CN109071330B - 使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的方法和用所述方法生产的操作元件 - Google Patents

使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的方法和用所述方法生产的操作元件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的方法，并涉及可通过所述方法生产的操作元件。所述方法的特征在于以下方法步骤：借助于指向所述衬底的所述表面的激光辐射、气体火焰、红外辐射、电微波或等离子体放电，经由所述衬底的所述表面仅在局部受限区域内施加热，其方式使得所述衬底至少在所述局部受限区域内的所述表面上软化；施加作用于所述局部受限区域内的所述软化表面上的力，使得所述衬底的软化表面在所述区域内变形；以及使所述衬底冷却以获得在所述局部区域内变形且固化的表面。

Description

使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的方法 和用所述方法生产的操作元件
技术领域
本发明涉及使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的方法。此外，描述了通过所述方法生产的操作元件。
背景技术
在与技术系统和装置交互作用的手动操作元件的多种不同应用和配置中，出于设计和成本原因而期望减少操作元件的数量，同时增加通常以按钮或开关的形式配置的输入装置的功能性程度。此外，当在实践中处理这种类型的操作元件时，应当产生尽可能有价值的用户印象，其应当对应于在接触高质量玻璃或玻璃陶瓷表面时获得的触觉印象。此外，在高表面质量、易清洁性以及抗腐蚀性和抗刮擦性以及耐久性和抗老化性方面，对操作元件的表面质量提出了高要求。玻璃或玻璃陶瓷材料可从根本上满足所有这些要求。
具有带有集成或适配的操作元件的高质量用户界面的装置的已知实例是智能手机和平板PC的触敏图形界面，所述操作元件的手动触摸或启动触发技术功能。手动控制或激活信号的输入通常通过轻敲并以擦过手势的形式在以其它方式平滑配置的用户界面上实现。图形界面上以视觉上可感知的方式额外描绘的输入字段赋予与执行触摸的确切输入位置有关的额外所需信息。因此，用户界面上各个图形下方区域的精确方向操作需要与操作区域直接视觉接触。用户必须首先视觉识别操作区域，然后通过触摸适当的区域来触发交互作用的这一过程对于多种应用来说是极其不利的。特别是，在需要高度关注周围环境的活动的情况下，看一眼操作区域会导致不可接受地偏离实际事件。关于这一点，参考了越来越广泛地使用触敏、图形支持的操作区域作为车辆中的手动输入或操作控制台，借助于这种方式，大多数不同的操作元件可非常高效地且成本有效地，清晰地且以节省空间的方式被布置和激活。然而，如上文已经提到的，由于特别是在机动车辆构造中，操作装置的明确操作需要朝向用户界面的视觉接触，因此触觉上可感知的按钮和开关仍然被保留，这些按钮和开关特别负责非常重要且非常频繁使用的驱动功能的启动。这种类型的触觉上可抓握且可感知的操作元件使得用户能够具有明确的触觉确认，并且使得能够进行与这些常规操作元件相关的所有功能的无转移操作。
关于被配置为在用户界面上方凸起的操作元件，参考以下现有技术文献：
文献DE 10 2011 115 379 A1公开了涂覆的玻璃或玻璃陶瓷衬底，该衬底具有带触觉性质的层，其中该层具有触觉上可感知的结构并且优选由塑料材料组成。
文献US 2012/0146922 A1描述了一种触敏用户界面，该用户界面提供以结构化方式施加至玻璃衬底的触觉上可感知的面板元件，所述面板元件被配置和布置成棋盘布置的类型，从而使得该用户能够具有触觉上可感知的表面空间分辨。在这种情况下，还用塑料层涂覆触觉上可感知的结构面板。
然而，基于塑料材料的所有触觉上可感知的表面结构固有地具有以下问题：被观察为杂质的粒子的粘附、老化、缺乏抗刮擦性以及由于清洁剂和介质如油和脂肪所致的腐蚀，这些清洁剂和介质在使用期间可被用户转移至塑料表面。
