DE19616327C2

DE19616327C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von dünnwandigen Glasrohren

Info

Publication number: DE19616327C2
Application number: DE19616327A
Authority: DE
Inventors: Andre Dr Witzmann; Ulla Dr Trinks
Original assignee: Schott Ruhrglas GmbH
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 1999-07-22
Anticipated expiration: 2016-04-25
Also published as: DE19616327A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Glasrohren mit einer Wanddicke bis zu 0,5 mm, bei dem ein fokussierter und mindestens ein defokus sierter Laserstrahl eingesetzt wird, wobei der fokussierte Laserstrahl das Glas entlang einer vorgegebenen Trennlinie verdampft. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Trennen von Glasrohren gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 12.

Bei der Be- und Verarbeitung von Glasrohren ist das Trennen eine der häufig vorkommenden Operationen. Die Trennverfahren lassen sich grob in drei Klassen einteilen: Bruchverfahren, wärmeweiche Trennverfahren und Schneidverfahren durch Abtrag, meistens Verdampfen von Material.

Das am meisten verwendete Trennverfahren ist das Absprengen oder Abbrechen, das darauf beruht, daß im Glas eine Spannungszone und ggf. eine Schwachstelle durch einen vorherigen Anriß erzeugt wird, worauf das Glasrohr unter Rißbil dung getrennt werden kann. Der Anriß und die Spannungen zur Rißausbreitung können sowohl konventionell, d. h. mit Diamanten, Hartmetallrädchen, Heizung mit Brenner oder Abschrecken mit Wasser, als auch unter Einsatz von Lasern erzeugt werden, wie dies beispielsweise in der SU 1784596 A1, DE 43 05 106 A1, DE 43 05 107 A1 und WO 94/22778 beschrieben wird. Die Bruchver fahren haben den Nachteil, daß der Riß nicht immer genau entlang der gewünsch ten Trennlinie verläuft, daß der Trennprozeß mit einer Taktzeit von mehreren Sekunden pro Trennung relativ langsam ist und daß die Trennstelle scharfkantig ist und somit eine Verletzungsgefahr in sich birgt, sofern nach dem Trennen die Kanten nicht verschmolzen werden. Insbesondere bei dünnwandigem Glas können durch thermische Behandlung keine Spannungen aufgebaut werden, die eine reproduzierbare Bruchausdehnung garantieren. Bei mechanischem Brechen, eventuell mittels eines vorherigen Anrisses, entstehen instabile Enden, wobei Risse in Richtung der Rohrlängsachse laufen können.

Die wärmeweichen Trennverfahren sehen vor, daß das Glas an der Trennstelle erweicht und unter weiterem Erhitzen die erweichten Teile voneinander getrennt werden, was entweder unter dem Einfluß der Schwerkraft von selbst geschieht oder mechanisches Ausziehen erfordert, wie dies in der SU 966048 beschrieben wird. Nachteilig dabei ist, daß an der Trennstelle häufig ein Wulst auftritt, dessen Durchmesser größer ist als die Wandstärke des Rohres und daß das Rohr an mindestens einem Ende meist in vertikaler Richtung fest eingespannt werden muß.

Es ist ferner bekannt, Glas mittels hochintensiver Laserstrahlung zu schneiden. Hierbei wird das Glas längs der Trennlinie durch die Laserstrahlung verdampft. Es ist allerdings nachteilig, daß hohe thermische Spannungen im Glas auftreten und daß verdampftes Glas bzw. dessen Zersetzungsprodukte in der Nähe der Trennstelle kondensieren. Gemäß der EP 0 062 484 A1 wird mit einem fokussierten Laserstrahl Glas in einer bestimmten Wanddicke verdampft und die Verdampfungsprodukte werden mit einem Gasstrahl weggeblasen, wobei gleichzeitig der Rest der noch nicht verdampften Wanddicke deutlich über T_G (950-1100°C) erhitzt wird. Die Trennung des Glases erfolgt hierbei ausgehend von einem Loch, das im Verlauf des Prozesses entsteht. Es handelt sich bei dieser Methode um die Trennung von dickwandigem Glas, d. h. Gläsern mit Wanddicken <3 mm, so daß daher große Laserleistungen in der Größenordnung von 600-700 W benötigt werden. Die Schneidgeschwindigkeiten sind dementsprechend langsam und liegen bei 5-30 mm/s.

