Устройство лазерной резки образца из хрупкого неметаллического материала

Полезная модель относится к устройствам лазерной резки хрупких прозрачных и непрозрачных неметаллических материалов, например, стекла и керамики, лазерным излучением и может быть использована в стекольной, авиационной, автомобильной, строительной и других отраслях промышленности.
Известно устройство для притупления острых кромок стеклоизделий механическим способом - шлифовкой абразивным инструментом [Технология оптических деталей, под ред. Семибратова М.Н. - М.: Машиностроение, 1978. - 415 с.)]
Недостатком данного устройства является низкое качество получаемых торцов из-за наличия большого количества микротрещин, значительно уменьшающих прочность стеклоизделий, наличие отходного материала, низкая производительность, сложность и высокая цена используемого оборудования, трудность обработки гнутых стекол. Таким образом, в случае предъявления строгих требований по прочности изделий необходимо проводить дополнительную обработку-полировку торцов, которая уменьшает, но полностью не исключает наличие микротрещин.
Известно также устройство для притупления кромок стекла методом лазерного управляемого термораскалывания (далее - ЛУТ) [RU2163226, С03В 33/02, опубл. 20.02.2001].
2
Производилось притупление острой кромки боросиликатного стекла толщиной 1,1 мм с помощью CO-лазера типа ЛГ-25 мощностью 35 Вт. Образец стекла фиксировался на координатном столе, имеющем возможность перемещения по двум координатам с регулируемой скоростью от 10 до 350 мм/с. Излучение лазера фокусировалось на кромку стекла с помощью двухлинзового объектива в пучок эллиптического сечения с размерами 1,5×8 мм. Было также использовано поворотное отражающее зеркало, установленное под углом 45° вдоль кромки стекла. В данном случае половина лазерного пучка шириной 0,75 мм направлялась на внешнюю, торцовую поверхность кромки стекла, а вторая половина пучка, отражаясь от поворотного зеркала, попадала на вторую поверхность этой же кромки стекла. При скорости перемещения стекла 35 мм/с размер фаски составил 0,2 мм.
Недостатком устройства являются технические трудности, связанные с требованием к точной фокусировке лазерного излучения на кромку стекла, а также отсутствие возможности регулировать форму фаски. К тому же, фаска снимается только с одной кромки торца и неодновременно с основным резом.
Кроме того, часто происходит отламывание стружки и прекращение процесса притупления кромок. Обработка изделий со сложной геометрией поверхности также сопряжена с большими техническими трудностями.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство лазерной резки хрупких неметаллических материалов [RU2574634, C03B 33/09, опубл. 13.05.2014 г. - прототип].
В устройстве реализован принцип резки крупногабаритных стекол со сложной геометрией поверхности двумя лазерными пучками. Первый - падающий на стекло сфокусированный пучок. Второй - этот же пучок, но прошедший через стекло и отраженный назад в область воздействия на стекло первого пучка. Встречаясь под определенными углами (в диапазоне 0-20°) к плоскости стекла, эти два пучка создают в стекле такое температурное поле и поле напряжений, которые вызывают разделение стекла с одновременным притуплением торцевых граней и получением выпуклой (или вогнутой) полукруглой или ступенчатой формы торца. При этом исключалась механическая ручная или автоматическая операция шлифовки торцов.
Недостатком этого способа является то, что управлять направлением, мощностью и диаметром можно только у первого, падающего пучка. Эти же параметры второго, отраженного от латунного листа, на котором лежит стекло, пучка, определяются только параметрами первого пучка и величиной поглощения излучения в стекле и не могут управляться независимо от первого пучка. Как следствие, невозможно получить торец с независимо регулируемыми формами фасок верхней и нижней поверхностей образца из прозрачного материала.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является получение торцов образца из хрупкого неметаллического материала с независимо регулируемыми формами фасок верхней и нижней поверхностей образца из хрупкого неметаллического материала.
Технический результат достигается тем, что устройство для лазерной резки образца из хрупкого неметаллического материала двумя лазерными пучками, полученными из первоначального лазерного пучка и направляемыми зеркалами в одну область траектории реза, а также перемещаемыми относительно образца электромеханическим устройством, содержит несущую раму с, по меньшей мере, первыми вертикальной и горизонтальной рейками, причем первая рейка выполнена с возможностью вращения в обоих направлениях в пределах 1-5° вокруг оси, перпендикулярной линии реза, по меньшей мере, три закрепленных на рейках крепежных элемента с возможностью осевого и шарнирного вращения, делительное устройство первоначального лазерного пучка, закрепленное посредством крепежного элемента на первой вертикальной рейке и расположенное под углом к первоначальному лазерному пучку и плоскости образца, по меньшей мере, первое и второе отражательные зеркала в оправах, подвижно закрепленные на первых вертикальной и горизонтальной рейках посредством крепежных элементов и позволяющие направлять разделенные пучки под углом в диапазоне 20-70° к нормали к поверхности образца, первую и вторую фокусирующие линзы, выставляемые держателями, закрепленными на оправах, по центрам пучков, при этом делительное устройство, первое и второе зеркала, а также первая и вторая фокусирующие линзы расположены над образцом.
