-
Die
Erfindung hat ein Verfahren zur Umformung, insbesondere zum Strukturieren,
der Oberfläche eines Grünglaskörpers
für die Herstellung einer Glaskeramik, ein Verfahren zur
Herstellung einer Glaskeramik mit strukturierter Oberfläche
und eine nach diesem Verfahren hergestellte Glaskeramik zum Gegenstand.
-
Die
formgebende Gestaltung einer Glaskeramik ist allgemein bekannt.
Unterschieden werden das Urformen aus der Schmelze und das gattungsgemäße
Umformen. Bekannt sind Umformverfahren wie beispielsweise das Schwerkraftsenken,
Drücken, Pressen oder Vakuumziehen zur Erzielung einer
anwendungsspezifischen dreidimensionalen Formgestaltung der Glaskeramik.
-
Der
Formgebungsprozess findet bekanntermaßen am Grünglas,
also dem glasigen Vorprodukt der Glaskeramik statt.
-
Üblicherweise
wird das Grünglas bei den bekannten Formgebungsverfahren
auf eine maximale Temperaturen von etwa 1000°C im Glasinneren
erhitzt, um eine ausreichende Viskosität zum Umformen zu
erzielen. Dabei wird ein kritischer Temperaturbereich durchfahren,
bei dem die Keimbildung einsetzt, welche jedoch in dem Bearbeitungsschritt
des Umformens vermieden werden muss. Eine spontane Keimbildung würde
andernfalls das Ergebnis der Keramisierung verschlechtern. Aus diesem
Grund muss der kritische Temperaturbereich der Keimbildung (typischerweise
720 bis 850°C) so schnell wie möglich durchfahren
werden.
-
Andererseits
ist es für die dreidimensionale Formgebung notwendig, dass
das Grünglas durchgewärmt wird. Die bekanntermaßen eingesetzten Gasinfrarotstrahlen
werden bei einer Dauerbetriebstemperatur von etwa 1100 bis 1200°C
betrieben. In diesem Bereich strahlen die Gasinfrarotstrahlen ihre überwiegende
Energie in einem Wellenlängenbereich ab, der oberhalb der
Absorptionskante der meisten Gläser (etwa 2,7 μm)
liegt. Deshalb wird die überwiegende Strahlungsleistung
der Strahler bereits auf der Glasoberfläche absorbiert.
Daher werden solche Gasinfrarotstrahler auch Oberflächenheizung
genannt. Sie sind jedoch nicht besonders dafür geeignet,
eine so schnelle Durchwärmung des Glases zu erzielen, dass
die mit einer Zeitverzögerung von 20 bis 40 Sekunden eintretende
Keimbildung hinreichend unterbunden werden kann.
-
Hiervon
ausgehend befassen sich beispielhaft die Druckschriften
EP 1 171 391 B1 ,
EP 1 171 392 B1 und
die
DE 101 10 357
C2 mit Verfahren zur schnelleren Durchwärmung
der Glaskeramik zum Zwecke der dreidimensionalen Umformung eines Grünglases.
Es wird darin vorgeschlagen elektrische, kurzwellige Infrarotstrahler,
deren Strahlungsmaximum bei einer Wellenlänge um 1,2 μm
liegt, was einer Farbtemperatur von etwa 2400°K entspricht,
zu verwenden. Hier lässt sich mit geeigneten Maßnahmen
eine bis in tiefe Schichten transparenten Glases homogene Erwärmung
erzielen.