In der SU 1811506 A3 wird das Trennen von Quarzglasrohr mittels Laserstrah lung beschrieben. Dabei werden fokussierte Laserstrahlen auf zwei Kanälen um das Rohr geführt und das Trennen des Rohres geschieht durch sukzessives Aufheizen von Glasbereichen bis zur Verdampfung des Glases. Dieses Verfahren ist speziell zum Trennen relativ großer Rohre mit Außendurchmessern größer gleich 50 mm und Wanddicken größer gleich 1 mm mit Trennraten von weniger als 1 Abschnitts geeignet.

Aus der DE 196 09 199 A1 ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken, insbesondere von Glas, wobei unter Bearbeitung Bohren, gezielter Materialabtrag und auch Trennen verstanden wird. Zum Trennen wird ein scharf fokussierter und eine hohe Leistungsdichte aufweisender Bearbeitungsstrahl verwendet, zum Umformen, Umschmelzen oder zur Wärmebehandlung ein zweiter Bearbeitungs strahl mit geringer Leistungsdichte, der geringer fokussiert oder auch divergent ist. Durch den zweiten Bearbeitungsstrahl wird das Glas allerdings nur bis zur Plastizität erwärmt. Die Vorrichtung aus DE 196 09 199 A 1 enthält keine Zu führ- und Abführeinrichtung für die Glasrohre. Die Glasrohre müssen in eine eigens vorgesehene Spann- und Positioniereinheit eingesetzt werden.

In der Patentschrift US-PS 4 146 380 werden ein Verfahren wie auch eine Vorrichtung zum Abtrennen und Verschließen gasgefüllter Rohrabschnitte be schrieben. Da es sich um radioaktives Gas handelt, das im Rohr eingeschlossen werden soll, sind besondere apparative Vorkehrungen notwendig. Die Glasrohre haben in der Regel rechteckigen Querschnitt, wobei der Laserstrahl nur auf die Längsseite des Glasrohres geführt wird, die Schmalseite hingegen nicht erwärmt wird. Zunächst wird das Glasrohr mittels der Laserstrahlen bei geringer Intensität vorgewärmt und anschließend bei hoher Intensität durchtrennt und verschweißt. Hierzu wird der Laserstrahl auf der Glasrohroberfläche fokussiert und hin- und herbewegt. Der Fokusdurchmesser ist im Hinblick auf den Innendruck des Rohres zu wählen und beträgt 0,254-0,4635 mm. Mit dem defokussierten Strahl wird erst dann gearbeitet, wenn das Glasrohr bereits durchtrennt und die Enden verschlossen sind. Daher spielt die Wulstbildung im Verfahren gemäß US-PS 4 414 680 keine Rolle. Bei der entsprechenden Vorrichtung sind weder Zuführ- und Abführeinrichtungen für Glasrohre noch Mittel zur Rotation des Glasrohres vorhanden. Man kann damit keinen kontinuierlichen Betrieb durchführen, bei dem nacheinander mehrere Glasrohre bearbeitet werden können.

In der Patentschrift JP 60-251138 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem Flachglas in beliebige Formen geschnitten werden kann. Das Glas wird dazu auf eine feuerfeste Unterlage abgelegt. Mittels eines defokussierten Laserstrahles wird der zu schneidende Bereich vorgewärmt, dann mit einem fokussierten Laserstrahl der Trennvorgang durchgeführt und abschließend mit einem defokus sierten Laserstrahl die Enden langsam abgekühlt. Wegen der sehr großen Auf weitung des Laserstrahls und der Vorwärmung des gesamten Gegenstandes dürften die Temperaturen hier weit unterhalb der Transformationstemperatur liegen. Anschließend wird mit einem fokussierten Laserstrahl der Trennvorgang durchgeführt und das abgetrennte Glasteil langsam abgekühlt, was mittels eines ebenfalls defokussierten Laserstrahls durchgeführt wird. Die zu trennenden Wanddicken befinden sich im Bereich von ca. 1,0-3,2 mm und die Schnitt geschwindigkeit beträgt 0,3-9,5 mm pro Sekunde. Das Vor und Nachheizen dient lediglich dazu, eine Rißbildung beim nachfolgenden Schneiden zu verhin dern. Daher werden nur geringe Energiedichten von 2-14 W/cm² eingesetzt. Die Wulstbildung spielt wegen der großen Wanddicken keine Rolle und kann auch mit dem aus JP 60-251138 bekannten Verfahren weder verhindert noch beeinflußt werden.

Die Wulstbildung hat je nach Anwendungsbereich unterschiedliche Nachteile. Z. B. bei Wärmeschutzverglasungen, d. h. transparenter Wärmedämmung, werden große Mengen von Glasröhrchen übereinander gestapelt. Um die mechanische Stabilität der Glasröhrchen in den Stapeln zu garantieren, dürfen die Glasröhr chen an der Trennstelle keinen Außenwulst aufweisen, da ansonsten der gesamte Druck des Stapels auf die Wülste wirkt, was zu einem Absprengen der Rohren den führen kann. Andererseits darf der Wulst auch nicht weit in das Rohrinnere ragen, weil dadurch die optische Transparenz einer solchen Anordnung bei der Beobachtung in Richtung der Rohrachse reduziert wird.