为了避免前述问题，可将相应的结构直接压印至玻璃表面中，以避免混杂材料结构。为此目的，从文献DE 197 13 309C1中解释了用于在平坦玻璃中热成形精确结构的方法和设备，其中将具有结构化表面的加热成形工具压入平坦玻璃一侧的玻璃材料中，其中通过成形工具本身的特定加热来实现用于变形的玻璃材料的加热和软化。通过工具的专门加热可导致在尚未充分加热的玻璃中，在成形过程开始时可形成应力或完全裂纹。另外，存在软化玻璃粘附或者还粘结在工具上的风险，尤其是当与工具的接触必须持续直至玻璃被加热至所需的成形温度时。结果，在一些情况下实现了过高的界面温度。
文献DE 10 2010 020 439 A1描述了用于平坦玻璃衬底的热成形方法，其中，例如，待变形的玻璃板在炉内部被完全加热，同时其搁置在模制工具上。在达到软化温度后，玻璃板通过作用于其上的重力的方式呈现工具的表面形状，该重力可能由附加的正压力或负压力辅助，因为玻璃板平坦地紧贴工具的表面轮廓。
此外，从文献DE 10 2010 045 094 B2和DE 103 444 A1中的每一个推导出用于玻璃产品的表面结构化的成形方法，其中为了成形的目的，成形辊或辊工具在力的作用下被置于分别加热和软化的玻璃产品表面上。然而，使用这些类型的辊或辊工具的缺点在于，不被结构化的玻璃表面的平坦区域必定(尽管只是轻微地)共成形，从而失去了它们来自浮法玻璃工艺的原始表面质量。工具与不进行变形的玻璃表面的接触(这在大零件中是不需要的)也不可避免地导致磨损，并且还会引起进一步的工艺技术支出。
文献DE 10 2012 020 609 A2解释了用于汽车的操作元件，其中在玻璃表面上方竖起触觉上可感知的操作元件，其是通过在加热状态下深拉用户界面而形成的。
文献DE 10 2014 110 923 A1公开了用于生产成形玻璃或玻璃陶瓷制品(例如玻璃陶瓷烹饪表面)的方法，其中盘形初始玻璃被加热，然后通过施加力来成形。
文献US 2016/0031737 A1公开了不使用成形工具来形成玻璃制品的方法。在这种情况下，加热的玻璃衬底借助于真空压力差而变形。
前面的两个文献都描述了成形工艺，其中为了变形的目的，并非整个加热区域均被施加力。
文献DE 691 14 680 T2公开了用于生产玻璃容器的喷口的方法，其中待变形的表面借助于燃烧器被软化，然后借助于成形辊向外成形。
文献US 2011/0039071 A1公开了用于在透明衬底上产生抬高结构的方法，其中激光辐射最初引起玻璃内部吸收系数的增加，并且进一步的辐照导致玻璃材料由于能量输入而膨胀。
发明内容
本发明基于的目标是构建(configure)使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的方法，其方式使得一方面应当确保在不发生变形的区域中，玻璃表面不会经历任何源自变形过程的质量损失。另一方面，触觉上可感知的结构应当被引入至衬底表面中，所述衬底表面应当满足手动操作的高质量用户表面的所有要求，因此特别应当具有高表面质量、易清洁性、抗腐蚀性和抗刮擦性、耐久性、抗老化性等。从经济角度来看，所述方法还应当适于工业规模的大量生产。
形成本发明基础的目标解决方案在权利要求1和11中有详细说明。权利要求15的主题是根据所述解决方案配置的用于手动启动的操作元件。以有利的方式进一步发展根据所述解决方案的权利要求的特征是从属权利要求的主题，并且可特别参考示例性实施方案从进一步的描述中推导出来。
使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的根据本发明的方法的特征在于以下工艺步骤的组合：在第一步骤中，经由所述衬底的所述表面仅在局部受限区域内施加热，其中所述局部受限区域至少在一些区域中无缝地邻接所述衬底的未被施加热的表面区域或完全被该表面区域包围。施加热，使得所述衬底至少在所述表面上的所述局部受限区域内软化，即采用(adopt)塑性可变形状态。借助于指向所述衬底的所述表面的激光辐射、气体火焰、红外辐射、电微波或等离子体放电施加热。
在随后的工艺步骤中，向所述局部受限区域内的所述软化表面施加力，借助于该力，所述衬底的所述软化表面在所述区域内变形。在达到特别用于获得触觉上可感知的表面结构的期望变形之后，使所述衬底冷却以获得在所述局部区域内变形且固化的表面。
