СПОСОБ ИНДУЦИРОВАННОГО ЛАЗЕРОМ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗДЕЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОГО ИЛИ ИНОГО ХРУПКОГО МАТЕРИАЛА
METHOD OF LASER-INDUCED THERMAL SEPARATION OF CERAMIC OR OTHER FRAGILE MATERIAL

Изобретение относится к способу индуцированного лазером термического разделения хрупкого, в частности керамического, материала пластин.
Родовое понятие «пластины, изготовленные из керамического или иного хрупкого материала» относится в данном случае к пластинам, которые имеют толщину в несколько миллиметров (в частности, примерно от 3 до 20 мм) и выполнены из хрупких материалов, таких как жесткая керамика, изделия из фарфоровой керамики или изделия из глины, но также, например, к пластинам, изготовленным из чрезвычайно толстого специального стекла.
Основной областью применения изобретения является, например, разделение керамических пластин, изготавливаемых в крупном формате, на желательные меньшие форматы плиток при производстве строительных плиток, выполненных из керамического материала различных степеней твердости.
В настоящее время многие строительные плитки форматируются путем деления «зеленого» материала пластин, перед обжигом, путем штамповки в плитки желательных форматов. Однако это имеет недостаток, заключающийся в том, что процесс преобразования в другие форматы плиток требует чрезвычайно высоких затрат времени и, следовательно, является дорогостоящим. В результате, изготовители должны хранить большие объемы. Более современные производственные линии работают с изготовлением относительно больших плиток, которые затем разрезаются на меньшие форматы после обжига. Такое разрезание выполняется с помощью механических устройств для нанесения зарубок и разламывания или выполняется путем распиливания. Однако эта технология также оказалась неудовлетворительной.
В последние годы большой объем работы был посвящен индуцированному лазером термическому разделению материала стеклянных пластин в качестве альтернативы традиционному механическому разделению путем нанесения зарубок с последующим разламыванием. Эта работа фокусировалась, в частности, на разламывании плоского стекла.
В документе DE 199 62 906 A1 предлагается для разрезания плоских заголовок, изготовленных из хрупкого материала, в основном имеется в виду плоское стекло, механически формировать риску вдоль желательной линии разделения и затем выполнять разламывание материала вдоль риски путем краткого колебательного нагрева вдоль части риски посредством лазерного луча.
В документе ЕР 0 448 168 А1 раскрыт способ разделения хрупкой пластины, опять, главным образом, имеется в виду стеклянная пластина, в котором предусматриваемая линия разделения многократно сканируется лазерным лучом по всей длине линии разделения, чтобы ввести тепло и сформировать термомеханическое напряжение, чтобы разломить пластину, начиная от заранее сформированной зарубки, вдоль линии разделения.
В документе US 2002/01 79 667 А1 предложено, для разделения пластин, изготовленных из хрупкого материала, в частности, из стекла или керамики, вдоль линии разделения, имеющей любой желательный контур, нагревать лазерным лучом вдоль предусмотренной линии разделения, за которым следует охлаждающее сопло, при этом, в зависимости от кривизны линии разделения, фокальная точка переменной длины в диапазоне от 20 до 100 мм генерируется посредством осциллирующего лазерного луча.
В документе US 2003/00 62 348 А1 раскрыт способ для разделения неметаллических подложек, таких как, например, стекло, в котором первый лазерный луч сканирует по предусмотренной линии разделения, затем применяется охладитель для генерации термического напряжения, и затем предусмотренная линия разделения сканируется посредством второго лазерного луча.
WO 02/48 0 59 A1 раскрывает способ разделения пластин, изготовленных из стекла или керамики путем формирования растрескивания под действием термических напряжений вдоль предусмотренной линии разделения, при котором лазерный луч вдоль предусмотренной линии разделения индуцирует тепло в пластину, при этом, например, путем фокусировки лазерного луча в область, находящуюся ниже поверхности пластины, фокус управляется таким путем, что возникающая трещина формируется, по существу, без удаления материала.
Хотя все эти известные способы упоминаются в соответствующих документах универсальным образом как способы для разделения хрупких материалов, таких как стекло или керамика, в приведенных для примера вариантах осуществления каждый из них описан, в частности, в отношении разделения плоского стекла и, очевидно, также особенно подходит для этой области применения. Однако ни один из вышеупомянутых документов не рассматривает детально разделение керамических материалов и различия, являющиеся, вместе с тем, довольно значительными, между плоским стеклом и керамическим материалом.