Aufgabe der Erfindung ist daher ein Verfahren, mit dem dünnwandige Glasrohre weitgehend ohne störende Wulstbildung am Rohrende getrennt werden können, wobei eine hohe reproduzierbare Endenqualität bei gleichzeitig kurzen Trenn zeiten angestrebt wird. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.

Die Aufgabe wird verfahrensmäßig dadurch gelöst, daß sowohl das Trennen mit einem fokussierten Laserstrahl als auch das Aufheizen des Glasrohres mit einem defokussierten Laserstrahl mit einer Leistung von maximal 40 W durchgeführt werden, daß das Trennen mit einem fokussierten Laserstrahl mit einem Fokus durchmesser von höchstens 0,08 mm und einer minimalen Schnittgeschwindigkeit von 40 mm/s erfolgt, und daß der defokussierte Laserstrahl kontinuierlich über den Bereich der Trennlinie geführt und derart defokussiert wird, daß sein Durch messer auf der Oberfläche des Glasrohres bis zum 50-fachen der Wanddicke beträgt und er das Glasrohr auf eine Temperatur T ≧ T_g aufheizt, wobei T_g die Transformationstemperatur des Glases ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Wulstbildung nur dann beeinflußt bzw. beseitigt werden kann, wenn der Trennvorgang von einer zusätz lichen Wärmebehandlung begleitet wird, die sich auf einen Bereich der Schneid spur ersteckt, der um ein Vielfaches größer ist als die Wanddicke des Glasrohres, wobei die Temperatur so hoch sein muß, daß eine Erweichung stattfinden kann. Hierzu konnten konventionelle Heizquellen, wie z. B. Gasbrenner, Wasserstoff brenner oder Strahlungsbrenner, nicht eingesetzt werden, weil die Wärmebehand lung in unmittelbarer Nähe des Schneidpunktes, d. h. vor, im oder hinter dem Fokus des Trenn-Laserstrahls stattfinden muß. Ferner treten bei den konventio nellen Brennern aufgrund der kleinen Wanddicken des Glasrohrs und der großen Heizzone des Brenners Unsymmetrien, Verdickungen, schlechter Planlauf und stark ausgeprägte Innen- oder Außenwülste auf, wobei auch die Endenqualität nicht reproduzierbar einge stellt werden kann. Bei schnellen Schneidvorgängen können durch die Wulst bildung aufgebaute Spannungen bereits innerhalb von 1 sec zu spontanen Rissen führen.

Durch die thermische Wirkung der unterschiedlichen Laserstrahlen werden verschiedene Komponenten der Oberflächenspannung induziert und die Glasmasse inhomogen erweicht, wodurch die Wulstform gezielt beeinflußt werden kann. Der gewünschte Effekt entsteht durch die Überlagerung der thermischen Wirkung beider Laserstrahlen. Hierbei ist von Bedeutung, daß die Trennung und die Endenformung in einem Prozeß erfolgen, wodurch trotz einseitigem bzw. punkt förmigem Energieeintrags Rohrenden mit geringer Restspannung und hoher mechanischer Stabilität und lediglich geringfügigen Wülsten entstehen. Vorteilhaft ist, daß durch das breite Temperaturprofil, das sich während des Trennvorgangs im Glas einstellt, der Aufbau mechanischer Spannungen im Trennbereich stark reduziert wird, wodurch die mechanische Stabilität der Rohrenden garantiert wird.

Die beiden Laserstrahlen können vorzugsweise auf dieselbe Stelle auf dem Glasgegenstand gelenkt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den oder die defokussierten Laserstrahlen längs der Trennlinie versetzt anzuordnen. Es kann beispielsweise mit drei Laserstrahlen, nämlich einem fokussierten und zwei defokussierten Laserstrahlen gearbeitet werden, wobei ein defokussierter Laser strahl vor und ein defokussierter Laserstrahl hinter dem fokussierten Laserstrahl auf das Glasrohr auftrifft, so daß einer zum Vorwärmen und einer zum Nachwärmen eingesetzt wird. Durch diese Verfahrensvariante wird ein besonders guter Spannungsabbau im Glas erzielt.

