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DE102014109791B4 - Laser ablation process and element made of brittle material - Google Patents

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DE102014109791B4
DE102014109791B4 DE102014109791.2A DE102014109791A DE102014109791B4 DE 102014109791 B4 DE102014109791 B4 DE 102014109791B4 DE 102014109791 A DE102014109791 A DE 102014109791A DE 102014109791 B4 DE102014109791 B4 DE 102014109791B4
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Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Vertiefung (6) in einem Element (2) aus sprödhartem Material, bei welchem mittels eines gepulsten Lasers (4) ein Laserstrahl (40) mit Laserpulsen (41) auf die Oberfläche (20) des Elements (2) gerichtet wird, wobei die Laserpulse (41) ein Plasma (8) mit verdampftem Material an der Oberfläche (20) erzeugen und damit Material von der Oberfläche (20) des Elements (2) ablatiert wird, und wobei der Laserstrahl (40) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von höchstens 30 mm/s über die Oberfläche (20) des Elements (2) geführt wird, so dass aufeinanderfolgende Laserpulse (41) auf verschiedene Orte auf der Oberfläche (20) des Elements (2) treffen, und wobei die Pulsfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (40) auf der Oberfläche (20) des Elements (2) so eingestellt werden, dass die Lichtflecken (42) aufeinanderfolgender Laserpulse (41) des Laserstrahls (40) auf der Oberfläche (20) des Elements (2) überlappen und das vom jeweils vorhergehenden Laserpuls (41) erzeugte Plasma (8) noch besteht, wenn ein Laserpuls (41) auftrifft, und wobei mit den Laserpulsen (41) Material bis in eine Tiefe im Bereich zwischen 30 µm und 150 µm abgetragen wird.Method for producing a recess (6) in an element (2) made of brittle-hard material, in which a laser beam (40) with laser pulses (41) is directed onto the surface (20) of the element (2) by means of a pulsed laser (4), wherein the laser pulses (41) generate a plasma (8) with vaporized material on the surface (20) and thus material is ablated from the surface (20) of the element (2), and wherein the laser beam (40) is guided over the surface (20) of the element (2) at a feed rate of at most 30 mm/s, so that successive laser pulses (41) strike different locations on the surface (20) of the element (2), and wherein the pulse frequency and the feed rate of the laser beam (40) on the surface (20) of the element (2) are set such that the light spots (42) of successive laser pulses (41) of the laser beam (40) overlap on the surface (20) of the element (2) and the plasma (8) generated by the preceding laser pulse (41) still exists when a laser pulse (41) impinges, and wherein the laser pulses (41) remove material to a depth in the range between 30 µm and 150 µm.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Materialbearbeitung mit Lasern. Im Speziellen betrifft die Erfindung das Einfügen von Vertiefungen, wie beispielsweise von Gräben in sprödharte Materialien, sowie Elemente aus sprödhartem Material mit grabenförmigen Vertiefungen.The invention generally relates to material processing with lasers. In particular, the invention relates to the insertion of depressions, such as trenches in brittle-hard materials, as well as elements made of brittle-hard material with trench-shaped depressions.

US 2012 / 0 196 454 A1 betrifft die laserbasierte Modifikation eines Werkstücks, wobei das Fokussieren und Richten von Laserimpulsen auf das Werkstück mit einer Impulswiederholungsrate erfolgt, die ausreichend hoch ist, so dass Material effizient aus dem Bereich entfernt wird, wobei die Menge des unerwünschten Materials reduziert wird im Vergleich zu einer niedrigeren Wiederholungsrate. US 2012 / 0 196 454 A1 relates to the laser-based modification of a workpiece, wherein focusing and directing laser pulses onto the workpiece is performed at a pulse repetition rate sufficiently high so that material is efficiently removed from the area, reducing the amount of unwanted material compared to a lower repetition rate.

DE 10 2005 037 412 A1 betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren zum Ausbilden einer Lasernut bzw. -rille entlang von Unterteilungslinien durch Aufbringen bzw. Anwenden eines Pulslaserstrahls entlang der Unterteilungslinien, die auf einem Werkstück ausgebildet sind, wobei das Verfahren die Schritte eines Ausbildens des Brennpunkts des Pulslaserstrahls in der Form eines Ovals, eines Positionierens der langen Achse des ovalen Brennpunkts entlang jeder der Unterteilungslinien und eines Bewegens des Brennpunkts und des Werkstücks entlang der Unterteilungslinie relativ zueinander umfasst. DE 10 2005 037 412 A1 relates to a laser machining method for forming a laser groove along dividing lines by applying a pulse laser beam along the dividing lines formed on a workpiece, the method comprising the steps of forming the focal point of the pulse laser beam in the shape of an oval, positioning the long axis of the oval focal point along each of the dividing lines, and moving the focal point and the workpiece along the dividing line relative to each other.

JP 2006 - 36 602 A betrifft ein keramisches Bauteil mit einem vertieften Teil an mindestens einer Hauptoberfläche und ist aufgebaut aus einer Hauptkomponente und einer Vielzahl von Zusatzkomponenten, wobei der vertiefte Teil durch Wärmebestrahlung gebildet wird und wobei sich auf der Oberflächenschicht des vertieften Teils im Wesentlichen keine Schmelzschicht der die Hauptkomponente bildenden Keramik befindet. JP 2006 - 36 602 A relates to a ceramic component having a recessed part on at least one main surface and being constructed from a main component and a plurality of additional components, wherein the recessed part is formed by heat irradiation and wherein there is substantially no melt layer of the ceramic forming the main component on the surface layer of the recessed part.

EP 2 246 146 A1 betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren umfassend das Richten von gepulstem Laserlicht auf eine Oberfläche eines Substrats aus sprödem Material und einen Laserlicht-Abtastschritt zum Abtasten von Laserlicht entlang einer geplanten Ritzlinie, wobei das Verfahren bestimmte Parameter umfasst für die Laserintensität des Pulslaserlichts sowie den Wert, der sich aus der Multiplikation der zugeführten Wärmemenge mit dem linearen Ausdehnungskoeffizienten des spröden Materials ergibt sowie die Anzahl der Pulse innerhalb eines Quadrats, das den Durchmesser des kondensierten Lichts des Pulslasers umschreibt. EP 2 246 146 A1 relates to a laser processing method comprising directing pulsed laser light onto a surface of a substrate made of brittle material and a laser light scanning step for scanning laser light along a planned scribe line, the method comprising certain parameters for the laser intensity of the pulsed laser light and the value resulting from multiplying the amount of heat supplied by the linear expansion coefficient of the brittle material and the number of pulses within a square that describes the diameter of the condensed light of the pulsed laser.

Die EP 0 931 620 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Laserablation von Quarzglas mit einem Laser, dessen Lichtwellenlänge mit 266 nm länger ist, als die Absorbtionskante von Quarzglas bei 170 nm und weniger. Bei diesem Verfahren wird der Laser durch das Quarzglas hindurch auf ein Target gelenkt. Damit wird auf dem Target eine Plasmawolke erzeugt, die sich zwischen Quarzglas und Target ausbreitet. Mithilfe dieser sekundären Plasmawolke wird dann Material aus dem Quarzglas ablatiert. Dieses Verfahren ist sehr aufwändig und langsam. Der Laser wird mit einer Pulsfrequenz von 1 Hz betrieben, um hinreichende Pulsenergien für die indirekte Ablation bereitzustellen.The EP 0 931 620 A1 describes a device and a method for laser ablation of quartz glass with a laser whose light wavelength of 266 nm is longer than the absorption edge of quartz glass at 170 nm and less. In this method, the laser is directed through the quartz glass onto a target. This creates a plasma cloud on the target that spreads between the quartz glass and the target. Material is then ablated from the quartz glass using this secondary plasma cloud. This method is very complex and slow. The laser is operated at a pulse frequency of 1 Hz in order to provide sufficient pulse energy for the indirect ablation.

Aus der JP 2000 - 348 621 A ist ein Verfahren bekannt, bei welchem mittels eines Lasers eine Glaslot-Naht zwischen dem Schirm und dem Trichter von Kathodenstrahlröhren gelöst oder gelockert wird. Das Lösen oder Lockern erfolgt durch das kurzzeitige Verdampfen des Glases im Inneren der Glasnaht.From the JP 2000 - 348 621 A A process is known in which a glass solder seam between the screen and the funnel of cathode ray tubes is loosened or loosened by means of a laser. The loosening or loosening takes place by briefly evaporating the glass inside the glass seam.

Dieses Verfahren führt demgemäß zu einer sofortigen tiefreichenden Schädigung, was an sich günstig ist, um die beiden Teile leicht voneinander trennen zu können.This procedure therefore causes immediate, deep damage, which in itself is beneficial in order to be able to easily separate the two parts from each other.

Das in der JP 2000 - 348 621 A beschriebene Verfahren ist dazu gedacht, Schirm und Trichter für ein Recycling voneinander zu trennen. Auf einen exakten Verlauf der Bruchkante kommt es hier nicht an.The JP 2000 - 348 621 A The process described is intended to separate the screen and funnel for recycling. The exact course of the breaking edge is not important here.

Das Verfahren wird damit aber nicht geeignet sein, um verlässlich einen sehr genauen Verlauf der Bruchkante zu gewährleisten. Zudem ergibt sich eine Schwierigkeit, wenn das Ablatieren und das Abtrennen der Teile zeitlich getrennt werden sollen. Gerade bei Gläsern kann es hier zu Alterungsphänomenen kommen. Durch chemische Veränderungen der Oberfläche erfolgt dabei eine Änderung der Bruchkraft. Diese Änderung kann insbesondere auch noch inhomogen sein, so dass die erforderliche Bruchkraft lokal variiert und damit die Bruchkante verlaufen kann.However, the process will not be suitable for reliably ensuring a very precise course of the fracture edge. Another difficulty arises if the ablation and separation of the parts are to be separated in time. Ageing phenomena can occur here, especially with glass. Chemical changes to the surface cause a change in the breaking force. This change can also be inhomogeneous, so that the required breaking force varies locally and the fracture edge can therefore run differently.

