專利名稱：用于激光熱分離陶瓷或其它易碎的板材料的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于激光熱分離易碎的特別是陶資的板材料的方法。
背景技術：
在此概念"由陶瓷或其它的易碎的材料制成的板"應當理解成幾
個毫米的(特別是大約3至20mm)厚度的、由易碎的材料如硬陶瓷、 瓷器陶瓷或li土制品制成的板。
本發(fā)明的主要應用領域例如是在由不同硬度等級的陶資材料制造 建筑瓷磚時將大規(guī)格制造的陶瓷板劃分成期望的較小的資磚規(guī)格。
如今建筑瓷磚的規(guī)格化主要如此實現(xiàn)，即"綠色的"板材料在燒 制之前通過沖壓劃分成所期望的瓷磚規(guī)格。但是這具有這樣的缺點， 即轉換成其它的瓷磚規(guī)格是非常費時間的且因此非常貴。這導致在制 造商那兒需要非常大的倉儲。新的生產(chǎn)線制造較大的資磚，其而后在 燒制后切割成較小的規(guī)格。這種切割借助于機械的劃破及斷裂裝置實 施或者通過鋸子實現(xiàn)。但是這種技術也證明是不太讓人滿意的。
最近幾年，大量的工作投入到激光熱分離玻璃板材料中，用作傳 統(tǒng)的通過劃破和緊接著的折斷進行的機械分離的替換方式。這項工作 的重點特別是折斷平板玻璃。
DE 199 62 906 A1建議，為了切割由易碎的材料制成的平面工件， 主要指的是平板玻璃，沿著所期望的分離線機械地制出 一個劃痕并且 緊接著借助于激光束通過沿著劃痕的一個部分的短時的振蕩的加熱， 觸發(fā)材料沿著劃痕的斷裂。
由EP0 448 168A1已知一種用于分離易碎的板的方法，再次主要 指玻璃板，其中利用 一個激光束在整個分離線長度上多次掃描一個預 定的分離線，用于引入熱量和產(chǎn)生熱機械應力，以便將板從一個之前加設的劃痕出發(fā)沿著分離線折斷。
US 2002/0179667 Al建議，為了沿著一個任意輪廓的分離線分離 由易碎的材料特別是玻璃或陶瓷制成的板，利用一個激光束沿著規(guī)定 的分離線實現(xiàn)加熱，同時跟隨一個冷卻噴嘴，其中根據(jù)分離線的曲率 借助于振蕩的激光束產(chǎn)生一個在10mm至100mm范圍內(nèi)的變化長度 的聚焦斑。
由US 2003/00 62 348A1已知一種用于分離非金屬的基板例如玻 璃的方法，其中第一激光束掃描規(guī)定的分離線，而后施加一種冷卻介 質(zhì)用于產(chǎn)生熱應力，并且而后借助于一個第二激光束掃描規(guī)定的分離 線。
由WO 02/48 0 59 Al已知一種通過沿著規(guī)定的分離線產(chǎn)生熱應力 裂紋，分離由玻璃或陶瓷制成的板的方法，其中激光束沿著規(guī)定的分 離線將熱量傳入板內(nèi)，其中例如通過將激光束聚焦在一個位于玻璃板 表面下方的區(qū)域上如此控制聚焦，使得基本上無材料去除地構成初始 裂紋。
所有這些不同的已知的方法雖然在相應的文獻中都稱為分離易碎 的材料如玻璃和陶瓷的方法，但是在實施例中分別基于分離平板玻璃 進行特別描述并且明顯地特別適合于這個應用領域。然而，上述文獻 都沒有詳細闡述陶瓷材料的分離，并且沒有詳細闡述平板玻璃和陶資 材料之間不可忽略的差異。
然而玻璃和陶瓷是非常不同的材料。兩種材料雖然都是易碎的， 但是具有非常不同的結構。兩種材料之間的顯著差異在于，玻璃是透 光的，而陶瓷是不透光的。因此玻璃可以部分透過激光束，即在固體 材料激光器時，而在COr激光器時不適用。就激光分離方法而言，在 玻璃和陶瓷之間的主要區(qū)別然而在于熱傳遞速度和膨脹系數(shù)。鈉鉤硅 酸鹽玻璃在此仍然可以相對簡單地處理，但是硼硅酸鹽玻璃難以處理， 但是總是比陶瓷更易計算。在陶瓷中存在完全不同的熱傳導系數(shù)，并 且根據(jù)混合物在大多非常小的且隨著溫度上升強烈非線性變化的膨脹 系數(shù)的情況下獲得非常不同的熱傳遞。因此不讓人感到驚奇的是，如可以通過實驗簡單地證明，雖然上 述的已知的方法可以用于分離略厚的平板玻璃，但是完全不能或者僅 僅非常令人不滿意地適用于分離由開頭所述的易碎的材料(即陶資材 料和非常厚的特種玻璃)制成的板。在較厚的瓷磚和非常厚的玻璃板 時，在材料的體積時用于分離所需要的熱量如此之高，使得在應用這 些已知的方法時瓷磚在熱量引入時業(yè)已在產(chǎn)生分離劃痕之前爆裂了。
