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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Brechen von geschlossenen Freiformkonturen, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik.
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Das Schneiden von Glas ist eine weit verbreitete Technik. Klassische Trennverfahren für Glas basieren darauf, mittels eines Diamanten oder eines Schneidrädchens mechanisch zunächst eine Ritzspur im Glas zu generieren, um das Glas anschließend durch eine äußere mechanische Kraft entlang der so erzeugten Schwachstelle zu brechen (Ritzen-Brechen-Methode).
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Bei modernen Trennverfahren zur Erzeugung von hochwertigen Glasteilen mit präzisen Abmessungen und hoher Oberflächen- bzw. Haubenqualität basiert die Erzeugung des Ritzes auf dem Einbringen von thermisch generierten mechanischen Spannungen im Glas. Hierbei wird der Strahl einer Wärmequelle, der auf das Glas gerichtet ist, mit fester Geschwindigkeit relativ zu dem Glas bewegt und so eine derart hohe thermomechanische Spannung erzeugt, dass das Glas Risse bildet. Diese thermomechanische Spannung wird durch einen dem Wärmestrahl nachlaufenden Kühlspot noch verstärkt. Der notwendigen Eigenschaft der Wärmequelle, die thermische Energie lokal, d. h. mit einer Genauigkeit besser einem Millimeter, was den typischen Schnittgenauigkeiten entspricht, positionieren zu können, genügen Infrarotstrahler, spezielle Gasbrenner und insbesondere Laser. Laser haben sich wegen ihrer guten Fokussierbarkeit, guten Steuerbarkeit der Leistung sowie der Möglichkeit der Strahlformung und damit der Intensitätsverteilung auf Glas bewährt und durchgesetzt. Dabei wird in bestimmten Fällen das Glas durch den Laserstrahl mit Startritz zunächst geritzt, um es anschließend mechanisch zu brechen (Ritzen-Brechen-Methode).
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Dieses Laserstrahl-Trennverfahren, das durch eine lokale Erwärmung durch den fokussierten Laserstrahl in Verbindung mit einer Kühlung von außen eine thermomechanische Spannung bis über die Bruchfestigkeit des sprödbrüchigen Werkstoffes induziert, ist durch zahlreiche Schriften bekannt geworden, beispielsweise durch die
EP 0 872 303 A2 , die
DE 693 04 194 T2 und die
DE 43 05 107 C2 .
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Während die Erzeugung gerader Schnitte verhältnismäßig einfach ist, ist die Erzeugung von Freiformschnitten oder Konturschnitten aus einer Glasscheibe, insbesondere von in sich geschlossenen Konturen wie Kreisen, Ellipsen oder Verglasungen für Kraftfahrzeuge, Rückspiegel usw. deutlich schwieriger.
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Das mechanische Herausbrechen der durch den Freiformschnitt gebildeten Körper bedarf einer besonderen Verfahrensführung. Da sich um den Freiformschnitt herum ein Rand aus nicht benötigtem (Abfall-)Glas befindet, werden in diesen Rand sogenannte Entlastungsschnitte vorgenommen, um den Freiformkörper ohne Beschädigung seiner Kanten von dem Rand trennen zu können.
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In den meisten Anwendungen werden die geritzten Freiformkonturen mittels einer sogenannten Brechrolle gebrochen. Hierzu liegt das Glas auf einer weichen Unterlage mit dem Riss nach unten. Eine Rolle, ähnlich einer Nahtrolle zum Tapezieren fährt nun auf der nicht geritzten Seite des Glases die Kontur ab. Die mit der Rolle eingebrachte mechanische Spannung öffnet somit den Riss, und das Glas ist über die gesamte Dicke gebrochen. Entlastungsschnitte ermöglichen anschließend das Entnehmen des gebrochenen Werkstückes. Häufig kommt es aber bei dieser Brechart zu Abplatzungen entlang der Schnittkante. Außerdem ist der Aufsetzpunkt der Brechrolle (Startpunkt) in der Bruchkante immer ersichtlich. Es bilden sich hierbei meistens kleine Brechnasen, welche nur durch ein anschließendes Schleifen zu eliminieren sind.