Vorzugsweise wird man jedoch mit zwei Laserstrahlen auskommen, wobei der defokussierte Strahl unmittelbar vor und/oder nach dem fokussierten Strahl auftreffen sollte, um ein Abspringen des Schneidwulstes zu verhindern. Durch die Möglichkeit den Laser des defokussierten Strahls definiert ein- und auszuschalten, kann z. B. zuerst eine Umdrehung lang vorgewärmt werden, dann wird geschnitten und anschließend wird nachgewärmt.

Der defokussierte Laserstrahl ist vorzugsweise um max. ±90° versetzt zum fokussierten Laserstrahl angeordnet. Die Versetzung des defokussierten Laserstrahls zum fokussierten Laserstrahl muß an den Rohrdurchmesser und an die Schneidgeschwindigkeit angepaßt sein, die wiederum von der Wandstärke des Glasrohres und den Leistungen des Lasers des fokussierten Strahls abhängt. Vorzugsweise wird der defokussierte Laserstrahl derart beabstandet zum fokussierten Laserstrahl auf das Glasrohr gelenkt, daß jeder Punkt der Trennlinie diese Auftreffpunkte der Laserstrahlen innerhalb von höchstens 1 sec durchläuft. Dadurch wird garantiert, daß die Wärmebehandlung in zeitlich engem Zusammenhang zum eigentlichen Trennvorgang durchgeführt wird. Wenn der fokussierte Laserstrahl auf diese Weise vor oder nach dem beschriebenen Trennvorgang zum weiteren Vor- oder Nachwärmen genutzt wird, wird vorteilhafterweise eine weitere Spannungsreduzierung erzielt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich im wesentlichen drei Schnittvarianten realisieren:

1. Wenn mittels des defokussierten Laserstrahls nachgewärmt wird, wobei der defokussierte Strahl sich bis maximal 90° versetzt hinter dem Fokus des fokussierten Laserstrahls auf dem Rohrumfang, d. h. der Schneidspur befindet, wird die Wulstgröße deutlich reduziert. Dies bedeutet, daß kein ausgeprägter Außen- oder Innenwulst entsteht. Die Röhrchenenden werden weitgehend spannungsfrei und sie sind daher mechanisch stabil, stapelbar und frei von Verunreinigungen.
2. Wenn zunächst vorgewärmt wird und anschließend der Trennvorgang mittels des fokussierten Laserstrahls durchgeführt wird, wobei sich der Fokus des defokussierten Laserstrahls bis zu 90° versetzt vor dem Fokus des fokussierten Laserstrahls befindet, entsteht ein nahezu symmetrischer Wulst, wobei der Außen- und der Innenwulst nicht mehr als 25 µm betragen.
3. Das Vor- und Nachwärmen kann miteinander kombiniert werden, mit der Wirkung, daß der durch das Vorwärmen entstehende Innenwulst nahezu stabil bleibt, während der Außenwulst eingeformt wird.

Durch die Kombination variabler Energieregime von Vorwärmen, Schneiden und Nachwärmen ist es möglich, die Endenausbildung, d. h. die Form des Wulstes zu steuern, Restspannungen zu minimieren und die Stabilität der Röhrchen, sowie andere wichtige Eigenschaften, wie z. B. die Stapelfähigkeit, gezielt zu beeinflussen.

Für die Erzeugung des fokussierten und des defokussierten Laserstrahls können zwei Laser eingesetzt werden, die unterschiedliche Abbildungsoptiken aufweisen. Zur Vereinfachung kann auch lediglich ein Laser verwendet werden, wobei der von der Laserquelle kommende Laserstrahl in einen fokussierten und einen defokussierten Laserstrahl aufgeteilt wird. Hierzu werden üblicherweise Strahlteiler verwendet. Das Glasrohr kann während des Trennvorgangs gedreht werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den oder die Laserstrahlen über das in Ruhe befindliche Glasrohr zu führen. Hierbei befinden sich die Glasrohre vorzugsweise in horizontaler Lage.

Der Fokusdurchmesser des fokussierten Laserstrahls auf der Rohroberfläche beträgt höchsents 0,08 mm. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Glasrohr und Laserstrahl beträgt mindestens 40 mm/s. Dabei beträgt die Leistung sowohl des fokussierten als auch des defokussierten Laserstrahls maximal 40 W.

Für die Endenformung der Rohrenden wird vorzugsweise ein defokussierter Laserstrahl, der z. B. elliptisch fokussiert sein kann, mit einem Fokusdurchmesser auf der Glasrohroberfläche von 2-4 mm verwendet. Als Laserstrahlquelle kommen CO₂- oder CO-Laser in Betracht.

