DE102020215235A1

DE102020215235A1 - Verfahren zum Erzeugen von farbigen, 3-dimensionalen Strukturen in Glaselementen

Info

Publication number: DE102020215235A1
Application number: DE102020215235.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rainer
Original assignee: Hegla Boraident GmbH and Co KG
Current assignee: Hegla Boraident GmbH and Co KG
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-06-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von dauerhaften, farbigen, 3-dimensionalen Strukturen in Glaselementen, vorzugsweise zum Markieren von Glastafeln, vorzugsweise von Basisglastafeln, bevorzugt von Floatglastafeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von dauerhaften, farbigen, 3-dimensionalen Strukturen in Glaselementen, vorzugsweise zum Markieren von Glastafeln, vorzugsweise von Basisglastafeln, bevorzugt von Floatglastafeln.
Basisglastafeln stellen das Ausgangsmaterial bzw. Rohmaterial zur Herstellung von Funktionsgläsern bzw. Flachglasprodukten, z.B. von Einscheibensicherheitsglastafeln oder Verbundsicherheitsglastafeln oder von Isolierverglasungen, dar. Zudem handelt es sich bei Basisglastafeln um Flachglas. Als Flachglas wird jedes Glas in Form von Glastafeln bezeichnet, unabhängig vom angewandten Herstellungsverfahren, Dimension und Form und Veredelung. Bei Basisglastafeln handelt es sich somit um Glasrohtafeln.
Die Basisglastafeln bestehen zudem in der Regel aus silikatischem Glas.
Bei Floatglastafeln handelt es sich um Flachglas, welches im Floatprozess bzw. Floatglasverfahren, hergestellt wird. Beim Floatglasverfahren handelt es sich um ein endlos-kontinuierliches Herstellungsverfahren, bei dem eine flüssige Glasschmelze fortlaufend von einer Seite auf ein Bad aus flüssigem Zinn geleitet wird. Auf dem geschmolzenen Zinn „floatet“ die Glasmasse in Form eines endlosen, verzerrungsfreien Floatglasbands. Am Ende der Float-Wanne gelangt das Floatglasband in einen Kühlkanal und wird dort langsam bis auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Glasband wird zu Glasrohtafeln, z.B. der Größe 600 x 321 cm, geschnitten und dann zum Glasverarbeiter transportiert, welche daraus z.B. Isolierglastafeln, Einscheibensicherheitsglastafeln oder Verbundsicherheitsglastafeln herstellen.
Herkömmliches Floatglas weist aufgrund des Eisenoxidgehalts einen Grünstich auf. Der Eisengehalt bei herkömmlichem Floatglas liegt bei bis zu 0,3 M.-%. Dabei liegt das Eisenoxid unter anderem in Form von Fe₂O₃ und FeO vor. Entfärbtes Floatglas nennt man Weißglas. Dieses ist besonders eisenoxidarm und daher sehr klares Floatglas. Es weist einen Eisenoxidgehalt von < 0,02 M.-% auf.
Die Grünfärbung resultiert daraus, dass in technischen Gläsern, wie im Floatglas, stets sowohl Fe₂₊ (FeO) als auch Fe₃₊ (Fe₂O₃) vorhanden sind. Die zweiwertigen Eisenionen (Fe₂₊) färben das Glas blau, dreiwertige Eisenionen (Fe₃₊) dagegen gelb. Da sowohl Fe₂₊ als auch Fe₃₊ vorhanden sind, resultiert daraus die eisengrüne Farbe.
Zudem existiert auch farbiges Floatglas (Farbglas), welches beispielsweise durch die Zuführung von anderen Metalloxiden oder Metallen bei der Herstellung eine spezifische Eigenfarbe erhält (lonenfärbung). Farbiges Floatglas ist somit in der Masse durchgefärbt. Die Entstehung der Farbwirkung beruht auf der Interaktion der äußeren Elektronen mit elektromagnetischen Wellen. Dabei kann es zur Absorption bestimmter Wellenlängen und zur Emission anderer Wellenlängen kommen. Werden Wellenlängen des sichtbaren Lichtes absorbiert, entsteht eine Farbwirkung, da das übriggebliebene Wellenlängenspektrum kein weißes Licht mehr ergibt.
Das Floatglasverfahren wird seit den 1960er Jahren industriell angewandt und hat seitdem die meisten anderen Methoden zur Flachglasherstellung bzw. Herstellung von Glasrohtafeln weitgehend verdrängt.
Weitere Arten von Basisglas sind z.B. Ornamentglas oder Fourcaultglas.