Es wäre daher wünschenswert, Sollbruchstellen so in ein Element aus sprödhartem Werkstoff einbringen zu können, dass ein sauberes Zerteilen des Elements auch lange nach dem Einfügen der Sollbruchstelle mit definierter Bruchkraft ermöglicht wird.It would therefore be desirable to be able to introduce predetermined breaking points into an element made of brittle-hard material in such a way that the element can be cleanly divided with a defined breaking force even long after the predetermined breaking point has been inserted.

Auch bei Vertiefungen für andere Zwecke als für das Einfügen einer Sollbruchstelle ergibt sich beim Verfahren des Laserablatierens das Problem, dass die Tiefe einer solchen Vertiefung von der Laserleistung abhängt. Die Laserleistung kann aber im Verlauf des Betriebs, insbesondere bei Lasern im UV Wellenlängenbereich auf Grund der höheren Energiedichte und damit negativen Einfluss auf die optischen Elemente (bis hin zur Zerstörung), erheblich schwanken. Hier wäre es wünschenswert, wenn die Tiefe einer ablatierten Vertiefung möglichst unabhängig von der Laserleistung einstellbar wäre.Even with depressions for purposes other than inserting a predetermined breaking point, the laser ablation process has the problem that the depth of such a depression depends on the laser power. However, the laser power can decrease significantly during operation, especially with lasers in the UV wavelength range due to the higher energy density and thus negative influence on the optical elements (even to the point of destruction). It would be desirable if the depth of an ablated depression could be adjusted as independently as possible from the laser power.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in the dependent claims.

Es wurde festgestellt, dass bei der Wahl der richtigen Prozessparameter bei der Laserablation ein selbstregulierender Prozess erhalten wird, der selbst bei Leistungseinbrüchen des Lasers von mehr als 40% noch stabil läuft, sofern die Pulsenergie nicht unter die Ablationsschwelle fällt.It was found that by choosing the right process parameters for laser ablation, a self-regulating process is obtained that remains stable even when the laser power drops by more than 40%, provided the pulse energy does not fall below the ablation threshold.

Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vertiefung in einem Element aus sprödhartem Material, bei welchem mittels eines gepulsten Lasers ein Laserstrahl mit Laserpulsen auf die Oberfläche des Elements gerichtet wird, wobei die Laserpulse ein Plasma mit verdampftem Material an der Oberfläche erzeugen und damit Material von der Oberfläche des Elements ablatiert wird, und wobei der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit von höchstens 30 mm/s über die Oberfläche des Elements geführt wird, so dass aufeinanderfolgende Laserpulse auf verschiedene Orte auf der Oberfläche des Elements treffen, und wobei die Pulsfrequenz und die Vorschub-Geschwindigkeit des Laserstrahls auf der Oberfläche des Elements so eingestellt werden, dass die Lichtflecken aufeinanderfolgender Laserpulse des Laserstrahls auf der Oberfläche des Elements überlappen und das vom jeweils vorhergehenden Laserpuls erzeugte Plasma noch besteht, wenn ein Laserpuls auftrifft, und wobei mit den Laserpulsen Material mit einer Dicke, beziehungsweise bis in eine Tiefe im Bereich zwischen 30 µm und 150 µm abgetragen wird.Accordingly, the invention provides a method for producing a recess in an element made of brittle-hard material, in which a laser beam with laser pulses is directed onto the surface of the element by means of a pulsed laser, the laser pulses generating a plasma with vaporized material on the surface and thus ablating material from the surface of the element, and the laser beam being guided over the surface of the element at a feed rate of at most 30 mm/s so that successive laser pulses hit different locations on the surface of the element, and the pulse frequency and the feed rate of the laser beam on the surface of the element are set so that the light spots of successive laser pulses of the laser beam overlap on the surface of the element and the plasma generated by the previous laser pulse still exists when a laser pulse hits, and the laser pulses are used to remove material with a thickness or to a depth in the range between 30 µm and 150 µm.

Beim Abtrag durch Laserablation mit einem gepulsten Laser, insbesondere einem Ultrakurzpuls Laser kommt es bei sehr geringen Scanngeschwindigkeiten derart, dass die Auftrefforte der Pulse überlappen zu dem oben genannten selbstregulierendem Prozess. Überraschend ist, dass bei einer zeitlichen und örtlichen Überlappung des von einem vorhergehenden Puls erzeugten Plasmas mit dem nachfolgenden Puls die Abtragstiefe über einen weiten Leistungsbereich des Lasers nahezu unabhängig von der Laserleistung ist. Es wird folgender Mechanismus vermutet: Die ersten Pulse verdampfen das Material bis auf eine bestimmte Tiefe, dabei entsteht ein Plasma. Wenn ein bestimmtes Energieniveau erreicht wird, schirmt dieses Plasma, das darunter gelegende Material gegen weitere Lasereinstrahlung ab. So entsteht selbst bei stark abnehmender Laserleistung eine nur gering bis gar nicht abnehmende Abtragstiefe.When removing material by laser ablation with a pulsed laser, particularly an ultrashort pulse laser, the self-regulating process described above occurs at very low scanning speeds in such a way that the impact points of the pulses overlap. What is surprising is that when the plasma generated by a previous pulse overlaps in time and space with the subsequent pulse, the removal depth is almost independent of the laser power over a wide power range of the laser. The following mechanism is suspected: The first pulses evaporate the material to a certain depth, creating a plasma. When a certain energy level is reached, this plasma shields the material underneath from further laser radiation. This means that even when the laser power decreases significantly, the removal depth decreases only slightly or not at all.

Es hat sich weiterhin gezeigt, dass die Stabilität des Prozesses, beziehungsweise die Konstanz der Abtragstiefe besonders ausgeprägt ist, wenn der Laserspot an einem festen Ort/Punkt gehalten, der Laserstrahl also stationär ist und das zu bearbeitende Element bewegt wird. Mit anderen Worten wird also gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das Element aus sprödhartem Material gegenüber dem Laserstrahl zur Erzeugung eines Vorschubs des Laserstrahls bewegt.It has also been shown that the stability of the process, or the constancy of the removal depth, is particularly pronounced when the laser spot is held at a fixed location/point, i.e. the laser beam is stationary and the element to be processed is moved. In other words, according to a further development of the invention, the element made of brittle-hard material is moved relative to the laser beam to generate a feed of the laser beam.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, ohne Beschränkung auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel, wird als Laser ein gepulster Nd-YAG-Laser verwendet.According to one embodiment of the invention, without limitation to a specific embodiment, a pulsed Nd-YAG laser is used as the laser.

Gemäß noch einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Laserstrahl frequenzvervielfacht. Dazu ist ein Frequenzvervielfacher vorgesehen. Wird ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet, eignet sich beispielsweise ein KDP-Kristall als Frequenzverdoppler, um grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm zu erzeugen. Der Laserstrahl wird dann mittels einer Fokussierungsoptik auf die Oberfläche eines zu behandelnden Elements aus sprödhartem Material gerichtet.According to a further preferred development of the invention, the laser beam is frequency multiplied. A frequency multiplier is provided for this purpose. If an Nd:YAG laser with a wavelength of 1064 nm is used, a KDP crystal, for example, is suitable as a frequency doubler in order to generate green light with a wavelength of 532 nm. The laser beam is then directed onto the surface of an element to be treated made of brittle material using a focusing optic.

Es ist gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Frequenz des Laserstrahls zu verdreifachen. Wird mit dem Frequenzvervielfacher ein Nd:YAG-Laser verdreifacht, ergibt sich eine Wellenlänge der auf die Oberfläche des Elements treffenden Laserpulse von 355 nm, also eine Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich. Generell eignen sich die beiden oben genannten Lichtwellenlängen, allgemein Lichtwellenlängen von kleiner als 600 nm besonders zur Bearbeitung von Glas als sprödhartem Material. Allgemein, ohne Beschränkung auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel ist daher in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Vertiefung mit einem Laserstrahl mit einer Lichtwellenlänge von kleiner als 600 nm erzeugt wird.According to a further development of the invention, the frequency of the laser beam is tripled. If an Nd:YAG laser is tripled with the frequency multiplier, the wavelength of the laser pulses hitting the surface of the element is 355 nm, i.e. a wavelength in the ultraviolet spectral range. In general, the two light wavelengths mentioned above, generally light wavelengths of less than 600 nm, are particularly suitable for processing glass as a brittle material. In general, without being restricted to a specific embodiment, a development of the invention therefore provides that the recess is created with a laser beam with a light wavelength of less than 600 nm.

Allgemein, ohne Beschränkung auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet, eine Vertiefung in einem Glaselement zu erzeugen. Bevorzugte Glastypen hierfür sind Borosilikatgläser einschließlich Aluminoborosilikatgläser.In general, without being limited to a specific embodiment, the method according to the invention is particularly suitable for producing a recess in a glass element. Preferred types of glass for this purpose are borosilicate glasses, including aluminoborosilicate glasses.

Mit der Erfindung können durch entsprechende Führung des Laserstrahls über die Oberfläche nahezu beliebige Geometrien von Vertiefungen erzeugt werden. Bevorzugt wird aber allgemein, dass eine Vertiefung in Form eines Grabens in das Element eingefügt wird.With the invention, almost any geometry of depressions can be created by appropriately guiding the laser beam over the surface. However, it is generally preferred that a depression in the form of a trench is inserted into the element.