Die Vorrichtung zum Trennen von Glasrohren umfaßt folgende Einrichtungen: eine Zuführ- und Abführeinrichtung für die Glasrohre, mindestens einen Laser und dazugehörige optische Einrichtungen zum Einstellen von fokussierten Laser strahlen mit einem Fokusdurchmesser von maximal 0,08 mm und defokussierten Laserstrahlen mit einer jeweiligen Leistung von maximal 40 W auf der Glasrohr oberfläche sowie Mittel zum Rotieren und Positionieren des Glasrohres und/oder Mittel zum Bewegen der Laserstrahlen über die Glasrohroberfläche während des Trennvorgangs.

Vorzugsweise handelt es sich bei der Vorrichtung um eine mit Laser bestückte Horizontalmaschine, die den Vorteil aufweist, daß die Glasrohre auf einfache Weise transportiert und während des Trennvorgangs gedreht werden können.

Die Zuführ- und Abführeinrichtung weist bei der Horizontalmaschine vorzugs weise Transportketten auf, die mit V förmigen Transportelementen bestückt sind, in denen die Glasrohre horizontal aufliegen. Die Mittel zum Rotieren und Positio nieren der Glasrohre umfassen Rollen und Niederhalter, die beispielsweise mitrotierende Rollen sein können, die durch ihr Eigengewicht auf das Glasrohr drücken und so z. B. die Ovalität des relativ elastischen Glasrohres ausgleichen und damit die Fokussierbedingungen gewährleisten.

Jeder Trennlinie des Glasrohres ist mindestens ein Laser zugeordnet, wobei der fokussierte und der defokussierte Laserstrahl längs der Trennlinie um maximal 90° zueinander versetzt angeordnet sind. Es kann auch gemäß einer weiteren Ausführungsform für den fokussierten Laserstrahl und den defokussierten Laserstrahl jeweils ein eigener Laser vorgesehen sein.

Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Trennvorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein im Trennvorgang befindliches Glasrohr,

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Horizontalmaschine mit zwei Lasertrennstellen und

Fig. 4 eine Seitenansicht der Horizontalmaschine.

In der Fig. 1 ist ein Glasrohr 1 dargestellt, das in einer Rotationseinrichtung 8 eingespannt ist und von dieser gedreht wird. Das Glasrohr 1 soll längs der Trennlinie 5 in zwei unterschiedlich lange Rohrabschnitte 2 und 3 getrennt werden. Aus einer Laserquelle 10 tritt ein Laserstrahl 20 in eine optische Einrichtung 14 (Teleskop) ein und trifft anschließend auf einen Strahlteiler 15. Der durchgehende Laserstrahl 21 wird mittels einer Fokussierlinse 16 auf der Oberfläche des Glasrohrs 1 fokussiert. Der zweite Laserstrahl 22 wird an einem Umlenkspiegel 17 in Richtung Glasrohr 1 umgelenkt und durchläuft eine Sammellinse 18, die in einem solchen Abstand von der Glasrohroberfläche angeordnet ist, daß der Laserstrahl 22 defokussiert auf der Oberfläche des Glasrohrs 1 auftrifft. Die Auftreffpunkte beider Laserstrahlen 21, 22 können zusammenfallen oder sind auf dem Umfang des Glasrohres versetzt zueinander angeordnet (s. Fig. 2).

Während des Trennvorgangs verdampft der Laserstrahl 21 das Glas längs der Trennlinie 5, wobei gleichzeitig mittels des defokussierten Laserstrahls 22 im Bereich der Trennlinie 5 eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Die vom Laserstrahl 22 auf der Oberfläche des Glasrohrs 1 ausgeleuchtete Fläche besitzt einen Durchmesser, der bis zu 50 mal größer ist als die Wanddicke des Glasrohres 1. An den Enden der beiden Rohrabschnitte 2 und 3 wird somit aufgrund der Rotation des Glasrohrs 1 ein streifenförmiger Bereich 6a bzw. 6b vom Laserstrahl 22 behandelt, so daß hier die Endenformung stattfinden kann. Während des gesamten Vorgangs wird das Glasrohr 1 mittels der symmetrisch zur Trennlinie 5 angeordneten Niederhalter 25a, 25b und 26a, 26b in der gewünschten Position gehalten, so daß sich der Fokus des fokussierten Strahls 21 während der Drehung des Glasrohrs 1 immer auf der Oberfläche des Glasrohres befindet. Verdampftes Glasmaterial wird von einer Absaugeinrichtung 9 aufgenommen und aus dem Bereich der Trennlinie 5 entfernt. Bei Glaswanddicken kleiner gleich 0,1 mm und einem Außendurchmesser von 10 mm gelingt es beispielsweise mit Laserleistungen kleiner 25 W in weniger als 1 sec eine exakte Schnittspur mit kaum sichtbaren Verdampfungsrückständen an den Schnittkanten zu erzielen.