由EP-A-1 618 985已知一種用于分離陶瓷的板材料的方法。在此 陶瓷的板材料的切割通過一個相對于切割線運動的激光束和一個直接 跟隨的超音速氣流的噴吹的組合實現(xiàn)。在這種切割方法中由于材料移 除，產(chǎn)生了一定寬度的切割縫。然而由于所需要的超音速氣流和粒子 去除，這種方法在設備成本和污染方面不是最佳的。
最后還由EP-A-0 613 765已知一種方法，用于在使用激光束的情 況下分離陶瓷板，其中借助于一個激光束在所期望的斷裂線上制成劃 痕并且而后實現(xiàn)板的機械斷裂。因此這種已知的方法與傳統(tǒng)的利用機 械劃痕和緊接著機械斷裂的分離方法相比也沒有顯著的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的在于，提供一種合適的方法，用于激光熱分離 易碎的特別是陶瓷的板材料、特別是由瓷器陶瓷和硬陶資制成的板材 料。
上述目的根據(jù)本發(fā)明通過在權利要求1中給出的方法實現(xiàn)。本發(fā) 明的方法的有利的實施方式和細節(jié)是各個從屬權利要求的內(nèi)容。
在本發(fā)明的方法僅僅通過借助于熱量輸入產(chǎn)生的熱應力如此實現(xiàn) 板材料的分離，即在沒有屑片的情況下形成干凈的且精確的斷裂線， 并且不需要機械斷裂。
本發(fā)明的方法允許如此快地施加所需要的用于產(chǎn)生導致斷裂的熱 應力的熱量輸入(具有板材料所能夠忍受的級別)，使得在分離線中的 壓應力(相對于在冷環(huán)境中材料中的拉應力)在規(guī)定的位置觸發(fā)板的 斷裂，并且以一個這樣的方式使得在板材料的體積中產(chǎn)生一個沿著整 個分離線均勻的壓應力。這如此實現(xiàn)，即借助于激光束多次掃描一個規(guī)定的斷裂線，其中 激光束有利地借助于一個鏡子運動。在較長的分離線的情況下激光束 每次沿著分離線掃描一個規(guī)定的相對長的路段(掃描長度)，所述路段 在每次掃描中沿著分離線遞增地移動，即每次沿著分離線前進一小步。 通過多次的掃描， 一個加熱線(對應于掃描長度)總是被置于另外一 個加熱線上，總是不僅被鏡子所需要的返回時間中斷，而且也通過用 于溫度在材料中進一步傳遞的等待時間中斷。通常的循環(huán)時間在此大
約為50ms至200ms。由此材料中地分離線越來越熱，直至板精確地 在那兒裂開。
為了使得這個過程可靠，熱量輸入與相應的材料的材料承受性相 適配，這可以通過合適地選擇等待時間實現(xiàn)。附加地，熱量輸入可以 通過激光束的強度的改變進一步進行適配，并且通過這種方式，即在 分離線的預加熱時，即在開始掃描時較慢地加熱并且在下一個掃描過 程中進行提高，直至分離過程的終結。這也可以特別是通過兩個依次 相鄰的不同的加熱過程實現(xiàn)，即對分離線的漸增的第一次掃描利用較 低的熱量輸入實現(xiàn)，而后對分離線的漸增的第二次掃描利用較高的熱 量輸入實現(xiàn)。
試驗已經(jīng)驗證了本發(fā)明的方法的優(yōu)點，第一個試驗結構就提供了 讓人振奮的結果。在通常的建筑瓷磚中可以取得大于2m/分鐘的工作 速度。這個過程是無污染的、安靜的并且邊緣質(zhì)量對應于拋光的邊緣， 其切割精度顯著低于0.5mm。因為在待切割的板規(guī)格改變時沒有轉換 時間，所以即使在相對小的制造量時也可以規(guī)則地制造資磚。


本發(fā)明的方法下面借助于附圖詳細闡述其細節(jié)。附圖在示意圖中 類似于方框圖示出用于實施本發(fā)明的方法的結構。
具體實施例方式
激光源1，例如C02激光器，產(chǎn)生一個激光束2，激光束通過一 個望遠鏡3或一個合適的光學裝置到達掃描器4，該掃描器利用一個 鏡子工作并且形成激光束2相應的角運動，從而激光束分別在一個與預定的掃描長度相對應的路段5上沿著一個待分離的板7的規(guī)定的分 離線6運動。
應當認為，由激光源1、望遠鏡3和掃描器4構成的結構有利地 固定設置并且沿著分離線輸送板通過工作空間，當分離線長于掃描長 度時。如果掃描長度選擇成等于分離線的長度，那么板也可以在加工 中處于靜止并且激光束在掃描分離線時一下子就從板的一端到另外一 端對板加熱。
掃描器4事實上具有兩個可電動運動的鏡子，激光束經(jīng)由所述鏡 子可以在X和/或Y方向上被控制在激光結構下方的工作面的任何位 置上。在此激光束可以利用直至250m/s的速度將其加熱線"寫"到材 料上。