2
Однако стекло, с одной стороны, и керамика, с другой стороны, являются весьма различающимися материалами. Хотя оба они являются хрупкими, они имеют весьма различающуюся структуру. Основополагающее различие между этими двумя материалами заключается в том, что стекло является прозрачным, в то время как керамика непрозрачна. Стекло является, таким образом, частично прозрачным для лазерного света, а именно в случае твердотельных лазеров, хотя это не имеет места в случае СО лазеров. Основное различие между стеклом и керамикой в отношении способов лазерного разделения состоит, однако, в скорости переноса тепла и в коэффициенте расширения. Натриево-кальциево-силикатное стекло в этом случае относительно легко контролировать, и хотя для боросиликатного стекла это более трудно, оно все равно является более поддающимся расчету, чем керамика. Керамика имеет совершенно другие коэффициенты теплопроводности, и в зависимости от смеси получаются весьма различающиеся передачи тепла при коэффициентах расширения, которые обычно весьма низки и заметно нелинейны с возрастанием температуры.
Поэтому не удивительно, что, как можно легко продемонстрировать посредством испытаний, хотя вышеупомянутые известные способы можно использовать для разделения плоского стекла умеренной толщины, они либо совсем не работают, либо работают лишь неудовлетворительно для разделения пластин, выполненных из хрупких материалов типа упомянутого вначале, а именно керамических материалов и специальных стекол очень большой толщины. Причина этого состоит в том, что в случае относительно толстых плиток и очень толстых стеклянных пластин количество тепла, требуемое для разделения в объеме материала, настолько велико, что если использовать известные способы, плитки будут разбиты вдребезги при вводе тепла даже раньше, чем будет сформирована разделяющая зарубка.
Способ, который работает как таковой для разделения материала керамических пластин, известен из ЕР-А-1 618 985, в котором материал керамической пластины разрезается комбинацией лазерного луча, перемещаемого относительно линии реза, и непосредственно следующим за этим обдувом сверхзвуковой газовой струей. В этом способе разрезания пропил, имеющий некоторую ширину, образуется за счет уноса материала. Однако ввиду необходимой сверхзвуковой газовой струи и уноса частиц, этот способ представляется неоптимальным как с точки зрения стоимости оборудования, так и с точки зрения загрязнения.
Наконец ЕР-А-0 613 765 раскрывает другой способ для разделения керамических пластин с использованием лазерного луча, в котором желательные линии разлома надрезаются посредством лазера, и затем пластины разламываются механически. Однако этот известный способ не обеспечивает каких-либо принципиальных преимуществ по сравнению с известными способами разделения посредством механического надреза и последующего механического разламывания.
Поэтому целью изобретения является создание способа, который подходит для индуцированного лазером термического разделения хрупкого материала, в частности, керамической пластины, выполненной из фарфоровой керамики и жесткой керамики.
В соответствии с изобретением эта цель достигается способом, раскрытым в пункте 1. Предпочтительные конфигурации и детали способа, соответствующего изобретению, образуют сущность изобретения по подчиненным пунктам.
В способе, соответствующем изобретению, материал пластин разделяется только посредством термического напряжения, создаваемого посредством ввода тепла таким образом, что чистые и точные линии разлома формируются без осколков, и механическое разламывание не требуется.
Способ, соответствующий изобретению, позволяет вводить тепло, необходимое для создания термических напряжений, приводящих к разлому, с градиентом, который допустим для материала пластины, но, тем не менее, достаточно быстро для сжимающего напряжения в линии разделения (относительно растягивающего напряжения в холодной среде в материале) для инициирования разлома пластины в предварительно определенном местоположении, таким образом, что сжимающее напряжение, которое является равномерным по всей линии разделения, формируется в объеме материала пластины.
Это достигается как результат того факта, что предусматриваемая линия разделения многократно сканируется посредством лазерного луча, причем лазерный луч надлежащим образом перемещается посредством зеркала. В случае относительно длинной линии разделения лазерный луч сканирует в каждом случае конкретный, относительно длинный участок вдоль линии разделения (длина сканирования), который в течение каждого сканирования смещается с приращением вдоль линии разделения, то есть сдвигается вперед в каждом случае на малый шаг вдоль линии разделения. Поэтому в результате многократного сканирования одна линия нагрева (соответствующая длине сканирования) помещается поверх другой, прерываясь в каждом случае не только на время, которое требуется зеркалу для возврата, но и на некоторое время ожидания для направления тепла в материал. Типовое время цикла в этом случае составляет примерно от 50 до 200 мс. В результате линия разделения в материале нагревается непрерывно до тех пор, пока пластина не разорвется точно в этом местоположении.
Для обеспечения надежности процесса вводимое тепло согласуется с совместимостью материалов для соответствующего материала; это может быть выполнено путем подходящего выбора времени ожидания. Кроме того, вводимое тепло может быть адаптировано далее путем изменения интенсивности лазерного луча таким образом, чтобы в течение предварительного нагрева линии разделения, то есть при начальном сканировании, нагрев выполнялся более медленно, увеличиваясь при последующих сканированиях до конца процесса разделения. Это также может быть осуществлено, в частности, двумя последовательными различными процессами нагрева, таким образом, что первое сканирование с приращением фиксирующей линии выполняется при относительно малом вводимом тепле, и после этого второе сканирование с приращением линии разделения выполняется с бóльшим вводимым теплом.
