서리(4)로부터 조각(3) 형태의 유리 재료를 제거하여 모서리를 깎은 면을 형성한다.
또한, 도 1에 도시된 대로, 한 실시태양에서, 열점이 바람직하게는 고리 모양 타원인 레이저 빔(2)은 레이저 빔(2)을 향하는 유리 표면(1)의 연장부인 평면(3)에 대해 일정한 각도에서 모서리가 깎이도록 유리(1) 모서리를 향한다. 정상적인 조건하에서, 레이저 빔은 바람직하게는 일정한 속도와 일정한 초점 거리에서 직선으로 유리(1) 모서리를 따라 이동한다. 그러나, 예를 들어, 둥근 모서리를 구비한 형태를 가진 유리 물체가 처리될 때, 레이저 빔은 안정한 가열 조건을 유지하도록 다른 속도 및 변형된 크기의 열점을 가지고 모서리의 지역에서 이동할 수 있다.
예시된 실시태양에서 (도 1에 개략적으로 도시된) 열점의 고리 모양 타원은 11mm의 장축과 3mm의 단축을 가진다. 레이저 빔이 유리 모서리를 향하는 각도는 이 실시태양에서 45°이다.
열점의 고리 모양 타원을 제공하기 위해서 도 6에 개략적으로 도시된 렌즈 시스템이 사용되며 특히 2개의 거울 원뿔: 내부 원뿔(5)("액시콘"으로 불림) 및 절단된 외부 원뿔(6)로 이루어진다.
도 7은 최종 고리 모양 빔의 지름이 외부 원뿔(5)에 대해 액시콘(6)의 위치의 함수로서 변하는 것을 도시한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 실시태양에서, 원뿔의 꼭지점이 동일한 평면에 있는 경우(즉 이들 사이의 거리가 0mm이다), 원뿔(6)로부터 방출된 고리 모양 빔의 단면의 외부 지름은 8mm일 것이다. 따라서, 거리가 2mm인 경우, 지름은 12mm이며, 거리가 4mm인 경우 지름은 16mm이다. 시스템은 또한 한 쌍의 원통 렌즈(8)를 포함하며, 이의 하나는 한 평면에서 고리 모양 빔을 압축하고 다른 렌즈는 다른 평면에서 고리 모양 빔을 압축하여 고리 모양 타원의 축의 크기를 변화시킨다. 도 8은 원통 렌즈(8)(변화하는 각(α))의 상호 회전이 열점의 형태를 변형시키는 것을 도시한다. 예시된 시스템은 소스 탐지기(9), 액시콘 탐지기(10) 및 초점 탐지기(11)를 더 포함한다.
렌즈: 단단한 단면을 가진 빔을 고리 모양 단면을 가진 빔으로 변형하는 공축 원뿔 렌즈 및 고리를 타원으로 늘리는 원통 렌즈의 시스템을 가진 시스템의 사용이 유리 물체 및/또는 빔의 이동 방향에서 고리 모양 및 신장된 레이저 빔을 동시에 제공한다. 그러나, 당업자는 레이저 빔을 타원 및 고리 형태로 변형시키기 위한 광학 시스템의 다른 실시태양이 가능하다는 것을 알 것이다.
상기한 대로, 대부분의 상업용 유리에 대한 유리 전이 온도 Tg는 400-600℃ 내에 있다. 본 발명에 따라, 가열은 바람직하게는 650-680℃의 온도로 제공되며, 뒤이어 액체/공기 혼합물에 의한 냉각이 제공된다.
표면의 더욱 강한 가열시에, 증발(재료의 승화)이 일어날 수 있으며; 따라서 허용가능한 범위는 유리 전이 온도 이상 및 증발 온도 이하이다.
이하에서 유리 모서리에 모서리를 깎은 면을 형성하는 한 예시적 실시태양이 기술될 것이다.
레이저 전력 W = 100 watts를 가진 신라드(Synrad)로부터 구입가능한 신라드 파이어스타 f100W 레이저에 의해 테스트를 실행하였다; 레이저 빔 이동 속도는 V = 0.6-0.9m/min이었고, 최종 열점은 크기 S = 3 x 11mm의 환형 타원의 형태를 가졌다(점 크기는 레이저 전력의 함수로서 생각하였고; 더 높은 전력에서 점은 장축을 따라 증가될 수 있다).
열점이 11mmd의 장축과 3mm의 단축을 가진 고리 모양 타원인 레이저 빔은 45°(또는 45+30° 내지 45-15°의 일부 다른 각도)에서 모서리가 깎이도록 유리 모서리 위로 향하였고 일정한 속도와 일정한 초점 거리에서 직선을 따라 이동하였다.
