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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen von Kanten-
oder Randspannungen in Glasscheiben nach einer thermischen Behandlung, insbesondere
nach einem Biegevorgang, bei dem die Glasscheiben in den Bereich
ihrer Erweichungstemperatur, ggf. darüber hinaus erhitzt
werden. Sie bezieht sich auch auf entsprechende Vorrichtungen.
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Speziell
bei nicht insgesamt vorgespannten Glasscheiben, die zu einem Scheibenverbund
(Verbundsicherheitsglas) weiterverarbeitet werden sollen, werden
entlang deren Kanten oder Rändern gezielt bleibende Randspannungen
erzeugt, damit diese Scheiben während ihrer Weiterverarbeitung
und Montage sowie im Einbauzustand weniger anfällig gegen
von ihrem Rand ausgehende Risse bzw. Brüche sind. Dieses
sowohl für ebene als auch für gebogene Glasscheiben
relevante Problem wurde bereits mannigfach abgehandelt, wie im Folgenden
anhand einiger Beispiele erörtert wird.
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Solche
Randspannungen werden vergleichbar mit dem ganzflächigen
Vorspannen von Glasscheiben dadurch erzeugt, dass insbesondere zur Weiterverarbeitung
in Verbundglas vorgesehene Glasscheiben nach dem Erhitzen und Biegen
an ihrem Umfangsrand beschleunigt so abgekühlt werden,
dass sich ein umlaufender Rahmen von Druckspannungen bildet. Diese
beschleunigte Abkühlung tritt in den meisten Fällen
ohne weiteres Zutun dadurch ein, dass Rand- und Oberflächenbereiche schneller
abkühlen als der Großteil der Glasmasse.
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Dieses
beschleunigte Kühlen kann aber auch durch Konvektion beim
Aufblasen von kaltem Gas, insbesondere von Luft, verstärkt
werden. Es ist auch möglich, den Rand von Glasscheiben
mit einem Kühlring in Kontakt zu bringen, dessen Temperatur deutlich
unter der Temperatur der Glasscheibe und der Umgebung liegt.
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DE 102 57 972 B3 beschreibt
schließlich ein Verfahren zum Einbringen von Kantendruckspannungen
in Glasscheiben, bei dem ein Kühlring der Glaskante lediglich
angenähert wird, ohne sie indessen zu berühren.
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Die
Randspannungen bilden in graphischer Darstellung ein typisches Profil,
wenn man sie in einem gedachten Schnitt senkrecht zur Glaskante
in die Glasfläche hinein betrachtet. Geht man von der üblichen
Darstellung von Druckspannungen als negativ und von Zugspannungen
als positiv aus, so beginnt dieses Profil an der Glaskante im negativen (Druck-)Spannungsbereich.
Es steigt mit abnehmender Druckspannung an und schneidet bei Null-Spannung
die x-Achse, auf der die Länge oder Tiefe des gedachten
Schnitts senkrecht zur Glaskante aufgetragen ist, um im positiven
(Zug-)Spannungsbereich weiter zu verlaufen und sich zuletzt wieder
der besagten Null-Spannung anzunähern (in dem im Idealfall
spannungsfreien Bereich des Glases).
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Es
ist möglich und notwendig, dieses Profil zu messen. Dabei
sollen insbesondere Inhomogenitäten und lokal unzureichende
Druckspannungen und erhöhte Zugspannungen entlang der Glasscheibenkante
gefunden werden. Es gibt auch Grenzwerte nach oben und unten, innerhalb
deren sich diese Spannungen befinden sollten, weil außerhalb
des eingegrenzten Bereichs das Schadenrisiko erhöht ist.
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Unter
dem Handelsnamen „Edge Master” sind Messgeräte
bekannt (s. auch http://www.viseng.com/products/index.html,
oder http://www.glassphotonics.com/products/quality_control/edge_master/applications.html,
Stand April 2008), mit denen eine teilautomatische Aufnahme
von Randspannungswerten von Glasscheiben möglich ist. Teilautomatisch
bedeutet hier, dass diese Geräte von Hand an verschiedenen Punkten
der Glasscheibenkanten bzw. auf kantennahen Oberflächen
aufgesetzt werden müssen. Sodann wird mithilfe von polarisiertem
Licht unter Nutzung des photoelastischen Effekts in Reflexion eine Bildaufnahme
erzeugt, die eine Aussage über die Spannungsverteilung
und/oder über den Verlauf des vorerwähnten Spannungsprofils
ermöglicht. Es ist bei diesem -insbesondere durch das mehrfache
manuelle Um- und Aufsetzen- verhältnismäßig
langsamen Vorgehen aber nicht auszuschließen, dass eine Spannungsschwäche
gerade zwischen zwei gemessenen Punkten liegt. Das Aufsetzen des
Geräts und der Kontakt mit der Glaskante sind erforderlich,
damit stets ein genau gleicher Abstand des optischen Aufbaus von
der Glasoberfläche, eine Ausrichtung relativ zur Glaskante
und ein bestimmter Einfallswinkel des polarisierten Prüflichts
sichergestellt ist. Außerdem sollen so auch Fremdlichteinflüsse
weitestgehend ausgeschlossen werden. Es werden dazu üblicherweise
Stichproben aus einer Glasscheiben-Serienproduktion genommen.