在通過激光束對掃描路段掃描時，激光束以及因此擊中板的熱點 的來回快速振蕩導致在相應的換向點和路段中心處的不均勻的加熱， 因此在掃描路段上不可能實現(xiàn)最佳的加熱。同樣在激光束掃描時利用 多角鏡是不利的，因為它僅僅在掃描速度方面可以控制，然而在熱量 輸入的循環(huán)時間方面不能控制。因此不可能調(diào)節(jié)掃描路段的長度。
因此在本發(fā)明的方法中關鍵的是，激光束的掃描路段在分離線上 的掃描始終在相同的方向上實現(xiàn)。
將掃描器4的鏡子復位到激光束的起始位置用于下一次掃描，這 在激光束切斷或中斷時實現(xiàn)。通過控制激光束2的切斷時間或中斷時 間，可以在掃描速度保持恒定時控制循環(huán)時間。
不僅可以使用CO2激光器(大約10jam的波長)作為激光源，而 且可以使用YAG激光器(大約ljam的波長)作為激光源。在利用本 發(fā)明的方法時實施的試驗中使用一個C02激光器，其中熱量從板的表 面被引入板材料的體積內(nèi)。在此較寬(大約6mm至10mm)的激光斑 被置于板表面上，以便在盡可能高的熱量輸入時得到盡可能小的表面 熱負載并且由此優(yōu)化向深度而不是寬度上的熱傳遞。
在根據(jù)如在WO 05/092 806中描述的方法借助于激光束分離通常 厚度的玻璃板時需要一個后接的冷卻裝置，其在本發(fā)明的方法中不再需要。但是這種冷卻裝置對于優(yōu)化過程是有幫助的，當在觸發(fā)體積裂 紋之前不久的時刻，利用這樣的冷卻裝置引入初始裂紋時。
在利用激光束2進行多次掃描期間，向板材料內(nèi)的熱量輸入的提 高可以如此實現(xiàn)，即在每次掃描過程中在分離線的整個長度上掃描分 離線，熱量輸入的強度在每個單次掃描后或分別在若干單次掃描后提 高。如果在較長的分離線的情況下，遞增地即利用各個相疊的且每次 以一定的遞增量沿著分離線進一步運動的掃描路段進行掃描，整個分 離線6的遞增的掃描至少一次或多次地重復并且在重復或每次重復時 提高了熱量輸入的強度。熱量輸入的提高可以通過激光束的強度的提 高實現(xiàn)。
權利要求
1. 用于激光熱分離由陶瓷或其它的易碎材料制成的板的方法，其中利用激光束(2)沿著一個規(guī)定的分離線(6)掃描板(7)，以便將熱量輸入板內(nèi)，以引發(fā)材料內(nèi)部的熱應力，該熱應力導致沿著所述規(guī)定的分離線的斷裂，其特征在于，利用激光束(2)在始終相同的方向上實現(xiàn)對所述規(guī)定的分離線(6)的多次掃描，其中在各個單次掃描之間分別存在一個停頓，該停頓的持續(xù)時間可以根據(jù)待分離的具體材料進行選擇和調(diào)節(jié)。
2. 如權利要求l所述的方法，其中通過激光束(2)如此遞增地 實現(xiàn)對一個長的分離線(6)的掃描，即激光束在每個單次掃描時沿著 分離線掃描一個較長的、比分離線短的路段，并且在每個緊接的掃描 過程中以一個與掃描路段長度的一小部分相對應的增量相對于分離線 向前運動。
3. 如權利要求1所述的方法，其中在每個單次掃描時在分離線(6) 的整個長度上對分離線掃描，并且在每個單次掃描之后或在相應多個 單次掃描后，提高熱量輸入的強度。
4. 如權利要求2所述的方法，其中重復至少一次對整個分離線(6 ) 的所述遞增掃描，其中在重復或每次重復時提高熱量輸入的強度。
5. 如權利要求1至4之一項所述的方法，其中在各個單次掃描之 間的停頓通過切斷或淡出激光束(2)產(chǎn)生。
6. 如權利要求1至5之一項所述的方法，其中在板材料所期望的 斷裂之前不久，借助于一個冷卻噴嘴將冷卻介質(zhì)噴吹或噴射到分離線(6)的一個區(qū)域上，以便有利于觸發(fā)初始裂紋。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于激光熱分離陶瓷或其它的易碎的板材料的方法，其中利用激光束(2)沿著一個規(guī)定的分離線(6)在始終相同的方向上且利用一個在各個單次掃描之間的停頓實現(xiàn)對所述規(guī)定的分離線(6)的多次掃描，所述停頓的持續(xù)時間可以相應于待分離的材料進行選擇和調(diào)節(jié)。
文檔編號B28D1/22GK101301704SQ20081009673
公開日2008年11月12日 申請日期2008年5月9日 優(yōu)先權日2007年5月10日
發(fā)明者沃爾夫岡·弗里德爾 申請人:格倫策巴赫機械制造有限公司