DE102008004995B3

DE102008004995B3 - Lasermarkierte Glasscheiben und deren Verwendung als Beleuchtungselemente

Info

Publication number: DE102008004995B3
Application number: DE200810004995
Authority: DE
Inventors: Frank Karbach; Gernot Weber; Kai Olbricht; Oliver Gros
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2008-01-17
Filing date: 2008-01-17
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2028-01-18

Abstract

Die Erfindung betrifft sowohl einen Körper aus Glas mit einer unter der Oberfläche des Körpers angeordneten Markierung, die eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Symbole oder eine Kombination davon aufweist, die eine Kennzeichnung ergeben, erzeugt durch einen auf die Oberfläche des Körpers gerichteten Laserstrahl, der den Körper bis zu einer vorbestimmten Tiefe durchdringt und an der Stelle der gewünschten Markierung innerhalb des Glaskörpers fokussierbar ist, und dadurch am Ort der gewünschten Markierung eine Materialveränderung entstehen lässt, die eine sichtbare Veränderung einer sekundär eingebrachten Strahlung zur Folge hat, ohne die Oberfläche des Glaskörpers zu verändern, wobei der Körper aus Glas oberflächengehärtet ist und Bereiche von Druckspannung und Zugspannung aufweist und die Markierung mittels Laserstrahlung in dem unter Druckspannung stehenden Bereich des Glaskörpers erzeugt ist, als auch dessen Verwendung als Beleuchtungselement.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Körper aus Glas, mit einer unter der Oberfläche des Körpers angeordneten Markierung, die eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Symbole oder eine Kombination davon aufweist, die eine Kennzeichnung ergeben, erzeugt durch einen auf die Oberfläche des Körpers gerichteten Laserstrahl, der den Körper bis zu einer vorbestimmten Tiefe durchdringt und an der Stelle der gewünschten Markierung innerhalb des Glaskörpers fokussierbar ist, und dadurch am Ort der gewünschten Markierung eine Materialveränderung entstehen lässt, die eine sichtbare Veränderung einer sekundär eingebrachten Strahlung zur Folge hat, ohne die Oberfläche des Glaskörpers zu verändern.
Solche mittels Laserstrahlung markierten Gläser sind bekannt. Beispielsweise aus dem europäischen Patent EP 0 543 899 B2 , in dem im Anspruch 1 ein Verfahren zum Versehen eines Materialkörpers mit einer unter der Oberfläche angeordneten Markierung, die eine gewünschte Bezeichnung darstellt, beschrieben ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist, auf eine Oberfläche des Körpers einen Strahl hoher Energiedichte zu richten, der das Material wenigstens bis zur Tiefe der gewünschten Markierung zu durchdringen, vermag, den Strahl an einem Ort zu fokussieren, der von der Oberfläche einen Abstand aufweist und innerhalb des Materials angeordnet ist, um so lokalisierte Ionisierung des Materials und die Bildung einer Markierung an dem Ort in Form eines Gebietes von erhöhter Undurchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung im wesentlichen ohne irgendeine feststellbare Änderung der Oberfläche zu bewirken und den Brennpunkt des Strahls relativ zu dem zu markierenden Körper zu bewegen, so dass die Markierung eine vorbestimmte Form haben kann.
Der unabhängige Anspruch 14 dieses Patentes bezieht sich auf den markierten Materialkörper an sich und in der Beschreibung wird der Materialkörper als beispielsweise aus Glas oder Plastik bestehend definiert.
Weiter ist aus dem US Patent No. 4,769,310 A ein Verfahren bekannt, bei dem keramische Materialien, Glasuren, Glaskeramiken und Gläser mit strahlungssensitiven Zusätzen versehen werden, die sich unter Einfluss von Laserstrahlung verfärben und so eine Markierung in den Materialien erzeugen können.
Auch aus der deutschen Patentschrift DE 198 55 623 C1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer unter der Oberfläche liegenden Markierung in einem Körper aus Glas bekannt, das eine Transmissionskurve mit einem Plateaubereich bei Wellenlängen, die größer als die von Röntgenstrahlen sind, aufweist, wobei auf eine Oberfläche des Körpers ein Laserstrahl gerichtet wird, der den Körper bis zu der vorbestimmten Tiefe der Markierung zu durchdringen vermag und ferner an dem vorbestimmten Ort der Markierung innerhalb des Glases fokussiert wird und eine solche Leistungsdichte aufweist, dass an dem Ort eine Markierung in Form eines sich durch eine verringerte Durchlässigkeit für elektromagnetische Strahlung auszeichnenden Materialveränderung entsteht, im wesentlichen, ohne dass an der Oberfläche des Körpers eine irgendwie feststellbare Veränderung eintritt, wobei eine Wellenlänge des Laserlichtes verwendet wird, bei der das Glas teildurchlässig ist und die kleiner als alle dem Plateaubereich entsprechenden Wellenlängen des Laserlichtes ist.