Mit der Erfindung können durch entsprechende Führung des Laserstrahls über die Oberfläche nahezu beliebige Geometrien von Vertiefungen erzeugt werden. Bevorzugt wird aber allgemein, dass eine Vertiefung in Form eines Grabens in das Element 2 eingefügt wird.With the invention, by appropriately guiding the laser beam over the surface Almost any geometry of depressions can be created. However, it is generally preferred that a depression in the form of a trench is inserted into element 2.

Allgemein, ohne Beschränkung auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel wird ein Laser mit einer Pulsfrequenz von mindestens 10 kHz, vorzugsweise von mindestens 50 kHz betrieben. Mit diesen hohen Pulsfrequenzen kann das Verfahren einerseits wirtschaftlich mit hinreichenden Vorschubgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Insbesondere kann mit diesen Pulsfrequenzen sichergestellt werden, dass das Plasma zwischen den einzelnen Pulsen noch aufrechterhalten bleibt.In general, without being limited to a specific embodiment, a laser is operated with a pulse frequency of at least 10 kHz, preferably at least 50 kHz. With these high pulse frequencies, the process can be carried out economically with sufficient feed rates. In particular, these pulse frequencies can ensure that the plasma is still maintained between the individual pulses.

Das beim Auftreffen des nächsten Laserpulses noch vorhandene Plasma über der Oberfläche wirkt dabei Variationen der Laserleistung entgegen. Sinkt die Laserleistung, ist das Plasma beim Eintreffen des nächsten Laserpulses schwächer. Damit ist auch die abschirmende Wirkung des Plasmas abgeschwächt, so dass das Laserlicht leichter bis zur Oberfläche des zu bearbeitenden Elements durchdringt.The plasma still present above the surface when the next laser pulse hits counteracts variations in the laser power. If the laser power drops, the plasma is weaker when the next laser pulse arrives. This also weakens the shielding effect of the plasma, so that the laser light penetrates more easily to the surface of the element to be processed.

Mit den Laserpulsen kann auf diese Weise Material mit einer Dicke, beziehungsweise bis in eine Tiefe im Bereich zwischen 30 µm und 150 µm abgetragen werden. Durch den selbstregulierenden Mechanismus kann die Abtragstiefe innerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches sehr konstant gehalten werden. So beträgt die Abtragstiefe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung etwa 80 µm. Die Erfindung ist daher allgemein besonders geeignet, um kleinste Strukturen in das Material einzubringen.In this way, the laser pulses can be used to remove material with a thickness or depth in the range between 30 µm and 150 µm. The self-regulating mechanism allows the removal depth to be kept very constant within the range specified above. According to one embodiment of the invention, the removal depth is approximately 80 µm. The invention is therefore generally particularly suitable for introducing the smallest structures into the material.

Um einen räumlichen Überlapp kleiner Lichtflecken zum Einschreiben feiner Strukturen im zu bearbeitenden Element zu gewährleisten, wird es erfindungsgemäß allgemein, ohne Beschränkung auf ein bestimmtes Beispiel bevorzugt, wenn der Laserstrahl mit einer Vorschubgeschwindigkeit von höchstens 22 mm/s über die Oberfläche des Elements geführt wird.In order to ensure a spatial overlap of small light spots for inscribing fine structures in the element to be processed, it is generally preferred according to the invention, without limitation to a specific example, if the laser beam is guided over the surface of the element at a feed rate of at most 22 mm/s.

Weiterhin wird bevorzugt, dass der Laserstrahl so fokussiert wird, dass der Lichtfleck auf der Oberfläche des Elements einen Durchmesser von höchstens 70 µm, vorzugsweise höchstens 50 µm aufweist, um feine Strukturen erzeugen zu können.Furthermore, it is preferred that the laser beam is focused such that the light spot on the surface of the element has a diameter of at most 70 µm, preferably at most 50 µm, in order to be able to produce fine structures.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist allgemein vorgesehen, dass ein Element in Form eines Rohres bereitgestellt wird, welches einen axialen Abschnitt mit erweitertem Umfang aufweist, wobei eine in Umfangsrichtung umlaufende Vertiefung im axialen Abschnitt mit erweitertem Umfang eingefügt wird.According to a further development of the invention, it is generally provided that an element in the form of a tube is provided which has an axial section with an enlarged circumference, wherein a circumferentially encircling recess is inserted in the axial section with an enlarged circumference.

Ohne Beschränkung auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass eine Vertiefung mit einer Breite von höchstens 50 µm erzeugt wird.Without being limited to a specific embodiment, according to a preferred embodiment of the invention, a recess with a width of at most 50 µm is produced.

Durch den aufgrund des räumlichen Überlapps der Laserpulse vergleichsweise langsamen erfindungsgemäßen Ablationsprozess kann allgemein, ohne Beschränkung auf bestimmte Ausführungsbeispiele andererseits eine Vertiefung mit großer Tiefe bereits bei einmaliger Überfahrt mit dem Laserstrahl eingefügt werden. Allgemein ist dabei in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass eine Vertiefung von mindestens 30 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm bei einmaliger Überfahrt mit dem Laserstrahl erzeugt wird. Erfindungsgemäß liegen die Vorschubgeschwindigkeiten bei 30 mm/s oder weniger. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ablation mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 15 mm/s bei einer Wiederholfrequenz des Lasers von etwa 100 kHz. Auf den ersten Blick erscheint diese langsame Bearbeitung nachteilig. Besonders aber bei der Bearbeitung von dünnen Rohren, insbesondere von Kapillaren, fällt die langsame Bearbeitungszeit kaum ins Gewicht, da der Umfang und damit die mit dem Laserstrahl zu überstreichende Strecke entsprechend kurz sind.Due to the comparatively slow ablation process according to the invention due to the spatial overlap of the laser pulses, a deep depression can generally be created in just one pass of the laser beam, without being restricted to specific embodiments. In general, a further development of the invention provides for a depression of at least 30 µm, preferably at least 50 µm, to be created in a single pass of the laser beam. According to the invention, the feed rates are 30 mm/s or less. According to one embodiment, the ablation takes place at a feed rate of 15 mm/s with a laser repetition frequency of around 100 kHz. At first glance, this slow processing appears to be disadvantageous. However, the slow processing time is hardly significant, particularly when processing thin tubes, in particular capillaries, since the circumference and thus the distance to be covered by the laser beam are correspondingly short.

Mit dem Verfahren werden insbesondere Vertiefungen erzeugt, die ein hohes Aspektverhältnis zwischen Breite und Tiefe aufweisen. Allgemein, ohne Beschränkung auf bestimmte Ausführungsbeispiele ist ein Element aus sprödhartem Material vorgesehen, welches zumindest eine grabenförmige Vertiefung aufweist, deren Tiefe mindestens so groß ist, wie dessen Breite, wobei die Breite der Vertiefung, wie bereits oben angegeben höchstens 50 µm und die Tiefe zwischen 30 µm und 150 µm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 100 µm beträgt.The method is used to produce depressions in particular which have a high aspect ratio between width and depth. In general, without being restricted to specific embodiments, an element made of brittle material is provided which has at least one trench-shaped depression whose depth is at least as great as its width, the width of the depression being, as already stated above, at most 50 µm and the depth between 30 µm and 150 µm, preferably between 50 µm and 100 µm.

Ohne Beschränkung auf bestimmte Ausführungsbeispiele ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Seitenwände der Vertiefung einen Öffnungswinkel an der Oberfläche des Elements aufweisen, welcher höchstens 45° beträgt.Without being limited to specific embodiments, a further development of the invention provides that the side walls of the recess have an opening angle on the surface of the element which is at most 45°.

Die Erfindung wird nachfolgend genauer, auch anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren jeweils gleiche oder entsprechende Elemente.The invention is described in more detail below, also using exemplary embodiments and with reference to the figures. In the figures, the same reference symbols designate the same or corresponding elements.

Es zeigen:

  • 1 schematisch einen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 einen alternativen Aufbau,
  • 3 schematisch im Querschnitt ein verfahrensgemäß bearbeitetes Rohr,
  • 4 eine mikroskopische Seitenaufnahme eines Rohres,
  • 5 eine mikroskopische Aufnahme der Bruchkante eines an der Vertiefung gebrochenen Rohres,
  • 6 einen Querschnitt durch ein Element aus sprödhartem Material, vorzugsweise Glas.
They show:
  • 1 schematically shows a structure for carrying out the method according to the invention,
  • 2 an alternative structure,
  • 3 schematic cross-section of a pipe processed according to the process,
  • 4 a microscopic side view of a pipe,
  • 5 a microscopic image of the fracture edge of a pipe broken at the depression,
  • 6 a cross-section through an element made of brittle material, preferably glass.

1 zeigt einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Vertiefung in einem Element 2 aus sprödhartem Material. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Laser 4 zur Abgabe eines gepulsten Laserstrahls 40. Der Laserstrahl 40 setzt sich daher aus einer Abfolge von Laserpulsen 41 zusammen. Beispielsweise ein Laser mit einer Ausgangsleistung von etwa 40 µJ pro Puls verwendet werden. 1 shows a schematic structure of a device 1 for carrying out the method according to the invention for producing a recess in an element 2 made of brittle material. The device 1 comprises a laser 4 for emitting a pulsed laser beam 40. The laser beam 40 is therefore made up of a sequence of laser pulses 41. For example, a laser with an output power of approximately 40 µJ per pulse can be used.

