УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ РЕЗКИ ЛИСТОВЫХ ПРОЗРАЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к устройствам для высокоточной лазерной резки прозрачных материалов, в частности, стекол. Полезная модель может быть использована во многих отраслях промышленности, связанных с обработкой прозрачных материалов, преимущественно в стекольной и полупроводниковой промышленности.
Известен способ лазерной резки материалов [Michael Haase, Device for the separative machining of components made from brittle material. Patent US 20090014492 A1, filled 30.06.2008, published 15.01.2009, C03B 33/09].
Устройство включает лазер, верхнее зеркало прикрепленное к лазеру, и нижнее зеркало, расположенное с обратной стороны разделяемой пластины. Пластину располагают на двух опорных элементах, между которыми закрепляется нижнее отражающее зеркало. Часть лазерного излучения, падающего на пластину, поглощается в разрезаемом материале. Оставшаяся часть излучения отражается от нижнего зеркала и проходит через разделяемую пластину в области зоны реза. Далее возможно следующее отражение излучения от верхнего зеркала по направлению к нижнему и т.д.
К недостаткам устройства следует отнести то, что устройство не содержит конструктивных элементов, позволяющих управлять распределением интенсивности излучения в зоне разделения пластины. Оно не может быть использовано для резки неплоских листовых материалов.
Наиболее близким к заявленному является устройство для лазерной резки прозрачных неметаллических материалов [В.Ф. Солинов, В.С. Чадин, Т.А. Алиев, Е.Ф. Солинов, А.К. Алиев, Способ лазерной резки хрупких прозрачных неметаллических материалов, Евразийский патент №012311, СОЗВ 33/09, публ.  28.08.2009 - прототип]
Устройство содержит источник лазерного излучения, два вогнутых зеркала, расположенных соосно на противоположных сторонах материала. Нижнее и верхнее зеркала соединяют друг с другом в единую систему посредством использования магнита или электромагнита. Кроме этого, нижнее зеркало снабжено скользящей системой или роликами, позволяющими нижнему зеркалу при движении верхнего зеркала перемещаться соосно. Расстояние между фокусами изменяют в зависимости от толщины разрезаемого листа материала. Верхнее зеркало и объектив расположены на платформе, положением которой управляет робот.
Недостатком предлагаемого устройства является то, что нижнее и верхнее зеркала связаны между собой посредством сложной электромагнитной системы, снабженной скользящей системой или роликами. В результате, становится практически невозможной резка листовых материалов с большой кривизной поверхности и обрезка краев листа.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности и качества лазерной резки листовых прозрачных материалов сложной формы, которая решается путем увеличения мощности поглощенного излучения в листе разделяемого материала и управлении распределением плотностью мощности излучения в материале.
Поставленная задача решается с помощью устройства, обеспечивающего многократное прохождение луча лазера через область резки. Устройство для лазерной резки прозрачных материалов включает источник лазерного излучения, два зеркала, которые располагают на противоположных сторонах от листа материала. Зеркала закреплены на скобе состоящей из подвижных стержней и втулок, регулирующих вертикальное и горизонтальное положение зеркал, которые ориентируют относительно друг друга с помощью шарового шарнира или другого устройства для двухосной юстировки зеркал. Объектив и скоба жестко соединены с платформой, движение которой обеспечивает робот-манипулятор. Платформа может быть соединена как с оконечной секцией робота так и расположена на каретке двухкоординатного стола. В данном устройстве могут быть использованы зеркала разных профилей и размеров.
На фиг. 1 представлена общая схема устройства, на фиг. 2 - схема прохождения лучей в устройстве, а на фиг. 3 приведен пример хода лучей в системе из двух зеркал.
Устройство включает два зеркала (1, 2), которые располагают на противоположных сторонах от листа материала (3). Зеркала, закрепляют на скобе (4), которую присоединяют к платформе (5), присоединенной к оконечной секции робота или каретке координатного стола. Скоба (4) состоит из подвижных стержней (6) и втулок (7). С их помощью регулируют вертикальное и горизонтальное положение зеркал (1 и 2). Ориентируют зеркала относительно друг друга с помощью шарового шарнира или другого устройства для двухосной юстировки зеркал (на рисунке не обозначены). Объектив (8), к которому подводится лазерное излучение, монтируют на платформе (5). Сам лазер (на рисунке не показан) может располагаться непосредственно на платформе или в другом удобном месте. В последнем случае лазерное излучение подается на объектив (8) через оптоволоконный кабель. Устройство может быть оснащено приспособлением для подачи хладагента (на рисунке не показано). С помощью втулок (7) и подвижных стержней (6) зеркала могут перемещаться на расстояние до 300 мм в горизонтальной плоскости и до 200 мм по вертикали. Положение стержней фиксируется с помощью зажимных винтов (12).
Лазерный луч (9) направляют из объектива (8) к системе из двух зеркал (1, 2). Луч проходит мимо верхнего зеркала (1), как показано на фиг. 2, и попадает на нижнее зеркало (2). Отраженный под определенным углом луч (10) попадает на верхнее зеркало (1), затем вновь отражается и попадает на нижнее зеркало (2) и т.д. Угол между плоскостями зеркал выбирают в пределах от 0,05 до 25 градусов.
Ниже полезная модель иллюстрируется конкретным примером его осуществления.
В устройстве используют систему из двух плоских зеркал, наклоненных по отношению друг к другу под углом α=2,17° (фиг. 3). Луч (9) проходит рядом с зеркалом (1) и падает под углом β=24° по отношению к нормали плоскости нижнего зеркала (2). Как показано на фиг.3 луч отражается от зеркала (2) и распространяется в плоскости (X, Z). Вначале луч распространяется в направлении увеличения координаты X (сплошные стрелки на фиг. 2, 3). После отражения от зеркала (2) в точке с координатой X=47 мм направление распространения луча меняется на противоположное, т.е. в сторону уменьшения координаты X (пунктирные стрелки на фиг. 2, 3).
В данном примере луч пересекает лист материала 12 раз, ослабляется по интенсивности вследствие поглощения и рассеяния и, в конечном счете, покидает систему зеркал. Таким образом, эффективность использования излучения значительно возрастает по сравнению с устройствами с одним проходом излучения через лист прозрачного материала.
В отличие от прототипа [2] предлагаемое устройство бесконтактное, т.е. ни одна из его частей не имеет непосредственного контакта с поверхностью материала и может быть использовано для резки листовых материалов сложной 3D-формы и обрезки кромок листа.
Возможно управление пространственным распределением плотности поглощенной энергии в материале за счет двухосной ориентации зеркал. Кроме того, подбором профиля зеркал можно получить желаемое распределение интенсивности излучения на поверхности обрабатываемого материала.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Michael Haase, Device for the separative machining of components made from brittle material. Patent US 20090014492 A1, filled 30.06.2008, published 15.01.2009, C03B 33/09
2. В.Ф. Солинов, В.С. Чадин, Т.А. Алиев, Е.Ф. Солинов, А.К. Алиев. Способ лазерной резки хрупких прозрачных неметаллических материалов. Евразийский патент №200601429, заявл. от 16.08.2006, СОЗВ 33/09 - прототип