-
Vorliegend
soll jedoch insbesondere das Umformen eines Grünglaskörpers
in dessen Oberflächenbereich angestrebt werden. Insbesondere
soll es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich sein,
die Oberfläche mit einer Struktur zu versehen. Hierbei
ist nun gerade das Durcherwärmen des Glaskörpers
nachteilig, da nicht hinreichend schnelle Abkühlraten erzielt
werden, welche insbesondere feine Oberflächenstrukturen
gewissermaßen „einfrieren”. Außerdem
wird mittels der kurzwelligen Infrarotstrahler keine ausreichende
Oberflächentemperatur aufgrund des Absorptionsverhaltens
des Gases in dem kurzwelligen Spektralbereich erzielt. Während
die Temperatur im Inneren des Glases bei dem Einsatz kurzwelliger
elektrischer Infrarotstrahler auf 1000°C ansteigt, bleibt
die Temperatur im Oberflächenbereich bei 900°C.
Deshalb erscheint vorliegend der Rückgriff auf langwellige
Gasinfrarot-Strahler erfolgversprechender.
-
Hierbei
steht der Fachmann allerdings vor dem Problem, dass beim Wiedererwärmen
mit den bekannten Gasinfrarotstrahlern keine ausreichend hohe Temperatur
auf der Substratoberfläche in hinreichend kurzer Zeit erzielt
werden kann, die einen Prägevorgang ermöglicht
ohne dabei andererseits eine spontane Keimbildung auszulösen.
Dies ist damit zu begründen, dass insbesondere zum Prägen feiner
Strukturen eine sehr viel niedrigere Viskosität an der
Oberfläche erzielt werden muss als zum großflächigen
dreidimensionalen Umformen, wie beispielsweise Schwerkraftsenken,
Vakuumziehen oder Drücken.
-
Der
Vollständigkeit halber sei noch auf das Urformen des Grünglaskörpers „aus
der Schmelze” eingegangen. Dieses bekannte Verfahren hat
ebenfalls die genannten Nachteile einer zu langsamen Abkühlung
des durcherwärmten Substrates. Darüber hinaus
ist das Verfahren an den Wannenbetrieb gekoppelt und bietet deshalb
oftmals keine ausreichende Flexibilität des Herstellungsprozesses.
-
Aus
Sicht des Erzeugnisses, also der Glaskeramik, ist als Gestaltungsmöglichkeit
der Oberfläche beispielsweise die Beschichtung oder die
Lackierung der Glaskeramikoberfläche bekannt. Als Funktionalschicht
können beispielsweise eine Spray-Beschichtung oder ein
Lack mit einem Lotuseffekt oder eine Anti-Reflexbeschichtung aufgetragen
werden. Die Anforderungen an eine aufgebrachte Funktionalschicht
sind gerade bei einem Glaskeramiksubstrat erwartungsgemäß hoch,
muss doch die Beschichtung denselben Anforderungen gewachsen sein
wie das Substrat. So wird erwartet, dass auch die Beschichtung ähnliche
mechanische und/oder thermische und/oder chemische Anforderungen
erfüllt und dabei vergleichbare optische Eigenschaften
aufweist. Bis jetzt sind aber keine Beschichtungssubstanzen bekannt,
welche eine vergleichbare Härte, mechanische Stabilität,
ein ähnliches Transmissionsverhalten insbesondere im sichtbaren
und IR-Bereich und vor allem eine vergleichbare geringe thermische Ausdehnung
aufweisen wie eine Glaskeramik. Aus dem letztgenannten Grund stellt
bereits die Haltbarkeit der Verbindung zwischen dem Glaskeramiksubstrat
und der Beschichtung ein Problem dar. Alle bekannten Beschichtungen
stellen in der einen oder anderen Hinsicht daher stets nur Kompromiss
dar.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es vor dem Hintergrund des bekannten Standes der
Technik, ein Verfahren zur Umformung eines Grünglaskörpers
für die Herstellung der Glaskeramik bereitzustellen, mit
dem Oberflächenstrukturen, insbesondere feinste Oberflächenstrukturen
auf der Substratoberfläche des Grünglaskörpers
aufgebracht werden können. Aufgabe der Erfindung ist es
ferner, eine Glaskeramik mit einer Oberflächenstruktur
zu versehen, welche möglichst ähnliche mechanische,
thermische, optische und chemische Eigenschaften aufweist wie das Glaskeramiksubstrat
selbst.