Als Laser 40 wird ein gepulster Nd-YAG-Laser verwendet.A pulsed Nd-YAG laser is used as laser 40.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel wird der Laserstrahl 40 frequenzvervielfacht. Dazu ist ein Frequenzvervielfacher 43 vorgesehen. Wird ein Nd:YAG-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm verwendet, eignet sich beispielsweise ein KDP-Kristall als Frequenzverdoppler, um grünes Licht mit einer Wellenlänge von 532 nm zu erzeugen. Der Laserstrahl 40 wird dann mittels einer Fokussierungsoptik 44 auf die Oberfläche 20 eines zu behandelnden Elements 2 aus sprödhartem Material gerichtet.In the 1 In the example shown, the laser beam 40 is frequency multiplied. A frequency multiplier 43 is provided for this purpose. If an Nd:YAG laser with a wavelength of 1064 nm is used, a KDP crystal, for example, is suitable as a frequency doubler in order to generate green light with a wavelength of 532 nm. The laser beam 40 is then directed by means of a focusing optics 44 onto the surface 20 of an element 2 to be treated, made of brittle-hard material.

Es ist beispielsweise vorgesehen, die Frequenz des Laserstrahls 40 zu verdreifachen. Wird mit dem Frequenzvervielfacher 43 ein Nd:YAG-Laser verdreifacht, ergibt sich eine Wellenlänge der auf die Oberfläche 20 des Elements 2 treffenden Laserpulse 40 von 355 nm, also eine Wellenlänge im ultravioletten Spektralbereich. Generell eignen sich die beiden oben genannten Lichtwellenlängen, allgemein Lichtwellenlängen von kleiner als 600 nm besonders zur Bearbeitung von Glas als sprödhartem Material. Es ist daher beispielsweise vorgesehen, dass die Vertiefung 6 mit einem Laserstrahl 40 mit einer Lichtwellenlänge von kleiner als 600 nm erzeugt wird.For example, it is intended to triple the frequency of the laser beam 40. If an Nd:YAG laser is tripled using the frequency multiplier 43, the laser pulses 40 striking the surface 20 of the element 2 have a wavelength of 355 nm, i.e. a wavelength in the ultraviolet spectral range. In general, the two light wavelengths mentioned above, generally light wavelengths of less than 600 nm, are particularly suitable for processing glass as a brittle material. It is therefore intended, for example, that the recess 6 is created with a laser beam 40 with a light wavelength of less than 600 nm.

Das Verfahren ist besonders geeignet, eine Vertiefung 6 in einem Glaselement zu erzeugen. Bevorzugte Glastypen hierfür sind Borosilikatgläser einschließlich Aluminoborosilikatgläser.The method is particularly suitable for producing a recess 6 in a glass element. Preferred glass types for this are borosilicate glasses including aluminoborosilicate glasses.

Durch entsprechende Führung des Laserstrahls über die Oberfläche können nahezu beliebige Geometrien von Vertiefungen 6 erzeugt werden. Bevorzugt wird, dass eine Vertiefung 6 in Form eines Grabens in das Element 2 eingefügt wird.By appropriately guiding the laser beam over the surface, almost any geometry of recesses 6 can be created. It is preferred that a recess 6 is inserted into the element 2 in the form of a trench.

Bei dem in 1 gezeigten Beispiel sind nur zur Illustration drei Laserpulse 41 dargestellt, welche sich zwischen dem Laser 4 und der Oberfläche 20 des Elements 2 befinden. Typischerweise werden aber Wiederholfrequenzen und Abstände verwendet, die so niedrig sind, dass der Laserpuls 20 die optische Wegstrecke zwischen Laser 4 und Oberfläche 20 ausfüllt.In the 1 In the example shown, three laser pulses 41 are shown for illustration purposes only, which are located between the laser 4 and the surface 20 of the element 2. Typically, however, repetition frequencies and distances are used which are so low that the laser pulse 20 fills the optical path between the laser 4 and the surface 20.

Die Fokussierungsoptik 44 kollimiert den Laserstrahl 40 nun auf einen Lichtfleck 42 auf der Oberfläche 20 des Elements. Der Lichtfleck 42 ist bevorzugt möglichst klein, so dass der Lichtfleck 42 den von der Fokussierungsoptik erzeugten Fokus des Laserstrahls 40 darstellt. Die Laserpulse 41 erzeugen ein Plasma 8 mit verdampftem Material des Elements 2 an dessen Oberfläche 20, so dass Material von der Oberfläche 20 des Elements 2 ablatiert wird. Um eine längliche Vertiefung 6 zu erzeugen, wird der Laserstrahl 4 über die Oberfläche 20 des Elements geführt, so dass aufeinanderfolgende Laserpulse 41 auf verschiedene Orte auf der Oberfläche 20 des Elements 2 treffen.The focusing optics 44 now collimates the laser beam 40 onto a light spot 42 on the surface 20 of the element. The light spot 42 is preferably as small as possible, so that the light spot 42 represents the focus of the laser beam 40 generated by the focusing optics. The laser pulses 41 generate a plasma 8 with vaporized material of the element 2 on its surface 20, so that material is ablated from the surface 20 of the element 2. In order to generate an elongated depression 6, the laser beam 4 is guided over the surface 20 of the element, so that successive laser pulses 41 hit different locations on the surface 20 of the element 2.

Eine Möglichkeit ist, den Laserstrahl 40 abzulenken. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird allerdings das Element 2 aus sprödhartem Material gegenüber dem Laserstrahl 4 zur Erzeugung eines Vorschubs des Laserstrahls 40 bewegt. Dazu ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel eine Einrichtung 10 zur Führung des Laserstrahls 40 über die Oberfläche 20 des Elements 2 vorgesehen. Bei diesem Beispiel umfasst die Einrichtung 10 einen Schlitten 101, auf welchem das Element 2 angeordnet ist. Der Schlitten 101 und damit auch das Element 2 wird gegenüber dem stationären Laser 4 in Richtung quer zur Auftreffrichtung des Lasers 4 bewegt, so dass eine längliche Vertiefung 6 erzeugt wird, welche sich entlang der Bewegungsrichtung des Elements 2 erstreckt.One possibility is to deflect the laser beam 40. According to a preferred embodiment of the invention, however, the element 2 made of brittle material is moved relative to the laser beam 4 to generate a feed of the laser beam 40. For this purpose, in the 1 In the example shown, a device 10 is provided for guiding the laser beam 40 over the surface 20 of the element 2. In this example, the device 10 comprises a carriage 101 on which the element 2 is arranged. The carriage 101 and thus also the element 2 are moved relative to the stationary laser 4 in a direction transverse to the direction of impact of the laser 4, so that an elongated depression 6 is produced which extends along the direction of movement of the element 2.

Nach Beendigung eines Laserpulses 41 bricht das Plasma 8 aufgrund der fehlenden Heizleistung durch den Laserstrahl 4 zusammen, bis beim nächsten auftreffenden Laserpuls 41 erneut ein Plasma 8 erzeugt und der Ablationsprozess fortgesetzt wird. Erfindungsgemäß werden aber die Pulsfrequenz und die Vorschub-Geschwindigkeit des Laserstrahls 40 auf der Oberfläche 20 des Elements 2 so eingestellt, dass die Lichtflecken 42 aufeinanderfolgender Laserpulse 41 des Laserstrahls 40 auf der Oberfläche 20 des Elements 2 überlappen und das vom jeweils vorhergehenden Laserpuls 41 erzeugte Plasma 8 noch besteht, wenn ein Laserpuls 41 auftrifft.After the end of a laser pulse 41, the plasma 8 collapses due to the lack of heating power from the laser beam 4 until the next impinging laser pulse 41 generates a new plasma 8 and the ablation process is continued. According to the invention, however, the pulse frequency and the feed speed of the laser beam 40 on the surface 20 of the element 2 are set such that the light spots 42 of successive laser pulses 41 of the laser beam 40 overlap on the surface 20 of the element 2 and the plasma 8 generated by the previous laser pulse 41 still exists when a laser pulse 41 impinges.

Der Laser 4 wird mit einer Pulsfrequenz von mindestens 10 kHz, vorzugsweise von mindestens 50 kHz betrieben. Mit diesen hohen Pulsfrequenzen kann das Verfahren einerseits wirtschaftlich mit hinreichenden Vorschubgeschwindigkeiten durchgeführt werden. Insbesondere kann mit diesen Pulsfrequenzen sichergestellt werden, dass das Plasma zwischen den einzelnen Pulsen noch aufrechterhalten bleibt.The laser 4 is operated with a pulse frequency of at least 10 kHz, preferably at least 50 kHz. With these high pulse frequencies, the process can be carried out economically with sufficient feed rates. In particular, these pulse frequencies can ensure that the plasma is still maintained between the individual pulses.

Das beim Auftreffen des nächsten Laserpulses 41 noch vorhandene Plasma über der Oberfläche wirkt dabei Variationen der Laserleistung entgegen. Sinkt die Laserleistung, ist das Plasma beim Eintreffen des nächsten Laserpulses schwächer. Damit ist auch die abschirmende Wirkung des Plasmas 8 abgeschwächt, so dass das Laserlicht leichter bis zur Oberfläche 20 des zu bearbeitenden Elements 2 durchdringt.The plasma still present above the surface when the next laser pulse 41 hits counteracts variations in the laser power. If the laser power drops, the plasma is weaker when the next laser pulse arrives. This also weakens the shielding effect of the plasma 8, so that the laser light penetrates more easily to the surface 20 of the element 2 to be processed.

Mit den Laserpulsen 41 kann auf diese Weise Material mit einer Dicke, beziehungsweise bis in eine Tiefe im Bereich zwischen 30 µm und 150 µm abgetragen werden. Durch den selbstregulierenden Mechanismus kann die Abtragstiefe innerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches sehr konstant gehalten werden. So beträgt die Abtragstiefe beispielsweise etwa 80 µm. Das Verfahren ist daher besonders geeignet, um kleinste Strukturen in das Material einzubringen.In this way, the laser pulses 41 can be used to remove material with a thickness or depth in the range between 30 µm and 150 µm. The self-regulating mechanism allows the removal depth to be kept very constant within the range specified above. For example, the removal depth is around 80 µm. The method is therefore particularly suitable for introducing the smallest structures into the material.