替代地或与根据所述解决方案的先前解释的工艺步骤组合，代替或与指向所述局部受限区域内所述软化表面的力的施加组合，指向与所述软化表面相对的衬底表面的力也可起作用，使得与所述衬底表面相对的所述衬底的所述软化表面在所述局部受限区域内变形。
最后的工艺替代方案在以下情况下特别适合，即经由所述衬底的所述表面施加热，使得在所述局部受限区域内在所述软化表面和与其相对的所述衬底表面之间的建立温度梯度，使得所述衬底在与所述软化表面相对的所述衬底表面上至少在一些区域中是弹性、优选塑性可变形的。以这种方式，指向“后侧”衬底表面的力能够使其局部变形，结果是在相对的软化表面上显而易见表面变形。由于来自软化表面一侧的力以及来自与该表面相对的衬底表面一侧的力两者的叠加作用而在软化表面一侧上获得期望的表面变形也是可行的。由于经由玻璃或玻璃陶瓷衬底的光滑且优选未处理的表面仅在至少一个应当发生期望表面变形的受限区域内仅有限地施加热，因此在热的直接施加以及与成形工具的可能接触这两方面，所述衬底的与该至少一个区域相邻的剩余表面均保持不受影响，因此保持其来自浮法玻璃工艺的原始最高表面质量不变。
然而，优选以如下方式实现指向所述衬底在受限区域内的表面的热的施加，即表面质量不经历由热的施加引起的表面退化或仅经历可忽略地小的表面退化。这是借助于指向表面上的局部受限区域的以下方式来实现的：无接触施加热，例如，使用定向激光辐射、孔径受限的红外辐射，或借助于电微波，或借助于局部等离子体放电或气体火焰。
优选计量经由所述衬底的所述表面仅在局部受限区域内引导的热的施加，使得横向和垂直于所述衬底表面形成温度和粘度梯度。横向(即纵向)于所述表面取向的温度梯度应产生横向粘度梯度，其中邻接被施加热的局部受限表面区域无缝的表面区域未经历软化，而施加热的表面应当软化。取决于实际选择的衬底材料，该衬底材料可优选由玻璃或玻璃陶瓷(例如钠钙玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃、石英玻璃、硫系玻璃(chalcogenide glass)或上述玻璃与金属或陶瓷的混合物)组成，一旦所述衬底在所述局部受限区域内的所述表面上获得105至1011Pa.s、特别是108至109Pa.s的粘度，即结束热的施加。前述衬底材料由于它们的热传导性质、硬度和光滑的表面条件而赋予最终产品触觉上可感知的高质量表面质量。
还取决于衬底的形状和大小，特别是衬底厚度，建立垂直于所述衬底的所述表面取向的温度和粘度梯度，这决定了所述衬底内的深度或厚度延伸上的衬底材料的热诱导软化。沿着衬底厚度的粘度梯度优选地应当被配置成使得与所述衬底的被施加热的表面相对的衬底表面具有高于衬底材料开始软化时的那些粘度值的粘度。有利地，衬底也搁置在除热底层上，使得可使直接位于底层上的衬底表面冷却。
在根据所述解决方案的方法的又一优选变型中，特别是为了避免可能由此引起的热诱导机械金属应力和材料裂纹的目的，可在局部施加热之前预加热整个衬底，其中将所述衬底预加热至低于所述衬底的软化温度的温度。预加热可优选在适于此的热炉内进行。
为了使局部受限区域(其中衬底表面已通过局部施加热的方式而获得软化状态)内的表面变形的目的，将力局部施加至局部受限区域内的软化表面上，或者整体施加力，或者在一些区域内局部施加力，或者局部分布力，这取决于期望的表面变形应当采取的形式。可以不同的方式施加力。
施加力的第一种可能性在于使用适当配置的工具，该工具与衬底的软化表面间断或广泛接触。以这种方式，可施加垂直于所述表面取向的按压力(pressing force)和/或倾斜于所述表面取向的剪切力，借助于所述按压力和/剪切力，使软化的衬底材料移位，这导致软化衬底材料横向于所述表面的移位，其最终特征在于软化的衬底表面上出现材料变形。不是必须的，但以有利的形式，为了局部表面变形的目的，可预加热与所述表面接触的工具。
为了局部表面变形的目的，替代地或与使用一种或多种先前解释的工具组合，适于施加在软化表面上方局部占优势的正压或负压，为了表面变形的目的，该正压或负压连续地或以脉冲方式至少作用于衬底的局部受限软化表面。为了提供或实现在衬底的软化表面上占优势的局部压力梯度，使用压力喷嘴，借助于该压力喷嘴，例如以压缩空气的形式空间引导的气流可被引导至所述表面上，以产生正压。同样，可设想将吸嘴布置定位在靠近所述表面处，由于该吸嘴的抽吸作用，可至少暂时地形成近表面负压。