-
Die
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen
des Anspruchs 1.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der
aus der Glasschmelze vorgeformte und bereits unter die Keimbildungstemperatur
TKb, bevorzugt bis 150 K über die
Transformationstemperatur Tg oder darunter,
abgekühlte Grünglaskörper mittels eines
Gasinfrarot-Porenstrahlers auf eine Oberflächentemperatur
wiedererwärmt wird, bei der die Viskosität des
Glases zwischen 106,6 Pa s und 109 Pa s, vorzugsweise zwischen 107,5 Pa
s und 108,5 Pa s, beträgt, danach
einem Umformungsschritt unterzogen und anschließend mit
einer hohen Abkühlrate höchstens bis zur Transformationstemperatur
Tg abgekühlt wird.
-
Die
benötigte rasche Aufwärmung des Glassubstrates
ist mit dem erfindungsgemäß eingesetzten Gasinfrarot-Porenstrahler
möglich, welcher bei vergleichsweise großer Wellenlänge
eine sehr hohe Energiedichte erreicht. Damit ist ein Wiedererwärmen
auf die geforderte Oberflächentemperatur vorzugsweise in
weniger als 30 Sekunden möglich.
-
Die
hohe Abkühlrate beträgt bevorzugt 8 bis 40 K/s
und besonders bevorzugt 20 bis 40 K/s, um die umgeformte Oberfläche
zu stabilisieren. Eine Abkühlung unterhalb Tg mit
einer so hohen Abkühlrate ist allerdings nicht günstig,
da sich hierbei unerwünschte Spannungen in dem Glas aufbauen.
Dieser ersten Abkühlzeit folgt deshalb eine zweite Abkühlzeit
mit wesentlich geringerer Abkühlrate. Diese liegt bevorzugt
bei 14 K/Min oder weniger.
-
Bevorzugt
umfasst der Umformungsschritt ein Glätten und/oder ein
Druckumformen und besonders bevorzugt das Einprägen einer
Struktur in die Oberfläche des Grünglaskörpers.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird ein Prägewerkzeug mit einer strukturierten
Kontaktfläche auf eine Betriebstemperatur von Tg ± 100 K vorgewärmt und beim
Umformen mit der strukturierten Kontaktfläche auf die erwärmte
Oberfläche aufgedrückt.
-
Es
hat sich herausgestellt, dass bei einer Werkzeugtemperatur unterhalb
Tg – 100 K die Wärme aus
der Oberfläche des Grünglaskörpers aufgrund
der hohen Temperaturdifferenz zu schnell abgeführt wird
und der Prägevorgang nicht vollständig ausgeführt
werden kann. Andererseits hat sich bei einer Werkzeugtemperatur
oberhalb Tg + 100 K gezeigt, dass aufgrund
der zu geringen Temperaturdifferenz nicht genügend Wärme
beim Prägen über das Prägewerkzeug abgeführt
wird und die Gefahr besteht, dass das Glas mit dem Werkzeug verklebt.
-
Besonders
bevorzugt wird das Prägewerkzeug nach dem Aufdrücken
auf die erwärmte Oberfläche beim Abkühlen
zusammen mit dem Grünglaskörper abgekühlt.
-
Das
geschieht bevorzugt höchstens bis zur Transformationstemperatur
Tg, um besagte Spannungen in dem Glas zu
vermeiden. Aufgrund der Abkühlung des Werkzeuges wird zugleich
eine effektive Abkühlung der Glasoberfläche erreicht,
die während des Abkühlens noch in vollflächigem
Kontakt mit der Kontaktfläche des Werkzeuges steht. Vorzugsweise wird
zeitgleich auch die Unterseite des Grünglaskörpers
mit der gleichen Geschwindigkeit abgekühlt, um thermische
Spannungen zu vermeiden.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Verfahrens strahlt der Gasinfrarot-Porenstrahler beim Wiedererwärmen
mit einer Energiedichte von mehr als 200 kW/m2,
vorzugsweise mehr als 1 MW/m2 und besonders
bevorzugt mehr als 2 MW/m2 ab.