Weiterhin ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2006 004 064 U1 eine mit einer Beschriftung und/oder mit Ornamenten versehene Glaskeramikscheibe bekannt, wobei die Schriftzeichen und/oder die Ornamentik von im Scheibeninneren mittels eines Laserstrahles hervorgerufenen Strukturänderungen des Scheibenmateriales gebildet ist.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 103 47 763 A1 vermittelt eine Haushaltsgeräteeinheit mit einem zumindest teilweise aus einem transparenten Material gefertigten Bauteil, insbesondere einer Türscheibe, und mit einem optischen Funktionsmittel, wobei das optische Funktionsmittel zumindest teilweise von einem im Inneren des transparenten Materials angeordneten Lichtstreubereich gebildet ist.
Zur Bildung dieses Lichtstreubereiches werden auch hier Impulse von Laserstrahlung verwendet.
Weiterhin allgemein bekannte Verfahren zur Markierung von Gläsern sind der Siebdruck, das Sandstrahlen oder Abziehbilder (Aufkleber).
Als weiterer Stand der Technik zur Verwendung eines erfindungsgemäßen Körpers aus Glas nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sind beispielhaft zu nennen: DE 298 15 437 U1 , DE 100 43 516 A1 , DE 102 29 064 A1 und DE 100 64 742 A1 .
Der genannte Stand der Technik berücksichtigt dabei an keiner Stelle die Problematik mit oberflächengehärteten, thermisch vorgespannten Gläsern, die besonders bei thermisch und/oder mechanisch hoch beanspruchten Körpern aus Glas als Bauteile z. B. in Haushaltsgeräten, für Flugzeug-Fenster, im Bereich „Protection" und für Brandschutzverglasungen signifikant wichtig sind.
Da bei Gläsern die Zugfestigkeit auf Grund von Oberflächenfehlern stets kleiner ist als die Druckfestigkeit, laufen Maßnahmen zur Oberflächenhärtung von Gläsern stets darauf hinaus, die Oberflächenschichten von Gläsern unter Druckspannung zu setzen, um in der Glasoberfläche vorhandene Risse zusammenzudrücken und somit am Öffnen, d. h. an der Einleitung des Bruchvorganges zu hindern. Erst wenn die Belastung größer als die erzeugte Druckspannung wird, besteht die Gefahr des Bruches.
Es werden dabei im wesentlichen zwei Methoden der Oberflächenhärtung unterschieden, die thermische und die chemische.
Die hier in Frage kommende thermische Härtung ist eine seit langem bekannte Methode zur Steigerung der Glasfestigkeit (erstes Patent 1847). Hierbei wird der zu härtende Glasgegenstand auf eine Temperatur knapp oberhalb des Transformationspunktes kurzzeitig erwärmt und dann z. B. durch Anblasen mit Kaltluft oder durch Andrücken kalter Metallplatten abgeschreckt. Bei diesem Vorgang "friert" das Glas der Oberflächenschicht schneller ein als das Glas im Inneren, d. h. in der Oberflächenschicht wird eine weniger dichte Glasstruktur eingefroren.
Auf diese Weise kommt es in der Glasoberfläche zur Ausbildung von Druckspannungen, während das Glasinnere unter Zugspannungen steht und die Druckspannungen kompensiert.
Um einen Glasgegenstand thermisch gut härten zu können, muss er eine genügend große Wandstärke besitzen. Ist die Dicke zu gering, so kann sich kein ausreichender Temperaturgradient bei der Abkühlung einstellen und die Druckspannungszone fällt zu dünn aus; die vorhandenen Risse dringen dann nur noch tiefer in die Zugspannungszone ein.
Bei der thermischen Härtung lassen sich Steigerung der Biegefestigkeit um den Faktor 5 bis 7, der Zugfestigkeit um den Faktor 3 bis 4 erzielen. Ferner ist mit der thermischen Oberflächenhärtung ein weiterer Vorteil verbunden, nämlich ein günstigeres Bruchverhalten.