레이저 빔(2)으로 유리(1) 표면을 가열하자마자, 유리는 레이저 빔에 대해 불투명하기 때문에, 레이저 에너지는 얇은 표면층에 흡수되었다. 따라서, 레이저 에너지는 열 전도에 의해 재료의 깊이 속으로 더 통과하였다.
이 경우에, 인장 스트레스가 유리의 강도를 초과할 때, 유리의 좁은 스트립은 유리 모서리로부터 분리되는데, 즉 조각이 모서리로부터 제거되어 모서리를 깎은 면을 형성한다. 유리 표면에 대한 레이저의 국소 작용이 노출 지역에서 유리 재료를 용융하고 처리된 모서리 근처 유리의 변형을 일으킬 수 있는 유리 재료의 나머지를 동시에 용융하지 않고 유리 모서리를 둥글게 한다.
레이저 복사에너지에 노출된 유리 표면을 가열하는 정도는 다음 인자에 의존한다: 레이저 복사에너지의 전력 및 전력 밀도(w)(watts / sq cm), 레이저 빔 및/또는 유리의 상대 이동 속도, 노출 시간(τ)(s), 및 유리의 열 전도율에 의해 정해지는 표면으로부터 유리의 깊이 속으로 열 확산 속도. 동일한 특징들이 모서리를 깎은 면 크기를 정하며, 이는 또한 열점 타원의 단축의 크기에 의해 설정된다. 모서리를 깎은 면 크기는 수백 밀리미터 내지 수 밀리미터 범위일 수 있다. 또한, 레이저 빔의 축이 처리된 유리 표면을 향하는 각도에 의존하는 유리 표면에 대한 모서리를 깎은 면의 기울기 각도가 변할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 고리 모양 레이저 빔에 의한 처리 과정에서 모서리에서 일어나는 개략적 공정을 도시한다.
이 도면에서 보듯이, 가열은 유리 모서리(4)에 인접한 지역(12)에 형성된 팽창된 유리의 부분들을 생성하며, 이들 사이에 경화된 유리 부분(13)이 형성된다. 이에 의해 다음 스트레스가 미세균열 둥근 위치(14)에서 작용하며: 굽힘 모멘트(M), 굽힘에 의해 발생된 열 스트레스(
Figure pct00001
) 및 냉각에 의해 발생된 열 스트레스(Gr). 유리 재료는 미세균열 곡선(15)을 따라 분리된다.
도 3은 본 방법에 의해 최종 모서리를 깎은 면이 둥근 모서리를 갖는 단면도를 예시한다.
도 4는 표면 흡수시에 레이저 빔에 의해 처리된 유리에서 발생하는 개략적인 열 스트레스를 도시한다. 레이저 빔(2)이 유리(1)의 가열된 영역의 단일 단편에 수직으로 향하는 것이 간단하게 도시된다. 다음 열 스트레스가 유리에서 발생한다:
Gr - 빔이 가열 영역으로부터 멀어지고 이 영역이 냉각될 때 발생하는 방사상 열 스트레스(16); 이것이 "경화된 부분"/유리 대형 계면에서 깨지기 쉬운 갈라진 틈 진행의 발전 및 균열의 형성을 일으킨다;
Gt - 접선 열 스트레스(17); 이것은 균열 전파 라인을 따라 향하며; 이런 열 스트레스의 충격은 감소해야 하는데 이는 분리된 표면의 모서리의 품질을 떨어뜨리기 때문이다;
Gz - 공축 열 스트레스(18); 이들은 깨지기 쉬운 균열 과정에 일반적으로 영향을 미치지 않으며 무시될 수 있다.
날카로운 모서리를 챔퍼링하기 위한 조건은 다음이다:
T H > T g > T ㅿ
G t > G str
여기서:
TH - 열점 영역에서 유리의 온도
Tㅿ - 최종 열 저항
Tg - 유리 전이 온도
Gt - 유리에서 생성된 열 스트레스
Gstr - 유리의 최종 인장 강도;
Tg 및 Tㅿ는 참고 서적으로부터 얻은 소정의 형태의 유리의 특징이다;
Tㅿ는 다음 식에 의해 계산될 수 있다.
T ㅿ = G str ·(1-γ)/α·E
여기서:
α - 최종 인장 강도
γ - 열 팽창 인자
E - 영율.
챔퍼링의 안정하고 질적인 공정을 제공하기 위해서 다음 조건을 보증하는 것이 필요하다:
Gt/Gstr > 1 (1).
이 조건은 공정의 바람직한 기본 특징을 구체화함으로써 성취될 수 있다:
열점에서 전력, watts/sq mm;
레이저 빔 노출 시간 dr(mm)/v(mm/sec);
열점의 형태;
냉각제 흐름의 강도, 온도 및 방향.
