用于加工脆性硬质材料的方法与流程

本发明总体上涉及由脆性硬质材料、如玻璃或玻璃陶瓷制成的产品的加工。特别地，本发明涉及通过去除材料对脆性硬质材料进行分离加工。
背景技术：
：us2018/0141154a1描述了一种用于对工件边缘进行倒角的方法和设备。在此，利用超短脉冲激光器，将激光束倾斜地定向到待加工的工件的边缘上，以在边缘中产生倾斜的激光细丝。激光穿过具有倾斜表面的透明元件照射到工件中，以增大在工件上的入射角度。从us2010/0147813a1已知另一种通过激光加工对玻璃元件进行倒角的方法。该方法基于借助激光通过烧蚀在玻璃中产生倾斜延伸的沟槽。然而，当要引入更大的切割深度时，烧蚀是非常慢的方法。另一种分离加工方法通常也是对玻璃进行蚀刻。然而，这需要使用侵蚀性蚀刻介质，也是缓慢的，并且没有其他预防措施、如掩膜，也不是空间分辨的。技术实现要素：因此，本发明的目的在于在高精度的情况下简化和加快对脆性硬质材料、特别是如玻璃或玻璃陶瓷的分离加工。该目的通过独立权利要求的主题实现。相应的从属权利要求给出了有利的进阶方案。因此，本发明提供了一种用于分离加工脆性硬质材料的方法，其中用激光束照射由脆性硬质材料制成的工件的表面，其中，激光束的波长选择为使得光在工件的表面处被吸收，从而在表面处加热工件并且在从工件的表面到内部的方向上形成温度梯度，其中，在工件的表面上引导激光束，并且其中，沿表面在照射区域和相邻的未照射区域之间形成另一温度梯度，其中，两个温度梯度共同作用，使得由于由温度梯度引起的热机械应力，工件在表面下分开并且工件的部分特别是以碎片形式分离。因此，类似于在金属加工中普遍的那样该方法代表切削加工方法，并且由此在本文中也称为切削方法。然而，在此碎片脱离的方式与利用切割金属的机械工具加工延展性金属的情况完全不同。通过快速、冲击式表面加热，在表面附近产生应力，该应力导致碎片或更通常地工件的部分裂开。因此，该方法也可以看作热冲击式切削。该方法是加工此类脆性硬质材料的一种异常简单的方式。脆性硬质材料在此理解为硬质材料，其与金属相反是非延展性的。因此，脆性硬质材料不能永久地变形而是会破裂。破裂载荷通常也没有严格地定义，而是遵循概率分布。正是这些性质使得难以或者甚至不能进行切割加工，因为工件会很快破裂。通过本发明规避了这些困难。已知这样的方法，其中由激光产生热机械应力并且工件由此分开，例如根据us2019/0300417a1的方法。然而，利用这种方法，必须存在沿激光或激光束的行进线的例如细丝形式的预损伤。因此，这种预损伤对于us2019/0300417a1描述的方法是必要的。因此，在此描述的方法分为两步。然而，根据本申请的方法仅基于激光束的热作用以及温度梯度的形成及其特定的共同作用。特别地，该方法可以在没有另外的第一步、如引入预损伤的情况下进行。另外，us2019/0300417a1描述的是分离方法而非工件的切割后加工。作为特别优选的脆性硬质材料，考虑将玻璃或玻璃陶瓷用于工件。该方法甚至适合切削特别难以加工的玻璃和玻璃陶瓷。因此，根据一实施例规定，用该方法加工的工件的材料是热膨胀系数α20-600为最高2·10-6k-1的玻璃陶瓷。在此，令人惊讶的是，通过加热可以在这种低膨胀的材料中建立足够大的热机械应力。同样地，可以加工低膨胀的玻璃、例如所谓的ule(超低膨胀)玻璃或钛硅酸盐玻璃。根据另一实施例，工件的材料是热钢化的玻璃。在钢化后这种玻璃特别难以机械加工甚至通常不可能机械加工。然而，通过该方法也可以从热钢化的玻璃去除碎片而玻璃不会碎裂。该方法特别优选的应用是加工片状工件的边缘。因此，在一实施例中规定，工件具有边缘，其中，沿边缘引导激光束，使得当去除部分时在边缘上形成倒角。