Ornamentglas (auch Gussglas oder Stukturglas genannt) wird dadurch erzeugt, dass durch zwei Walzen ein Muster in die noch glühende Glasmasse eingraviert wird. Durch die Strukturwalzen entstehen Gläser mit ein- oder beidseitig, mehr oder weniger stark ornamentierter Oberfläche.
Das Fourcaultglasverfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von durchsichtigen Fenstergläsern im Ziehverfahren, bei dem die Glasschmelze über eine darin eingelassene, rechteckige Ziehdüse quillt und unmittelbar danach von Fangeisen seitlich gefasst und vertikal in die Höhe gezogen wird. Walzenpaare befördern die erstarrende Glasmasse durch einen vertikalen Kühlschacht.
Auf dem Fachgebiet ist es bekannt, die hergestellten Basisglastafeln, insbesondere die Floatglastafeln, mit einer Markierung zu versehen, welche spezifische Informationen bezüglich der Basisglastafel enthält. Z.B. enthält die Markierung Informationen über die Qualität der Basisglastafel, z.B. ob die Basisglastafel Glasfehler aufweist und wenn ja, an welcher Stelle. Bei Glasfehlern kann es sich z.B. um Blasen und/oder Partikeleinschlüsse, z.B. metallische Einschlüsse, oder Schlieren oder Risse handeln. Diese Informationen werden in einer Datenbank hinterlegt und vom Glasverarbeiter ausgelesen und ermöglichen es diesem, die Basisglastafel entsprechend zu verwerten, z.B. Schnitte so zu legen, dass die Glasfehler heraus geschnitten werden.
Denn für ihre spätere Verwendung müssen die hergestellten Glastafeln, insbesondere die Floatglastafeln, in der Regel zugeschnitten werden. Dazu werden insbesondere Glasrohtafeln in einzelne Glastafelzuschnitte zerteilt. Dies erfolgt in an sich bekannten Schneidanlagen entweder noch bei dem Basisglashersteller oder bei einem nachgeschalteten Glasverarbeiter. Nach dem Schneiden werden die Glastafelzuschnitte bzw. die geschnittenen Glastafeln 25 vorzugsweise in einer Weiterbearbeitungsanlage, beispielsweise einer Isolierglaslinie, einer Bearbeitungsanlage, z.B. einer Anlage zur Kantenbearbeitung, oder einer Tempervorrichtung, weiter bearbeitet.
Die Markierungen liegen beispielsweise als Zeichenfolge oder in Form von, insbesondere maschinenlesbaren, Codes, z.B. Data-Matrix-Codes (DCM), vor.
Nicht nur bei der Produktion, sondern auch bei der Verarbeitung der Glastafeln besteht dabei Bedarf zur Kennzeichnung. Die Kennzeichnung erleichtert einerseits die Organisation des Produktionsablaufes und ermöglicht andererseits die Produktverfolgung.
Noch beim Basisglashersteller oder auch bei einem nachgeschalteten Glasverarbeiter können zudem die hergestellten Einscheiben-Basisglastafeln zu Verbund-Basisglastafeln verarbeitet werden, indem zwei oder mehr Einscheiben-Basisglastafeln miteinander verbunden werden. Falls gewünscht, werden die Einscheiben-Basisglastafeln dabei zuvor mit einer Funktionsbeschichtung versehen.
Die EP 1 735 517 B1 offenbart eine Verglasung, die mindestens eine von der Außenseite sichtbare, von jedermann identifizierbare, dauerhafte Markierung umfasst, die aus einer Zeichenfolge besteht. Die Markierung stellt Informationen dar, die technische Charakteristiken der Verglasung, deren Herstellung oder kommerzielle Informationen betreffen. Die Zeichenfolge umfasst eine Zahlenfolge, wobei jede Zahl durch binäre oder hexadezimale Codierung gemäß einem oder mehreren aufeinanderfolgenden Zeichen des Kennzeichnungselements codiert ist. Die Markierung kann durch Eingravieren oder Aufdrucken erfolgen.