Испытания подтвердили преимущества способа, соответствующего изобретению, так как уже первые испытательные установки дали обнадеживающие результаты. Рабочие скорости более 2 м/мин могут быть достигнуты в случае обычных строительных плиток. Процесс свободен от загрязнений, бесшумен, и качество кромки соответствует полированным кромкам с точностью резания заметно ниже 0,5 мм. Поскольку изменение в форматах пластин, подлежащих резанию, не связано с какими-либо временами преобразования, плитки могут изготавливаться по заказу даже в случае относительно малых объемах производства.
Способ, соответствующий изобретению, описан ниже более детально со ссылкой на детали приложенного схематичного представления на чертеже.
2
На чертеже показана схематичная иллюстрация, подобная блок-схеме, базовой конфигурации для выполнения способа. Лазерный источник 1, например, СО-лазер, генерирует лазерный луч 2, который проходит через телескоп 3 или подходящую оптику на сканер 4, который работает с зеркалом и создает соответствующее угловое перемещение лазерного луча 2, так что лазерный луч перемещается в каждом случае по участку 5, соответствующему заданной длине сканирования, вдоль предусмотренной линии 6 разделения пластины 7, подлежащей разделению.
Понятно, что установка, состоящая из лазерного источника 1, телескопа 3 и сканера 4 установлена соответствующим образом стационарно, а пластина направляется вдоль линии разделения через рабочую камеру, если линия разделения длиннее, чем длина сканирования. Если длина сканирования выбрана так, чтобы быть равной длине линии разделения, то пластина может также оставаться стационарной в процессе производства, и лазерный луч сразу нагревает пластину в течение сканирования линии разделения от одного конца упомянутой пластины к другому.
Сканер 4 в действительности имеет два зеркала с приводом от двигателя, посредством которых лазерный луч может управляться в направлении Х и/или Y в каждом местоположении рабочей поверхности под лазерной установкой. Это позволяет лучу «записывать» свои линии нагрева на материал со скоростью до 250 м/с.
В течение сканирования участка сканирования лазерным лучом быстрые колебания назад и вперед лазерного луча и, тем самым, точки нагрева, соответственно попадающей на пластину, приводили бы к неравномерному нагреву в соответствующих точках реверсирования и в центре участка, тем самым препятствуя оптимизированному нагреву на участке сканирования. Кроме того, зеркальный полигон не является благоприятным в процессе сканирования лазерным лучом, поскольку зеркальный полигон является управляемым только в отношении скорости сканирования, но не в отношении времени цикла вводимого тепла. Длина участка сканирования также не могла бы регулироваться таким способом.
Поэтому в способе, соответствующем изобретению, является критическим, что участок сканирования сканируется по линии разделения постоянно в одном и том же направлении.
Поэтому зеркало сканера 4 возвращается к начальной позиции лазерного луча для следующего сканирования, когда лазерный луч отключается или иным образом прерывается. Управление временем отключения или временем прерывания лазерного луча 2 позволяет управлять временем цикла, в то время как скорость сканирования остается постоянной.
2
2
Используемый лазерный источник 1 может быть либо СО-лазером (с длиной волны примерно 10 мкм), либо YAG-лазером (с длиной волны примерно 1 мкм). При испытаниях, выполненных со способом, соответствующим изобретению, использовался СО-лазер, причем тепло вводилось с поверхности пластины в объем материала пластины. В этом случае относительно широкое (примерно от 6 до 10 мм) лазерное пятно формировалось на поверхности пластины, чтобы получить оптимальную низкотемпературную нагрузку поверхности при введении максимально возможного тепла и, тем самым, оптимизировать передачу тепла в глубину, а не в ширину.
Последующее охлаждающее устройство, такое как требуется для разделения стеклянных пластин нормальной толщины посредством лазерного луча с использованием способа, как описано в WO 05/092 806, не является обязательным в способе, соответствующем изобретению. Однако для оптимизации процесса может быть полезным вводить первоначальную трещину с помощью охлаждающего устройства такого типа в момент непосредственно перед инициированием объемного раскалывания.
Тепло, вводимое в материал пластины, в течение многократного сканирования лазерным лучом 2, может быть увеличено таким образом, что если во время каждого процесса сканирования линия разделения сканируется на всю ее длину, то интенсивность введенного тепла увеличивается после каждого индивидуального сканирования или в каждом случае после некоторого числа индивидуальных сканирований. Если, в случае относительно длинных линий разделения, линия сканирования сканируется с приращениями, то есть с перекрывающимися участками сканирования, которые в каждом случае перемещаются дальше на некоторое приращение вдоль линии разделения, сканирование с приращением всей линии 6 разделения повторяется, по меньшей мере, однократно или множество раз, и интенсивность введенного тепла увеличивается в течение каждого повторения. Введенное тепло может увеличиваться путем увеличения интенсивности лазерного луча.