还可以对表面进行切削加工。为此，在该方法的替代或另外的实施例中规定，在工件的表面、例如侧面上引导光束，并且以这种方式通过去除部分在表面中产生凹槽。附图说明以下参考附图和示例性实施例更详细地说明本发明。图1示出了用于对玻璃板的边缘进行倒角的构造。图2示出了激光束的强度分布。图3示出了用于引入凹槽的构造。图4示出了加工的管形式的工件。图5示出了用该方法加工的控制面板。图6示出了工件上被激光束扫过的位置处的温度-时间曲线图。图7示出了激光束在工件上移动的示例。图8示出了激光束在工件上移动的路径的实施例。图9和11示出了具有倒角的工件的边缘的显微图像。图10示出了用于引入分离线以加工出工件的构造。图12示出了用具有特殊光束轮廓的激光束照射工件。图13示出了用根据图12的激光束照射的工件。具体实施方式图1示出了用于分离加工脆性硬质材料、特别是由玻璃或玻璃陶瓷制成的工件1的构造。特别地，可以用该构造加工工件1的边缘13，以在边缘13处形成倒角。为了进行加工，用激光束3照射工件1的表面，其中，激光束3的波长选择为使得光在工件1的表面5处被吸收。结果，工件1在表面5处被加热，并且在从工件1的表面5到内部的方向上形成温度梯度。为了在表面处产生强的温度梯度，有利的是，光也直接在工件的表面处被吸收。通常，不限于所示的示例性实施例，优选的是激光束具有至少4.5μm的波长。为了产生足够的局部加热能量，激光器30特别优选地使用co2激光器或co激光器。co2激光器可以提供高的激光功率，并且可以以这样的激光波长操作，该激光波长导致在工件1的材料中的激光束几乎完全的表面吸收。根据一实施例，co2激光器以10.6μm的波长操作。根据另一实施例，使用co激光器。co激光器例如可以以5.5μm的波长操作。更短的波长导致光更大的穿透深度，进而导致对工件1更深的加热。在工件1的表面5上引导激光束3以进行分离加工。在此，沿表面5在照射区域7和相邻的未照射区域9之间产生另一温度梯度，该温度梯度随激光束3的入射点移动。在此，两个温度梯度共同作用，使得由于由温度梯度引起的热机械应力，工件在表面5下分开并且工件1的部分11特别是以碎片形式分离。在边缘加工的情况下，如图1所示，沿边缘13引导激光束3，使得通过去除部分11在边缘13处形成倒角15。为了分离碎片状的部分11，将激光束3倾斜地照射到边缘13上，使得激光束3碰撞在边缘13和此处为片形的工件1的侧面6之间的角。为了沿边缘13引导光束3，设置扫描器32。例如，扫描器32可以设计为检流计扫描器。特别地，扫描器32也可以包括f-θ-透镜或者是f-θ-扫描器。对本领域技术人员显而易见的是，激光束3和工件1之间的相对运动对于该方法是重要的。因此，也可以使工件1移动通过激光束3。图2示出了激光束3(参见图1)的光束轮廓，该激光束适于对工件的边缘进行分离加工、特别是进行倒角。激光束基本上具有所谓的顶帽式轮廓，其光束直径约为7mm。通常，具有1至20mm、优选地2至20mm、优选地1至15mm或特别优选地5至15mm的光束直径的激光束是特别合适的。已经通过图1的示例描述了边缘的加工。然而，也可以在工件1的表面上引导激光束3，并且通过去除部分11在表面中产生凹槽。凹槽的深度对应于单次加工的切割深度。图3示出了一种构造，利用该构造加工工件1的侧面6，其中以速度vc在工件1上引导激光器30的激光束3。由于局部加热造成的热机械应力，切削厚度h的碎片状部分11从侧面6分离。切削厚度h在此还取决于速度vc以及激光束3的能量和穿透深度。通常，不限于根据图3的具体实施例，规定激光束3以5至500mm/s、优选地5至150mm/s、特别优选地5至50mm/s的速度在工件1上沿碎片去除的传播方向移动。