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Bessere Ergebnisse erzielt man mit einem in
JP 05 330838 A beschriebenen Verfahren. Hier besteht die Brechschablone aus einer geschlossenen rohrförmigen Kunststoff-Struktur, die auf die dem geschlossenen Konturschnitt abgewandten Seite einer Glasscheibe aufgesetzt wird, während auf der dem Konturschnitt zugewandten Seite ein unterer breiter ebenfalls geschlossener elastischer Kunststoff-Ring, der wie die Brechschablone dem Konturschnitt in seiner Form folgt, angeordnet ist. Der Kunststoffring besteht aus elastischem, insbesondere acrylischem Material und hat ein spezielles, in Richtung auf den zu erzeugenden Freiform-Körper hin sich verjüngendes Profil, so dass das Herausbrechen des Freiformkörpers und das Brechender Entlastungsschnitte nacheinander erfolgen können. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass für jede zu erzeugende Freiform ein entsprechend angepasster unterer Kunststoffring mit dem speziellen Oberflächenprofil erforderlich ist, was einen ganz erheblichen technischen Aufwand bedeutet. Ein demgegenüber verbessertes Verfahren ist aus
DE 103 58 872 A1 bekannt, bei dem die zu brechende Glasplatte auf einer weichen Unterlage liegt und das Brechen mittels eines der Kontur entsprechenden, sich in einer Nut der metallischen Brechschablone befindlichen elastischen Materials erfolgt. Hier kann auf die speziell geformte Unterlage verzichtet werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein verhältnismäßig einfach durchzuführendes Verfahren zu finden, mit dem sich geschlossene Freiformen aus sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik, brechen lassen und mit dem sich Freiform-Körper mit qualitativ hochwertigen Kanten herstellen lassen, die weder Nasen noch Abplatzungen besitzen.
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Diese Aufgabe wird durch das in den Patentansprüchen beschriebene Verfahren gelöst.
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Das Verfahren besteht aus verschiedenen Maßnahmen, die in Kombination miteinander das gewünschte Ergebnis bringen.
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Zunächst wird die gewünschte geschlossene Freiform mittels eines der zahlreichen bekannten Laserstrahl-Ritzverfahren, wie in der Einleitung erwähnt, in das sprödbrüchige Material, insbesondere eine Glas- oder Glaskeramikplatte, eingeritzt. Ferner werden die sogenannten Entlastungsritze, mit Hilfe derer die spätere Abtrennung des um den Freiformkörper herum befindlichen Randes auf (Abfall-)Glas ohne Beschädigung der Konten des Freiformkörpers möglich ist, geritzt. Diese Entlastungsritze können vor, während und nach der Anfertigung des Freiformritzes erzeugt werden. Sie können mittels eines Laserstrahls, aber auch mittels eines herkömmlichen Ritzrädchens, bevorzugt aber mittels eines Penett
®-Rädchens erzeugt werden. Ein Penett
®-Rädchen ist ein Schneidrädchen, dessen Schneide in bestimmten Abständen mit Vertiefungen versehen ist. Mit einem Penett
®-Rädchen lassen sich deutlich tiefere Risse in dem Glassubstrat erzeugen als mit einem konventionellen Schneidrädchen. Penett
®-Rädchen sind dem Fachmann wohlbekannt und auch ausführlich in
US 5 836 229 A beschrieben. Die Entlastungsschnitte laufen von der Freiformkontur aus gesehen nach außen und beginnen, wie in der Technik des Freiformschneidens üblich, etwa 2 bis 10 mm, insbesondere 4 bis 6 mm außerhalb der Freiformkontur. Wesentlich für ein gutes Ergebnis hinsichtlich der Kantenqualität des Freiformkörpers ist, dass die Entlastungsschnitte alle die gleiche Länge besitzen. Nur dann brechen sie gleichzeitig ohne Verletzung der Kante des Freiformkörpers. Längendifferenzen der Entlastungsschnitte von maximal 20 Prozent untereinander können noch toleriert werden. Bevorzugt wird jedoch, wenn die Längendifferenzen maximal 10 Prozent, insbesondere maximal 1 Prozent betragen. Die Entlastungsschnitte sind auf dem Glas-Rohling so anzuordnen, dass diese Bedingung erfüllt ist. Die Zahl der Entlastungsschnitte wird in an sich bekannter Weise entsprechend der Form und Kontur des Glas-Rohlings gewählt. Üblich sind 2 bis 10 Entlastungsschnitte. In der Regel werden 3 bis 6 Schnitte benutzt.
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Nach dem Ritzen wird das sprödbrüchige Material mit der geritzten Seite auf einen Brechtisch gelegt. Der Brechtisch ist mit einem elastischen Material bezogen, das eine Härte von 30 bis 100, bevorzugt 60 bis 90 Shore A besitzt. Bevorzugt soll das elastische Material eine Rückprallelastizität von 40 bis 60 gemäß DIN 53513 besitzen. Das elastische Material ist bevorzugt mit Öffnungen versehen, um durch Anlegen eines Unterdrucks den Glasrohling auf dem Schneidtisch fixieren zu können. Zur Schonung des elastischen Materials ist es von Vorteil, wenn zwischen dem Glasrohling und dem elastischen Material eine luftdurchlässige Gleitfolie, z. B. aus einem Fluorpolymeren oder aus Glasfasergewebe, angeordnet wird, weil das den Verschleiß des elastischen Materials deutlich verringert. Die Gleitfolie kommt in Stärken von 0,05 bis 3 mm, insbesondere 0,3 bis 1 mm zur Anwendung. Das elastische Material hat eine Stärke von mindestens 0,5 mm, bevorzugt wird eine Stärke von 1 bis 6 mm.