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Die
eigentliche Messtechnik wird hier als bekannt vorausgesetzt und
ist auch nicht Gegenstand der vorliegenden Anmeldung.
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Anwendungsbeispiele
der bekannten Geräte, auch mit Darstellungen der bereits
geschilderten Spannungsverläufe, sind über http://www.glassphotonics.com/applications/automotive/wind_edge_stress.html für Verbundgläser,
sowie für vorgespannte Gläser über http://www.glassphotonics.com/applications/automotive/sidelite_backlite_es.html,
ebenfalls Stand April 2008, verfügbar.
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Eine
Besonderheit an diesen Geräten ist jedenfalls, dass sie
auch am Rand von Glasscheiben, die in der üblichen Weise
mit einem opakem Randstreifen bedruckt sind, die inneren Spannungen
im Glas in einer Reflexbildaufnahme darstellen und aufzeichnen können.
Das polarisierte Licht aus dem auf die Scheibenoberfläche
aufgesetzten Gerät durchdringt das Glas bis zu dem besagten
opaken Randstreifen (in welcher Ebene einer Verbundscheibe er auch
liegen mag) und wird dort teilweise reflektiert. Aus der Änderung
der Polarisierung nach Durchlaufen des Glases gegenüber
dem Ausgangszustand lässt sich direkt auf die im bis zum
opaken Bereich durchschienenen Glas vorherrschenden Spannungen schließen.
Bei Scheiben ohne opaken Randstreifen kann dieser durch eine geeignete
opake Fläche jenseits des durchschienenen Glases ersetzt
werden, um auch diese Scheiben messen zu können
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von den handgeführten
Geräten ein höher mechanisiertes Verfahren zum
Messen von Spannungen, insbesondere von Randspannungen, in thermisch
behandelten Glasscheiben zu schaffen sowie eine insbesondere zum
Durchführen des Verfahrens geeignete Vorrichtung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens erfindungsgemäß mit
den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale
der dem unabhängigen Anspruch jeweils nachgeordneten Unteransprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Anspruchsgegenstände
an.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus
der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels in Gestalt einer
Fahrzeug-Windschutzscheibe und deren sich im folgenden anschließender
eingehender Beschreibung hervor.
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Es
zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung
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1 eine
Ausführungsform einer transparenten Scheibe (5)
mit Bedruckung und mit einer Kante (5R),
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2 einen
Querschnitt durch eine beschichtete Doppelglasscheibe.
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Indem
man ein an sich bekanntes Messgerät zum Erstellen von spannungsoptischen
Bildern mithilfe einer (vorzugsweise) automatisierten Führungseinrichtung
ohne Berührung der Glasscheibe, jedoch stets unter Beibehaltung
des korrekten (für alle Messpunkte gleichen) Lichteinfallswinkels,
Drehwinkels und Abstandes, an einer Kante der zu unter suchenden
Glasscheiben entlang führt, lässt sich in verkürzter
Zeit eine sehr viel gründlichere Untersuchung der Glasscheibe
auf Spannungsfehler durchführen.
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Es
versteht sich, dass man dieses Verfahren auch ausführen
könnte, indem man die Glasscheibe selbst beweglich lagert
und ihre Kante an der feststehenden oder ruhenden Messvorrichtung
entlang bewegt. Diese Variante soll nicht ausgeschlossen werden,
sondern wird als im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
Allerdings besteht bei nicht ruhender Glasscheibe immer das Risiko,
dass äußere Einflüsse (statisch – Schwerkraft
und/oder dynamisch – Schwingungen aus der Bewegungsführung)
die erfassten Spannungen beeinflussen, so dass diese Variante eher
von sekundärer Bedeutung bleiben wird.