以这种方式，可以特别有效且快速地加工工件1。与图3所示的不同，利用该方法也可以容易地加工工件1的拱形的或不平坦的表面。图4以示例示出了用该方法加工的管50形式的工件1。通过热冲击式切削加工方法将凹槽21引入管50的外侧面52中。也可以对所示的管50的端面进行倒角。在所示的示例中，仅在管50特别敏感的外侧面52处引入倒角15。当然，也可以以相同的方式在朝管50的内侧的端面处引入倒角15。下表示出了示例性实施例的工艺参数，在该实施例中，通过采用本文描述的方法分离材料来将凹槽引入由硼硅酸盐玻璃制成的管中：激光介质:co激光功率p＝110.5w移动速度35mm/s光束直径约6mm工件与f-θ-扫描器的透镜之间的工作距离约200mm管几何尺寸:直径95mm,壁厚2.5mm图5示出了本发明的另一应用示例。在该示例中，对用作控制面板51的工件1进行加工。作为示例，引入方形凹槽21和环形凹槽22。在此，凹槽21、22可以用作触觉操作辅助件，以便于触摸找到控制面板51的开关元件。这种控制面板51可以用于家用电器、特别是厨房电器，例如对触摸开关的位置进行标记。这种控制面板51也可以设置在机动车中，例如作为仪表板的组成部分。由于通过表面加热可以实现局部非常高的加热率，因此根据本发明的热冲击式切削加工方法也可以用于难以加工的脆性硬质材料。通常，不限于附图所示的示例，在一实施例中规定，工件是热膨胀系数α20-600为最高2·10-6k-1的玻璃陶瓷。令人意外地，即使用这种材料也可以产生足够大的热机械应力。根据另一实施例，工件是热钢化的玻璃。由这种材料制成的工件1通常难以加工或者甚至不可能加工，因为如果表面受损，则玻璃中的压应力导致工件1破裂。然而，利用本文描述的方法，可以容易地实现特别是边缘加工、例如引入倒角15。根据该方法优选的实施例，无论工件1的材料如何，通常规定，对脆性硬质材料进行加热并且随后在最多两秒、优选地最多一秒内将表面的被激光束扫过的位置冷却到比在加热前的温度高至多20℃的温度。基于图6的示例，温度的快速变化特别清楚，温度的快速变化也允许加工上述材料。图6示出了在工件的边缘上的测量位置处的温度-时间曲线。在测量期间，激光束3通过测量位置以产生倒角15。测量位置表示用于记录温度的高温计的测量位置。可以看出，在温度开始上升之后仅0.6秒就几乎再次达到起始温度。在此示例中，从初始温度到最大温度的温度上升约为160℃。温度上升在仅约0.2秒的时间内发生。这对应于每秒约800℃的平均加热率。然而，高温计的测量位置在激光扫过的路径旁边，否则由玻璃反射的激光辐射会影响测量。特别有利的是使辐射能量分布在工件1上。这是有益的，以在产生倒角15时避免形成对应于带状物的明显凸的表面。与平的或凸的表面相比，这种表面将具有更尖的角和相应更敏感的边缘线。因此，根据一实施例，规定激光束3以具有振荡运动分量的运动模式在表面5上移动。当激光束已经具有更宽的强度分布时，例如如图2的示例所示，这也是有利的。特别优选地，激光束在工件1上沿第一方向连续地移动，而激光束3在与第一方向垂直的方向上进行振荡运动。图7示出了这种运动的示例。类似于图1的示例，在该示例中，加工片状工件1的边缘13，以引入倒角来提高边缘稳定性。激光束3沿从边缘13到侧面6的过渡处的边缘线14连续地移动。同时，激光束3垂直于边缘线14振荡，进而也垂直于沿边缘线14的第一运动分量振荡。为了在工件的表面5上的通过振荡运动被激光束扫过的条带中实现均匀的能量输入，在光束回转(schwenk)期间振荡运动分量的恒定速度是有利的。这种运动导致激光束3在工件上重迭的之字形路径或锯齿形路径。图7示出了激光束3描述的路径33的示例。