Beispiel 1:

Mit dieser Vorrichtung wurde ein Glasrohr 1 mit einem Durchmesser von 7 mm und einer Wanddicke von 0,1 mm durchtrennt. Zum Trennen wurde ein cw-CO₂-Strahl mit 40 W (Punktfokus von 0,06 mm Durchmesser) auf der Rohroberfläche fokussiert. Die Lage des Rohrs im Tiefenschärfebereich von 0,1 mm wurde durch die Niederhalter 25a, b, 26a, b garantiert, die symmetrisch zur Trennlinie 5 auf dem Rohr 1 anliegen. Die Rotationsgeschwindigkeit des Rohres 1 betrug 2,5 Umdrehungen/sec. Zur Formung der Rohrenden wurde ebenfalls ein cw-CO₂-Laserstrahl mit 40 W und mit einem Fokusdurchmesser auf der Glasrohroberfläche von ca. 3 mm genutzt. Die Auftreffstellen der beiden Laserstrahlen 21 und 22 waren um 90° versetzt.

Vergleichsversuche:

Es wurde ein Vergleichsversuch ohne defokussierte Laserstrahlen durchgeführt. Bei diesem reinen Schneidverfahren wurde eine Laserleistung von 30 W eingesetzt. Bei einer Trennzeit von 0,4 sec bildete sich aufgrund der Oberflächenspannung hauptsächlich ein Außenwulst, der den Radius des Ausgangsrohres um ca. 25 µm überragte. Es schlugen sich keine Verdampfungsprodukte an den Rohrenden nieder, aber die mechanische Spannung war so hoch, daß der Wulst bereits kurz nach dem Schneiden absprang.

In der Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Glasrohr 1 im Bereich der Trennlinie 5 dargestellt. Im nicht-schraffierten Bereich des Glasrohres 1 ist bereits die Trennung vollzogen. Die beiden Laserstrahlen 21 und 22 sind um 90° versetzt angeordnet, so daß die Wärmebehandlung nach dem Trennvorgang zeitlich versetzt als Nachwärmen durchgeführt wird.

In der Fig. 3 ist die Draufsicht auf eine Horizontalmaschine dargestellt, auf der das zu trennende Glasrohr 1a, 1b über Rollen 34, die auf Antriebswellen 35 und 36 angeordnet sind, mittels der Rotationseinrichtung 8, zur Rotation um die Längsachse angetrieben wird. Wenn das Eigengewicht des Glasrohres 1b nicht ausreicht, kann die Rotation durch über die Länge des Glasrohres 1b verteilte Niederhalter 25, 26, 27 und 28 unterstützt werden.

Die Zuführung der Glasrohre 1a, 1b erfolgt über Ketten 29a, 29b, die mit V- förmigen Transportelementen 30, 31 das jeweilige Rohr auf die Rollen transportieren und nach der Trennung werden die Glasrohrabschnitte durch anders angeordnete V förmige Transportelemente 32, 33 ausgehoben und zur weiteren Verwendung abtransportiert. Die Anordnung bzw. der Abstand der Transportelemente, Rollen und Niederhalter ist somit von der Länge der zu trennenden Glasrohre abhängig.

Zur Trennung werden zwei auf die Oberfläche des Glasrohrs 1b stark fokussierte Laserstrahlen 21, 23 verwendet, die während einer Umdrehung des Rohres 1 das Glas entlang der gewünschten Trennlinie 5a bzw. 5b verdampfen, so daß drei Rohrabschnitte 2, 3 und 4 entstehen. Die Tiefenschärfe der Fokusse wird durch die symmetrisch zu den Trennlinien 5a, 5b angeordneten Niederhalter 25, 26, 27 und 28 auf dem Glasrohr gewährleistet. Durch Optimierung von Umdrehungsgeschwindigkeit, Laserleistung und Zeit kann die Menge an störenden Verdampfungsrückständen minimiert werden. Entstehende Verdampfungsprodukte können durch entsprechende Absaugeinrichtungen 9a, 9b beseitigt werden, die im Bereich der Trennlinien 5a, 5b angeordnet sind.

