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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Umformung eines Flachglases in ein eine Basisfläche umfassendes und mit einer Anzahl von zur Bildung von von einem Benutzer ertastbaren Oberflächenstrukturelementen vorgesehenen Ausformungen versehenes Glasbauteil. Sie betrifft weiter ein Umformwerkzeug zur Verwendung in einem derartigen Verfahren.
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Flächige Bedienelemente, wie beispielsweise Touchscreens oder Touchpads, finden als Mittel zur Eingabe von Benutzerinstruktionen zunehmend Anwendung in Kraftfahrzeugen, beispielsweise zur Steuerung von Navigations- und Entertainmentsystemen und dergleichen. Derartige Touch-Bedienelemente können beispielsweise als einfache, lineare Touch-Bedienelemente, so genannte „Touch-Slider“ ausgestaltet sein, die in einer prinzipiell beliebigen Form angeordnet sein können, beispielsweise als gerade oder bogenförmige Linie. Bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug kann dadurch beispielsweise eine Bedienung in einer vorgegebene Stellrichtung implementiert werden. Darüber hinaus können derartige Touch-Bedienelemente aber auch als flächige Bedienelemente ausgeführt sein, die beispielsweise verwendet werden, um einen Eingabezeiger einer optischen Eingabevorrichtung in zwei Achsenrichtungen zu steuern. Derartige, zur Verwendung im Cockpit eines Kraftfahrzeugs vorgesehene Touch-Bedienelemente sind beispielsweise aus der
DE 10 2012 020 570 B4 und aus der
DE 10 2016 122 972 A1 bekannt.
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Die bekannten Touch-Bedienelemente sind unter Rückgriff auf an sich bekannte Touchscreens oder Touch-Panels üblicherweise als flächige Bedienelemente mit planer, „geradliniger“ Oberfläche ausgeführt. Bei der Gestaltung moderner Kraftfahrzeug-Cockpits oder - Innenräume besteht jedoch sowohl aus gestalterischen oder designerischen Gründen als auch aus funktionalen Gründen, nämlich im Sinne einer Bereitstellung von für den Benutzer haptisch erfassbarer Konturen, zunehmend der Wunsch, derartige Anzeige- und/oder Bedienelemente als klein- oder großflächig konturierte Elemente auszuführen, die sich beispielsweise von ihrer Formgebung her harmonisch in die Formen- und Funktionensprache der Innenraumgestaltung des Fahrzeugs insgesamt einpassen lassen oder die von ihrer Formgebung her die dem Nutzer bekannten Raumformen, beispielsweise eines Drehreglers, aufgreifen und diesen wiedererkennbar machen. Aus ebendiesen Gründen ist zudem die Verwendung von Glas als Oberflächenmaterial für derartige Anzeige- und/oder Bedienelemente wünschenswert, unter anderem da auf diese Weise ein für den Benutzer besonders hochwertiger Gesamteindruck der Innenraumausstattung des Fahrzeugs erreichbar ist.
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Bei der Verwendung von Glas als Oberflächenmaterial für derartige, konturierte Anzeige- und/oder Bedienelemente ist jedoch zu berücksichtigen, dass Glas hinsichtlich der Formgebung oder Konturierung materialbedingt einigen Randbedingungen unterworfen ist. Insbesondere kann Glas zwar durch bestimmte Press- oder Gießverfahren in nahezu jede beliebige Form gebracht werden. Kalknatronglas muss hierzu jedoch auf Temperaturen weit oberhalb von 800°C erhitzt werden, und das Presswerkzeug bestimmt die Oberflächenqualität des Bauteils. Solche Pressverfahren kommen jedoch für größere Bauteile kaum in Frage. Darüber hinaus ist gerade für die Verwendung als wiederholtem oder häufigem Zugriff ausgesetztes Bedienelement eine hohe mechanische Stabilität und Belastbarkeit von besonderer Bedeutung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines insbesondere als Anzeige- und/oder Bedienelement im Innenraum eines Kraftfahrzeugs geeigneten Glasbauteils durch Umformung eines Flachglaselements anzugeben, mit dem auf besonders einfache und zuverlässige Weise auch bei vergleichsweise komplex konfigurierten Strukturelementen eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit des Glasbauteils oder Formteils erreichbar ist. Des Weiteren soll ein zur Verwendung in einem solchen Verfahren besonders geeignetes Umformwerkzeug angegeben werden.