在该示例中，回转运动的速度是不同的，使得激光束3遵循锯齿形路径33。图8示出了这种路径33的示例性实施例。通常，不限于所示的示例，在具有激光束3的振荡运动的实施例的扩展方案中规定，激光束3的运动的振荡运动分量在两个相反方向上以不同的速度行进。在图8所示的示例中，一个方向上的运动速度v1明显高于在相反方向上的速度v2。同时，激光束3在垂直于振荡运动的方向上以速度v3在工件上移动。如图所示，由此导致激光束3的锯齿形路径33，其具有振幅a和周期p。速度v1和v2如述那样也是均匀的。如果不是这种情况，则在相反方向上具有不同速度的实施例是指各自的平均速度。具有不同速度的振荡运动的实施例是特别有利的，因为彼此具有相同的距离并且在恒定的激光功率下，具有较慢运动的部分(在此具有速度v2)比具有较高速度v1的部分贡献了总体上更高的能量输入。总之，这导致在被激光束3扫过的表面上非常均匀的能量密度。振荡的振幅在此也不必大于或至少不明显大于激光束的光束直径。因此，根据该实施例的另一个扩展方案规定，振荡的振幅为激光束3的光束直径的至多1.5倍。根据另一实施例规定，去除位置和照射位置就时间或位置而言是偏移的，使得在激光束3通过该位置之后才在特定的去除位置发生部分11的去除。部分11的去除在时间上发生偏移，使得在脱离的时间点，激光束3已经在工件1上照射了与发生脱离的位置不同的位置。图9示出了具有加工的边缘13的工件1的显微图像。如参考图1所述的，通过本文所述的方法将倒角15引入工件1的边缘13中。在边缘面的方向上看，倒角15的高度约为320μm。还可以从直线轮廓看出，倒角15形成基本上平坦的表面。为了产生这样的倒角15，如参考图7、图8所述的，激光束3沿边缘13移动，其同时垂直于沿边缘的移动进行振荡运动。本文描述的方法特别适合与用于分离由脆性硬质材料制成的工件的方法相结合，该分离方法包括借助于超短脉冲激光沿设置的分离线引入许多相邻延伸的丝状损伤。该方法允许快速且成本有利地对具有可选的轮廓形状的工件按尺寸进行切割。然而，以这种方式产生的边缘是非常敏感的。在此特别建议的是，如根据本发明所规定的，倒角的产生进而也借助于激光进行。因此，在一实施例中规定，-在由脆性硬质材料制成的元件的体积中，沿分离线产生相邻的丝状损伤，-通过超短脉冲激光器的激光脉冲引入损伤，元件的材料对于所述激光脉冲是透明的，-在元件上沿着线或沿设置的分离线依次相邻地引入激光脉冲的入射点，-在引入丝状损伤后，将元件在分离线处的彼此相邻的丝状损伤处分离，从而沿分离线产生具有边缘13的工件1，和-然后至少在一侧通过本文描述的方法在边缘13处引入倒角15。通常，通过由强激光脉冲产生的等离子体造成工件体积中的丝状损伤。图10示出了用于将丝状损伤25引入元件2中的构造。超短脉冲激光器31发射脉冲激光束3，脉冲激光束由透镜35聚焦以在件2中形成细长的、特别是线状的焦点。由于焦点中的强辐射，在元件2的材料中产生等离子体。这种现象也称为“光学击穿”。等离子体在材料中留下同样线状或丝状的损伤25，该损伤在从一个侧面6到相对的侧面6的方向上延伸。激光器31和元件2在激光脉冲发射期间相对于彼此运动，使得许多丝状损伤沿分离线34相邻地引入元件2中。然后可以在分离线34处分离元件2，从而获得期望尺寸的工件1。然后可以通过本文描述的方法对在分离线34处形成的边缘进行倒角，以使边缘在机械上更坚固而防止损坏。图11示出了具有在倒角15上的观察方向的工件1(参见图10)的透视显微图像。可以看出，工件的边缘13比侧面6具有更高的粗糙度。借助于超短脉冲激光器沿设置的分离线引入彼此相邻的丝状损伤并在分离线处分离工件而产生边缘13。可用该方法生产的工件具有一些典型特征。可以清楚地看到由分离过程导致的瓦纳(wallner)线27。