Zur Minimierung der Spannung an den Schnittkanten bzw. an den Rohrenden werden zwei Laserstrahlen 22, 24 verwendet, die defokussiert auf die Schneidspuren treffen und dort Randbereiche 6a, 6b und 7a, 7b behandeln. Die Laserstrahlen 22, 24 sind zu den Laserstrahlen 21, 23 um einen beliebigen Winkel, der aber kleiner 90° sein sollte (s. Fig. 2), versetzt angeordnet, so daß die Laserstrahlen 22, 24 sowohl zum Vorwärmen als auch zum Nachwärmen eingesetzt werden können. Über die Laserparameter Leistung, Zeit und Strahlform und den Fokusradius, der über den Linsenabstand der Sammellinsen 37, 38 eingestellt wird, ergibt sich eine Variationsvielfalt bezüglich Verweilzeit, Breite und Endenqualität. Das Temperatur-Zeitregime des Verwärmens muß Temperaturen um T_g auf dem Glas gewährleisten. Der Spannungsabbau durch das Verwärmen wird optimal, wenn unmittelbar vor und nach dem Schneiden erwärmt wird.

Beispiel 2:

Für die Trennvorgänge an Glasrohren 1a, 1b mit Außendurchmessern von z. B. 7 mm sowie Wanddicken von 0,1 mm werden beispielsweise über Transportketten ca. 1,5 m lange Glasrohre 1a, 1b horizontal bereitgestellt, wobei jeweils ein Rohr 1b ausgehoben wird und auf die Rollen 34 der Horizontalmaschine übergeben wird. Bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von beispielsweise 140 Umdrehungen/min kann in 0,4 s je nach Anzahl der Trennstationen das Rohr in entsprechend viele Glasrohrabschnitte getrennt werden. Der Abstand der Laser bzw. der Fokusse wird dabei von der Länge der Glasrohrabschnitte 2, 3, 4 bestimmt.

Zum Schneiden wird ein cw-CO₂-Laserstrahl (Fokus < 0,1 mm) auf die Oberfläche fokussiert. Der Tiefenschärfebereich von 0,1 mm wird durch die Niederhalter 25, 26, 27, 28, die symmetrisch zu den Trennlinien 5a, 5b auf dem Rohr liegen, garantiert. Zur Verwärmung werden defokussierte cw-CO₂- Laserstrahlen (Fokus-Durchmesser ca. 4 mm) benutzt. Der Energieeintrag zum Verwärmen kann neben der Laserleistung auch über die Verwärmspurbreite, d. h. über den Linsenabstand zum Glasrohr gesteuert werden.

Wird mit 40 W in 0,4 s geschnitten, wobei nach höchstens einer Viertelumdrehung entsprechend ca. 5 mm des Rohrumfanges, der defokussierte Strahl mit 40 W Laserleistung zum Verwärmen auf die Trennlinie trifft, kann der durch die Oberflächenspannung beim Schneiden hervorgerufene Außenwulst eingeformt werden und das Rohrende im Schnittbereich wird weitgehend spannungsfrei. Die Glasröhrchen sind mechanisch stabil, stapelbar und frei von Verunreinigungen.

In der Fig. 4 ist die Seitenansicht einer Horizontalmaschine dargestellt. Auf zwei umlaufenden Transportketten 29a, 29b, von denen lediglich die eine Transportkette 29a zu sehen ist, sind V förmige Transportelemente 30 als Kettenglieder befestigt, in denen die durchzutrennenden Glasrohre 1a aufliegen. Die Transportketten 29a, 29b werden schrittweise bewegt, so daß nacheinander die zu durchtrennenden Glasrohre 1a in die Trennstation eingeführt werden. Dort wird das Glasrohr mittels der beiden hochfahrbaren Rollen 34 von unten und durch die Niederhalter 25, die ebenfalls Rollen sind, von oben erfaßt. Die Rollen 34 werden in Rotation versetzt, so daß das Glasrohr 1a um seine Längsachse rotiert. Die Niederhalter 25, die aufgrund ihres Eigengewichtes auf das Glasrohr 1a drücken, rotieren hierbei mit. Oberhalb des Glasrohres 1a sind zwei Laser 10 und 11 installiert, wobei ein Laser den fokussierten und ein Laser den defokussierten Laserstrahl liefert. Beide Laser sind um einen Winkel von 45° zueinander versetzt angeordnet. Nach dem Trennvorgang werden die beiden Rollen 34 wieder nach unten abgesenkt und der Niederhalter 25 angehoben. Die durchtrennten Glasrohrabschnitte liegen dann wiederum auf den V förmigen Transportelementen 30 auf und werden aus der Trennstation herausbefördert. Gleichzeitig wird ein neues durchzutrennendes Glasrohr 1a in die Trennstation eingeführt und der soeben beschriebene Vorgang wiederholt sich.