Im zuggespannten Inneren des Glasstücks ist eine beträchtliche Energiemenge gespeichert, die beim Eindringen eines Risses wegen der plötzlichen Entspannung Stoßwellen hervorruft, die das Glasstück rasch zertrümmern, wobei nun kleine Bruchstücke ohne gefährliche Splitterwirkung entstehen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde einen Körper aus Glas, der durch thermisches Vorspannen wie oben beschrieben oberflächengehärtet ist, zerstörungsfrei mittels hochenergetischer Laserstrahlung im Innern zu markieren und somit alle bekannten Vorteile dieser Markierung, wie z. B. eine unveränderte Materialoberfläche, Fälschungssicherheit, nachträgliche Markierung auch für solche thermisch und/oder mechanisch hochbelastbaren Gläser zugänglich zu machen.
Weitere Aufgabe der Erfindung ist es solche thermisch vorgespannten und erfindungsgemäß mit Markierungen versehenen Gläser als Beleuchtungselement in Bauteilen, mit und ohne Kennzeichnungsfunktion zu integrieren und die visuelle Erkennbarkeit und den Kontrast dieser Markierungen deutlich zu verbessern.
Diese Aufgaben wurden erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Thermisch gehärtete Gläser kann man nicht mehr bearbeiten. Deshalb müssen Sie beim Vorspannen bereits auf ihr endgültiges Maß zugeschnitten sein. Gleiches gilt für Bohren und Kantenbearbeitung. Für das Anbringen von Beschlägen, Schloss und Klinken an Glastüren ist das besonders wichtig.
Das gilt natürlich auch für eine Bearbeitung mittels Laser. Nach der Erfindung wird daher das thermisch gehärtete Glas nicht einheitlich betrachtet, sondern ein Bereich mit Druckspannung und ein Bereich mit Zugspannung definiert.
Lasermarkierungen dürfen nach der Erfindung den Druckspannungsbereich nicht verlassen.
Alle gängigen Flachglasarten lassen sich vorspannen. Am häufigsten wird heute Floatglas gehärtet, um in Kraftfahrzeugen verwendet zu werden. Einscheibensicherheitsglas wird, wie auch die anderen Arten von Sicherheitsglas, in der Regel von den großen Flachglasfirmen gefertigt, die das Rohglas selbst erzeugen. Vorgespanntes Glas wird häufig im gleichen Arbeitsgang auch noch gebogen, weil in den Autos Front- und Heckscheiben regelmäßig, die Seitenfenster oft gewölbt sind. Die Biegung muss vor der Vorspannung erfolgen, da diese bei der Biegetemperatur verschwinden würde. Im Hochbau begegnet man vorgespanntem Flachglas in Form von Glastüren, Zwischenwänden, Liftverglasungen oder an Treppengeländern.
Bei der Herstellung werden die fertig zugeschnittenen Glastafeln hängend oder liegend einer Vorrichtung zugeführt, in der sie an der Oberfläche rasch bis etwa 150° über die Transformationstemperatur aufgeheizt werden. Sofort danach wird das Glas durch ein seiner Form angepasstes Düsensystem mit kalter Luft angeblasen. Infolge dieses Abschreckens kühlt das Glasinnere langsamer ab als die Außenseite und zieht sich letzten Endes noch zusammen, wenn die Oberfläche bereits erstarrt ist. Da Oberfläche und Inneres des Glases miteinander verbunden sind, entsteht in der Oberflächenschicht eine Druckvorspannung und im Inneren eine Zugvorspannung. Der Vorgang selbst heißt thermisches oder physikalisches Härten von Glas, das fertige Erzeugnis vorgespanntes oder Einscheibensicherheitsglas. Die wichtigsten Faktoren für die Höhe der Druckvorspannung sind die Wärmeausdehnung des Glases ober- und unterhalb der Transformationstemperatur T_g, sein Elastizitätsmodul und die Temperaturdifferenz, die sich oberhalb T_g zwischen Oberflächenschicht und Glasinnerem ausbildet. Die erzeugte Druckvorspannung ist etwa 3mal höher als die normale Biegezugfestigkeit und um so höher je dicker das Glas ist. Eine Biegebeanspruchung wird also um diese Vorspannung vermindert wirksam, wodurch sich eine entsprechend erhöhte Biegezugfestigkeit ergibt.
Ausführungsbeispiel
Die erfindungsgemäße Laserinnenmarkierung erfolgt beispielhaft mit einem diodengepumpten, wassergekühlten Nd: YAG Laser des Typs Vitrolux V1 der Firma Vitro Laser GmbH, D-32423 Minden, bei Wellenlängen von 532 nm (optional 1064 nm), einer Pulswiederholfrequenz von 1 kHz und einer Pulsdauer von kleiner 10 ns.
Als Optik kam eine Hochleistungs-Planfeldoptik (f = 100 mm) mit einem Scanfeld von 70 × 70 mm in Flachglas zum Einsatz.
Die Systemsteuerung erfolgte über eine Vitro NC-Software und CAN-Bus, Vitro Plug-In für Rhino 3D/3.0 zur Punktwolkenerstellung.
Im Falle des Ausführungsbeispiels betrug die max. Objektgröße 1500 × 1200 × 100 mm bei einer Belaserungsfläche von 1400 × 1000 mm.
