Установка для разделения хрупкого неметаллического материала под действием термоупругих напряжений по криволинейной траектории

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ХРУПКОГО НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО КРИВОЛИНЕЙНОЙ ТРАЕКТОРИИ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Шершнев Евгений Борисович Никитюк Юрий Валерьевич Соколов Сергей Иванович(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) Установка для разделения хрупкого неметаллического материала под действием термоупругих напряжений по криволинейной траектории, включающая лазер, фокусирующий объектив, координатный стол, блок управления, связанный с компьютером, механизм нанесения дефекта, отличающаяся тем, что дополнительно содержит устройство формирования кольцевой зоны охлаждения с размещенными на нем со стороны координатного стола элементами Пельтье, закрепленное соосно на корпусе фокусирующего объектива. 70862011.02.28 Полезная модель относится к оборудованию для разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений и может быть использована в электронной, стекольной и авиационной промышленности для прецизионной резки хрупких неметаллических материалов по криволинейным траекториям. Известна установка для лазерной резки хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений, содержащая лазер, фокусирующий объектив, координатный стол, механизм нанесения дефекта и устройство формирования газожидкостного факела хладагента круглого сечения 1. Известная установка обеспечивает возможность разделения пластин из различных хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений. Применение известной установки обеспечивает хорошие результаты лишь при резке изделий по прямым линиям. В случае резки материала по криволинейным траекториям использование известной установки для разделения стеклоизделий становится нецелесообразным из-за отклонения разделяющей трещины от контура обработки, обусловленного смещением центра зоны воздействия хладагента от траектории перемещения центра лазерного пучка. Это делает невозможной реализацию качественной резки. Еще одним серьезным недостатком известной установки является использование в качестве хладагента мелкодисперсной воздушно-водяной смеси. Дело в том, что применение такого хладагента в значительной степени понижает надежность процесса формирования трещины вследствие нежелательного попадания воды в зону воздействия лазерного излучения. Кроме этого, использование такого хладагента в ряде случаев вообще недопустимо. Например, при резке плоских дисплейных панелей, в том числе жидкокристаллических экранов, применение воды крайне нежелательно, так как она может попасть в зазор между пластинами и привести изделие в негодность. Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является установка для разделения хрупкого неметаллического материала под действием термоупругих напряжений, содержащая лазер, фокусирующий объектив,координатный стол, блок управления, связанный с компьютером, механизм нанесения дефекта, устройство формирования зоны охлаждения 2. При этом устройство формирования зоны охлаждения включает форсунку, установленную на боковой стороне каретки, выполненной в виде кинематической пары, и механизм горизонтального перемещения форсунки. В случае лазерной обработки по криволинейному контуру блок управления задает команду механизму горизонтального перемещения форсунки осуществить смещение форсунки в горизонтальной плоскости от касательной к линии воздействия лазерного излучения непосредственно на линию воздействия лазерного излучения. Известная установка обеспечивает возможность разделения пластин из различных хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений по криволинейным траекториям. Однако использование механизма горизонтального перемещения устройства формирования газожидкостного факела в значительной степени усложняет конструкцию известной установки и требует значительных дополнительных затрат, связанных как с разработкой и изготовлением самого устройства, так и с соответствующим усложнением системы управления установки в целом. Серьезным недостатком известной установки также является использование в качестве хладагента мелкодисперсной воздушно-водяной смеси, применение которой в значительной степени понижает надежность процесса лазерного термораскалывания вследствие нежелательного попадания воды в зону воздействия лазерного излучения. Как уже отмечалось, использование охлаждения обрабатываемой поверхности газожидкостным факелом в ряде случаев вообще недопустимо. Техническая задача, решаемая заявляемой полезной моделью - надежная и технически простая реализация процесса разделения хрупкого неметаллического материала под действием термоупругих напряжений по криволинейным траекториям. 2 70862011.02.28 Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в создании кольцевой зоны охлаждения, расположенной на обрабатываемой поверхности симметрично относительно центра зоны лазерного нагрева, что обеспечивает формирование симметричного распределения термоупругих полей относительно криволинейного контура обработки и нанесение криволинейных трещин в обрабатываемом материале. Дополнительным техническим результатом является исключение воздействия жидкости хладагента на обрабатываемый материал. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что установка для разделения хрупкого неметаллического материала под действием термоупругих напряжений, включающая лазер, фокусирующий объектив, координатный стол, блок управления, связанный с компьютером, механизм нанесения дефекта, дополнительно содержит устройство формирования кольцевой зоны охлаждения с размещенными на нем со стороны координатного стола элементами Пельтье, закрепленное соосно на корпусе фокусирующего объектива. В отличие от прототипа введение устройства формирования кольцевой зоны охлаждения, закрепленного на корпусе фокусирующего объектива, позволяет создавать зону охлаждения, расположенную симметрично относительно центра зоны лазерного нагрева. Это, в свою очередь, гарантирует формирование симметричного распределения термоупругих полей относительно любой криволинейной траектории. При этом для обеспечения соответствующего перемещения материала достаточно двухкоординатного стола. Использование в устройстве формирования кольцевой зоны охлаждения элементов Пельтье позволяет исключить из технологического процесса разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений нежелательное попадание воды на обрабатываемый материал. Это позволяет применить данную технологию для разделения плоских дисплейных панелей, в том числе жидкокристаллических экранов. На фигуре схематически изображена заявляемая полезная модель, вид сбоку. Установка для разделения хрупкого неметаллического материала под действием термоупругих напряжений состоит из лазера 1, фокусирующего объектива 2, координатного стола 3, механизма 4 нанесения дефекта, устройства 5 формирования кольцевой зоны охлаждения, закрепленного соосно на корпусе фокусирующего объектива 2. Кроме того, установка содержит блок 6 управления координатным столом 3 и механизмом 4. Работу блока 6 координирует технологическая программа, вводимая в компьютер 7. Позицией 8 отмечено изделие из обрабатываемого материала, поверхность которого охлаждают элементы Пельтье 9, закрепленные со стороны координатного стола в устройстве 5 формирования кольцевой зоны охлаждения. Лазер 1, как правило, имеет длину волны излучения, соответствующую интенсивному поглощению поверхностными слоями обрабатываемого материала. Для фокусировки лазерного излучения на обрабатываемой поверхности в пучки круглого сечения используют объектив 2. Для регулирования подачи излучения от лазера используют заслонку (на фигуре не показана), предназначенную для отвода излучения из зоны обработки во время проведения операции установки изделия 8 на координатном столе 3, фокусировки лазерного излучения и механизма 4 нанесения дефекта. Координатный стол 3 предназначен для относительного двухкоординатного перемещения лазерного пучка и обрабатываемого изделия 8 в горизонтальной плоскости. Механизм 4 нанесения дефекта предназначен для нанесения локальной трещины на линии разделения изделия 8 и снабжен устройством перемещения резца в вертикальной плоскости. Размещение устройства 5 формирования кольцевой зоны охлаждения на корпусе объектива 2 естественным образом обеспечивает осесимметричное расположение зоны охлаждения относительно центра зоны лазерного нагрева. При этом охлаждение обрабатываемой поверхности обеспечивают элементы Пельтье 9 в составе устройства 5. 3 70862011.02.28 Программное обеспечение компьютера 7 позволяет в соответствии с заданной технологической программой корректировать работу блока 6 по управлению координатным столом 3. Кроме этого, блок 6 управляет работой устройства 5 и механизма нанесения дефекта 4 и положением заслонки, регулирующей подачу излучения лазера 1. Установка работает следующим образом. Изделие 8 из хрупкого неметаллического материала устанавливают на координатный стол 3, размещают механизм 4 для нанесения дефекта над началом предполагаемой траектории разделения и наносят дефект (закол,надрез) в начале контура термораскалывания. После этого координатный стол 3 совмещает надрез с начальным положением лазерного пучка. Затем на поверхность обрабатываемого изделия 8 подают лазерное излучение лазера 1, при этом излучение фокусируют объективом 2 на надрезе в пятно круглого сечения. Далее координатный стол 3 под управлением блока 6 перемещает изделие 8 по прямолинейному или криволинейному контуру обработки, определяемому технологической программой компьютера 7. Одновременно подают электрический ток на элементы Пельтье 9, входящие в состав устройства 5 формирования кольцевой зоны охлаждения. При этом устройство 5 формирует на обрабатываемой поверхности кольцевую зону охлаждения вокруг зоны лазерного нагрева. Далее в результате перемещения координатного стола 3 происходят последовательный лазерный нагрев обрабатываемой поверхности и резкое охлаждение нагретых участков при их неизбежном попадании в зону воздействия элементов Пельтье. При этом использование устройства 5 обеспечивает формирование симметричного распределения полей температурных напряжений растяжения и сжатия относительно траектории обработки. Это, в свою очередь,обеспечивает строгую ориентацию разделяющей трещины вдоль траектории перемещения центра лазерного излучения. Применение элементов Пельтье 9 позволяет исключить из технологического процесса разделения материала 8 под действием термоупругих напряжений нежелательное попадание воды на обрабатываемый материал. Это позволяет применить данную технологию в случаях, когда недопустимо попадание воды на обрабатываемый материал, в частности для разделения плоских дисплейных панелей, в том числе жидкокристаллических экранов. После завершения процесса обработки изделия 8 из хрупкого неметаллического материала прекращается подача лазерного излучения и хладагента в зону обработки. При этом компьютер 7 при помощи блока 6 выводит координатный стол 3 в исходное положение. Таким образом, использование предлагаемой установки обеспечивает прецизионное разделение по криволинейным траекториям изделий из хрупких неметаллических материалов. При этом снабжение установки устройством 5 обеспечивает создание кольцевой зоны охлаждения, расположенной на обрабатываемой поверхности симметрично относительно центра зоны лазерного нагрева. Это, в свою очередь, обеспечивает формирование симметричного распределения термоупругих полей относительно криволинейного контура обработки и несение криволинейных трещин, имеющих строгую ориентацию вдоль траектории перемещения центра лазерного излучения. При этом упрощается техническая реализация процесса разделения хрупких неметаллических материалов под действием термоупругих напряжений за счет используемой пространственной схемы формирования зон нагрева и охлаждения обрабатываемой поверхности. Наличие элементов Пельтье в составе устройства 5 позволяет повысить надежность процесса разделения хрупких неметаллических материалов за счет исключения попадания воды в зону лазерного воздействия. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4