关于作用于所述局部受限区域内的所述表面上的力的施加的又一变型在于，将至少一个主体粘附至软化表面，使得所述主体形成与所述软化衬底的永久连接和/或牢固接合连接。优选地，主体由与衬底相同的材料组成，并且至少当与软化表面接触时，同样经历软化，结果是最终建立牢固接合的连接。还可选择用于至少一个主体的材料，使得形成永久的非正连接。当待施加主体的软化温度高于衬底材料的软化温度时，尤其如此。
原则上，可在施加热期间和/或之后短暂地施加作用于所述局部受限区域内的所述表面上的力。以相同的方式，可在所述表面冷却之前、期间或之后结束向所述局部受限区域内的所述表面施加力。
由于仅在所述表面的至少一个局部受限区域上加热衬底表面，因此可预期能量节约以及所需处理时间的显著缩短，尤其是在特别考虑到根据所述解决方案的方法的工业应用，必要的加热和冷却处理对处理成本以及处理时间具有显著影响时。仅是为了良好有序起见，指出借助于根据所述解决方案的方法，可在多个分别局部受限的区域上的单个衬底表面上根据所述解决方案进行变形。取决于可用的资源，这些可在基板表面上在时间上平行地或在时间上连续地进行。
由于正如已经提到的，所述衬底的未参与变形过程的所有表面区域均未经历直接引导至这些表面区域上的热的任何施加，因此确切地说，这些表面区域的表面质量保持不受影响。此外，通过向软化的衬底表面靶向和局部施加力的方式，加热的衬底材料主要横向于力的施加移位。以这种方式，与热的施加相对的衬底表面保持不变并且在很大程度上不受影响。因此，可更好地控制衬底内部靠近边缘的应力，尤其是因为边缘区域未被加热，因此在变形过程期间不会将机械应力引入边缘区域中。
利用根据所述解决方案的方法，优选地，可生产至少一个操作元件用于手动启动，该操作元件在用户界面上方或下方延伸，并且具有触觉上可感知的结构尺寸和结构形状，其中所述至少用户界面由玻璃或玻璃陶瓷衬底组成。在优选的实施方案中，操作元件由玻璃或玻璃陶瓷材料形成为一件，因此例如以结构尺寸为100μm至几厘米的凹入结构或凸出结构的形式，在用户界面上方或下方整体形成抬高或降低的触觉上可感知的形状。
操作元件优选为压敏或触敏图形表面的一部分，其例如通常可用于电气装置的操作，特别是作为操作面板用于家用装置、用于娱乐行业以及用于车辆领域的装置，仅举几例。特别可行的是将操作元件使用并配置为建筑物中的墙壁功能开关，用于启动例如灯、加热装置、空调装置或报警装置的技术单元。根据所述解决方案的操作元件可优选地取决于形状和大小的配置实现为触觉上可感知的定位辅助件、压力开关、按钮开关、滑动开关或旋钮。
在这种情况下，对应于用户界面的衬底表面被布置在至少一个技术功能性操作元件上，优选地被配置为平坦的，但还可将用户界面整体配置为弯曲的或圆顶的。
除了衬底表面上在触觉上可感知的结构形成之外，根据所述解决方案的方法在一定程度上还可用于在衬底表面上仅在视觉上可感知的结构和/或光学功能结构的结构形成。还可通过所解释的方法的方式产生表面结构，所述表面结构由于小的结构尺寸而无法被触觉感觉到，但形成光波的折射和衍射引发结构。以这种方式，例如，还可能实现光学栅格。
发明简述
下文将借助于示例性实施方案参考附图作为实例描述本发明，而不限制总体发明构思。在图中：
图1a、1b显示顺序图，以借助于待变形的玻璃板来说明根据所述解决方案的方法。
用于实施本发明的方式、工业实用性
图1a显示底层1的示意图，玻璃板2形式的衬底平坦地位于底层1上。为了局部变形3的目的，参见图1b，在玻璃板2的上侧5上的局部受限区域4内，玻璃板2在待借助于热6的施加而局部变形的区域4中被加热，例如借助于激光束、红外发射体、气体火焰等。局部受限区域4内的玻璃衬底2的加热发生直至局部受限区域4内的表面5软化并获得优选108至109Pa.s的粘度。在这种情况下，在玻璃板2的厚度D上建立温度以及粘度梯度，使得对应于玻璃板2的后侧的相对的后侧衬底表面7在很大程度上保持其弹性性质。可通过底层1进行的后侧玻璃板表面7的有利冷却确保玻璃不会在后侧衬底表面7上软化。
一旦玻璃板2的表面5上的局部受限区域4完全或大部分完全软化，即结束加热6的施加。玻璃板2的无缝且整体地邻接局部受限区域4的剩余表面区域5*保持低于软化温度，因此不被软化。