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Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem dem das Flachglas in einem Umformwerkzeug materialerweichend erwärmt wird und vor oder während der dadurch eintretenden Umformung auf einer Anzahl von den vorgesehenen Ausformungen entsprechenden Formstempeln zu liegen kommt, wobei das Glasmaterial zur Bildung der Basisfläche zwischen den Formstempeln die Kontur des Bodens des Umformwerkzeugs einnimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren grenzt sich somit gezielt ab von bislang in einem solchen Zusammenhang üblichen Verfahren, insbesondere Tiefzieh-Verfahren, bei denen Umformwerkzeuge mit in den Auflageboden eingebrachten, den vorgesehenen Strukturelementen entsprechenden Mulden oder Vertiefungen verwendet werden. Bei solchen bekannten Verfahren wird das Flachglas zur Umformung auf den Bodenbereich eines derartigen Umformwerkzeugs aufgelegt. Nach der Erhitzung und der damit erzielten Materialerweichung kann das Glas dann in die Vertiefungen oder Mulden einfließen und nach dem Abkühlen und Aushärten die gewünschte Struktur oder Raumform an der Oberfläche ausbilden.
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Wie sich jedoch überraschenderweise herausgestellt hat, weisen die auf diese Weise hergestellten Strukturen gerade im Bereich ihrer Seitenwände eine vergleichsweise unerwartet geringe Wandstärke auf, so dass von erhöhter Bruchgefahr ausgegangen werden muss. Dies ist insbesondere dann bedeutsam, wenn die an die Basisfläche angeformten Strukturelemente nicht nur dekorative oder ästhetische Funktion haben, sondern auch funktional, d. h. als Bedienelement benutzt werden sollen. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn solche Strukturelemente in der Art von Drehreglern ausgestaltet werden sollen. Der mit einer solchen vorgesehenen Nutzung einhergehende vermehrte physische Kontakt mit dem Strukturelement, beispielsweise in Folge von Berührung bei einem Touch-Element, erfordert eigentlich eine erhöhte Bruchfestigkeit, um die gewünschte Langlebigkeit des Glasbauteils zu gewährleisten.
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Um dem Rechnung zu tragen, ist das Verfahren gezielt dafür ausgelegt, bei der Umformung des Glases auch in den Wandbereichen der angeformten Strukturelemente eine vergleichsweise hohe Wandstärke zu erzeugen, die die gewünschte hohe mechanische Stabilität bedingt. Wie sich völlig überraschend herausgestellt hat, ist eine solche erhöhte Wandstärke erreichbar, indem in der Art eines „inversen Umformprozesses“ das Umformwerkzeug anstatt mit an den Positionen der vorgesehenen Strukturelemente angeordneten Vertiefungen oder Mulden mit dort angeordneten Profilstempeln versehen wird, auf die das Flachglas vor der Umformung aufgelegt werden kann, oder auf denen es bei einsetzender Materialerweichung und damit einhergehender Umformung zu liegen kommt. Beim weiteren Umformen kann das erweichte Glas dann zwischen den Profilstempeln absinken und dort die Kontur des Bodens des Umformwerkzeugs einnehmen.
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Wie sich völlig überraschend herausgestellt hat, kann auf diese Weise die angestrebte Herstellung ausreichend dicker Wandstärken im Bereich der Seitenwände der Strukturelemente besonders begünstigt werden. Dazu wird vorteilhafterweise während der Umformung des Glasmaterials ein Material-Querfluss hin zu den Seitenflanken der Formstempel erzeugt. Damit kann eine Anreicherung des Materials in diesen Bereichen erreicht werden, die unmittelbar die angestrebte Verstärkung der Seitenwände begünstigt.
