DE10305733A1

DE10305733A1 - Verfahren zum Erzeugen von Sollbruchstellen in Glasscheiben

Info

Publication number: DE10305733A1
Application number: DE10305733A
Authority: DE
Inventors: Alexander Oehrlein
Original assignee: Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH and Co KG; Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH
Current assignee: Saint Gobain Sekurit Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2023-02-13
Also published as: WO2004074193A3; DE602004003688D1; JP4786526B2; US20060138798A1; ATE348082T1; ES2278302T3; JP2006518698A; WO2004074193A8; DE602004003688T2; DE10305733B4; US7508406B2; KR20050100674A; WO2004074193A2; EP1613561A2; KR101122651B1; CN100471808C; EP1613561B1; CN1798706A

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen von Sollbruchstellen in einer Glasscheibe, bei dem mithilfe einer energiereichen, in das Glas eindringenden Strahlung lokale Überhitzungen bzw. photochemische Aufbrechungen der Bindungen der Struktur des Glases erzeugt werden, werden die Sollbruchstellen (5) erfindungsgemäß durch sequentielles Führen der Strahlung nach einem vorgegebenen, dem bevorzugten Verlauf des Bruchs der Glasscheibe (1) bei Überlastung folgenden Verlauf sowie durch sequentielles Fokussieren der Strahlung sowohl entlang diesem Verlauf als auch in unterschiedlichen Tiefen bezüglich der Oberfläche der Glasscheibe erzeugt. Sie können bei Bedarf durch Farbschichten (4) optisch kaschiert werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Erzeugen von Sollbruchstellen in Glasscheiben mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

In der älteren deutschen Patentanmeldung 102 25 555.5-21 werden Verbundglasscheiben mit Sollbruchstellen insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen (als Windschutz- oder Dachscheiben) beschrieben. Bei einem Aufprall eines in eine Kollision mit dem Fahrzeug verwickelten Fußgängers, Fahrradfahrers... gibt die Verbundglasscheibe dem Aufprall wesentlich leichter nach als herkömmliche Verbundscheiben, so dass die Intensität des Aufpralls stark gedämpft und Verletzungsrisiken minimiert werden.

In der genannten Patentanmeldung werden zahlreiche vorbekannte Möglichkeiten zum Erzeugen solcher Sollbruchstellen erörtert; auf diese Ausführungen wird hier nur verwiesen.

Gemäß der älteren Anmeldung wird eine Schwächung der Glasscheibe bevorzugt durch Einbringen eines örtlich begrenzten Spannungsgradienten erzeugt, das heißt eines inhomogenen Spannungszustands im Glas, der lokal begrenzt gezielt die Bruchfestigkeit des Glases verringert. Der Spannungsgradient ist sowohl über die Glasdicke als auch über die Glasoberfläche vorhanden. Bei einer zum Beispiel durch eine Biegung der Glasscheibe hervorgerufen Belastung über ein bestimmtes Maß hinaus, wird die Festigkeit im Bereich des Spannungsgradienten überschritten und die Glasscheibe bricht.

Ein lokal begrenzter Spannungsgradient kann durch örtliches Erhitzen der Glasscheibe über deren Transformationstemperatur hinaus und anschließendes schnelles Abkühlen eingebracht werden. Dieses Verfahren ist als thermisches Vorspannen weit verbreitet, allerdings wird bei den bekannten Verfahren die gesamte Scheibe homogen aufgeheizt und abgeschreckt. Das örtliche Erhitzen kann etwa mithilfe eines Lasers oder einer Gasflamme erfolgen.

Unter dem Internet-Link „http://www.vitro.de" wird ein Verfahren beschrieben, mit dem mithilfe einer roboter- und computergesteuerten Lasereinrichtung sichtbare räumliche Strukturen, z. B. Porträts von Personen, in Glaskörper eingebracht werden. Offensichtlich wird durch gezieltes Fokussieren der Laserstrahlung auf definierte Eindringtiefen eine Strukturveränderung durch Überhitzen herbeigeführt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein weiteres Verfahren anzugeben, mit dem in eine Glasscheibe deren Bruch bei Überlast unterstützende lokale Strukturveränderungen geschaffen werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.