Существует вариант, в котором образец выполнен из прозрачного хрупкого неметаллического материала.
Существует вариант, в котором устройство содержит третье и четвертое отражательные зеркала, рама выполнена со вторыми вертикальной и горизонтальной рейками, при этом третье и четвертое зеркала расположены под образцом и закреплены на второй горизонтальной рейке посредством крепежных элементов.
Существует вариант, в котором образец выполнен из малопрозрачного или непрозрачного хрупкого неметаллического материала.
Существует вариант, в котором делительное устройство расположено под углом 43-47° к первоначальному лазерному пучку и плоскости образца.
Существует вариант, в котором в качестве делительного устройства используют полупрозрачное зеркало.
Существует вариант, в котором в качестве делительного устройства используют металлическое зеркало с отверстием.
Существует вариант, в котором оправы выполнены металлическими.
На фиг. 1 приведено устройство лазерной резки образца из прозрачного хрупкого неметаллического материала.
На фиг. 2 приведено устройство в частном варианте осуществления полезной модели.
На фиг. 3 приведено устройство лазерной резки с увеличенной скоростью реза, но без возможности притупления кромок образца.
Устройство 1 (фиг. 1, 2, 3) лазерной резки образца 2 (фиг. 1, 3) (его сечение - 3 (фиг. 1, 3)) из прозрачного хрупкого неметаллического материала, представляет собой оптико-механический узел, включающий несущую раму 4 (фиг. 1, 2, 3), состоящую из первой вертикальной 5 (фиг. 1, 2, 3) и первой горизонтальной 6 (фиг. 1, 2, 3) реек, причем рейка 6 размещена в осевой муфте 7 (фиг. 1, 2, 3). Образец 2 размещен в фиксирующем его устройстве 8 (фиг. 1, 2, 3) (его сечение - 9 (фиг. 1, 3)), имеющем рассеивающую лазерное излучение поверхность 10 (фиг. 1, 3), и закреплен на вакуумных присосках (на фиг. 1, 2, 3 не показаны), расположенных напротив участков образца, не подвергаемых обработке. Образец 2 находится на заданном расстоянии 50-65 мм от рассеивающей поверхности 10 фиксирующего устройства 8.
Рейка 6 выполнена с возможностью вращения в муфте 7 в обоих направлениях в заданных пределах 1-5° вокруг оси, перпендикулярной линии реза, и соединена с оконечным звеном робота-манипулятора или с кареткой двухкоординатного стола (на фиг. 1, 2 не показаны) посредством стойки 11 (фиг. 1, 2, 3) На рейках 5, 6 закреплены крепежные элементы 12, 13, 14 (фиг. 1, 2, 3), выполненные с возможностью осевого и шарнирного вращения. На крепежных элементах 12, 13 подвижно закреплены над образцом 2 первое 15 (фиг. 1, 2, 3) и второе 16 (фиг. 1, 2, 3) отражательные зеркала в оправах (на фиг. 1, 2 не показаны).
Зеркала 15, 16 выполнены с возможностью направлять разделенные посредством делительного устройства 17 (фиг. 1, 2, 3) лазерные пучки 18 (фиг. 1, 2, 3) и 19 (фиг. 1, 2, 3), полученные из первоначального лазерного пучка 20 (фиг. 1, 2, 3), под заданным углом 20-70° к нормали к поверхности образца. Делительное устройство 17 закреплено посредством крепежного элемента 14 на рейке 5 и расположено под углом близким к 45° (43-47°) к пучку 20 и плоскости образца 2. Коллиматор 21 (фиг. 1, 2, 3) с объективом 22 (фиг. 1, 2, 3) закреплен на рейке 6 и соединен посредством оптического кабеля 23 (фиг. 1, 2, 3) с источником лазерного излучения (на фиг. 1, 2, 3 не показан). На оправах зеркал 15, 16, закреплены держатели 24, 25 (фиг. 1, 2, 3), которые посредством крепежных элементов 26, 27 (фиг. 1, 2, 3) имеют возможность выставления первой 28 (фиг. 1, 2, 3) и второй 29 (фиг. 1, 2, 3) фокусирующих линз по центрам пучков 18, 19. Держатели 24, 25 в сочетании с поворотом в осях закрепления крепежных элементов 26, 27 позволяют перемещать линзы 28 и 29 в двух взаимно перпендикулярных направлениях поперек направления пучков 18, 19 для точного попадания пучков в центры этих линз 28, 29.