-
Insbesondere
diese hohen Energiedichten ermöglichen eine extrem schnelle
Erwärmung der Glasoberfläche bis zu den benötigten
niedrigen Viskositäten des Glases.
-
Gerade
für eine reine Oberflächenenwärmung ist
es vorteilhaft, wenn der Gasinfrarot-Porenstrahler beim Wiedererwärmen
mit einem Strahlungsleistungsmaximum bei einer Wellenlänge > 2 μm, vorzugsweise
in einem Bereich von 2 bis 5 μm und besonders bevorzugt
von 2 bis 3 μm betrieben wird.
-
In
diesem Bereich ist die Absorption des Glases ausreichend hoch (die
Absorptionskante des Glases liegt bei einer Wellenlänge
von etwa 2,7 μm) und zugleich ist die Temperatur und Energiedichte des
Gasinfrarot-Porenstrahlers ausreichend hoch, um die erforderlichen
Oberflächentemperaturen zu erzielen, ohne das Glas auch
in der Tiefe zu erwärmen. Die Tiefe der Absorption langwelliger
IR-Strahlung in dem Glas liegt typischer Weise zwischen 50 μm
und 100 μm. In diesem Oberflächenbereich wird die
maximale Temperatur erreicht. Hierbei wird eine ausreichend tiefe
Aufweichung des Glases an seiner Oberfläche erreicht, die
insbesondere die angesprochene Prägeumformung gestattet.
-
Ein
optimaler Einsatz des Gasinfrarot-Porenstrahlers sieht vor, dass
dieser beim Wiedererwärmen einen Abstand von unter 5 cm,
bevorzugt von 1 bis 3 cm von der Oberfläche des Grünglaskörpers eingesetzt
wird.
-
Bei
diesem Abstand und bei der bevorzugten Energiedichte von mehr als
200 kW/m2, insbesondere mehr als 1 MW/m2 ist eine Aufwärmung der Substratoberfläche
in weniger als 30 Sekunden auf die erforderliche Oberflächentemperatur
von ca. 1000 bis 1150°C möglich.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer
Glaskeramik mit einer strukturierten Oberfläche gemäß Patentanspruch
14 sieht vor, zunächst einen Grünglaskörper
nach einem Verfahren gemäß der zuvor beschriebenen
Art herzustellen und anschließend mit der strukturierten
Oberfläche nach oben weisend zu keramisieren.
-
Auf
diese Weise bleiben die Strukturen auf der Oberfläche bei
einem Standardkeramisierungsprozess unverändert erhalten.
-
Die
oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Glaskeramikerzeugnis
mit den Merkmalen der Ansprüche 15 und 18 gelöst.
-
Das
erfindungsgemäße Glaskeramikerzeugnis, welches
aus einem Grünglaskörper hergestellt ist, der
mittels des zuvor beschriebenen Verfahrens umgeformt wurde, weist
erfindungsgemäß eine geprägte Oberflächenstruktur
auf.
-
Eine
gezielt geprägte Oberflächenstruktur war bislang
nicht bekannt und deren Herstellung mit Standardumformverfahren
nicht möglich. Zwar hat jede Glaskeramikoberfläche
eine gewisse Struktur, die auch durch Prägen erzielt worden
sein kann. Beispielsweise werden sichtbare Strukturen auch durch einen
Walzenabzug aus der Schmelze erzeugt. Die Oberflächenstruktur
des erfindungsgemäßen Glaskeramikerzeugnisses
ist dem gegenüber eine regelmäßige Struktur
mit bestimmten Abmessungen und definierten Formen.