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Ein solcher Material-Querfluss kann insbesondere durch die Einstellung geeigneter Temperaturprofile im Umformwerkzeug eingestellt und begünstigt werden. Dabei wird die Erkenntnis genutzt, dass das erweichte, fließende Glasmaterial beim (Erst-) Kontakt mit den Formstempeln lokal gekühlt oder zumindest im Vergleich zum Rest des Glases geringer erwärmt wird, so dass die Fließfähigkeit des Materials im planen oder vorderen Bereich der Ausformungen bzw. der von diesen gebildeten Strukturelemente im Vergleich zum restlichen Glasmaterial verringert wird. Damit stellt sich ein relativ vermehrter Fließeffekt aus den vergleichsweise wärmeren oder heißeren Bereichen der Basisfläche ein, und der erwünschte Material-Querfluss entsteht. In ganz besonders vorteilhafter Weiterbildung wird dabei während der Umformung des Glasmaterials das Umformwerkzeug im Bereich seiner Formstempel weniger beheizt als in den Bodenbereichen dazwischen.
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In alternativer oder zusätzlicher vorteilhafter Weiterbildung kann dieser Effekt besonders wirksam genutzt werden, indem das Umformwerkzeug im Bereich der Seitenwände oder Seitenflanken der Ausformungen selektiv und bedarfsgerecht gekühlt wird. Damit kann die Fließfähigkeit des Materials gerade in diesen Bereichen gezielt herabgesetzt werden, so dass ein Materialabfluss besonders gering gehalten werden kann.
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Bezüglich des Umformwerkzeugs zur Verwendung in einem Verfahren der vorgenannten Art wird die genannte Aufgabe gelöst mit einem Werkzeugboden, an den eine Anzahl von sich erhebenden Formstempeln angeformt sind. Das Umformwerkzeug ist somit in der Art einer „invertierten Ausführung“ dafür ausgelegt, dass beim Umformen des Glaselements dieses zunächst auf die oberen Flächen der Formstempel aufgelegt und anschließend nach der Materialerweichung vollflächig „in die Form“ zum Werkzeugboden hin zwischen die Formstempel gezogen wird.
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Um bei einer solchen Anordnung auf besonders zuverlässige Weise eine besonders hohe Wandstärke im Bereich der Seitenflächen der Strukturelemente sicherzustellen, ist das Umformwerkzeug in vorteilhafter Ausgestaltung dafür ausgelegt, im zu bearbeitenden Glas einen Querfluss zu den Formstempeln hin zu erzeugen, so dass sich das Material im dortigen Bereich sammelt und damit zu höheren Materialstärke führt. Dazu ist vorteilhafterweise der Werkzeugboden des Umformwerkzeugs beheizbar, vorzugsweise segmentweise unabhängig beheizbar, ausgeführt.
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Um diesen Material-Querfluss noch weiter zu begünstigen, ist in zusätzlicher oder alternativer vorteilhafter Weiterbildung der Werkzeugboden des Umformwerkzeugs zumindest abschnittsweise reibungsarm ausgeführt, beispielsweise mit besonders glatter oder polierter Oberfläche, und/oder mit einer reibungsmindernden Beschichtung, vorzugsweise aus Graphit oder Bornitrid, versehen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ausführung des Umformwerkzeugs als „invertiertes Werkzeug“ und durch die Ausgestaltung des Umformverfahrens dahingehend, dass das Flachglas beim Umformen zuerst mit den Formstempeln in Kontakt kommt, so dass das Glasmaterial zur Bildung der Basisfläche zwischen den Formstempeln die Kontur des Bodens des Umformwerkzeugs einnimmt, auf besonders einfache und zuverlässige Weise besonders große Wandstärken an den Seitenwänden der Strukturelemente erreichbar sind. Das geformte Glasbauteil weist dadurch auch bei vergleichsweise komplexen Oberflächen-Strukturelementen und auch für direkt als Bedienelemente, beispielsweise als Drehsteller, vorgesehene Strukturelemente eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit und Bruchfestigkeit auf.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 ein Umformwerkzeug bekannter Bauweise in perspektivischer Ansicht,
- 2 ein erfindungsgemäßes Umformwerkzeug in perspektivischer Ansicht,
- 3 ausschnittsweise ein geformtes Glasbauteil im Schnitt,
- 4 ein auf ein Umformwerkzeug gem. 2 aufgelegtes Glaselement vor der Umformung ausschnittsweise im Schnitt, und
