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EP-4493349-B1 - APPARATUS AND METHOD FOR CUTTING A SUBSTRATE BY MEANS OF FOCUSED ELECTROMAGNETIC RADIATION

EP4493349B1EP 4493349 B1EP4493349 B1EP 4493349B1EP-4493349-B1

Inventors

  • Späth, Alexander
  • WANJEK, MICHAEL

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230313

Claims (15)

  1. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) for cutting a substrate (S) by means of focused electromagnetic radiation, wherein the apparatus (100; 200; 201; 202; 300) comprises: a transport device (110) for transporting the substrate (S) along a transport path; a deflection device with a plurality of cutting heads (140a; 140b) which can be moved in a unidirectionally circulating manner in each case along a closed path curve (160), wherein the deflection device is configured, while the substrate (S) is being transported by the transport device (110) along the transport path, to deflect electromagnetic radiation incident on the respective cutting head (140a; 140b) onto a surface of the substrate (S) by means of this cutting head (140a; 140b) as a focused electromagnetic beam (125, 125a); and a control device which is configured to control the deflection device and/or the transport device (110) in such a way that the respective deflected beam, while the associated cutting head (140a; 140b) is being moved along a section of its path curve (160) and the substrate is being transported by the transport device (110) along the transport path, when it impinges on the surface of the substrate (S) forms there an irradiated impingement point (240; 240a) which migrates relative to the substrate (S) and which passes on the surface of the substrate (S) through a defined cutting path (245a; 245b) in order to cut the substrate (S) along the cutting path (245a; 245b), characterized in that the control device is configured to control the deflection device and the transport device (110) in a coordinated manner such that the respective cutting paths (245a; 245b; 245c) of at least two cutting heads (140a; 140b, 225) of the apparatus touch or intersect on the surface of the substrate (S) in order to form a combined continuous cutting path (245a; 245b, 245c).
  2. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to Claim 1, wherein: the deflection device is configured such that the path curve (160) of at least one cutting head (140a; 140b) has at least one section in which it runs obliquely with respect to the transport path; and the control device is configured to control the deflection device and the transport device (110) such that a cutting path (245a; 245b) which is rectilinear at least in sections is produced while the substrate (S) is being transported by means of the transport device (110) along the transport path and this cutting head (140a; 140b) moves along the section of its path curve (160) and in the process deflects the radiation incident on it onto the surface of the substrate (S); wherein optionally the control device is configured to control the deflection device and the transport device (110) in a coordinated manner such that the transport of the substrate (S) by means of the transport device (110) along the transport path and the simultaneous movement of the cutting head (140a; 140b) along the section of its path curve (160) take place in each case at a constant speed.
  3. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to any one of the preceding claims, wherein at least one cutting head (140a; 140b) for converting the electromagnetic radiation incident on it into a deflected focused electromagnetic beam (125, 125a) comprises a deflection mirror and a focusing optical unit (155a; 155b).
  4. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to any one of the preceding claims, comprising at least one radiation source (120) for generating the electromagnetic radiation to be deflected by means of the at least one cutting head (140a; 140b); wherein optionally at least one radiation source (120) comprises a laser radiation source (120), optionally a carbon dioxide laser.
  5. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to any one of the preceding claims, wherein the path curve (160) of at least one cutting head (140a; 140b) runs in a plane; wherein optionally the path curve (160) of the at least one cutting head (140a; 140b) has an oval or elliptical shape.
  6. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to Claim 5, wherein the transport device (110) defines a planar path surface on or along which it can convey the substrate (S), and the plane in which the path curve (160) of the at least one cutting head (140a; 140b) runs is parallel to the planar path surface.
  7. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to Claim 5, wherein the transport device (110) defines a planar path surface on or along which it can convey the substrate (S); and the plane in which the path curve (160) of the at least one cutting head (140a; 140b) runs and the planar path surface are not parallel to one another.