-
Ein
weiterer Unterschied besteht darin, dass sich etwaige Rauhigkeiten
der Walzen oder anderweitige Strukturen, die in das Glas bei der
Heißformgebung der Schmelze eingeprägt wurden,
wegen der Rückerwärmung aus dem Glasinnern zu
einem großen Teil verlaufen bzw. geglättet werden.
Deswegen war es nicht möglich, mit den bekannten Verfahren „scharfe” Strukturen
herzustellen.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren indes erlaubt es, „scharfe” Strukturen
herzustellen. Hierunter sind insbesondere Strukturen mit Kantenprofilen
von bis zu 88° zur Glasoberfläche zu verstehen,
also fast senkrechte Strukturen. Ferner kann durch das erfindungsgemäße
Verfahren ein Aspektverhältnis (Breite zu Tiefe) von 1:1
oder darunter erzielt werden. Eckenabrundungen, welche durch die
Oberflächenspannung des Glases bedingt sind, können
durch das erfindungsgemäße Verfahren bis auf 10%,
in manchen Fällen bis zu 2% reduziert werden. Die Abmessungen
der Strukturen, welche nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt werden können, sind im Einzelnen
bis zu 5 Nanometer klein. Die Gesamtfläche, welche erfindungsgemäß in
der Praxis auf einmal strukturiert werden kann, kann von einigen
Quadratmillimetern bis zu einigen Quadratmetern reichen.
-
Die
Strukturierung der Oberfläche hat gegenüber den
bekannten Oberflächengestaltungen durch Beschichtung den
Vorteil, dass das gesamte Erzeugnis aus demselben Glaskeramikmaterial
besteht und deshalb keine unterschiedlichen Eigenschaften zwischen
der Oberflächenschicht und der Glaskeramik als solche bestehen.
-
Die
Oberflächenstruktur des erfindungsgemäßen
Glaskeramikerzeugnisses ist bevorzugt eine geprägte Mikro-Nanostruktur
und besonders bevorzugt ist die Oberflächenstruktur hydrophob
bzw. superhydrophob.
-
Letztgenannte
Oberfläche verwirklicht den so genannten Lotuseffekt, welcher
durch eine geringe Benetzbarkeit der Oberfläche des Substrates
gekennzeichnet ist. Oberflächen mit einer solchen Struktur
werden aufgrund ihrer schlechten Benetzbarkeit auch als selbstreinigend
bezeichnet oder sind zumindest sehr leicht zu reinigen.
-
Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein
Temperatur-Zeit-Diagramm des erfindungsgemäßen
Umformungsverfahrens und
-
2 ein Schema des erfindungsgemäßen Umformungsschrittes.
-
In
dem Temperatur-Zeit-Diagramm gemäß 1 ist
gestrichelt der Temperaturverlauf an der Oberfläche des
Grünglaskörpers und als durchgezogene Linie der
Temperaturverlauf an der Oberfläche des Prägewerkzeugs
beispielhaft zur Erzeugung einer strukturierten Oberfläche
auf dem Grünglas für eine Lithium-Aluminium-Silikat(LAS)-Glaskeramik aufgetragen.
Die Zeitmessung startet mit dem Beginn des Wiedererwärmens
des Grünglases bei einer Temperatur von 500°C
und damit deutlich unter der Keimbildungstemperatur TKb. Über
eine Wiedererwärmungsperiode t1 von
weniger als 30 Sekunden wird die Oberfläche des Grünglaskörpers
auf eine Temperatur von etwa 1100°C mittels des zuvor beschriebenen
Gasinfrarot-Porenstrahlers erhitzt. Bei dieser Temperatur besitzt
die Oberfläche des Grünglaskörpers eine
Viskosität von 106,6 Pa s oder
weniger. Nach Erreichen der Temperatur wird das Glassubstrat mit
dem Werkzeug in Berührung gebracht, welches zuvor auf eine
Temperatur von etwa 670°C und damit auf eine Betriebstemperatur
etwas oberhalb der Transformationstemperatur Tg vorgewärmt wurde.
Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Periode des Prägens und
zugleich eine erste Abkühlzeit t2.
Während des Prägens kühlt durch die Berührung
der unterschiedlich temperierten Substratoberfläche und Werkzeugoberfläche
nämlich zunächst die Substratoberfläche
rasch um mehrere 10° ab während die Temperatur
der Werkzeugoberfläche auf über 1000°C
ansteigt. Hat sich ein Temperaturgleichgewicht eingestellt kühlt
die Substratoberfläche zusammen mit dem Werkzeug aufgrund
einer aktiven Kühlung desselben mit einer hohen Abkühlrate
innerhalb der ersten Abkühlzeit von etwa 40 Sekunden auf
ca. 700°C ab. Dies entspricht einer Abkühlrate
von 10 K/s pro Sekunde an der Oberfläche des Grünglaskörpers.
Nach der ersten Abkühlzeit schließt sich eine zweite
Abkühlzeit t3 an, in welcher der
Grünglaskörper (nunmehr ohne Kontakt zum Werkzeug)
langsam, beginnend bei 700°C und damit deutlich oberhalb
des Transformationspunktes, weiter abkühlt, um Spannungen
zu vermeiden.
-
2 zeigt in einer schematischen Darstellung
den erfindungsgemäßen Prägevorgang in
zwei Schritten. Gemäß Teilfigur 2A kommt
zunächst jeweils ein Gasinfrarot-Porenstrahler (kurz: Porengasbrenner) 10 und 12 zum
Einsatz, mit dem eine obere Oberfläche 14 eines
Grünglassubstrates 16 und (zweckmäßigerweise
aber nicht zwingend gleichzeitig) eine strukturierte Kontaktfläche 18 an der
Unterseite eines Werkzeugs 20 erwärmt wird. Hierbei
werden durch Abstandsregulierung und/oder Brenngaszufuhrregulierung
unterschiedliche Temperaturen auf der Substratoberfläche 14 und
der Kontaktfläche 18 eingestellt, vergleiche 1.
Danach werden die Porengasbrenner 10 und 12 entfernt
und das Werkzeug 20 wird in einem zweiten Schritt gemäß Teilfigur 2B auf
die vorgewärmte Oberfläche 14 des Grünglasstrubtrats 16 aufgedrückt.
Das Grünglassubtrat 16 liegt zum Zweck der Unterstützung
auf einer Auflage 24 auf, die (aktiv oder passiv) einen
entsprechenden Gegendruck zu dem Anpressdruck des Werkzeuges 20 liefert.
Unmittelbar nach dem Zusammenpressen des Werkzeugs 20 mit
dem Grünglassubstrat 16 beginnt die schnelle Abkühlung der
Oberflächen, indem dem Werkzeug 20 mittels Kühlmedium
in einem Kühlvolumen 22 innerhalb des Werkzeugs 20 Wärme
entzogen wird. In gleicher Weise kann auch eine aktive Kühlung
in der Auflage 24 zum gleichmäßigen Abkühlen
des Grünglassubstrates 16 von beiden Seiten vorgesehen
sein (nicht dargestellt).
-
In
einem dritten Schritt (nicht dargestellt) werden das Werkzeug 20 und
das Grünglassubstrat 16 in entgegengesetzter Richtung
wieder auseinander gefahren. Das Grünglassubstrat 16 kühlt
dann unabhängig von dem Werkzeug mit geringerer Abkühlrate
von 14 K/Min oder weniger kontrolliert weiter ab.
-
- 10
- Gasinfrarot-Porenstrahler
- 12
- Gasinfrarot-Porenstrahler
- 14
- Substratoberflächen
- 16
- Grünglassubstrat/-Körper
- 18
- strukturierte
Kontakfläche
- 20
- (Präge-)Werkzeug
- 22
- Kühlvolumen
- 24
- Auflage
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1171391
B1 [0006]
- - EP 1171392 B1 [0006]
- - DE 10110357 C2 [0006]