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Auf die auf dem Brechtisch liegende geritzte Glasscheibe wird nunmehr die Brechschablone mit ihrer geschlossenen Kontur so aufgelegt, dass die Kontur deckungsgleich zu der geritzten Freiform Ist, wobei zwischen Glasscheibe und der Freiformkontur eine elastische Zwischenschicht angeordnet wird.
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Die Freiformkontur besteht aus Metall und besitzt an der Berührungsstelle zum Glas eine Breite von 0,1 bis 3 mm, bevorzugt von 0,5 bis 1,5 mm. Die Freiformkontur steht von der sie tragenden Fläche aus mindestens 0,5 mm, insbesondere 1 bis 5 mm hervor. Die Freiformkontur wird am einfachsten hergestellt durch Fräsen aus einer Metallplatte, wobei das Metall der Platte derart abgefräst wird, dass die gewünschte Freiformkontur in gewünschter Breite und Höhe aus der Metallplatte hervorragt. Die Kontur kann aber auch erzeugt werden, indem eine Nut in die Metallplatte gefräst wird, in der dann ein entsprechend aus der Platte herausragender Steg befestigt wird oder indem man einen entsprechenden Steg auf der Platte befestigt, z. B. durch Kleben, Löten, Schweißen oder dergleichen. Der Querschnitt der Kontur kann rechteckig sein, aber auch spitzzulaufend oder abgerundet. Wenn die Kontur aus dem Vollen gefräst wird, wird in der Regel aus fertigungstechnischen Gründen ein rechteckiger Querschnitt erzeugt. Als Material für Platte und Steg eignen sich insbesondere leicht bearbeitbare und preiswerte Metalle, so z. B. Aluminium oder Weicheisen. Auch Kupfer und Messing sind trotz ihres höheren Preises bevorzugte Metalle.
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Zwischen der Freiformkontur und der Glasplatte wird noch eine elastische Zwischenschicht in Form einer Matte angeordnet. Diese elastische Zwischenschicht kann eine Stärke von bis zu 8 mm besitzen. Bevorzugt besteht sie aus einer Folie mit einer Stärke von 0,1 bis 4 mm, insbesondere 1 bis 3 mm. Die Folie soll eine Härte von 30 bis 100 Shore A, insbesondere 60 bis 90 Shore A besitzen. Als Material sowohl für die elastische Zwischenschicht als auch für die elastische Unterlage eignet sich Gummi, z. B. Butadien-(Co-)-Polymerisate oder insbesondere Polyurethangummi.
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Durch Ausüben einer vorgegebenen Kraft auf die Brechschablone wird der Freiformkörper entlang seiner Ritzlinie aus dem Glasrohling herausgebrochen. Die Brechschablone wird in an sich bekannter Weise so positioniert, dass ihre hervorstehende Kontur parallel zu dem Glasrohling ist, damit die gesamte Ritzlinie gleichzeitig mit Druck beaufschlagt wird.
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Anschließend wird der überstehende Rand des Glasrohlings durch Brechen der Entlastungsschnitte entfernt. Das Brechen der Entlastungsschnitte erfolgt in einem Arbeitsgang mit dem Brechen der Freiformritzlinie. Zu diesem Zweck wird die Brechschablone im Bereich über den Entlastungsschnitten mit jeweils wenigstens einem Druckpunkt versehen. Dieser Druckpunkt übt eine Kraft auf die Entlastungsschnitte aus, die zum Bruch des Glases entlang der Entlastungsschnitte führt. Ein Druckpunkt besteht aus einer Erhöhung auf der Brechschablone. Da das Brechen der Entlastungsschnitte zeitlich nach dem Brechen der Freiformritzlinie erfolgen muss, wird der Druckpunkt so ausgeführt, dass er eine geringfügig geringere Höhe hat als der Steg der Freiformkontur, mit der die Freiformritzlinie gebrochen wird. Dadurch wird erreicht, dass erst nach dem Brechen der Freiformritzlinie durch weiteres Absenken der Brechschablone ein Druck auf den Entlastungsschnitt ausgeübt wird, der zum Brechen eines Entlastungsschnittes führt. Druckpunkte können aus Stegen mit Breiten, wie sie auch zum Brechen des Freiformritzes benutzt werden, bestehen und die ganze Länge eines Entlastungsschnittes oder auch nur einen Teil dieser Länge überdecken. Bevorzugt ist ein Druckpunkt mit einem Durchmesser von 0,1 bis 3 mm. Ein solcher Druckpunkt wird bevorzugt durch den Kopf einer Schraube, insbesondere einer Madenschraube gebildet. Die Verwendung einer Schraube hat den Vorteil, dass die Höhe des Druckpunktes sehr einfach durch Hinein- oder Herausdrehen der Schraube eingestellt wenden kann. Der Druckpunkt soll eine geringe oder keine Höhendifferenz zu der Höhe der Freiformkontur besitzen und zwar soll der Druckpunkt 0 bis 2 mm, bevorzugt 0 bis 1 mm, insbesondere 0,005 bis 1 mm gegenüber der Freiformkontur zurückstehen, wodurch eine Beaufschlagung der zu brechenden Enlastungsschnitte mit der Brechkraft später erfolgt als die Beaufschlagung der Freiformritzlinie mit der Brechkraft.