Des Weiteren sind aus den beiden Druckschriften DE 10 2005 026 038 A1 und DE 10 2005 025 982 A1 Lasermarkierungsverfahren zur Markierung von Glastafeln bekannt:

Gemäß der DE 10 2005 026 038 A1 wird mittels Laser eine glasartige Schicht mit Metall-Nanopartikeln auf die Oberfläche der Glastafel aufgebracht. Dazu wird ein Spender- bzw. Trägermedium in Kontakt mit der zu beschriftenden Glastafeloberfläche gebracht und durch laserstrahlinduzierte Prozesse eine Markierung auf der Glastafeloberfläche erzeugt. Das Trägermedium weist z.B. eine PET-Folie auf, die z.B. eine Low-E-Funktionsbeschichtung aufweist, wobei diese mindestens eine metallische Funktionsschicht aufweist. Zur Markierung wird ein Laserstrahl auf die Funktionsbeschichtung gerichtet und aufgrund der Laserstrahleinstrahlung Material aus der Funktionsbeschichtung von der PET-Trägerfolie auf die zu markierende Glastafeloberfläche übertragen. Das Material haftet auf der Glastafeloberfläche als glasartige Matrix mit metallischen Nanopartikeln, wobei die Matrix aus den ursprünglich in den Funktionsschichten der Funktionsbeschichtung vorliegenden Substanzen gebildet ist. Die PET-Trägerfolie bleibt unversehrt.

Gemäß der DE 10 2005 025 982 A1 wird in ähnlicher Weise durch Laserstrahlung die Low-E-Funktionsbeschichtung einer Glastafel durch Laserstrahleinstrahlung so farblich verändert, dass eine Markierung erzeugt wird.
Zudem ist es auf dem Fachgebiet bekannt, die Glastafeln mit einer Innenmarkierung zu versehen, welche sich im Inneren der Glastafeln befindet. Die Innenmarkierung kann z.B. laserinduziert erfolgen (Forschungsvereinigung Feinmechanik, Optik und Medizintechnik e.V., „Untersuchung zur Materialreaktion im Innern optisch transparenter Materialien nach Ultrakurz-Laserpulsanregung: Generierung spannungsarmer Innenmarkierungen (micro-dots)).
Beispielsweise ist es bekannt, laserinduziert Mikrorisse im Glas zu erzeugen. Die erzeugten Strukturen streuen das Licht und sind so als Markierungen erkennbar und mit Code-Lesern auslesbar. Die Mikrorisse verändern allerdings die mechanischen Eigenschaften der Glastafeln.
Zudem ist eine laserinduzierte Erzeugung von Farbzentren (Volumenfärbung) im Glas zur Innenmarkierung bekannt. Die Innenmarkierung von Glastafeln aufgrund der Bildung von Farbzentren beruht darauf, dass durch die Laserstrahlung Defekte im SiO₂-Netzwerk erzeugt werden. Die Defekte führen zu einer Veränderung der optischen Eigenschaften, insbesondere zu einer Abnahme der optischen Transmission. Ein Farbzentrum ist somit ein Defekt im SiO₂-Netzwerk, der sichtbares Licht absorbiert. In einem Farbzentrum kann elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts absorbiert werden, was zu einer gelblich braunen Verfärbung des Glases führt. Zur Erzeugung von Farbzentren (Volumenfärbung) werden Laser mit einer Pulsdauer im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich mit Wellenlängen von 355 bis 1064 nm verwendet. Die Innenmarkierung mittels Farbzentren ist thermisch reversibel.
Außerdem kann die Innenmarkierung durch die Erzeugung von micro-dots erfolgen, welche auf der lokalen Änderung des komplexen Brechungsindex (=optische Dichte) basiert. Die Dichteänderung wird durch lokales Aufschmelzen des Materials erzeugt, also einen thermischen Prozess. Auch für die Erzeugung von micro-dots werden Laser mit einer Pulsdauer im Pikosekunden- und Femtosekundenbereich mit Wellenlängen von 355 bis 1064 nm verwendet. Die Innenmarkierung mittels micro-dots ist thermisch stabil. Sie verändert jedoch auch die mechanische Festigkeit des Glases, da um die lokale Dichteänderung Spannungen erzeugt werden.
Aus der DE 101 62 111 A1 geht z.B. ein Verfahren zur Innenmarkierung von z.B. Glas hervor, bei dem auf eine Oberfläche des Glases ein Laserstrahl gerichtet wird, für den das Glas durchlässig ist. Es wird z.B. ein Laser mit einer Pulsdauer von 200 fs und einer Wellenlänge von 800 nm verwendet. Der Laserstrahl wird an einem Ort fokussiert, der von der Oberfläche einen Abstand aufweist und innerhalb des Glases angeordnet ist, so dass dort eine hohe Leistungsdichte vorhanden ist. Die so erzielte hohe Leistungsdichte des Laserstrahls induziert nicht-lineare optische Effekte der Anregung, so dass eine sehr lokale Energieeinwirkung im transparenten Material erfolgt. Abhängig vom Bauteil und der Leistungsdichte des Laserstrahls können so Veränderungen in der komplexen Brechzahl erzielt werden, die eine Schaffung einer Markierung innerhalb des transparenten Materials in Form eines Gebietes von veränderten optischen Eigenschaften bewirkt. Diese veränderten optischen Eigenschaften der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugten Markierung sollen auf Änderungen im komplexen Brechungsindex beschränkt bleiben. Mikrorisse im Bauteil entstehen bei geeigneter Einstellung in diesem Verfahren nicht. Die Innenmarkierung bleibt in einem Temperaturbereich bis mehrere 100 K oberhalb der Zimmertemperatur dauerhaft erhalten.