조건의 분석(1)은 r2·dT/dr, 즉 절단 축으로부터의 온도는 증가해야 한다(dT/dr > 0이기 때문).
도 5에 도시된 비교 그래프는 고리가 열 분해를 제공하기 위한 지점의 최고 형태에 있으며, 타원의 형태가 바람직하다는 결론에 이르게 한다.
본 발명의 테스트는 다음 결론을 초래하였다:
1. 경제적 효율의 기초로 레이저 전력을 100-400 watts까지로 증가시키고 모서리를 깎은 면의 최소 필요 크기를 설정하면(모서리를 깎은 면이 작으면 작을수록, 처리는 더 빠르다), 경제적인 상당한 속도의 처리(수 m/min까지)가 얻어질 수 있다.
2. 충분하게 안정한 처리 공정은 유리 말단을 따라 열점의 정확한 이동에서관찰되었다. 이에 의해 모서리를 깎은 면 크기는 처리의 길이 전체에서 일정하였다.
3. 레이저 절식시에, 유리 말단은 높은 품질로 모서리가 깎였다.
4. 분쇄와 연마 없이 모서리의 품질을 개선하도록 윤곽 처리를 위해서, 본 발명이 급랭 이전 유리의 처리에 사용되었고(특히 6mm 두께 초과의 창유리의 경우) 디스플레이 유리를 포함하는 유리 물체 강도를 30% 이상으로 증가시킨다.
바람직하게는, 레이저 빔은 이의 축이 레이저 빔을 향하는 유리 표면의 연장부인 평면에 대해 20-70°의 각도로 놓이도록 향한다.
각도는 유리 물체 및/또는 빔의 상기 이동 벡터에 직각인 평면에 배치되는 것이 바람직하다. 그러나, 레이저 빔의 축은 유리 및/또는 빔의 상기 이동 벡터에 직각인 평면에 대해 0-30°의 각도로 향할 수 있다.
본 발명에 따라, 처리는 유리 물체 및/또는 빔의 이동 방향으로 신장된 고리의 형태를 가진 레이저 빔으로 실행되어 신장된 고리 형태, 예를 들어, 신장된 타원의 형태의 열점을 얻으며, 이것이 챔퍼링 공정의 효율을 증가시킨다. 이동 방향에 대해 타원 빔을 회전시키는 가능성이 제공되어야 한다.
모서리를 깎은 면 크기는 열점의 단축, 열점에서 복사 에너지 전력 밀도(W)(watts/sq cm), 및 노출 시간(τ)(s)에 의해 구체화된다.
물체의 모서리를 처리한 후 냉각제가 바람직하게는 가열 영역에 공급되어 가열 영역을 국소적으로 냉각한다.
당업자는 본 발명은 상기 실시태양에 제한되지 않으며 아래 제공된 청구항의 범위 내에서 변형이 가능할 수 있다는 것을 알 것이다. 적절한 경우, 다른 구별가능한 특징과 함께 상세한 설명에 제공된 구별가능한 특징이 서로 개별적으로 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 유리 모서리를 집속 레이저 빔으로 처리하면서, 유리 물체 및/또는 빔을 상대적으로 이동시키는 단계를 포함하여 유리 물체의 날카로운 모서리를 무디게 하는 방법으로서, 유리 모서리의 상기 처리는 고리 모양 단면을 가진 레이저 빔으로 실행되며, 상기 처리는 유리 전이 온도 이상의 온도, T > Tg로 레이저 빔으로 유리 모서리를 가열하는 것을 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 빔은 이의 축이 레이저 빔을 향하는 유리 표면의 연장부인 평면에 대해 20-70°의 각도로 놓이도록 향하는 것인 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 각도는 유리 물체 및/또는 빔의 이동 벡터에 수직인 평면에 놓이는 것인 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    레이저 빔의 축은 또한 유리 물체 및/또는 빔의 이동 벡터에 수직인 평면에 0-30°의 각도로 향하는 것인 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리는 상기 유리 물체 및/또는 빔의 이동 방향으로 신장된 고리의 형태를 가진 레이저 빔으로 실행되어 신장된 고리 형태의 열점을 생산하는 것인 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
    레이저 빔에 의한 처리는 바람직하게는 조각 형태의 유리 재료를 제거하여 유리 모서리를 깎아내는 단계를 포함하는 것인 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    모서리를 깎은 면의 크기는 열점의 단축, 열점에서 복사 에너지 전력 밀도(W)(watts/sq cm), 및 노출 시간(τ)(s)에 의해 정해지는 것인 방법.
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