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Dass
die modifizierte Vorrichtung beim erfindungsgemäßen
Verfahren die Glasoberfläche nicht berührt, hat
mindestens zwei wesentliche Auswirkungen. Einerseits wird damit
jegliche Beschädigung der (eventuell noch fabrikneuen)
Glasscheiben-Oberfläche beim Mess- oder Nachprüfvorgang
vermieden, andererseits wird auch jegliche Beeinträchtigung oder
Veränderung der tatsächlich in der Glasscheibe eingefrorenen
Spannungen vermieden. Bei manuellem Aufsetzen des Geräts
kann es nämlich infolge zusätzlicher mechanischer
Belastung des Glases zu nicht reproduzierbaren Verfälschungen
der Messwerte kommen.
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Andererseits
werden geeignete Maßnahmen zu treffen sein, mit denen der
Lichteinfallswinkel zur Tangente an die Glasoberfläche,
die Ausrichtung des Messkopfes in Rotation um eine Achse senkrecht
zur Glasoberfläche und sein Abstand zur Glaskante an jedem
Messpunkt gleich gehalten und der Einfall von ggf. störendem
Fremdlicht vermieden wird.
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Man
wird das Messgerät ganz bevorzugt mithilfe eines Roboters
an dem Scheibenumfang entlang führen und dabei eine Vielzahl
von Messaufnahmen machen. Dem Roboter kann die individuelle Scheibenform über
elektronisch gespeicherte Konstruktionsdaten zugeführt
werden, die im Herstellerwerk verfügbar sind. Ein Abgleich
dieser „idealen” Daten mit der davon aufgrund
von produktionsbedingten Maßabweichungen verschiedenen
realen Form der Scheibe kann mithilfe der Optik des Messgeräts
erreicht werden, die in gewissen Grenzen einen Ausgleich schafft.
Insbesondere „erkennt” diese Optik die wahre Lage
der Scheibenkante an dem „plötzlichen” Vorhandensein
eines die Änderung der Polarisierung des abgestrahlten
Lichts bewirkenden Substrats. Dies lässt mittels geeigneter
Auswerteschaltungen und ggf. Nachregelung der Roboterposition auch
eine hinreichend genaue Positionierung des Messgeräts an
der Scheibenkante zu. Es kommt letztlich darauf an, dass in jeder
Momentaufnahme des Messgerätes zuverlässig ein
virtueller Schnitt mit definierter Länge von der Scheibenkante
zur Scheibenmitte hin erfasst wird, so dass jede Aufnahme denselben
Entwicklungsbereich der Randspannung ausgehend von Druck- über
Null- zu Zugspannung und deren Abklingen zeigt. Letzterer Abklingbereich interessiert
bei nicht vorgespannten Scheiben ohnehin nur am Rande.
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Dass
es sich um eine Untersuchung am Rand der jeweiligen Glasscheibe
handelt, kommt noch der Genauigkeit der Ausrichtung des Einfallswinkels
zugute. Gerade an ihrem Rand folgen gebogene Glasscheiben (für
den Einsatz in Fahrzeugkarosserien) am genauesten einer durch Konstruktionsdaten
vorgegebenen Sollform. Somit kann dem Roboter die jeweilige Ausrichtung
der Messvorrichtung anhand der für alle Messorte bekannten
oder berechenbaren räumlichen Positionen und Tangentenlage
auf der Glasoberfläche recht genau ohne weitere (berührende)
Führungsmittel vorgegeben werden. Damit lässt
sich eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der gemessenen Spannungswerte
erzielen, d. h. Abweichungen von Messungen an einer einzigen Scheibe
bei Wiederholungsmessungen halten sich mit diesem Verfahren in engen
Grenzen.
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Derartige
Roboter sind als solche ebenfalls bekannt und werden in der Glasindustrie
beispielsweise auch zum Ausstatten von Glasscheiben mit entlang
deren Kanten extrudierten Kunststoffsträngen verwendet
(vgl. z. B.
EP 0 524
092 B2 ). Dort werden allerdings normalerweise mechanische
(Rollen- oder Gleit-)Führungen vorgesehen, um die vom Roboter
geführte Extrusionsdüse stets auf dem richtigen
Kurs zu halten. Eine solche mechanische Führung ist bei
der vorliegenden Erfindung nicht zweckmäßig, weil
auch sie die gemessenen Spannungswerte verfälschen könnte.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt es weniger
auf eine Aufzeichnung des Gesamtspannungsverlaufes als vielmehr
auf das Feststellen von unerwünschten Abweichungen an.