В частном варианте осуществления полезной модели устройство 1 содержит третье 30 (фиг. 2) и четвертое 31 (фиг. 2) отражательные зеркала. Рама выполнена со второй вертикальной 32 (фиг. 2) и второй горизонтальной 33 (фиг. 2) рейками. Зеркала 30, 31 закреплены на рейке 33 с помощью крепежных элементов 34 (фиг. 2), 35 (фиг. 2), выполненных с возможностью осевого и шарнирного вращения. Зеркала 30, 31 расположены под обрабатываемым образцом 36 (его сечение 37), который может быть выполнен, в том числе, из мало прозрачного или непрозрачного хрупкого неметаллического материала. Зеркало 31 выполнено с возможностью направлять пучок 19 под заданным углом 20-70° к нормали к поверхности образца 36.
Рассеивающая поверхность устройства 8 может быть выполнена латунной, дюралевой с большой шероховатостью или из пенолона.
Устройство 1 действует следующим образом.
Образец 2 помещается в устройство 8, поверхность которого обеспечивает рассеивание и поглощение пучков 18, 19 прошедших через образец 2, с целью исключения их существенного и неконтролируемого влияния на тепловые процессы, возникающие в образце 2 в области резки.
Устройство 1 позволяет осуществлять различные методы лазерной резки, такие как ЛУТ, а также абляция и филаментация с использованием источников лазерного излучения с импульсно-периодическим действием, например, пико-и фемтосекундных лазеров.
При резке методом ЛУТ в обычных условиях малого поглощения воздействующего излучения образцом 2, например, стекла (0,5-3% во всей толщине образца) пучок 20 от источника подводится по кабелю 23 к коллиматору 21, выходя из него параллельным пучком.
Пучок 20 фокусируется объективом 22, а затем разделяется устройством 17 на два пучка 18, 19.
Пучок 18 направляется отражательным зеркалом 15 на точку траектории реза стекла под заданным углом к нормали к поверхности образца 2 в плоскости падения пучка и фокусируется линзой 28, которая выставляется по центру этого пучка посредством держателя 24. Плоскость падения первого пучка 18 на образец 2 устанавливается в заданных пределах путем поворота в осевой муфте 7 рейки 6.
Угол к нормали поверхности образца 2 в плоскости падения второго пучка 19 определяется наклоном устройства 17, наклоном зеркала 16, а также расстоянием между устройством 17 и зеркалом 16.
Держатели 24, 25 и крепежные элементы 26, 27 позволяют увеличить точность выставления углов падения пучков 18, 19 и расширить возможности независимого их выставления.
В результате наложения двух пучков 18, 19 в одной области образца 2, а также вследствие отвода тепла из зоны повышенной температуры за счет теплопроводности образца 2, естественного теплообмена с окружающим воздухом и принудительного воздушного охлаждения (на фиг. 1 не показано) возникает неравномерный по объему разогрев образца 2, приводящий к возникновению в нем отрицательных напряжений и, как следствие, к его разделению. При этом торец образца 2 имеет притупление обеих граней. Величина и угол плоскости притупления задаются углами падения пучков 18, 19 на образец 2, соотношением их мощностей и другими условиями процесса.
Соотношение средних мощностей пучков 18, 19 определяется техническими параметрами делительного устройства 17 и не зависит от свойств образца 2 (в частности, коэффициента поглощения излучения в образце 2) и условиями охлаждения зоны реза.
Параметры формы верхней и нижней фаски образца могут иметь различные, независимые друг от друга значения. Этот результат достигается благодаря возможности выбора соотношения мощностей пучков 18, 19, а также возможности выбора угла их падения на образец независимо для каждого из пучков 18, 19.
Профиль торца образца 2 обычно представляет собой ломаную линию. Тип профиля торца (выпуклый или вогнутый) определяется асимметрией расположения зон нагрева относительно линии реза и зон теплоотвода. В случае полной симметрии нагрева и естественного охлаждения образца 2 в области пересекающихся пучков 18, 19 тип профиля торца задается местом приложения принудительного охлаждения. При этом выпуклый торец образца не имеет острых кромок, требующих дополнительной операции притупления.