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In der Abbildung wird das Verfahren anhand von schematischen Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
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1 schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Brechen einer Flachglasplatte entlang einer geritzten geschlossenen Freiformkontur, anhand der das Verfahren kurz beschrieben wird. Diese Figur zeigt im oberen Teil eine Draufsicht-Darstellung auf das obere Teil der Vorrichtung mit Flachglasplatte aber ohne elastische Zwischenschicht und im unteren Teil eine schematisierte Schnittansicht der kompletten Vorrichtung mit Flachglasplatte. Gleiche Ziffern bedeuten gleiche Vorrichtungsteile
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2 eine geritzte Flachglasplatte mit Entlastungsschnitten gemäß dem Stand der Technik.
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Die Ausführungsform der Vorrichtung gemäß 1 zeigt die geritzte Flachglasplatte 1, die einen mittels eines Laserstrahls erzeugten Ritz 2 mit geschlossener ovaler Kontur besitzt. Weiterhin besitzt die Flachglasplatte 1 vier Entlastungsritze 3, die gleich lang sind, wovon der besseren Übersicht halber nur der linke und der obere beziffert sind. Die Flachglasplatte 1 liegt mit den Ritzen 2 und 3 nach unten auf einer Platte aus elastischem Material 4, das auf dem massiven Brechtisch 5 liegt. Die Brechschablone 6 ist mit der zu dem Ritz 2 deckungsgleichen ovalen metallischen Kontur 7 versehen, ferner mit Brechpunkten 8, 8' und 9. Zwischen der Brechschablone 6 und der Glasplatte 1 befindet sich noch die elastische Zwischenschicht 10 in Form einer Folie.
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Nach dem Auflegen der Brechschablone 6 auf die Glasplatte 1 wird auf die Brechschablone 6 die Kraft F aufgebracht. Zuerst übt die Kontur 7 durch die elastische Zwischenschicht hindurch einen Druck auf den ovalen Ritz 2 aus, der den Ritz 2 über die Glasdicke öffnet. Bei weiterer Erhöhung der Kraft F verformt sich die elastische Zwischenschicht werter, so dass die Brechpunkte 9, 8 und 8' eine Kraft auf die vier Entlastungsschnitte 3 ausüben, was zur Öffnung der Entlastungsschnitte über die gesamte Glasdicke führt. Nach Entfernen der Brechschablone 6 und der elastischen Zwischenschicht 10 können die vier Randteile (Abfall) und das an seinem Umfang gebrochene ovale Glasstück der Vorrichtung entnommen werden.
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In 2 ist zum Vergleich eine Glasscheibe 20 gemäß dem Stand der Technik mit einem kreisförmigen Ritz 21 und Entlastungsschnitten 22, 22', 22'', 22''' sowie 23, 23', 23'' und 23''' gezeigt. Durch die unterschiedlichen Längen der Entlastungsschnitte 22 bzw. 23 tritt am (Abfall-)Rand der Glasscheibe ein unterschiedliches Brechverhalten auf, das zu Qualitätsminderungen des Schnitts 21 führen kann.
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Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Freiformkonturen sind frei von Brechnasen und Abplatzungen und müssen somit nicht einem zusätzlichen Schleifprozess unterzogen werden. Falls die hergestellten Konturen (Scheiben) nicht maschinell weiterverarbeitet werden, kann es aus gewerbehygienischen Gründen erforderlich werden, die scharfen Bruchkanten der Konturen anzufasen, um evtl. Schnittverletzungen bei der manuellen Weiterverarbeitung zu vermeiden.