2 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Vorrichtung 1. 2 shows a variant of the 1 device shown 1.

Um einen räumlichen Überlapp kleiner Lichtflecken 42 zum Einschreiben feiner Strukturen im zu bearbeitenden Element zu gewährleisten, wird es bevorzugt, wenn der Laserstrahl 40 mit einer Vorschubgeschwindigkeit von höchstens 22 mm/s über die Oberfläche 20 des Elements 2 geführt wird.In order to ensure a spatial overlap of small light spots 42 for inscribing fine structures in the element to be processed, it is preferred if the laser beam 40 is guided over the surface 20 of the element 2 at a feed rate of at most 22 mm/s.

Weiterhin wird bevorzugt, dass der Laserstrahl 40 so fokussiert wird, dass der Lichtfleck 42 auf der Oberfläche 20 des Elements 2 einen Durchmesser von höchstens 70 µm, vorzugsweise höchstens 50 µm aufweist, um feine Strukturen erzeugen zu können.Furthermore, it is preferred that the laser beam 40 is focused such that the light spot 42 on the surface 20 of the element 2 has a diameter of at most 70 µm, preferably at most 50 µm, in order to be able to produce fine structures.

2 zeigt eine Variante der in 1 dargestellten Vorrichtung. Diese Variante basiert allgemein darauf, dass das Element 2 aus sprödhartem Material rotiert wird, um den Laserstrahl 40 über die Oberfläche des Elements 2 zu führen. Die Einrichtung zur Führung des Laserstrahls 40 über die Oberfläche 20 des Elements 2 umfasst dazu eine Rotationseinrichtung 102, beispielsweise mit einem Futter, in welches das Element 2 eingespannt wird und welches durch einen mit einem Getriebe untersetzten Motor angetrieben wird. Diese Ausführungsform der Erfindung eignet sich insbesondere dazu, wie auch in 2 dargestellt, in Umfangsrichtung verlaufende Vertiefungen in die Mantelfläche eines Elements 2 in Gestalt eines Rohres 22, besonders bevorzugt in einem Glasrohr einzufügen. 2 shows a variant of the 1 This variant is generally based on the fact that the element 2 made of brittle-hard material is rotated in order to guide the laser beam 40 over the surface of the element 2. The device for guiding the laser beam 40 over the surface 20 of the element 2 comprises a rotation device 102, for example with a chuck in which the element 2 is clamped and which is driven by a motor with a gear reduction. This embodiment of the invention is particularly suitable for, as also in 2 shown, circumferentially extending recesses are inserted into the lateral surface of an element 2 in the form of a tube 22, particularly preferably in a glass tube.

Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich ein weiterer Vorteil, der die Erfindung besonders für die Bearbeitung von röhrenförmigen Elementen geeignet macht. Das Plasma, welches jeweils noch beim darauffolgenden Laserpuls 41 besteht, bewirkt durch die Abschirmung auch, dass eine Ablation von Material auf der dem Laserstrahl abgewandten Oberfläche unterdrückt wird. Bei einem Element 2 in Gestalt eines Rohres ist diese Oberfläche dessen Innenseite. Kommt es zu einer Ablation an der Innenseite, können sich Partikel im Rohrinneren ablagern. Je nach Anwendung können solche Partikel und andere Ablagerungen aus der Ablation sehr störend sein.When using the method according to the invention, there is a further advantage that makes the invention particularly suitable for processing tubular elements. The plasma, which still exists during the subsequent laser pulse 41, also has the effect of suppressing ablation of material on the surface facing away from the laser beam due to the shielding. In the case of an element 2 in the form of a tube, this surface is its inside. If ablation occurs on the inside, particles can be deposited inside the tube. Depending on the application, such particles and other deposits from the ablation can be very disruptive.

Eine Vertiefung 6, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingefügt wird, kann gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Sollbruchstelle bilden. Das Element 2 kann dann nach dem Einfügen der Vertiefung 6 an der Sollbruchstelle aufgetrennt werden. Um eine Sollbruchstelle zu bilden, eignet sich insbesondere eine Vertiefung in Form eines Grabens.A recess 6, as inserted using the method according to the invention, can form a predetermined breaking point according to one embodiment of the invention. The element 2 can then be separated at the predetermined breaking point after the recess 6 has been inserted. A recess in the form of a trench is particularly suitable for forming a predetermined breaking point.

Glaselemente, die an definierter Stelle zerteilt werden sollen, kommen unter anderem in der Analytik und im medizinischen Bereich zum Einsatz. Als Beispiel seien etwa Ampullen genannt. Wie bereits oben dargelegt, besteht ein Problem dabei darin, Sollbruchstellen so in ein Element aus sprödhartem Werkstoff einbringen zu können, dass ein sauberes Zerteilen des Elements auch lange nach dem Einfügen der Sollbruchstelle mit definierter Bruchkraft ermöglicht wird. Es zeigt sich, dass gerade das erfindungsgemäße Verfahren dazu geeignet ist, Sollbruchstellen einzufügen, welche dieser Bedingung genügen.Glass elements that are to be broken at a defined point are used in the analytical and medical fields, among others. Ampoules are an example. As already explained above, one problem is to be able to introduce predetermined breaking points into an element made of brittle material in such a way that the element can be cleanly broken with a defined breaking force even long after the predetermined breaking point has been inserted. It turns out that the method according to the invention is particularly suitable for inserting predetermined breaking points that satisfy this condition.

Das Problem, eine saubere Bruchkante zu erzeugen, wird weiter verschärft, wenn das Element an einer besonders stabilen Stelle aufgetrennt werden soll. Dies ist unter anderem bei Kapillarröhrchen der Fall, die eine abschnittweise Erweiterung des Durchmessers aufweisen. Solche, an der Erweiterung im Bereich des maximalen Durchmessers aufgetrennte Glaskapillaren werden in der chemischen Analytik, insbesondere bei immunologischen Tests verwendet. Hierbei dient die Erweiterung als Reaktionsreservoir und der sich anschließende dünnere Kapillarabschnitt zur Aufnahme von sich bei der Reaktion bildenden Partikeln, etwa von Agglutinaten.The problem of creating a clean break edge is further exacerbated if the element is to be separated at a particularly stable point. This is the case, for example, with capillary tubes that have a section-by-section expansion of the diameter. Such glass capillaries that are separated at the expansion in the area of the maximum diameter are used in chemical analysis, particularly in immunological tests. The expansion serves as a reaction reservoir and the subsequent thinner capillary section is used to absorb particles that form during the reaction, such as agglutinates.

Beispielsweise ist vorgesehen, dass ein Element 2 in Form eines Rohres 22 bereitgestellt wird, welches einen axialen Abschnitt 23 mit erweitertem Umfang aufweist, wobei eine in Umfangsrichtung umlaufende Vertiefung 6 im axialen Abschnitt 23 mit erweitertem Umfang eingefügt wird. In 3 ist ein solches Rohr 22 schematisch im Querschnitt dargestellt. Das Rohr 22 hat die Gestalt einer Kapillare. Im axialen Abschnitt 23 erweitern sich Innen- und Außendurchmesser der Kapillare. Gleichzeitig verjüngt sich zur axialen Position mit maximalem Außendurchmesser auch die Wandstärke des Rohres 22.For example, it is provided that an element 2 is provided in the form of a tube 22, which has an axial section 23 with an extended circumference, wherein a circumferential recess 6 is inserted in the axial section 23 with an extended circumference. In 3 such a tube 22 is shown schematically in cross-section. The tube 22 has the shape of a capillary. In the axial section 23, the inner and outer diameters of the capillary expand. At the same time, the wall thickness of the tube 22 also tapers towards the axial position with the maximum outer diameter.

Ein solches Rohr 22 kann insbesondere mit einem Verfahren zum Umformen eines Glasrohres, insbesondere eines
Kapillarröhrchens, in einem Umformabschnitt hergestellt werden, wobei das Rohr 22 ein oder
zwei offenen Enden aufweist. Dabei wird das Rohr 22 mit einer Halteeinrichtung gehalten und fixiert. Die Halteeinrichtung umfasst dabei vorzugsweise einen
ersten Fixierabschnitt 14 und einen zweiten Fixierabschnitt. Das Rohr 22 wird dann zwischen dem ersten und zweiten Fixierabschnitt erwärmt. Das Erwärmen erfolgt vorzugsweise mit einem zwischen dem ersten und dem
zweiten Fixierabschnitt angeordneten Heizrohr, welches das Rohr 22 ringförmig umschließt. Mittels einer Gasquelle wird ein Gasstrom bereitgestellt und in das Rohr 22 über mindestens eines der offenen Enden mit einem mit der Gasquelle kommunizierenden Anschlussstück eingeleitet. Mit anderen Worten wird mittels einer Gasquelle der Druck im Inneren des Rohres 22 gegenüber der Umgebung erhöht. Der eingestellte Druck im Inneren bewirkt eine radiale Erweiterung des Rohres 22 im durch die Erwärmung erweichten Umformabschnitt. Dieser Umformabschnitt wird damit zu dem axialen Abschnitt 23 mit erweitertem Durchmesser umgeformt.
Such a tube 22 can be produced in particular by a method for forming a glass tube, in particular a
capillary tube, in a forming section, wherein the tube 22 has one or
two open ends. The tube 22 is held and fixed with a holding device. The holding device preferably comprises a
first fixing section 14 and a second fixing section. The tube 22 is then heated between the first and second fixing sections. The heating is preferably carried out with a between the first and the second
second fixing section arranged heating pipe, which surrounds the pipe 22 in a ring shape. A gas flow is provided by means of a gas source and introduced into the pipe 22 via at least one of the open ends with a connector that communicates with the gas source. In other words, the pressure inside the pipe 22 is increased compared to the environment by means of a gas source. The set pressure inside causes a radial expansion of the pipe 22 in the forming section softened by the heating. This forming section is thus formed into the axial section 23 with an expanded diameter.