В случае отсутствия острой фокусировки пучков 18, 19, сравнительно высокой степени поглощения излучения образцом 2 или небольшой мощности пучков 18, 19 между образцом 2 и устройством 8 может быть размещен рассеивающий материал (например, пенолон). В этом случае использование присосок не обязательно, а образец 2 помещается непосредственно на рассеивающий материал. При этом процесс резки можно производить с использованием двухкоординатного стола, снабженного кареткой.
Устройство позволяет также осуществлять один из способов лазерной резки, в котором впереди пучка 18 пускают пучок 19, предварительно прогревающий область резки. В этом случае расстояние между точками падения на образец пучков 18, 19 на образец 2 может изменяться до 3L, где L - расстояние от делительного устройства до второго отражательного зеркала. Данный способ позволяет повысить скорость реза, но резка происходит без притупления кромок образца 2.
Полезная модель иллюстрируется следующими примерами осуществления.
Пример 1.
В устройстве 1 рама 6 была соединена с оконечным звеном робота-манипулятора, который перемещал устройство 1 относительно образца. Образец 2 представлял собой плоский лист силикатного стекла толщиной 6 мм. Образец 2 был закреплен в устройстве 8 на расстоянии 50 мм от его рассеивающей латунной поверхности.
В качестве источника лазерного излучения был выбран иттербиевый непрерывный волоконный лазер с длиной волны 1,065 мкм. Мощность пучка 20 составляет 260 Вт.
Пучки 18, 19 характеризовались гауссовым распределением интенсивности, имели одинаковую среднюю мощность, а их диаметр на поверхности образца составлял 6 мм.
Устройство 17 представляло собой полупрозрачное зеркало и было расположено под углом 43° к пучку 20 и под углом 47° к плоскости образца 2. Пучок 18 направлялся зеркалом 15 на образец под углом 45° к нормали к поверхности образца в плоскости падения пучка 18. Рейка 6 делала поворот на 2° посредством муфты 7. Второй пучок 19 направлялся зеркалом 16 под углом 45° к нормали к поверхности образца 2 в зону действия пучка 18 таким образом, чтобы пути прохождения этих пучков в стекле были симметричны относительно плоскости, содержащей линию траектории реза и перпендикулярной плоскости образца 2.
Скорость движения пучков 18, 19 относительно образца 2 составляла 2 мм/с.
Дополнительная струя охлаждения воздухом направлялась на образец 2 вблизи области падения пучков 18, 19 со стороны детали (часть образца, имеющая выпуклую форму торца).
В процессе лазерной резки образец разделился на две части, одна из которых имела выпуклую форму торца без острых кромок, а другая, соответственно, вогнутую.
Число плоскостей на торцах разделенного стекла в различных условиях эксперимента лежало в диапазоне от 3 до 5. При трех плоскостях на торце фаски были одинаковы, и их величина составила 5 мм×45°. Процесс резки происходил без потери материала.
Пример 2.
В устройстве 1 рама 6 была соединена с двухкоординатным столом, который перемещал устройство относительно образца. Образец представлял собой плоский лист силикатного стекла толщиной 6 мм. Образец был закреплен в устройстве 8 на расстоянии 65 мм от его рассеивающей латунной поверхности.
В качестве источника лазерного излучения был выбран иттербиевый непрерывный волоконный лазер с длиной волны 1,065 мкм. Мощность пучка 20 составляет 260 Вт.
Пучки 18, 19 характеризовались гауссовым распределением интенсивности, имели одинаковую среднюю мощность, а их диаметр на поверхности образца составлял 6 мм. Диаметр пятен подбирался выбором линз 28, 29.
Устройство 17 представляло собой металлическое зеркало с отверстием диаметром 2 мм и было расположено под углом 47° к пучку 20 и под углом 43° к плоскости образца 2. Пучок 18 направлялся зеркалом 15 на образец под углом 20° к нормали к поверхности образца в плоскости падения пучка 18. Рейка 6 делала поворот на 1° посредством муфты 7.
Второй пучок 19 направлялся зеркалом 16 под углом 70° к нормали к поверхности образца 2 в зону действия пучка 18.
Оправы зеркал 15, 16 были выполнены металлическими.
Скорость движения пучков 18, 19 относительно образца 2 составляла 5 мм/с.
Дополнительная струя охлаждения воздухом направлялась на образец 2 вблизи области падения пучков 18, 19 со стороны детали.