  8. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to any one of the preceding claims, wherein the deflection device comprises at least two cutting heads (140a, 140b), the path curves (160) of which coincide.
  9. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to any one of the preceding claims, wherein the deflection device comprises at least two cutting heads (140a, 140c), the path curves of which differ.
  10. Apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to any one of the preceding claims, wherein the control device is configured to control the deflection device and the transport device (110) in a coordinated manner such that a cutting path (245a; 245b, 245c) which is U-shaped at least in sections is produced on the surface of the substrate (S) as a cutting path (245a; 245b, 245c) of a single cutting head (140a; 140b) or as a combined continuous cutting path (245a, 245b, 245c) formed from a plurality of touching or intersecting cutting paths (245a; 245b; 245c) of at least two different cutting heads (140a; 140b; 225).
  11. Apparatus (201; 202) according to any one of the preceding claims, wherein the deflection device comprises two or more cutting heads (140a-140f) which can be moved in a unidirectionally circulating manner in each case along the closed path curve (160), at least one of which is configured to circulate on a first side of the closed path curve (160), while at least one other of the cutting heads is configured to circulate on a second side of the path curve (160) which is opposite the first side; wherein optionally the cutting heads of both sides are configured to circulate along the path curve (160) in a manner spatially offset with respect to one another and synchronously in such a manner that, per circulation, at least one cutting head on the first side and one cutting head on the second side are irradiated with the electromagnetic radiation in each case for cutting the substrate along a respectively assigned cutting path.
  12. Method for cutting a substrate (S) by means of focused electromagnetic radiation, the method comprising: transporting the substrate (S) along a transport path by means of a transport device (110); deflecting electromagnetic radiation onto the substrate (S) by means of a deflection device with a plurality of cutting heads which can be moved in a unidirectionally circulating manner in each case along a closed path curve (160) while the substrate (S) is being transported along the transport path, wherein electromagnetic radiation incident on the respective cutting head (140a; 140b) is deflected onto a surface of the substrate (S) by means of this cutting head (140a; 140b) as a focused electromagnetic beam (125, 125a), and the deflection device and/or the transport device (110) are controlled in such a way that the respective deflected beam, while the associated cutting head (140a; 140b) is being moved along its path curve (160) and the substrate (S) is being transported by the transport device (110) along the transport path, when it impinges on the surface of the substrate (S) passes there through a defined cutting path (245a; 245b) in order to cut the substrate (S) along the cutting path (245a; 245b), characterized in that the cutting of the substrate (S) is carried out in such a way that, as a result, one or more portions are severed from the substrate (S) along a respective cutting line defined by the cutting path or paths, wherein: at least two cutting heads (140a, 140b, 225) are used for severing at least one portion; the or each respective cutting path (245a; 245b; 245c) of each of these cutting heads (140a, 140b, 225) forms only a section of the cutting line without already passing completely through it; and the cutting paths (245a; 245b; 245c) of these cutting heads (140a, 140b, 225) complement one another overall to form the complete cutting line.
  13. Method according to Claim 12, wherein a web-like substrate (S) transported along the transport path is used as the substrate (S) to be cut and the cutting takes place in such a way that the cutting line for at least one portion of the substrate (S) runs between two end points of the cutting line which are spaced apart from one another on a same outer edge of the substrate (S).
  14. Method according to Claim 12 or 13, wherein: a substrate which comprises a material layer suitable as a separator (255) for galvanic elements is used as the substrate (S) to be cut; and one or more components for galvanic elements are singulated therefrom by the cutting of the substrate (S); wherein optionally a substrate with a plurality of layers stacked one on top of the other is used as the substrate (S) to be cut, of which one is the material layer suitable as a separator (255) for galvanic elements and a further layer lying adjacent thereto is an electrode material for a galvanic element.