瓦纳线27通过在去除碎片期间传播的分离点与脆性硬质材料中由材料的撕裂而引发的弹性波的叠加而产生。在此，弹性波的传播速度高于在去除的部分11和工件15之间的分离点或裂纹前部的由激光束3的前进所决定的前进速度。根据图像可以看出，瓦纳线27与在倒角15和边缘13之间的边缘线14之间具有非常平的角度。该角度为小于20°、优选地小于10°。因此，不限于图11所示的具体示例，在本发明的一实施例中提供了一种由脆性硬质材料制成的板状工件1，该工件具有两个相对的侧面6和形成工件1的边沿的边缘13，其中，边缘13的表面具有比侧面6的表面更大的粗糙度，其中，从边缘13到至少一个侧面6的过渡由倒角15形成，其中，从在倒角15和边缘13之间的边缘线14开始的瓦纳线27在倒角15的表面中延伸，瓦纳线与边缘线14之间的角度小于20°。根据图9可以看出，倒角15如上所述还可以略微凹入地成形，其中，特别地，倒角15的轮廓具有凹的走向，从而可以在图9的横截面图中看到凹的形状。相应地，曲率向量沿边缘13的纵向方向延伸。然而，如示例所示的，与直线轮廓的最大偏差优选地小于10μm。根据一实施例，通常可以规定，激光束3以0°至90°的角度碰撞边缘。这用于对齐倒角。此外，通常可以规定，具有对称的强度分布的激光束3偏移窄侧的中心碰撞边缘。在该方法中，如参考图7和图8以示例方式说明的，激光束3的能量通过振荡运动分布。根据本发明替代的或另外的实施例，也可以用激光束3照射工件1，该激光束具有光束轮廓，光束轮廓具有在光束方向的横向上变化的光强度，特别是具有光强度的局部最小值的光束轮廓，由此，去除部分11，该部分的局部厚度对应于激光束3的局部光强度或者对应于能量密度。图12示出了这样的示例，通过该示例来产生工件1的特殊形状的边缘13。激光束优选地垂直地照射到工件1的边缘13上，并且具有宽的光束轮廓17，光束轮廓具有局部最小值19。为了在边缘的整个宽度上加工边缘13，宽的或分布式光束通常是有利的。因此，不限于所示的具体示例，在本发明的另一扩展方案中规定，在对应于工件1的厚度的整个宽度上由激光束3加热工件1的边缘13。这可以通过激光束3相应的振荡运动或通过相应宽的光束轮廓来实现。相应地，然后可以将部分11以具有边缘13的宽度的条带形式从工件1去除。通常，被去除部分11的局部厚度对应于局部光束强度。通过光束轮廓17中的最小值19也相应地导致被去除部分11较小的厚度。图13示出了用宽的激光束加工的边缘13和对应的被去除部分11。利用具有局部最小值的光束轮廓，如图所示可以产生所谓的c形边缘。该边缘具有圆形轮廓并且对损伤特别不敏感。通常，不限于具体的示例，在本发明的另一扩展方案中规定，用激光束照射工件1的边缘13，激光束在工件1的表面上具有这样的强度分布，使得通过去除部分11获得具有圆形轮廓的边缘13。空间分布既可以通过相应的光束轮廓也可以通过光束的运动、特别是振荡运动来实现。对于本领域技术人员显而易见的是，本发明不限于所述的示例性实施例，而是可以在权利要求的主题的范围内以多种方式进行变化。特别地，示例性实施例也可以组合。因此，可以将如图1或12所示的边缘加工与如图4或图5所示的凹槽的引入结合。凹槽不仅可以引入侧面中，还可以根据应用引入板状工件1的边缘中。此外，如图7和图8所示，凹槽也可以用具有振荡运动分量的激光束3来引入。附图标记列表1工件2元件3激光束51的表面6侧面7照射区域9未照射区域11被去除部分13边缘14边缘线15倒角17光束轮廓1917的最小值21凹槽22环形凹槽25丝状损伤27瓦纳线30激光器31超短脉冲激光器32扫描器33从3到1的路径34分离线35透镜50管51控制面板当前第1页12