Das so umgeformte Rohr 22 kann dann mit dem Verfahren gemäß der Erfindung mit einer Vertiefung 6 im axialen Abschnitt 23 mit der genannten, in Umfangsrichtung umlaufenden Vertiefung 6 durch Laserablation versehen werden. Vorzugsweise läuft die Vertiefung vollständig um und hat damit die Gestalt einer ringförmig geschlossenen Kerbe, beziehungsweise eines ringförmigen geschlossenen Grabens.The tube 22 thus formed can then be provided with a recess 6 in the axial section 23 with the aforementioned circumferentially extending recess 6 by laser ablation using the method according to the invention. The recess preferably runs all the way around and thus has the shape of a ring-shaped closed notch or a ring-shaped closed trench.

Weiterhin wird auch bevorzugt, dass die Vertiefung 6 an oder nahe der axialen Position des Rohres 22 mit dem maximalen Durchmesser des Abschnitts 23 eingefügt wird.Furthermore, it is also preferred that the recess 6 is inserted at or near the axial position of the tube 22 with the maximum diameter of the section 23.

Damit wird eine Sollbruchstelle erhalten, welche nach Brechen des Rohres an der Vertiefung 6 zwei Glasteile mit im Wesentlichen gleich großen, vorzugsweise als Reaktionsraum dienenden Erweiterungen an deren jeweiligen Enden versehen sind.This creates a predetermined breaking point which, after the tube has broken at the recess 6, provides two glass parts with essentially equal-sized extensions at their respective ends, preferably serving as a reaction space.

4 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines solchen Rohres 22. Im Speziellen ist ein Ausschnitt des Rohres 22 mit dem axialen Abschnitt 23 dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die umlaufende Vertiefung 6 in Form eines ringförmigen Grabens im Bereich des maximalen Durchmessers des axialen Bereiches 23. Ebenso zu erkennen ist anhand des eingezeichneten Maßstabs von 500 µm, dass die Vertiefung 6 sehr schmal ist. Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine Vertiefung 6 mit einer Breite von höchstens 50 µm erzeugt wird. 4 shows a microscopic image of such a tube 22. In particular, a section of the tube 22 with the axial section 23 is shown. The circumferential depression 6 in the form of an annular groove in the area of the maximum diameter of the axial area 23 can be clearly seen. It can also be seen from the scale of 500 µm that the depression 6 is very narrow. For example, it is intended that a depression 6 with a width of at most 50 µm is produced.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Vertiefungen 6 zeichnen sich typischerweise auch durch steile Wände aus, so dass die Vertiefungen 6 bei gegebener Breite tief in das sprödharte Material des Elements 2 hineinreichen. Dies wird auch an dem Beispiel der 5 deutlich. 5 zeigt eine Aufsicht auf die Stirnseite eines wie in 4 bearbeiteten Rohres 22. Das Rohr 22 wurde dazu durch Brechen in zwei Teile zerlegt. Die Stirnfläche des so erhaltenen Rohres 22 verläuft demgemäß entlang der Ebene senkrecht zur Längsachse des Rohres 22 an der axialen Position des maximalen Durchmessers des Bereichs 23.The recesses 6 that can be produced using the method according to the invention are typically also characterized by steep walls, so that the recesses 6, for a given width, extend deep into the brittle material of the element 2. This is also shown in the example of the 5 clearly. 5 shows a view of the front side of a 4 processed tube 22. The tube 22 was broken into two parts. The end face of the tube 22 thus obtained accordingly runs along the plane perpendicular to the longitudinal axis of the tube 22 at the axial position of the maximum diameter of the region 23.

Die Vertiefung 6 erstreckt sich wie auch bei den in den 3 und 4 gezeigten Beispielen von der Außenseite 25 des Rohres 22 bis in eine Tiefe, die geringer als die Wandstärke des Rohres 22 ist. Beim Brechen des Elements 2, beziehungsweise hier dem Rohr 22 an der durch die Vertiefung 6 gebildeten Sollbruchstelle wird eine Bruchfläche 26 erzeugt, welche sich von der Vertiefung 6 bis zur der Seite mit der Vertiefung 6 gegenüberliegenden Seite des Elements 2 erstreckt. Im Falle eines Rohres 22 wird diese gegenüberliegende Seite durch die Innenseite 24 des Rohres 22 gebildet.The recess 6 extends as in the 3 and 4 shown examples from the outside 25 of the tube 22 to a depth that is less than the wall thickness of the tube 22. When the element 2, or here the tube 22, breaks at the predetermined breaking point formed by the recess 6, a fracture surface 26 is created which extends from the recess 6 to the side of the element 2 opposite the side with the recess 6. In the case of a tube 22, this opposite side is formed by the inside 24 of the tube 22.

Die Bruchfläche 26 und die Wandung der früheren Vertiefung 6 sind in der Aufnahme der 5 deutlich anhand der unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten zu erkennen. Die in der Aufnahme hell erscheinende Bruchfläche 26 ist sehr glatt, während die von der Vertiefung 6 verbliebene Wandung bedingt durch den Ablationsprozess eine gewisse Rauigkeit aufweist.The fracture surface 26 and the wall of the former depression 6 are visible in the image of the 5 can be clearly seen from the different surface textures. The fracture surface 26, which appears bright in the image, is very smooth, while the wall remaining from the depression 6 has a certain roughness due to the ablation process.

Durch den aufgrund des räumlichen Überlapps der Laserpulse vergleichsweise langsamen erfindungsgemäßen Ablationsprozess kann eine Vertiefung mit großer Tiefe bereits bei einmaliger Überfahrt mit dem Laserstrahl eingefügt werden. Beispielsweise ist vorgesehen, dass eine Vertiefung von mindestens 30 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm bei einmaliger Überfahrt mit dem Laserstrahl erzeugt wird. Erfindungsgemäß liegen die Vorschubgeschwindigkeiten bei 30 mm/s oder weniger. Gemäß einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Ablation mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 15 mm/s bei einer Wiederholfrequenz des Lasers von etwa 100 kHz. Auf den ersten Blick erscheint diese langsame Bearbeitung nachteilig. Besonders aber bei der Bearbeitung von dünnen Rohren 22, insbesondere von Kapillaren, wie sie die Beispiele der 3 bis 5 zeigen, fällt die langsame Bearbeitungszeit kaum ins Gewicht, da der Umfang und damit die mit dem Laserstrahl zu überstreichende Strecke entsprechend kurz sind. So weist das Rohr 22 des in 4 gezeigten Beispiels an der Stelle der Vertiefung 6 nur einen Durchmesser von etwa 1,5 mm auf. Bei einem Vorschub von 15 mm/s beträgt die Bearbeitungszeit damit nur etwa 0,3 s. Die Bearbeitungszeit ist damit typischerweise geringer, als die für die Fixierung des Rohres verwendete Zeit.Due to the comparatively slow ablation process according to the invention due to the spatial overlap of the laser pulses, a deep depression can be created with just one pass of the laser beam. For example, it is provided that a depression of at least 30 µm, preferably at least 50 µm, is created with a single pass of the laser beam. According to the invention, the feed speeds are 30 mm/s or less. According to one embodiment, the ablation is carried out with a feed speed of 15 mm/s at a laser repetition frequency of about 100 kHz. At first glance, this slow processing appears to be disadvantageous. However, it is particularly important when processing thin tubes 22, especially capillaries, as shown in the examples of 3 to 5 As can be seen from the figures, the slow processing time is of little consequence, since the circumference and thus the distance to be covered by the laser beam are correspondingly short. For example, the tube 22 of the 4 In the example shown, the tube only has a diameter of about 1.5 mm at the location of the recess 6. At a feed rate of 15 mm/s, the processing time is therefore only about 0.3 s. The processing time is therefore typically less than the time used to fix the tube.

Die Abtragstiefe D ist in 5 mit einem Doppelpfeil gekennzeichnet und beträgt etwa 80 µm. Eine solche Abtragstiefe ist typisch für die oben genannten Pulsfrequenzen von mindestens 50 kHz.The removal depth D is in 5 marked with a double arrow and is approximately 80 µm. Such a removal depth is typical for the above-mentioned pulse frequencies of at least 50 kHz.

Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eingefügte grabenförmige Vertiefung weist einige Charakteristika auf, welche diese als langzeitstabile Sollbruchstelle besonders geeignet machen. Insbesondere kann die für das Brechen erforderliche Bruchkraft nahezu unabhängig von der Lagerungsdauer im Wesentlichen konstant gehalten werden. Dies ist zum Vergleich beim sonst üblichen Ritzen nicht der Fall, da die Ritzung, insbesondere unter Einwirkung von Feuchtigkeit teilweise ausheilen kann. Damit kann die erforderliche Bruchkraft lokal ansteigen. Umgekehrt kann es bei Lagerung unter Spannung zur Spannungsrisskorosion kommen, was zu einer lokal erniedrigten erforderlichen Bruchkraft oder sogar zum vorzeitigen Bruch führen kann. Beide Effekte können gleichzeitig auftreten, so dass insgesamt die erforderliche Bruchkraft entlang der Sollbruchstelle inhomogen wird. Dies kann bei zeitlicher Verzögerung zwischen Ritzung und Brechen zu verlaufenden und unsauberen Bruchkanten führen.A trench-shaped depression inserted using the method according to the invention has a number of characteristics that make it particularly suitable as a long-term stable predetermined breaking point. In particular, the breaking force required for breaking can be kept essentially constant almost independently of the storage period. In comparison, this is not the case with the usual scratching, since the scratch can partially heal, particularly under the influence of moisture. This can cause the required breaking force to increase locally. Conversely, storage under stress can lead to stress corrosion cracking, which can lead to a locally reduced required breaking force or even to premature breakage. Both effects can occur simultaneously, so that overall the required breaking force becomes inhomogeneous along the predetermined breaking point. If there is a time delay between scratching and breaking, this can lead to blurred and unclean breaking edges.