- 5 ein auf ein Umformwerkzeug gem. 2 aufgelegtes Glaselement nach der Umformung ausschnittsweise im Schnitt.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Das an sich bekannte Umformwerkzeug 1 gem. 1 und das nunmehr erfindungsgemäße Umformwerkzeug 10, in 2 gemeinsam mit einem geformten Glasbauteil 12 gezeigt, dienen jeweils zur Umformung eines als Ausgangs- oder Zwischenprodukt bereitgestellten Flachglases in ein geformtes, an einen spezifischen Einsatzzweck angepasstes Glasbauteil 12. Das Ausgangsprodukt wird dabei vorliegend als „Flachglas“ bezeichnet, da es sich um ein flächig ausgedehntes Glaselement handelt. Dieses kann „flach“ im Sinne von eben, aber auch gekrümmt oder mit einer Vorkrümmung versehen ausgeführt sein. Das geformte Glasbauteil 12, das durch geeignete Umformung aus dem Flachglas hergestellt werden soll, ist im Ausführungsbeispiel zur Verwendung als Touch-Bedienelement in einem modernen Kraftfahrzeug-Cockpit vorgesehen und soll aus diesem Grund, insbesondere zur Bereitstellung von für den Benutzer haptisch erfassbarer Konturen, als konturiertes Glasbauteil 12 mit einer Basisfläche 14 ausgestaltet sein, an die eine Anzahl von zur Bildung von von einem Benutzer ertastbaren Oberflächenstrukturelementen vorgesehenen Ausformungen 16 angeformt sind. Im Ausführungsbeispiel ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Glasbauteils 12 gezeigt, in der die Ausformungen 16 für den Benutzer die Anmutung und Funktionalität von Drehreglern oder Drehstellern wahrnehmen sollen; dementsprechend sind vorliegend die Ausformungen 16 in der Art von Zylinderscheiben mit im Wesentlichem runden Querschnitt ausgeführt. Selbstverständlich kann das geformte und konturierte Glasbauteil 12 aber auch für andere Einsatzzwecke ausgelegt und konzipiert sein und daran angepasst mit anderen Oberflächenstrukturelementen ausgerüstet sein.
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Zur Herstellung des Glasbauteils 12 durch Umformung des Flachglaselements sind die in den 1, 2 dargestellten Umformwerkzeuge 1, 10 vorgesehen. Das an sich bekannte Umformwerkzeug 1 gemäß 1 ist dabei zur Durchführung eines in diesem Zusammenhang üblichen Tiefzieh-Verfahrens ausgelegt. Dazu umfasst das Umformwerkzeug 1 eine Anzahl von in seinen Auflageboden 2 eingebrachten, den vorgesehenen Strukturelementen entsprechenden Mulden oder Vertiefungen 4. Zur Umformung wird dabei das Flachglas auf den Auflageboden 2 des Umformwerkzeugs 1 aufgelegt. Anschließend erfolgt eine Erhitzung auf Temperaturen oberhalb der Materialerweichung, so dass das Glasmaterial zu fließen beginnt. Das Glas kann somit in die Vertiefungen 4 oder Mulden einfließen und nach dem Abkühlen und Aushärten die gewünschte Struktur oder Raumform an der Oberfläche ausbilden.
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Im Vergleich dazu ist das in 2 dargestellte erfindungsgemäße Umformwerkzeug 10 in der Art eines „inversen“ Formwerkzeugs ausgeführt. Es umfasst einen Werkzeugboden 20, an den eine Anzahl von sich erhebenden Formstempeln 22 angeformt sind. Anzahl, Positionierung und Formgebung der Formstempel 22 sind dabei angepasst an die für das Glasbauteil 12 vorgesehenen Ausformungen 16 geeignet gewählt. Im Werkzeugboden 20, insbesondere zwischen den Formstempeln 22, sind zudem eine Anzahl von Saug- oder Vakuumkanälen 24 integriert angeordnet, die ihrerseits mit einem nicht näher dargestellten Saug- oder Vakuumsystem verbunden sind. Bei dieser als erfinderisch angesehenen Ausführung des Umformwerkzeugs 10 erfolgt die Umformung des Flachglases in das Glasbauteil 12, indem das Flachglas zunächst auf die plattformartigen Oberseiten 26 der Formstempel 22 und/oder auf einen umlaufenden Stützrand aufgelegt und anschließend materialerweichend erwärmt wird. Dabei wird insbesondere sichergestellt, dass das Flachglas im Zusammenhang mit der Umformung zuerst auf den plattformartigen Oberseiten 26 der Formstempel 22 zu liegen kommt, so dass es in diesen Bereichen im Vergleich zum restlichen Glasmaterial mehr oder weniger abgekühlt wird und sich seine Fließfähigkeit entsprechend verringert. Beim weiteren Umformen nimmt das Glasmaterial zur Bildung der Basisfläche 14 zwischen den Formstempeln 22 die Kontur des Werkzeugbodens 20 des Umformwerkzeugs 10 ein. Unterstützend hierfür wird über die Vakuumkanäle 24 bedarfsgerecht ein Saugvakuum zwischen dem Werkzeugboden 20 und der Glasmasse eingestellt, das das Anschmiegen der Glasmasse an die Oberfläche des Werkzeugbodens 20 noch weiter begünstigt.