Eine weitere Möglichkeit der laserinduzierten Innenmarkierung wird in der Veröffentlichung der RWTH Aachen (https://www.llt.rwth-aachen.de/cms/LLT/Forschung/Grundlagen-Mikro-und-Nanostrukturierung/Ultrafast/Kompetenzen/~quad/Modifizieren-und-Faerben-von-Glas/) offenbart.
Dazu werden Gläser mit speziellen, fotochemisch aktiven Ionen dotiert. Die eingebrachte Laserstrahlung wird von diesen Ionen absorbiert und führt zur lokalen Färbung (lonenfärbung). Beispielsweise werden die Gläser mit gepulster UV-ns-Laserstrahlung (Wellenlänge 355 nm, Pulsdauer 10 bis 80 ns) oder mit IR-fs-Laserstrahlung (Wellenlänge 800 nm, Pulsdauer 100 fs) mit unterschiedlichen Pulswiederholfrequenzen, Pulsenergien und Überlappungen zwischen aufeinander folgenden Pulsen gefärbt. Je nach gewählten Parametern der Laserstrahlung, wie z.B. Wellenlänge und Pulsdauer, wird das Glas 2- bzw. 3-dimensional gefärbt. In Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung der Gläser, den Laser- und Verfahrensparametern können Farbmarkierungen in transparentem und getöntem Glas eingebracht werden. Dabei lassen sich monochrom violette, gelbe und rotbraune Farbtöne erzeugen. Die laserinduzierten Farbmarkierungen im Glas sind reproduzierbar, thermisch und UV-stabil und rissfrei.
Die DE 10 2005 043 516 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung farbiger Strukturen in Glas bei dem im Glas vorhandene oder mit dem Verfahren eingebrachte Ionen wenigstens eines Metalls durch lokal begrenzten Energieeintrag, insbesondere im Fokus einer Laserstrahlung, reduziert und in eine lokal begrenzte Ansammlung von Metallpartikeln überführt werden, der eine lokale für das eingesetzte Metall typische Verfärbung bewirkt. Zur Herstellung mehrfarbiger Strukturen werden in einem ersten Schritt mehrere lokal begrenzte Bereiche mit einer monochromen Ausgangsfärbung erzeugt, die sich durch Abstufungen derselben Farbe unterscheiden und in einem zweiten Schritt werden durch einen globalen oder lokalen Energieeintrag in den Bereichen von der Ausgangsfärbung abhängige Partikelbildungs- und/oder -wachstumsprozesse induziert, so dass Bereiche mit unterschiedlicher Ausgangsfärbung eine unterschiedliche Farbe erhalten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Erzeugen von dauerhaften, farbigen, 3-dimensionalen Strukturen im Inneren von Glaselementen, vorzugsweise von Basisglastafeln, bevorzugt von Floatglastafeln, welches wirtschaftlich ist und zu keiner mechanischen Beeinträchtigung der Glaselemente führt. Vorzugsweise dient das Verfahren zum Markieren von Glastafeln, vorzugsweise von Basisglastafeln, bevorzugt von Floatglastafein.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den sich anschließenden Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im Rahmen der Erfindung wurde überraschenderweise herausgefunden, dass es möglich ist, dauerhafte, farbige, 3-dimenionale Strukturen im Inneren von Glaselementen mittels laserinduzierter lonenfärbung zu erzeugen, ohne dass das Glaselement zuvor zusätzlich mit Metalloxiden oder Metallen dotiert wird. Das heißt, es werden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Metallionen (=Farbionen) der ohnehin im Glaselement vorhandenen Metalloxide derart modifiziert, dass daraus die lonenfärbung resultiert. Insbesondere wird die Wertigkeit der Metallionen modifiziert. Die ohnehin vorhandenen Metalloxide sind vor der Laserbestrahlung in dem gesamten Glaselement gleichmäßig verteilt. Das Glaselement weist somit eine Massendotierung mit den Metalloxiden auf. Das heißt, die Metalloxide werden bereits während der Herstellung des Glaselements in die Glasschmelze eingebracht werden oder sind ohnehin in dieser vorhanden.
Laserinduziert meint erzeugt mittels Laserstrahlung.