Letztlich sollen die Rand- oder Kantenspannungen innerhalb einer
zulässigen Bandbreite liegen, und sollen Glasscheiben,
deren Randspannungen außerhalb dieser Bandbreite liegen,
wegen erhöhten Schadenrisikos ausgemustert werden. Deshalb
werden nach einer vorteilhaften erfindungsgemäßen
Weiterbildung vorzugsweise die erfassten Spannungswerte schon während
des Durchlaufs ausgewertet. Man kann nämlich an sich die
Spannungserfassung schon dann abbrechen, wenn während des
Abfahrens einer Scheibenkante ein signifikantes Abweichen eines Spannungswertes
von den Vorgaben erfasst wird. Diese Glasscheibe wird dann zu verschrotten und/oder
der Wiederverwertung zuzuführen sein.
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Zugleich
wird damit die zu verarbeitende Datenmenge reduziert. Es müssen
nicht alle Spannungswerte aufgezeichnet werden, sondern es interessieren
in der Fertigung an sich nur die Extremwerte. Nach einer Weiterbildung
des Verfahrens werden somit in der Art eines Schieberegisters immer
nur die jeweils höchsten oder niedrigsten Werte der Spannungen
festgehalten, während die ohnehin im Toleranzbereich liegenden
Werte nicht dauerhaft gespeichert werden.
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Dies
hindert jedoch nicht, bei Bedarf auch ein vollständiges
Spannungsbild einer Scheibe zu erzeugen, das beispielsweise zum
detaillierten Dokumentieren von Prototypen und/oder von Stichproben
aus einer laufenden Produktion verwendet werden kann.
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Für
die Aufnahme der Spannungswerte können noch weitere Randbedingungen
von Bedeutung sein. Hierzu gehört die Forderung, dass die
zu messende Scheibe während des Messvorgangs so spannungsneutral
wie möglich fixiert werden sollte, damit sich nicht unter
Schwerkraftwirkung verfälschende Biegespannungen aufbauen
können. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die
Scheibe entlang ihres gesamten Umfangs möglichst passgenau aufgelegt
wird; eine enge Abfolge von Punkten kann allerdings dabei eine linienförmige
oder kontinuierliche Auflage ersetzen.
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Eine
weitere Arbeitsbedingung kann sein, dass das vom Messgerät
ausgestrahlte Licht reflektiert werden muss, so dass die Änderung
der Polarisierung des Lichtes bei zweimaligem Durchlaufen der Glasmasse
erzeugt wird. Diese Reflexion kann bei Einzelscheiben ebenso wie
bei übereinander liegenden Doppelscheiben erreicht werden.
Speziell wird sie jeweils an einer nicht lichtdurchlässigen
Bedruckung der Glasscheiben in deren Randbereich bewirkt.
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Eine
solche opake Bedruckung ist bei üblichen Fahrzeug-Glasscheiben
ohnehin vorgesehen, wobei sie in einer Verbundscheibe entweder auf
der im Einbauzustand inneren Seite (auch Seite 4 genannt)
oder auf der im Verbundinneren liegenden Hauptfläche der äußeren
Scheibe (Seite 2) angeordnet ist (siehe 1).
Die Bedruckung wird in den meisten Fällen durch Aufdrucken
und Einbrennen einer gefärbten Siebdruckpaste hergestellt.
Sie dient dem optischen Kaschieren eines randseitigen Klebestrangs
und dessen Schutz gegen UV-Einstrahlung mit Versprödungswirkung.
In Verbundscheiben mit elektrischen Einbauteilen (Heizung, Antenne,
Sensoren) werden unter dieser Bedruckung auch elektrische Zuleitungen
(„Sammelleiter”, „busbars”)
optisch kaschiert. Die im Zusammenhang mit der Erfindung stehende,
an sich bekannte Messtechnik macht sich das Vorhandensein dieser
Bedruckung als dunklen, zumindest teilweise reflektierenden Hintergrund
zunutze. Es wird von Vorteil sein, auch den weiteren Hintergrund
im transparenten Messbereich der zu untersuchenden Verbundglasscheiben
dunkel und kontrastarm zu halten.
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In
diesen Fällen sollten natürlich auch alle Auflagen,
auf denen die zu untersuchende Glasscheibe ruht, verdeckt sein,
und vorzugsweise randnah unter der opaken Bedruckung liegen.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus
der Zeichnung eines Ausführungsbeispiels im Umfeld einer
Biegevorrichtung und deren sich im folgenden anschließender
eingehender Beschreibung hervor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10257972
B3 [0005]
- - EP 0524092 B2 [0024]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - http://www.viseng.com/products/index.html [0008]
- - http://www.glassphotonics.com/products/quality_control/edge_master/applications.html,
Stand April 2008 [0008]
- - http://www.glassphotonics.com/applications/automotive/wind_edge_stress.html [0010]
- - http://www.glassphotonics.com/applications/automotive/sidelite_backlite_es.html,
ebenfalls Stand April 2008 [0010]