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Das bei der Umformung entstehende Glasbauteil 12 ist ausschnittsweise im Querschnitt in 3 gezeigt. Die Basisfläche 14 ist dabei im Bereich der jeweiligen Ausformung 16 über deren jeweilige Seitenwand 28 mit der jeweiligen Frontplatte 30 verbunden. Wie sich völlig überraschend herausgestellt hat, ist durch das erfindungsgemäße Konzept der „inversen Umformung“ mittels des Umformwerkzeugs 10 mit vergleichsweise einfachen Mitteln und dennoch besonders zuverlässig erreichbar, dass die entstehenden Seitenwände 28 der Ausformungen 16 eine vergleichsweise große Wandstärke d und damit eine vergleichsweise hohe mechanische Belastbarkeit und Bruchfestigkeit aufweisen.
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Noch weiter verstärkt wird diese angestrebte Erhöhung der Belastbarkeit und Bruchfestigkeit des Glasbauteils 12 auch im Bereich der Ausformungen 16 durch Einstellung einer vergleichsweise großen Wandstärke d der Seitenwände 28, indem in als eigenständig erfinderisch angesehener Ausgestaltung während der Umformung des Glasmaterials ein Material-Querfluss hin zu den Seitenflanken 32 der Formstempel 22 erzeugt wird. Damit wird das Glasmaterial gezielt in diesen Bereichen angereichert, was unmittelbar in einer Zunahme der Dicke oder Wandstärke d der in diesen Bereichen entstehenden Seitenwände 28 resultiert.
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Zur Herstellung oder Begünstigung dieses Material-Querflusses ist das Umformwerkzeug 10 zum einen im Bereich seines Werkzeugbodens 20 lokal und segmentweise unabhängig beheizbar ausgeführt. Dazu sind am Werkzeugboden 20 individuell ansteuerbare Heiz- oder Kühlelemente 34 angeordnet. Durch diese kann beim Umformen im Werkzeugboden 20 und an den Formstempeln 22 ein geeignetes Temperaturprofil, insbesondere ein geeigneter Temperaturgradient, eingestellt werden, der mittels geeigneter Veränderung der Viskosität oder Fließfähigkeit im zu bearbeitenden Glasmaterial eine Anreicherung des Materials im Bereich der Formstempel 22 - und damit eben den erwünschten Material-Querfluss - begünstigt. Zum anderen ist der Werkzeugboden 20 aber auch mit einer reibungsmindernden Beschichtung 36 versehen, die ebenfalls die Fließfähigkeit des Glasmaterials in Querrichtung noch weiter erhöht.
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In 4 ist im ausschnittsweisen Querschnitt das auf die plattformartigen Oberseiten 26 der Formstempel 22 aufgelegte Flachglas vor seiner Umformung gezeigt. 5 hingegen zeigt - ebenfalls ausschnittsweise im Querschnitt - das in das Glasbauteil 12 umgeformte Flachglas. Der Material-Querfluss zu den Formstempeln 22 hin ist dabei durch die Pfeile Q symbolisiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umformwerkzeug
- 2
- Auflageboden
- 4
- Vertiefung
- 10
- Umformwerkzeug
- 12
- Glasbauteil
- 14
- Basisfläche
- 16
- Ausformung
- 20
- Werkzeugboden
- 22
- Formstempel
- 24
- Vakuumkanal
- 26
- Oberseite
- 28
- Seitenwand
- 30
- Frontplatte
- 32
- Seitenflanke
- 34
- Heiz- oder Kühlelement
- 36
- Beschichtung
- d
- Wandstärke
- Q
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020570 B4 [0002]
- DE 102016122972 A1 [0002]