Insbesondere wurde im Rahmen der Erfindung überraschenderweise herausgefunden, dass es möglich ist, eine herkömmliche Floatglastafel oder eine daraus hergestellte Glastafel mittels laserinduzierten lonenfärbung zu markieren, ohne dass die Glastafel zuvor mit Metalloxiden oder Metallen dotiert wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1: Stark vereinfacht und schematisch einen Schnitt durch eine zu strukturierende Glastafel mit einer Strukturierungseinrichtung

Die erfindungsgemäß erzeugte, farbige Struktur 7 dient beispielsweise zum Zwecke der Abschattung und/oder Lichtlenkung und/oder Dekoration und/oder Markierung. Im Falle der Markierung handelt es sich um eine Innenmarkierung 7a.
Vorzugsweise besteht das Glaselement, in welches die farbige Struktur 7 eingebracht werden soll, aus silikatischem, eisenoxidhaltigem Glas, beispielsweise aus Floatglas.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Glaselement, in welches die farbige Struktur 7 eingebracht werden soll, um eine Glastafel 1, bevorzugt um eine Floatglastafel oder eine aus einer Floatglastafel hergestellte Glastafel 1.
Die zu strukturierende, insbesondere zu markierende, Glastafel 1 (1) weist eine erste und zweite Glasoberfläche 1a;b sowie vorzugsweise eine umlaufende Glastafelkante 1c auf. Die Glastafel 1 weist vorzugsweise jeweils nur eine einzelne bzw. einzige Glasscheibe 2 (1) auf. Jede Glasscheibe 2 weist zwei Glasscheibenoberflächen 2a;b auf. Weist die Glastafel 1 nur eine einzige Glasscheibe 2 auf, bilden die beiden Glasscheibenoberflächen 2a;b die Glasoberflächen 1a;b der Glastafel 1.
Es kann sich wie bereits erläutert bei der zu strukturierenden, insbesondere zu markierenden, Glastafel 1 zudem auch um eine bereits weiter verarbeitete Glastafel 1, z. B. um eine Einscheibensicherheitsglastafel oder eine Mehrscheiben-Isolierglastafel oder eine zugeschnittene Verbundglastafel, insbesondere eine Verbundsicherheitsglastafel (VSG-Tafel) handeln.
Eine Verbundglastafel besteht bekanntermaßen aus mehreren miteinander verbundenen Glasscheiben 2, vorzugsweise aus Floatglas, (nicht dargestellt). Bei Verbundglastafeln handelt es sich um ein Laminat aus mindestens zwei einzelnen Glasscheiben 2, die jeweils mittels einer klebfähigen Zwischenschicht aus Kunststoff, insbesondere durch eine hochreißfeste, zähelastische, thermoplastische Folie, miteinander verbunden sind. In diesem Fall bilden jeweils die beiden außenliegenden Glasscheibenoberflächen 2a;b die Glasoberflächen 1a;b der Glastafel 1. Bei den Glasscheiben 2 der Verbundglastafel handelt es sich vorzugsweise zumindest teilweise um vorgespannte Glasscheiben 2. Die farbige Struktur 7 wird in diesem Fall ins Innere einer der Glasscheiben 2 eingebracht.
Eine Mehrscheiben-Isolierglastafel besteht bekanntermaßen aus mindestens zwei Glasscheiben 2, vorzugsweise aus Floatglas, zwischen denen sich ein Hohlraum befindet, der gas- und feuchtigkeitsdicht verschlossen ist.
Zudem kann die Glastafel 1 an einer ihrer beiden Glasoberflächen 1a;b eine oberflächliche Funktionsbeschichtung 5 aufweisen.
Die Funktionsbeschichtung 5 kann eine oder mehrere einzelne Funktionsschichten aufweisen. Bei mehreren Funktionsschichten handelt es sich somit um ein Funktionsschichtenlaminat. Die Funktionsschichten ändern bestimmte Eigenschaften der Glastafel 1 bzw. verleihen dieser bestimmte Funktionen. Die Funktionen können dabei z.B. Wärmeschutz, Sonnenschutz, oder Beheizung sein. Bevorzugt handelt es sich bei der Funktionsbeschichtung 5 um eine Wellenlängenselektive bzw. Low-E-Beschichtung. Die Funktionsbeschichtung 5 wird vor dem bestimmungsgemäßen Gebrauch der Glastafel 1 nicht entfernt, sondern ist auch beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der Glastafel 1 noch vorhanden. Die Funktionsbeschichtung 5 der Glastafel 1 weist in der Regel zumindest eine metallhaltige Funktionsschicht auf. Vorzugsweise handelt es sich jeweils um eine Metall- oder eine, bevorzugt keramische, Metalloxidschicht. Die Funktionsbeschichtung 5 der Glastafel 1 weist somit zumindest eine metallische und/oder zumindest eine, bevorzugt metallhaltige, keramische Funktionsschicht auf. Des Weiteren weist die Funktionsbeschichtung 5 vorzugsweise eine Dicke von < 2 µm, bevorzugt < 1 µm auf.