关于局部受限区域4内的表面5的加热在时间上紧密整合的软化表面通过力8的施加，优选借助于工具，经历局部限制区域4内的变形，同时玻璃板2位于底层1上。借助于指向至局部受限区域4内的表面上的力8的中心施加，使玻璃材料向下移位，结果是其导致玻璃板2内的材料的横向移位，从而产生径向围绕力施加8的位置的抬高部9。
各种类型的触觉上可感知表面结构的特征可在于加热表面的局部受限区域4的形状和大小以及力施加8的类型。取决于所产生的表面变形3的要求和触觉作用，将相应的结构尺寸压印至玻璃板中，其可包括优选在mm范围内的局部抬高部和远至cm范围内的横向延伸。
替代地或与力8的施加组合，优选地，可将玻璃体10置于玻璃衬底2的软化表面区域上以形成触觉结构。通过局部加热的方式，玻璃体10也经历局部软化，结果是在玻璃体10和玻璃衬底2之间形成牢固接合的连接。
另外，可例如通过弯曲，在整个表面变形之前或之后形成玻璃板2。为此目的，例如在加工炉中整体加热玻璃板2。
附图标记列表
1 底层
2 玻璃板
3 变形、操作元件
4 局部受限区域
5 玻璃板的表面
5* 玻璃板的局部邻接表面区域
6 热的施加
7 后侧玻璃板表面
8 力的施加
9 抬高部
10 玻璃体

Claims (9)

1.一种使由玻璃或玻璃陶瓷制成的衬底的平坦表面局部变形的方法，
其特征在于以下方法步骤：
-借助于指向所述衬底的所述表面的激光辐射、气体火焰、红外辐射、电微波或等离子体放电，经由所述衬底的所述表面仅在局部受限区域内施加热，其方式使得所述衬底至少在所述局部受限区域内的所述表面上软化，并且在所述局部受限区域内在所述衬底内部横向并垂直于所述表面形成温度和粘度梯度，使得与所述衬底的被施加热的表面相对的衬底表面具有高于衬底材料开始软化时的粘度值的粘度，
-借助于与衬底的软化表面间断接触或广泛接触的工具，施加作用于所述局部受限区域内的所述软化表面上的垂直于所述表面取向的按压力和/或倾斜于所述表面取向的剪切力，借助于所述力，使软化的衬底材料移位，得到横向于所述表面的软化衬底材料的移位，其特征在于软化的衬底表面上出现材料变形，
-使所述衬底冷却以获得在所述局部受限区域内变形且固化的表面。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于，为了仅在所述局部受限区域内部局部变形的目的，所述衬底的光滑表面在所述施加热期间不与固体物体接触，并且所述衬底的光滑表面在施加力的情况下被接触。
3.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，在经由所述衬底的所述表面仅在所述局部受限区域内施加热之前，所述衬底经历预加热，其中所述衬底被预加热至低于所述衬底的软化温度的温度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，一旦所述衬底在所述局部受限区域内的所述表面上获得105至1011Pa.s的粘度，就结束经由所述衬底的所述表面仅在所述局部受限区域内进行的热的施加。
5.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，一旦所述衬底在所述局部受限区域内的所述表面上获得108至109Pa.s的粘度，就结束经由所述衬底的所述表面仅在所述局部受限区域内进行的热的施加。
6.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，所述工具在冷却之前、期间或之后与所述表面分离。
7.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，完成作用于所述局部受限区域内的所述表面上的力的施加，其方式使得在所述衬底的所述局部受限区域表面上形成至少一个触觉和/或视觉上可感知的结构。
8.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，在所述热的施加、作用于所述表面上的力的施加和冷却期间，所述衬底搁置在除热底层上。
9.根据权利要求1或2所述的方法，
其特征在于，作为玻璃或玻璃陶瓷，选择以下材料用于所述衬底：钠钙玻璃、硼硅玻璃、铝硅玻璃、石英玻璃、硫系玻璃、上述玻璃与金属或陶瓷的混合物。
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