Ein Verfahren wie das oben erwähnte, auf Dekorationen und Reproduktionen abstellende Verfahren zum lokalen Destrukturieren von Glaskörpern mithilfe programmgesteuert in unterschiedlichen Eindringtiefen fokussierbarer energiereicher Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, kann erfindungsgemäß zum Herstellen von Sollbruchstellen in Glasscheiben genutzt werden. Mit besonderem Vorteil kann hierbei der Bruchverlauf durch Einbringen von Mikrorissen in die Glasmasse sehr genau vorgegeben werden, etwa vergleichbar mit einer Perforation. Jedoch muss diese Destrukturierung nicht notwendig die Oberfläche der Glasscheibe verletzen, wie es z. B. beim allgemein bekannten Anritzen der Fall wäre. Vielmehr kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine innere Schwächung der Glasscheibe(n) mit einem zweckentsprechenden, mehr oder weniger geringen Abstand von beiden Oberflächen herbeigeführt werden.

Eine übliche Methode der Erzeugung dieser Mikrorisse ist das Fokussieren von Laserpulsen im transparenten Material. Allerdings ist auch eine Überhitzung alleine durch kontinuierliche Einstrahlung (cw-Betrieb des Lasers) denkbar, welche Spannungsrisse erzeugt. Im Fokusbereich entsteht entweder durch die Restabsorption des Glases bei der Wellenlänge des verwendeten Lasers eine Überhitzung, oder es werden durch die Absorption mehrerer Photonen auf einmal (Multiphotonenabsorption) die Bindungen im Glas photochemisch gespalten, bzw. es werden Teile der Glasmatrix ionisiert und zerplatzen daraufhin.

Durch Fokussierung eines Lasers mit einer Wellenlänge von z.B. 1064 nm oder 532 nm (typisch im infraroten Bereich (Nd:YAG-Laser) und im sichtbaren Bereich) wird das Glas lokal im Bereich einiger Mikrometer bis weniger hundert Mikrometer schlagartig zerstört, so dass Mikrorissstrukturen im Glas zurückbleiben, an denen entlang bei einem späteren Aufprall das Glas zerbricht.

Lässt man nun einen fokussierten Laserstrahl mit einer solchen Geschwindigkeit über das Glas hinweglaufen, dass die Foken der einzelnen Pulse separat im Glas auseinanderliegen, so kann man das Aussehen eines einzelnen solchen Mikroschadenspunktes wie folgt beschreiben:
Da die grobe Struktur eines solchen Risspunktes i. allg. einem Abbild der Intensitätsverteilung im Fokus ähnelt (Material wurde versetzt, zerstört, bzw. transformiert da, wo die Laserintensität hoch genug war), kann man sich einen solchen Mikroschadenspunkt ähnlich einer um die Ordinatenachse rotierten Hyperbel (ähnlich einer Sanduhr) vorstellen. Dieses Aussehen rührt daher, dass ein fokussierter homogener Laserstrahl im allgemeinen eine Einschnürung mit minimaler Dicke besitzt (der Durchmesser eines fokussierten Strahles an der engsten Stelle ist immer endlich), ähnlich dem Verbindungsröhrchen zwischen den beiden Glasbehältern einer Sanduhr.

Die räumliche Anordnung der Schwächungs- bzw. Sollbruchstellen im Glaskörper und ihre Größe und/oder Ausdehnung können so sehr genau definiert werden. Es ist darüber hinaus auch möglich, gezielt einen Verlauf der Schwächungszone über die Dicke der Glasscheiben einzustellen. Zwar kann die Schwächungs- oder Sollbruchzone senkrecht zur Glasoberfläche in die Tiefe reichen. Dies ist aber nicht zwingend notwendig. Vielmehr lässt sich mit der Anwendung der an sich bekannten Technologie und Vorrichtungen auch ein komplexer Verlauf der Schwächung durch die Dicke der Glasscheibe herstellen. Insbesondere ist es möglich, eine Art insgesamt betrachtet keilförmige Schwächungsstruktur einzubringen, mit der das Bruchverhalten je nach Einwirk-Richtung der zum Bruch führenden Beanspruchung unterschiedlich ist.

Die Schwächungszonen können ferner nicht nur kontinuierlich ausgeführt werden, sondern auch in Form gestrichelter oder gepunkteter Linien mit Unterbrechungen in der Art einer Perforation, bzw. einer 3-dimensionalen Punkteverteilung. Auch Mikrorisse in nur einer bestimmten Tiefe der Glasscheibe sind denkbar. Diese Maßnahmen unterstützen das Erreichen der Forderung, dass eine solche „geschwächte" Glasscheibe jedenfalls erst bei Auftreten einer erheblichen Überlast birst.