Des Weiteren kann die Glastafel 1 an einer ihrer beiden Glasoberflächen 1a;b auch eine an sich bekannte Schutzbeschichtung 6 in Form einer abziehbaren Schutzfolie oder einer Polymerschutzschicht aufweisen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Glastafel 1 eine noch auszuhärtende Funktionsbeschichtung 5 aufweist, die geschützt werden muss. Die Schutzbeschichtung 6 schützt die darunter angeordnete Funktionsbeschichtung 5.
Wie bereits erläutert, wird nun erfindungsgemäß eine laserinduzierte farbige Struktur 7, vorzugsweise eine Innenmarkierung 7a, in den Glastafeln 1 durch lonenfärbung erzeugt, ohne, dass die Glastafel 1 mit Metalloxiden zuvor dotiert wurde. Es wurde vielmehr heraus gefunden, dass der Eisenoxidgehalt im Glas ausreicht, um bei Beaufschlagung mit entsprechender Laserstrahlung eine Blaufärbung zu bewirken. Bei der Laserstrahlung handelt es sich um Laserstrahlung, welche eine Wellenlänge im blauen oder violetten Spektralbereich aufweist. Vorzugsweise weist sie eine Wellenlänge von 400 bis 490 nm, bevorzugt 415 bis 450 nm, auf. Die Wellenlänge muss insbesondere in einem Bereich liegen, der gewährleistet, dass die Laserstrahlung in die Absorptionsbande von FeO oder Fe₂O₃ einkoppelt.
Es wird davon ausgegangen, dass sich durch die Beaufschlagung mit der Laserstrahlung das Verhältnis Fe₂O₃/FeO in Richtung FeO verschiebt. Offenbar wandelt sich das Fe₂O₃ in FeO um. Dies führt zu einer Änderung der Absorptionsbande und zu einer blauen Färbung.
1 zeigt beispielhaft eine Strukturierungseinrichtung 8 zur Erzeugung der Struktur 7, vorzugsweise der Innenmarkierung 7a.
Die Strukturierungseinrichtung 8 weist eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung bzw. einen Laserkopf 9 zur Erzeugung bzw. Bereitstellung eines Laserstrahls 10 auf. Der Laserkopf 9 kann ortsfest sein oder verfahrbar sein, wozu entsprechende Antriebsmittel vorhanden sind.
Der Laserkopf 9 weist eine Laserstrahlungsquelle 11 und eine dazugehörige Laseroptik 12 auf. Mittels der Laseroptik 12 wird der Laserstrahl 10 unter anderem fokussiert.
Die Laserstrahlungsquelle 11 erzeugt dabei vorzugsweise einen kontinuierlichen Laserstrahl 10. Sie kann aber auch einen gepulsten Laserstrahl 10 erzeugen.
Vorzugsweise handelt es sich zudem um einen Festkörperlaser, bevorzugt um einen Faserlaser.
Die Bewegung des Laserstrahls 10 erfolgt dabei vorzugsweise durch Bewegung der Laserstrahlungsquelle 11 mitsamt der Laseroptik 12.
Selbstverständlich kann die Bewegung des Laserstrahls 10 aber auch mittels der Laseroptik 12 erfolgen. Dazu weist die Laseroptik 12 in an sich bekannter Weise eine Scanoptik zum Bewegen des Laserstrahls 10 in einem Scanfeld auf. Vorzugsweise handelt es sich bei der Scanoptik um zumindest zwei verstellbare Spiegel. Das Scanfeld beträgt z.B. 100 mm x 100 mm.
Dabei soll die Strukturierung möglichst so schnell erfolgen, dass sie auch bei einer sich in eine Vorschubrichtung bewegenden Glastafel 1 bzw. einem sich in eine Vorschubrichtung V bewegenden Glasband erfolgen kann. Die Vorschubgeschwindigkeit der zu markierenden Glastafel 1 bzw. des zu markierendes Glasbands beträgt dabei vorzugsweise 1 bis 80 m/min, bevorzugt 10 bis 20 m/min.