В процессе лазерной резки образец разделился на две части, одна из которых имела выпуклую форму торца без острых кромок, а другая, соответственно, вогнутую.
Число плоскостей на торцах разделенного стекла в различных условиях эксперимента лежала в диапазоне от 3 до 5. При трех плоскостях на торце величина верхней фаски составила 3 мм×25°, а величина нижней фаски составила 7 мм×60°. Процесс резки происходил без потери материала.
Пример 3.
В устройстве 1 рама 6 была соединена с оконечным звеном робота-манипулятора, который перемещал устройство относительно образца. Образец представлял собой плоский лист силикатного стекла толщиной 6 мм. Образец был закреплен в устройстве 8 на вакуумных присосках, расположенных вне траектории реза. В качестве источника лазерного излучения был выбран иттербиевый непрерывный волоконный лазер с длиной волны 1,065 мкм. Мощность пучка 20 составляла 260 Вт.
Пучки 18, 19 характеризовались гауссовым распределением интенсивности, имели одинаковую среднюю мощность, а их диаметр на поверхности образца составлял 6 мм. Диаметр пятен подбирается выбором линз 28, 29.
Устройство 17 представляло собой зеркало металлическое зеркало с отверстием диаметром 2 мм и было расположено под углом 45° к пучку 20 и плоскости образца 2. Пучок 18 направлялся зеркалом 15 на образец под углом 45° к нормали к поверхности образца в плоскости падения пучка 18. Рейка 6 делала поворот на 5° посредством муфты 7.
Второй пучок 19 направлялся зеркалом 16 под углом 45° к нормали к поверхности образца 2 в зону действия пучка 18 таким образом, чтобы пути прохождения этих пучков в стекле были симметричны относительно плоскости, содержащей линию траектории реза и одновременно перпендикулярной плоскости образца 2.
Скорость движения пучков 18, 19 относительно образца 2 составляла 10 мм/с.
Дополнительная струя охлаждения воздухом направлялась на образец 2 вблизи области падения пучков 18, 19 со стороны детали.
В процессе лазерной резки образец разделился на две части, одна из которых имела выпуклую форму торца без острых кромок, а другая, соответственно, вогнутую.
Число плоскостей на торцах разделенного стекла в различных условиях эксперимента лежало в диапазоне от 3 до 5. При трех плоскостях на торце фаски были одинаковы, и их величина составила 5 мм×45°. Процесс резки происходил без потери материала.
Пример 4.
Устройство 1 содержало зеркала 15, 16, 30, 31. В устройстве 1 рама 6 была соединена с оконечным звеном робота-манипулятора, который перемещал устройство относительно образца. Образец 36 представлял собой плоский лист мелкозернистой керамики толщиной 2 мм. Образец 36 был закреплен в устройстве 8 на вакуумных присосках.
В качестве источника лазерного излучения был выбран иттербиевый непрерывный волоконный лазер с длиной волны 1,065 мкм. Мощность пучка 20 составляла 500 Вт.
Пучки 18, 19 характеризовались гауссовым распределением интенсивности, имели одинаковую среднюю мощность, а их диаметр на поверхности образца составлял 3 мм.
Устройство 17 представляло собой металлическое зеркало с отверстием и было расположено под углом 45° к пучку 20 и плоскости образца 36. Пучок 18 направлялся зеркалом 15 на образец под углом 45° к нормали к поверхности образца в плоскости падения пучка 18. Рейка 6 делала поворот на 5° посредством муфты 7.
Второй пучок 19 направлялся, отражаясь от зеркал 16, 30, 31, под углом 45° к нормали к поверхности образца 36 с обратной его стороны в зону действия пучка 18.
Скорость движения пучков 18, 19 относительно образца 36 составляла 2 мм/с.
Дополнительная струя охлаждения воздухом направлялась на образец 36 вблизи области падения пучков 18, 19 со стороны детали.
В процессе лазерной резки образец 36 разделился на две части, одна из которых имела выпуклую форму торца без острых кромок, а другая, соответственно, вогнутую.
Число плоскостей на торцах разделенного стекла в различных условиях эксперимента лежало в диапазоне от 3 до 5. При трех плоскостях на торце фаски были одинаковы, и их величина составила 0,3 мм×45°. Процесс резки происходил без потери материала.
2
2
Прочность на поперечный изгиб обработанных образцов стекла в примерах 1-4 (σ=9,8 кгс/мм), оказалась почти в два раза выше, чем у образцов, вырезанных стеклорезом (σ=5,3 кгс/мм).