  15. Method according to any one of Claims 12 to 14, wherein an apparatus (100; 200; 201; 202; 300) according to one of Claims 1 to 16 is used for cutting the substrate (S).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Schneiden, insbesondere zum Laserschneiden, eines Substrats mittels gebündelter elektromagnetischer Strahlung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vereinzeln von Separatoren für galvanische Elemente aus einem, insbesondere folienartigen, Substrat aus einem als Separator für galvanische Elemente geeignetem Material, wie etwa aus einer ionenleitenden Polymer-Membran, z.B. aus PP oder PE. Zum Schneiden von Materialien sind neben herkömmlichen mechanischen Schneideverfahren, z.B. mit Schneidklingen, auch strahlungsbasierte Schneideverfahren, insbesondere Laserschneideverfahren, bekannt. Laserschneideverfahren können insbesondere zum Schneiden von folienartigen Substraten eingesetzt werden. Laserschneideverfahren ermöglichen es insbesondere, auch gekrümmte oder gewinkelte Schneidepfade zu verfolgen, was insbesondere dazu genutzt werden kann durch schleifenförmige Schneidepfade Teilabschnitte aus einem Substrat auszuschneiden. Solche Schneidepfade können insbesondere erreicht werden, indem eine Laserstrahlquelle mittels einer Verfahranordnung, insbesondere einem x-y-Tisch, entlang dem Schneidepfad verfahren wird. Das Dokument JP H03 275292 A offenbart den Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 12. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, das Schneiden eines Substrats mittels gebündelter elektromagnetischer Strahlung weiter zu verbessern, insbesondere im Hinblick auf das Erreichen einer hohen zeitlichen Effizienz. Die Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Verschiedene Ausführungsformen und Weiterbildungen der Lösung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erster Aspekt der hier vorgestellten Lösung betrifft eine Vorrichtung zum Schneiden eines Substrats mittels gebündelter elektromagnetischer Strahlung gemäß Anspruch 1. während das Substrat von der Transporteinrichtung entlang des Transportpfads transportiert wird, eine auf den jeweiligen Schneidkopf einfallende elektromagnetische Strahlung mittels dieses Schneidkopfs als gebündelten elektromagnetischen Strahl auf eine Oberfläche des Substrats abzulenken; und (iii) eine Steuereinrichtung, die konfiguriert ist, die Ablenkeinrichtung und/oder die Transporteinrichtung auf solche Weise anzusteuern, dass der jeweilige abgelenkte Strahl, während der zugehörige Schneidkopf entlang eines Abschnitts seiner Bahnkurve verfahren und das Substrat von der Transporteinrichtung entlang des Transportpfads transportiert wird, bei seinem Auftreffen auf der Oberfläche des Substrats dort einen relativ zum Substrat wandernden bestrahlten Auftreffpunkt bildet, der auf der Oberfläche des Substrats einen definierten Schneidepfad durchläuft, um das Substrat entlang des Schneidepfads zu schneiden. Unter dem Begriff "Schneidkopf", wie hierin verwendet, ist allgemein ein Element der Ablenkeinrichtung zu verstehen, das konfiguriert ist, einfallende elektromagnetische Strahlung als gebündelten elektromagnetischen Strahl auf eine Oberfläche eines durch die Transporteinrichtung transportierten Substrats abzulenken, wie etwa mittels zumindest eines Spiegels. Die Wirkung eines Schneidkopfs kann insbesondere ein Ablenken eines bereits fokussierten, d.h. gebündelten Strahls oder ein kombiniertes Ablenken und Fokussieren der einfallenden elektromagnetischen Strahlung umfassen. Der Begriff "Auftreffpunkt", wie hierin verwendet, ist ein durch den auf das Substrat abgelenkten elektromagnetischen Strahl bestrahlte Flächenabschnitt auf dem Substrat zu verstehen. Dieser Flächenabschnitt kann dabei grundsätzlich eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann er bei Verwendung eines Strahls mit einem kreisförmigen oder ellipsenförmigen Strahlquerschnitt, wie dies bei Verwendung von Laserstrahlungsquellen oftmals der Fall ist, zumindest näherungsweise eine Kreisform oder insbesondere bei schrägem Auftreffen auf das Substrat eine ellipsenförmige Form aufweisen. Stattdessen können insbesondere auch Strahlen mit rechteckigem Querschnitt zum Einsatz kommen, insbesondere solche, die im Wesentlichen einen Strichförmigen Querschnitt aufweisen, wo sich also Länge und Breite des Rechtecks stark unterscheiden. Da in Hinblick auf die Verwendung des abgelenkten Strahls zum Schneiden des Substrats entlang des Schneidepfads der auftreffende Strahl eine vom Material und der Dicke des Substrats ausreichend hohe Energiedichte aufweisen muss, wird der (maximale) Strahldurchmesser in der Regel sehr gering sein, z.B. kleiner oder gleich einem Millimeter, ohne dass dies jedoch als zwingende Einschränkung zu verstehen wäre. Unter dem Begriff "unidirektional", wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Bahnkurve eines jeweiligen Schneidkopfes, insbesondere im Sinne eines Umlaufsinns des Umlaufs des Schneidkopfes entlang seiner geschlossenen Bahnkurve. Die hierein gegebenenfalls verwendeten Begriffe "umfasst", "beinhaltet", "schließt ein", "weist auf", "hat", "mit", oder jede and