Die Strukturierung kann dabei mit einem ortsfesten oder sich bewegenden Laserkopf 9 durchgeführt werden. Vorzugsweise wird der Laserkopf 9 beim Markieren ebenfalls in Vorschubrichtung V, vorzugsweise mit derselben Geschwindigkeit wie die Glastafel 1 bzw. das Glasband bewegt. Der Laserkopf 9 wird also mit der Glastafel 1 bzw. dem Glasband mitgeführt. Er bewegt sich während des Strukturierungsvorgangs relativ gesehen zu der Glastafel 1 bzw. dem Glasband nicht. Es wird lediglich der Laserstrahl 10 mittels der Scanoptik im Rahmen des Scanfeldes relativ zu der Glastafel 1 bzw. dem Glasband bewegt.
Die Laseroptik 12 hat aber nicht nur einen Einfluss auf das Scanfeld, sondern auch einen direkten Einfluss auf das Ergebnis der Strukturierung, insbesondere der Markierung. Der Grund hierfür ist, dass mittels der Laseroptik 12 die Größe des Laserfokus 13, die Schärfentiefe und damit die Energiedichte im Glas eingestellt werden können.
Zudem ist der Laserfokus 13 vorzugsweise zwischen den beiden Glasscheibenoberflächen 2a;b der zu markierenden Glasscheibe 2 angeordnet, um eine Struktur 7 im Inneren, insbesondere eine Innenmarkierung 7a, zu erzeugen, die von den Glasscheibenoberflächen 2a;b beabstandet ist oder sich zwischen diesen erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich die Struktur 7 zudem in Glasdickenrichtung gesehen über die gesamte Dicke der Glastafel 1, also von der einen Glastafeloberfläche 1a zur anderen Glastafeloberfläche 1b. Es handelt sich somit um eine 3-dimensionale Struktur 7, die nicht nur eine Erstreckung parallel zu den Glastafeloberflächen 1a;b, sondern auch in Glasdickenrichtung aufweist.
Bei der erzeugten Innenmarkierung 7a handelt es sich zudem vorzugsweise um einen maschinenlesbaren Code, bevorzugt um einen Data-Matrix-Code (DCM) oder einen Barcode oder einen QR-Code. Es kann sich aber auch um ein Logo, eine Produkt-ID oder eine Seriennummer handeln.
Je nach Anwendungszweck handelt es sich zudem vorzugsweise um eine prozessspezifische Innenmarkierung 7a, deren Inhalt direkt den erfolgten Bearbeitungsschritt abbildet, und/oder um eine endkundenspezifische Innenmarkierung 7a.
Wie bereits erläutert, weist die Innenmarkierung 7a eine blaue Farbe auf und ist erkennbar für das menschliche Auge. Ziel ist es, eine möglichst dunkle Einfärbung für einen möglichst guten Kontrast zu erreichen. Das Auslesen der Innenmarkierung 7a kann in an sich bekannter Weise im weißen Durchlicht erfolgen. Insbesondere erfolgt es maschinell mittels eines an sich bekannten und auf die Art der Innenmarkierung 7a abgestimmten Readers.
Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass farbige Strukturen 7 im Inneren von eisenoxidhaltigen Glaselementen erzeugt werden können, die dauerhaft stabil sind und ein flexibles Layout aufweisen können. Es ist zudem sehr einfach und kostengünstig, da keine zusätzliche Dotierung des Glaselements mit Metalloxiden erfolgt und da keine teuren Ultrakurzpulslaser notwendig sind.
Die farbigen Strukturen 7, insbesondere die Innenmarkierungen 7a, können entweder beim Basisglashersteller oder beim Glasverarbeiter eingebracht werden. Sie können in beschichtete oder unbeschichtete Einscheiben-Basisglastafeln oder auch in eine oder mehrere Glasscheiben 2 von Verbund-Basisglastafeln eingebracht werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt es dabei auch, dass das Glaselement andere Metalloxide als die oben genannten Eisenoxide aufweist, deren Metallionen mittels der Laserstrahlung so verändert werden können, dass daraus die lokale Verfärbung des Glases resultiert. Es muss sich nur um ein metalloxidhaltiges Glaselement, bevorzugt aus silikatischem Glas, handeln, welches insbesondere mindestens zwei Metalloxide, bevorzugt zwei Metalloxide desselben Elements mit unterschiedlicher Wertigkeit, aufweist, wobei die Metallionen zumindest eines Metalloxids mittels der Laserstrahlung so verändert werden, dass daraus die lokale Verfärbung des Glases resultiert.