Mit Hilfe dieses Lasers wurden Glasdefekte innerhalb des vorgespannten Glas im Druckspannungsbereich erzeugt an denen sich das eingestrahlte Licht bricht. Diese Defekte können ohne Zerstörung des Werkstückes nicht mehr entfernt werden.
Die Oberfläche bleibt völlig unbeeinflusst.
Die Laserstrahlung wird in einem für Glas transparenten Wellenlängenbereich im Glasinneren definiert fokussiert, wobei erfindungsgemäß "Glasinneres" nur den Bereich unter Druckspannung im oberflächengehärteten Glaskörper bedeutet.
Eine Lasermarkierung im Bereich der Zugspannung im Glaskörper hätte die Zerstörung des Werkstückes, spätestens bei seiner ersten Belastung zur Folge.
Durch einen Initial-Puls erfolgt lokal eine hohe Energieeintragung, der einen dielektrischen Durchbruch im Material zur Folge hat. Aufgrund dieses Durchbruches entsteht dann ein Glasdefekt (Microcrack).
Der Energieeintrag weiterer Laserpulse initiiert neue Mikrorisse, die dann die gewünschte Markierung im Innern des Glaskörpers ergeben.
Da erfindungsgemäß die Volumenanteile der Bereiche von Druck- und Zugspannung u. a. erheblich von der Art und Geschwindigkeit der Abkühlung, der Dicke/Geometrie des Glaskörpers und auch seiner chemischen Zusammensetzung abhängen, muss in einfachen, jedem durchschnittlichen Fachmann zumutbaren Vorversuchen ermittelt werden wo der Bereich der für die Lasermarkierung geeigneten Druckspannung im thermisch gehärteten Glas angeordnet ist und wo der Bereich der für die Lasermarkierung ungeeigneten Zugspannung positioniert ist.
Als Anhaltspunkt dient dabei auch die Erfahrungstatsache, dass bei vorgespannten, thermisch gehärteten Gläsern typischerweise etwa ein Sechstel der Dicke einer Glasscheibe oben und unten unter Druckspannung stehen, während die restlichen zwei Drittel unter Zugspannung verbleiben.
Konkret bedeutet das, dass bei einem 12 mm dicken vorgespannten Körper aus Glas etwa 2 mm der Ober- und Unterseite unter Druckspannung stehen und dort die Lasermarkierung ohne Probleme eingesetzt werden kann.
Sehr hilfreich können dabei auch Polarisationsfilter sein, die durch unterschiedliche Farbgebung unterschiedliche Spannungsverhältnisse im Glas erkennen lassen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den folgenden Zeichnungsbeschreibungen. In den Zeichnungen ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigen:
1 ein Gargerät 1 mit einer Tür 2 und
2 einen Schnitt durch eine Türscheibe 3 im Bereich eines Beleuchtungselementes 4, eine Lichtquelle 5, eine Befestigungsvorrichtung der Gargerätetür aus
1 und einem zweiten in Aufsicht opak erscheinenden Körper 8.
1 zeigt ein Gargerät 1 mit einer Tür 2, die eine aus Glas gefertigte Türscheibe 3 mit einem im Inneren des Glases angeordneten bzw. eingearbeiteten Beleuchtungselement 4 umfasst. Das Beleuchtungselement 4 erfüllt einerseits eine Kennzeichnungsfunktion indem es z. B. die Form eines Firmenzeichens des Herstellers des Gargeräts 1 bildet, und erfüllt andererseits eine Innenbeleuchtungsfunktion, indem es seitlich von Lichtquellen 5, 5', 5'' her einfallendes Licht gezielt in einen Innenraum 6 des Gargeräts 1 streut.
Das Beleuchtungselement 4 besteht aus Defekten im transparenten Glas der Türscheibe 3, wie insbesondere aus kleinen Rissen usw. An den Defekten wird das seitlich einfallende Licht wie an kleinen spiegelnden Flächen reflektiert und durch die Vielfalt der Formen und Ausrichtungen der Defekte in viele Richtungen gestreut. Ein erster Anteil des seitlich einfallenden Lichts wird zum Erreichen einer Innenraumbeleuchtungsfunktion in Richtung des Innenraums 6 umgelenkt, ein zweiter Anteil des seitlich einfallenden Lichts wird nach außen gestreut und erfüllt eine Kennzeichnungsfunktion für einen Betrachter, der das Zeichen bei geeigneter seitlicher Beleuchtung leuchtend wahrnimmt.
Dabei wird nach der Erfindung dieser vorgespannte, lasermarkierte Körper aus Glas in dem Gargerät 1 in der Tür 2 als Scheibe 3 als Beleuchtungselement 4 mit und ohne Kennzeichnungsfunktion, immer zusammen mit mindestens einem zweiten in Aufsicht opak erscheinenden Körper 8, z. B. ebenfalls einer zweiten bedruckten Glasscheibe eingesetzt, um den Kontrast der beleuchteten Lasermarkierung 4 zu der Umgebung zu erhöhen.
Zusammenfassend die Vorteile einer Markierung von vorgespannten Glaskörpern durch Lasertechnologie:

– variable Beschriftung, wie z. B. Data Matrix Codes, Logos, Barcodes, Seriennummern, Datum, Uhrzeit, Namen, etc.
– kurze Rüstzeiten
– fälschungssicher
– auch "unsichtbare" Markierungen möglich
– maximale Information auf minimalen Raum
– keine Veränderung der Materialoberfläche
– Problemlose nachträgliche Beschichtung der Produkte
– Reinraumfähigkeit

1: Gargerät
2: Gargerätetür
3: Türscheibe
4: Beleuchtungselement
5: Lichtquelle
6: Innenraum
7: Befestigungsvorrichtung
8: opak erscheinender Körper/Glasscheibe

Claims

Körper aus Glas mit einer unter der Oberfläche des Körpers angeordneten Markierung, die eine oder mehrere Ziffern, Buchstaben oder Symbole oder eine Kombination davon aufweist, die eine Kennzeichnung ergeben, erzeugt durch einen auf die Oberfläche des Körpers gerichteten Laserstrahl, der den Körper bis zu einer vorbestimmten Tiefe durchdringt und an der Stelle der gewünschten Markierung innerhalb des Glaskörpers fokussierbar ist, und dadurch am Ort der gewünschten Markierung eine Materialveränderung entstehen lässt, die eine sichtbare Veränderung einer sekundär eingebrachten Strahlung zur Folge hat, ohne die Oberfläche des Glaskörpers zu verändern, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus Glas oberflächengehärtet ist und Bereiche von Druckspannung und Zugspannung aufweist und die Markierung mittels Laserstrahlung in dem unter Druckspannung stehenden Bereich des Glaskörpers erzeugt ist.
Körper aus Glas nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhärtung durch thermische Vorspannung erfolgt ist.
Körper aus Glas nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas ein Kalk-Natron Glas ist.
Körper aus Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glas eine Scheibe ist.
Körper aus Glas nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe bevorzugt eine Dicke von 3 bis 25 mm aufweist.
Körper aus Glas nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenanteile der Bereiche von Druck- und Zugspannung insbesondere von der Art und Geschwindigkeit der Abkühlung und der Dicke und Geometrie des Glaskörpers abhängen.
Verwendung eines Körpers aus Glas nach den Ansprüchen 1 bis 6, als Beleuchtungselement in einem Bauteil mit und ohne Kennzeichnungsfunktion, wobei Licht auf die durch Materialveränderung erzeugte Markierung geleitet und gestreut wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweiter, in Aufsicht opak erscheinender Körper als Hintergrund zur Kontrasterhöhung eingesetzt ist.
Verwendung eines Körpers aus Glas nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite in Aufsicht opak erscheinende Körper eine bedruckte Glasscheibe ist.
Verwendung eines Körpers aus Glas nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite in Aufsicht opak erscheinende Körper eine Beschichtung ist.