Bezugszeichenliste

1

Glasrohr

2

Glasrohrabschnitt

3

Glasrohrabschnitt

4

Glasrohrabschnitt

5

Trennlinie

6

a, bRandbereich

7

a, bRandbereich

8

Rotationseinrichtung

9

Absaugeinrichtung

10

Laser

11

Laser

12

Laser

13

Laser

14

Teleskop

15

Strahlteiler

16

Fokussierlinse

17

Umlenkspiegel

18

Sammellinse

20

Laserstrahl

21

Laserstrahl

22

Laserstrahl

23

Laserstrahl

24

Laserstrahl

25

a, bNiederhalter

26

a, bNiederhalter

27

Niederhalter

28

Niederhalter

29

a, bTransportkette

30

Transportelement

31

Transportelement

32

Transportelement

33

Transportelement

34

Rolle

35

Welle

36

Welle

37

Sammellinse

38

Sammellinse

Claims

1. Verfahren zum Trennen von Glasrohren mit einer Wanddicke bis 0,5 mm, bei dem ein fokussierter und mindestens ein defokussierter Laserstrahl eingesetzt wird, wobei der fokussierte Laserstrahl das Glas entlang der Trennlinie verdampft, dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl das Trennen mit einem fokussierten Laserstrahl als auch das Aufheizen des Glasrohres mit einem defokussierten Laserstrahl mit einer Leistung von maximal 40 W durchgeführt werden,
daß das Trennen mit einem fokussierten Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser von höchstens 0,08 mm und einer minimalen Schnittgeschwindigkeit von 40 mm/s erfolgt, und
daß der defokussierte Laserstrahl kontinuierlich über den Bereich der Trennlinie geführt und derart defokussiert wird, daß sein Durchmesser auf der Oberfläche des Glasrohres bis zum 50-fachen der Wanddicke beträgt und er das Glasrohr auf eine Temperatur T ≧ T_g aufheizt, wobei T_g die Transformationstemperatur des Glases ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Laserstrahlen auf dieselbe Stelle auf das Glasrohr gelenkt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasrohr im Bereich der Trennlinie mit dem defokussierten Laserstrahl vor- und/oder nachgewärmt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der defokussierte Laserstrahl derart beabstandet zum fokussierten Laserstrahl auf das Glasrohr gelenkt wird, daß jeder Punkt der Trennlinie die Auftreffstellen der Laserstrahlen innerhalb von höchstens 1 s durchläuft.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von einer Laserstrahlquelle kommende Laserstrahl in einen fokussierten und einen defokussierten Laserstrahl aufgeteilt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Trennvorganges das Glasrohr rotiert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß während des Trennvorgangs die Laserstrahlen über das Glasrohr geführt werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fokusdurchmesser des fokussierten Laserstrahls auf der Rohroberfläche höchstens 0,1 mm beträgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Endenformung der Rohrenden mit dem defokussierten Laserstrahl mit einem Fokusdurchmesser auf der Glasoberfläche von 2-4 mm durchgeführt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Laserstrahlquelle CO₂- oder CO-Laser verwendet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasrohre in horizontaler Lage durchtrennt werden.

12. Vorrichtung zum Trennen von Glasrohren (1, 1a, 1b) mit
einer Zuführ- und Abführeinrichtung für die Glasrohre (1, 1a, 1b),
mindestens einem Laser (10, 11, 12, 13) und dazugehörigen optischen Einrichtungen (14-18) zum Einstellen von fokussierten Laserstrahlen mit einem Fokusdurchmesser von max. 0,08 mm und defokussierten Laserstrahlen (21, 23) mit einer jeweiligen Leistung von maximal 40 W auf der Glasrohroberfläche und
Mitteln zum Rotieren und Positionieren des Glasrohres (1, 1a, 1b) und/oder Mitteln zum Bewegen der Laserstrahlen (21, 23) über die Glasrohroberfläche während des Trennvorgangs.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine mit Laser (10, 11, 12, 13) bestückte Horizontalmaschine handelt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführ- und Abführeinrichtung Transportketten (29a, b) aufweist, die mit V förmigen Transportelementen (30, 31) bestückt sind, in denen die Glasrohre (1, 1a, 1b) horizontal aufliegen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Rotieren und Positionieren der Glasrohre rotierende Rollen (34) und Niederhalter (25-28) umfassen.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Trennlinie (5, 5a, 5b) des Glasrohres (1a, 1b) mindestens ein Laser zugeordnet ist, wobei der fokussierte und der defokussierte Laserstrahl (21, 23) längs der Trennlinie (5, 5a, 5b) um maximal 90° zueinander versetzt angeordnet sind.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für den fokussierten Laserstrahl (21) und den defokussierten Laserstrahl (22) jeweils ein eigener Laser (10, 11) vorgesehen ist.