Zudem kann die erfindungsgemäß erzeugte, farbige Struktur 7, wie bereits erläutert, auch zum Zwecke der Abschattung und/oder Lichtlenkung und/oder Dekoration dienen. Beispielsweise kann auch ein Behälterglaselement, z.B. ein Flakon oder eine Flasche, entsprechend mit einer abschattenden und/oder lichtlenkenden und/oder dekorativen Struktur 7 oder auch einer Innenmarkierung 7a versehen werden. Vorzugsweise besteht das Behälterglaselement aus Kalk-Natron-Glas.
Ausführungsbeispiel:
Es wurden jeweils mittels eines kontinuierlichen Lasers (450 nm) und mittels eines kontinuierlichen Lasers (415 nm) in einer bereits geschnittenen, aus silikatischem Glas bestehenden, Floatglastafel Innenmarkierungen (DMC's) mit einer Kantenlänge von 5x5 mm und 3x3 mm erzeugt. Die Floatglastafel und der Laserkopf wurden dabei relativ zueinander nicht bewegt. Der Laser wies folgende Eigenschaften auf:

Objektivbrennweite 100 mm

Laserleistung 50 W
Es wurden jeweils Innenmarkierungen mit ausreichendem Kontrast erzeugt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1735517 B1 [0017]
DE 102005026038 A1 [0018]
DE 102005025982 A1 [0018, 0019]
DE 10162111 A1 [0024]
DE 102005043516 A1 [0027]

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer dauerhaften, farbigen Struktur (7) im Inneren von, metalloxidhaltigen, vorzugsweise eisenoxidhaltigen, Glaselementen, vorzugsweise von Glastafeln (1) oder Behälterglaselementen, dadurch gekennzeichnet, dass die farbige Struktur (7) durch lonenfärbung mittels Laserstrahlung erzeugt wird, wobei das zu strukturierende Glaselement im Bereich der farbigen Struktur (7) nicht zusätzlich mit Metalloxiden oder Metallen dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine blaue Struktur (7) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der farbigen Struktur (7) Laserstrahlung verwendet wird, die eine Wellenlänge im violetten oder blauen Spektralbereich aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der farbigen Struktur (7) Laserstrahlung verwendet wird, die eine Wellenlänge aufweist, welche in die Absorptionsbande zumindest eines der Metalloxide, vorzugsweise in die Absorptionsbande von FeO oder Fe₂O₃, einkoppelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen farbigen Struktur (7) Laserstrahlung verwendet wird, die eine Wellenlänge von 400 bis 490 nm, bevorzugt 415 bis 450 nm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu strukturierende Glaselement zumindest zwei im gesamten Glaselement gleichmäßig verteilte Metalloxide, bevorzugt zwei Metalloxide desselben Elements mit unterschiedlicher Wertigkeit, aufweist, wobei die Metallionen zumindest eines der Metalloxide mittels der Laserstrahlung so verändert werden, dass daraus die Verfärbung des Glases resultiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu strukturierende Glaselement eine Massendotierung mit zumindest zwei Metalloxiden, bevorzugt zwei Metalloxiden desselben Elements mit unterschiedlicher Wertigkeit, aufweist, wobei die Metallionen zumindest eines der Metalloxide mittels der Laserstrahlung so verändert werden, dass daraus die Verfärbung des Glases resultiert.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu strukturierende Glaselement als Metalloxid Fe₂O₃ und/oder FeO aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu strukturierende Glaselement aus silikatischem Glas besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen der farbigen Struktur (7) ein kontinuierlicher Laserstrahl (10) oder ein gepulster Laserstrahl (10) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzeugen farbigen Struktur (7) ein fokussierter Laserstrahl (10) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen der farbigen Struktur (7) ein die Laserstrahlung bereitstellender Laserkopf (9) relativ zum Glaselement ortsfest ist oder bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erzeugen der farbigen Struktur (7) das Glaselement, insbesondere in eine Vorschubrichtung (V), bewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Glastafeln (1), die an einer ihrer beiden Glasoberflächen (1a;b) eine Funktionsbeschichtung (5) mit mindestens einer metallhaltigen und/oder mindestens einer keramischen Funktionsschicht aufweisen, strukturiert werden, wobei bei der der Laserbestrahlung die unbeschichtete Glasoberfläche (1b) durchstrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die farbige Struktur (7) zur Abschattung und/oder Lichtlenkung und/oder Dekoration dient oder es sich bei der farbigen Struktur (7) um eine Innenmarkierung (7a) handelt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Innenmarkierung (7a) um eine maschinenlesbare Innenmarkierung (7a), vorzugsweise einen maschinenlesbaren Code, bevorzugt einen Data-Matrix-Code (DCM) oder einen Barcode oder einen QR Code, handelt.