Demgegenüber ist eine erfindungsgemäß eingefügte Vertiefung 6 als Sollbruchstelle geeignet für ein zeitverzögertes Brechen, wobei zwischen Einfügen der Vertiefung und Brechen auch weitere Bearbeitungsschritte durchgeführt werden können. Insbesondere kann zwischen Ritzen und Brechen ein Reinigungsschritt mit einem wässrigen Medium und/oder ein Beschichtungsschritt erfolgen. Gerade Wasser führt sonst zu den oben genannten Phänomenen der Rissausheilung und Spannungsrisskorosion. Eine bevorzugte Anwendung eines solchen Produkts ist ein Probenträger (auch in Form eines Probenbehälters) für medizinische, biologische oder chemische Proben.In contrast, a recess 6 inserted according to the invention is suitable as a predetermined breaking point for a time-delayed breaking, whereby further processing steps can also be carried out between the insertion of the recess and the breaking. In particular, a cleaning step with an aqueous medium and/or a coating step can take place between scratching and breaking. Water in particular otherwise leads to the above-mentioned phenomena of crack healing and stress corrosion cracking. A preferred application of such a product is a sample carrier (also in the form of a sample container) for medical, biological or chemical samples.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Weiterverarbeitung und Verwendung eines Probenträgers mit einem Element aus sprödhartem Material vorgesehen, wobei ein Element 2 aus sprödhartem Material, vorzugsweise aus Glas bereitgestellt, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit zumindest einer Vertiefung 6, die als Sollbruchstelle dient, versehen, nach Einfügen der Vertiefung 6 mit einem wässrigen Medium gereinigt, gegebenenfalls anschließend beschichtet und dann an der Sollbruchstelle gebrochen wird. Bei rohrförmigen Probenträgern, wie sie auch die 3 bis 5 zeigen, kann sich nach dem Brechen ein weiterer Reinigungsschritt vor dem Befüllen des Rohres mit einer Probe anschließen.According to one embodiment of the invention, a method is therefore provided for further processing and using a sample carrier with an element made of brittle-hard material, wherein an element 2 made of brittle-hard material, preferably made of glass, is provided with at least one recess 6, which serves as a predetermined breaking point, is cleaned with an aqueous medium after the recess 6 has been inserted, is then optionally coated and is then broken at the predetermined breaking point. In the case of tubular sample carriers, such as those used in the 3 until 5 show, a further cleaning step can be carried out after breaking before filling the pipe with a sample.

Nachfolgend werden anhand von 6 die Charakteristika eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Erzeugnisses beschrieben. 6 zeigt einen Querschnitt durch ein Element 2 aus sprödhartem Material, vorzugsweise Glas, wobei ein Ausschnitt des Elements 2 mit zwei Beispielen erfindungsgemäßer, für den Zwecke einer Sollbruchstelle grabenförmig ausgebildeter Vertiefungen 6 dargestellt ist.The following are based on 6 the characteristics of a product that can be produced using the process according to the invention are described. 6 shows a cross-section through an element 2 made of brittle material, preferably glass, wherein a section of the element 2 is shown with two examples of depressions 6 according to the invention, designed in the shape of a trench for the purpose of a predetermined breaking point.

Mit dem Verfahren werden insbesondere Vertiefungen 6 erzeugt, die ein hohes Aspektverhältnis zwischen Breite und Tiefe aufweisen. Bei beiden in 6 gezeigten Beispielen ist die Tiefe D größer als die Breite B der Vertiefung 6. Beispielsweise ist ein Element 2 aus sprödhartem Material vorgesehen, welches zumindest eine grabenförmige Vertiefung 6 aufweist, deren Tiefe mindestens so groß ist, wie dessen Breite, wobei die Breite der Vertiefung, wie bereits oben angegeben höchstens 50 µm und die Tiefe zwischen 30 µm und 150 µm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 100 µm beträgt. Weiterhin laufen wie auch bei beiden in 6 gezeigten Beispielen die beiden Seitenwände 60, 61 von der Oberfläche des Elements 2 ausgehend aufeinander zu. Dabei können die Seitenwände wie bei dem rechts dargestellten Ausührungsbeispiel im Wesentlichen geradlinig aufeinander zu laufen, oder wie im links gezeigten Beispiel mit einer Krümmung.The method is used to produce depressions 6 that have a high aspect ratio between width and depth. In both cases, 6 In the examples shown, the depth D is greater than the width B of the depression 6. For example, an element 2 made of brittle-hard material is provided, which has at least one trench-shaped depression 6, the depth of which is at least as great as its width, the width of the depression, as already stated above, being at most 50 µm and the depth between 30 µm and 150 µm, preferably between 50 µm and 100 µm. Furthermore, as with both in 6 In the examples shown, the two side walls 60, 61 run towards each other starting from the surface of the element 2. The side walls can run towards each other essentially in a straight line, as in the embodiment shown on the right, or with a curve, as in the example shown on the left.

In beiden Fällen ist der Öffnungswinkel α der Seitenwände 60, 61 an der Oberfläche 20 des Elements 2 eingezeichnet. Der Öffnungswinkel α, also der Winkel gegenüberliegender Wandabschnitte der Wandungen 60, 61 zueinander ist im links dargestellten Falle der zueinander gekrümmten Seitenwände geringer, als bei gerade verlaufenden Seitenwänden.In both cases, the opening angle α of the side walls 60, 61 is marked on the surface 20 of the element 2. The opening angle α, i.e. the angle of opposite wall sections of the walls 60, 61 to each other, is smaller in the case of the side walls curved towards each other shown on the left than in the case of straight side walls.

Beispielsweise ist vorgesehen, dass die Seitenwände 60, 61 der Vertiefung einen Öffnungswinkel α an der Oberfläche 20 des Elements 2 aufweisen, welcher höchstens 45° beträgt. Legt man eine typische Tiefe D der Vertiefung 6 von etwa 80 µm und eine Breite von 50 µm zugrunde, ergibt sich bei dem rechts gezeigten Ausführungsbeispiel ein Öffnungswinkel von etwa 35°.For example, it is provided that the side walls 60, 61 of the recess have an opening angle α on the surface 20 of the element 2, which is at most 45°. If a typical depth D of the recess 6 of approximately 80 µm and a width of 50 µm is assumed, an opening angle of approximately 35° results in the embodiment shown on the right.

Der vergleichsweise kleine Öffnungswinkel ist günstig, um an der Spitze 63 der Vertiefung 6 bei Beaufschlagung des Elements 2 mit einer Biegespannung hohe Zugspannungen zu erzeugen und damit ein leichtes Auftrennen des Elements 2 an der Vertiefung zu ermöglichen.The comparatively small opening angle is favorable for generating high tensile stresses at the tip 63 of the recess 6 when the element 2 is subjected to a bending stress and thus enabling the element 2 to be easily separated at the recess.

Andererseits kann eine sehr spitz zulaufende Vertiefung 6 zu Phänomenen ähnlich der Rissausheilung führen. Bei erfindungsgemäß hergestellten Vertiefungen zeigt sich allerdings eine Verrundung der Spitze 63. Die Verrundung führt zwar zu leicht erhöhten Bruchspannungen, allerdings führt diese Verrundung zu einer auch gegenüber Reinigungsvorgängen bei Kontakt mit wässrigen Medien langzeitstabilen Sollbruchstelle. Der Radius R der Spitze 63 ist dabei im Allgemeinen kleiner als 1 µm, aber mindestens 50 nm.On the other hand, a very pointed depression 6 can lead to phenomena similar to crack healing. In depressions produced according to the invention, however, a rounding of the tip 63 is evident. Although the rounding leads to slightly increased fracture stresses, this rounding leads to a predetermined breaking point that is stable over the long term, even with regard to cleaning processes when in contact with aqueous media. The radius R of the tip 63 is generally less than 1 µm, but at least 50 nm.

Zusammenfassend kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also ein Element 2 aus sprödhartem Material hergestellt werden, welches eine grabenförmige Vertiefung 6 aufweist, wobei die grabenförmige Vertiefung eine Breite von höchstens 50 µm und eine Tiefe von höchstens 150 µm, vorzugsweise höchstens 100 µm hergestellt werden, wobei die Seitenwände der Vertiefung 6 an der Oberfläche 20 des Elements 2 einen Öffnungswinkel von kleiner 45° aufweisen und wobei die beiden Seitenwände 60, 61 der Vertiefung 6 in einer Spitze 63 zusammenlaufen, welche einen Radius im Bereich von 0,05 µm bis 1 µm aufweist.In summary, the method according to the invention can be used to produce an element 2 made of brittle-hard material which has a trench-shaped depression 6, wherein the trench-shaped depression is produced with a width of at most 50 µm and a depth of at most 150 µm, preferably at most 100 µm, wherein the side walls of the depression 6 on the surface 20 of the element 2 have an opening angle of less than 45° and wherein the two side walls 60, 61 of the depression 6 converge in a tip 63 which has a radius in the range of 0.05 µm to 1 µm.

Für den Zweck einer Sollbruchstelle ist es dabei weiterhin weniger sinnvoll, sehr große Wandstärken, beziehungsweise Dicken des Elements 2 vorzusehen, um die aufzuwendende Bruchkraft nicht zu hoch zu machen. Bevorzugt werden Dicken des Elements an der Vertiefung 6 im Bereich von 200 µm bis 2 mm. Die Tiefe der Vertiefung ist bei dieser Angabe nicht eingerechnet, die Dicke wird also von einem neben der Vertiefung liegenden Punkt aus gemessen.For the purpose of a predetermined breaking point, it is still less sensible to provide very large wall thicknesses or thicknesses of the element 2 in order not to make the breaking force required too high. Thicknesses of the element at the recess 6 in the range of 200 µm to 2 mm are preferred. The depth of the recess is not included in this information, so the thickness is measured from a point next to the recess.

Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung vielfältig im Rahmen des Gegenstands der Patentansprüche variiert werden kann. Insbesondere können auch die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden.It is clear to the person skilled in the art that the invention can be varied in many ways within the scope of the subject matter of the patent claims. In particular, the features of the individual embodiments can also be combined with one another.

Bezugszeichenlistelist of reference symbols

11
Vorrichtung zur Herstellung einer Vertiefungdevice for producing a depression
22
Element aus sprödhartem Materialelement made of brittle material
44
LaserLaser
66
Vertiefungdeepening
88
Plasmaplasma
1010
Einrichtung zur Führung des Laserstrahls 40 über die Oberfläche 20 des Elements 2Device for guiding the laser beam 40 over the surface 20 of the element 2
2020
Oberfläche von 2surface of 2
2222
RohrPipe
2323
axialer Abschnitt von 22 mit erweitertem Umfangaxial section of 22 with extended circumference
2424
Innenseite von 22inside of 22
2525
Außenseite von 22outside of 22
2626
Bruchflächefracture surface
4040
Laserstrahllaser beam
4141
Laserpulslaser pulse
4242
Lichtflecklight spot
4343
Frequenzvervielfacherfrequency multiplier
4444
Fokussierungsoptikfocusing optics
60, 6160, 61
Seitenwände von 6side walls of 6
6363
Spitze von 6top of 6
101101
SchlittenSleds
102102
Rotationseinrichtungrotation device

Claims (15)

Verfahren zur Herstellung einer Vertiefung (6) in einem Element (2) aus sprödhartem Material, bei welchem mittels eines gepulsten Lasers (4) ein Laserstrahl (40) mit Laserpulsen (41) auf die Oberfläche (20) des Elements (2) gerichtet wird, wobei die Laserpulse (41) ein Plasma (8) mit verdampftem Material an der Oberfläche (20) erzeugen und damit Material von der Oberfläche (20) des Elements (2) ablatiert wird, und wobei der Laserstrahl (40) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von höchstens 30 mm/s über die Oberfläche (20) des Elements (2) geführt wird, so dass aufeinanderfolgende Laserpulse (41) auf verschiedene Orte auf der Oberfläche (20) des Elements (2) treffen, und wobei die Pulsfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls (40) auf der Oberfläche (20) des Elements (2) so eingestellt werden, dass die Lichtflecken (42) aufeinanderfolgender Laserpulse (41) des Laserstrahls (40) auf der Oberfläche (20) des Elements (2) überlappen und das vom jeweils vorhergehenden Laserpuls (41) erzeugte Plasma (8) noch besteht, wenn ein Laserpuls (41) auftrifft, und wobei mit den Laserpulsen (41) Material bis in eine Tiefe im Bereich zwischen 30 µm und 150 µm abgetragen wird.Method for producing a recess (6) in an element (2) made of brittle-hard material, in which a laser beam (40) with laser pulses (41) is directed onto the surface (20) of the element (2) by means of a pulsed laser (4), wherein the laser pulses (41) generate a plasma (8) with vaporized material on the surface (20) and thus material is ablated from the surface (20) of the element (2), and wherein the laser beam (40) is guided over the surface (20) of the element (2) at a feed rate of at most 30 mm/s, so that successive laser pulses (41) strike different locations on the surface (20) of the element (2), and wherein the pulse frequency and the feed rate of the laser beam (40) on the surface (20) of the element (2) are set such that the light spots (42) of successive laser pulses (41) of the laser beam (40) overlap on the surface (20) of the element (2) and the plasma (8) generated by the preceding laser pulse (41) still exists when a laser pulse (41) impinges, and wherein the laser pulses (41) remove material to a depth in the range between 30 µm and 150 µm. Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (2) aus sprödhartem Material gegenüber dem Laserstrahl (40) zur Erzeugung eines Vorschubs des Laserstrahls (40) bewegt wird.Method according to the preceding claim, characterized in that the element (2) made of brittle material is Laser beam (40) is moved to generate a feed of the laser beam (40). Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (2) aus sprödhartem Material rotiert wird.Method according to the preceding claim, characterized in that the element (2) made of brittle-hard material is rotated. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vertiefung (6) in einem Glaselement erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the recess (6) is produced in a glass element. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vertiefung (6) in Form eines Grabens in das Element (2) eingefügt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a recess (6) in the form of a trench is inserted into the element (2). Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (6) eine Sollbruchstelle bildet und das Element (2) nach dem Einfügen der Vertiefung (6) an der Sollbruchstelle aufgetrennt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the recess (6) forms a predetermined breaking point and the element (2) is separated at the predetermined breaking point after the insertion of the recess (6). Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element (2) in Form eines Rohres (22) bereitgestellt wird, welches einen axialen Abschnitt (23) mit erweitertem Umfang aufweist, wobei eine in Umfangsrichtung umlaufende Vertiefung (6) im axialen Abschnitt (23) mit erweitertem Umfang eingefügt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an element (2) in the form of a tube (22) is provided which has an axial section (23) with an enlarged circumference, wherein a circumferential recess (6) is inserted in the axial section (23) with an enlarged circumference. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (40) mit einer Vorschubgeschwindigkeit von höchstens 22 mm/s über die Oberfläche (20) des Elements (2) geführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (40) is guided over the surface (20) of the element (2) at a feed rate of at most 22 mm/s. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (4) mit einer Pulsfrequenz von mindestens 10 kHz, vorzugsweise von mindestens 50 kHz betrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser (4) is operated with a pulse frequency of at least 10 kHz, preferably of at least 50 kHz. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (6) mit einem Laserstrahl (40) mit einer Lichtwellenlänge von kleiner als 600 nm erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the recess (6) is produced with a laser beam (40) with a light wavelength of less than 600 nm. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (40) so fokussiert wird, dass der Lichtfleck (42) auf der Oberfläche (20) des Elements (2) einen Durchmesser von höchstens 70 µm, vorzugsweise höchstens 50 µm aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam (40) is focused such that the light spot (42) on the surface (20) of the element (2) has a diameter of at most 70 µm, preferably at most 50 µm. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vertiefung (6) mit einer Breite von höchstens 50 µm erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a recess (6) with a width of at most 50 µm is produced. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vertiefung von mindestens 30 µm, vorzugsweise mindestens 50 µm bei einmaliger Überfahrt mit dem Laserstrahl erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a depression of at least 30 µm, preferably at least 50 µm, is produced by a single pass of the laser beam. Element (2) aus sprödhartem Material, welches eine grabenförmige Vertiefung (6) aufweist, wobei die grabenförmige Vertiefung (6) eine Breite von höchstens 50 µm und eine Tiefe von höchstens 150 µm, vorzugsweise höchstens 100 µm aufweisen, wobei die Seitenwände der Vertiefung (6) an der Oberfläche (20) des Elements (2) einen Öffnungswinkel von kleiner 45° aufweisen und wobei die beiden Seitenwände (60, 61) der Vertiefung 6 in einer Spitze (63) zusammenlaufen, welche einen Radius im Bereich von 0,05 µm bis 1 µm aufweist.Element (2) made of brittle-hard material, which has a trench-shaped depression (6), wherein the trench-shaped depression (6) has a width of at most 50 µm and a depth of at most 150 µm, preferably at most 100 µm, wherein the side walls of the depression (6) on the surface (20) of the element (2) have an opening angle of less than 45° and wherein the two side walls (60, 61) of the depression 6 converge in a tip (63) which has a radius in the range of 0.05 µm to 1 µm. Element (2) gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei dessen Dicke an der Vertiefung (6) im Bereich von 200 µm bis 2 mm beträgt.Element (2) according to the preceding claim, wherein its thickness at the recess (6) is in the range of 200 µm to 2 mm.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110328444A (en) * 2018-03-30 2019-10-15 星云电脑股份有限公司 The engraving quality improving method of laser engraving machine

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0931620A1 (en) 1998-01-21 1999-07-28 The Institute Of Physical & Chemical Research Laser machining method and apparatus
JP2000348621A (en) 1999-06-04 2000-12-15 Toshiba Corp Method and apparatus for separating cathode ray tube
JP2006036602A (en) 2004-07-28 2006-02-09 Kyocera Corp Ceramic member, method for manufacturing the same, and electronic component using the same
DE102005037412A1 (en) 2004-08-11 2006-02-23 Disco Corp. Laser processing method
EP2246146A1 (en) 2009-04-30 2010-11-03 Mitsuboshi Diamond Industrial Co., Ltd. Laser machining method and laser machining apparatus
US20120196454A1 (en) 2008-03-21 2012-08-02 Imra America, Inc. Laser-based material processing methods and systems

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0931620A1 (en) 1998-01-21 1999-07-28 The Institute Of Physical & Chemical Research Laser machining method and apparatus
JP2000348621A (en) 1999-06-04 2000-12-15 Toshiba Corp Method and apparatus for separating cathode ray tube
JP2006036602A (en) 2004-07-28 2006-02-09 Kyocera Corp Ceramic member, method for manufacturing the same, and electronic component using the same
DE102005037412A1 (en) 2004-08-11 2006-02-23 Disco Corp. Laser processing method
US20120196454A1 (en) 2008-03-21 2012-08-02 Imra America, Inc. Laser-based material processing methods and systems
EP2246146A1 (en) 2009-04-30 2010-11-03 Mitsuboshi Diamond Industrial Co., Ltd. Laser machining method and laser machining apparatus

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