Zur Beeinflussung des späteren Bruchverlaufs kann des weiteren die Neigung eines einfallenden Laserstrahls so an den Scheibenverlauf (d.h. eine bestimmte Neigung zur Scheibennormalen im Bearbeitungspunkt) angepasst werden, dass eine in solch einem, durch Fokussierung eines Lasers erhaltenen, Mikroschadenspunkt bevorzugt entstandene Rissrichtung so dem gewünschten späteren Rissverlauf überlagert wird, dass sich bei einem späteren Bruch der Scheibe diese Risse in der gewünschten Weise ausbreiten.

Das Verfahren lässt sich ohne weiteres auch bei Verbundscheiben anwenden, und zwar vor oder nach dem Verbinden der Scheiben zum fertigen Produkt. Die Klebeschicht zwischen den starren Scheiben eines solchen Verbundprodukts kann dabei von der Schwä chung ausgenommen werden. Dadurch bleibt trotz der Schwächung der Glasscheibe(n) ein hinreichender Eindringwiderstand gegen Einbruchsversuche erhalten.

Man kann z. B. erreichen, dass dieselbe Scheibe, z. B. eine Windschutzscheibe eines Fahrzeugs, bei einem Bruch infolge des Aufpralls eines Körpers von der Außenseite her vergleichsweise nachgiebig ist und diesen Körper im Sinne der älteren Erfindung auffängt, dass aber zugleich ein von der Innenseite des Fahrzeugs her aufprallender Fahrzeuginsasse sicher davor geschützt bleibt, aus dem Fahrzeug herausgeschleudert zu werden.

Prinzipbedingt wird es sich möglicherweise nicht vermeiden lassen, dass die Sollbruchstellen bzw. deren Verlauf im Glas sichtbar sind. Man kann sie jedoch bei Bedarf in randnahen Bereichen der behandelten Glasscheiben optisch durch opake farbige Rahmen kaschieren, die bei Fahrzeugscheiben allgemein üblich sind.

Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstands der Erfindung gehen aus der Zeichnung einiger Ausführungsbeispiele und deren sich im folgenden anschließender eingehender Beschreibung hervor.
Es zeigen in vereinfachter Darstellung
1 eine Ansicht einer Glasscheibe, entlang deren Rand eine umlaufende Schwächungszone erzeugt wurde;
2 einen Querschnitt durch eine mit Schwächungszonen versehene Glasscheibe;
3 eine Zusammenstellung verschiedener möglicher Verläufe von Schwächungszonen über die Dicke einer Glasscheibe.
Gemäß 1 ist eine als Fahrzeug-Windschutzscheibe ausgeführte Glasscheibe 1 mit einer sich entlang ihrem äußeren Rand 2 erstreckenden, durch eine gestrichelte Linie angedeuteten Schwächungszone 3 versehen. Diese wird bei der realen Scheibe 1 von einem opaken Farbstreifen 4 überdeckt, von dem hier nur der innere Rand sichtbar ist.
Es sei ausdrücklich angemerkt, dass dieses Verfahren natürlich auch zum Bearbeiten von in Gebäuden zu verwendenden Glasscheiben zum Einsatz kommen kann.
In 2 erkennt man, dass in die Glasmasse einer hier nur mit einem kleinen Abschnitt gezeigten monolithischen Glasscheibe 1' Mikrorisse 5 in zwei rechts bzw. links der durch zwei strichpunktierte dünne Linien angedeuteten Mitte angeordneten Gruppen eingebracht wurden. Insgesamt können diese eine umlaufende Schwächungszone 3 der in 1 bezeichneten Art bilden. Man erkennt, dass die Mikrorisse 5 nicht die Oberflächen der Glasscheibe 1 verletzen, sondern sich ausschließlich innerhalb der Glasmasse befinden.
Sie sind ferner nicht kontinuierlich ausgeführt, sondern wie eine gestrichelte Linie mit Unterbrechungen in der Art einer Perforation. Auch im Längsverlauf der Schwächungszone 3 entlang dem Scheibenrand müssen die Mikrorisse nicht kontinuierlich durchlaufen.
Schließlich verdeutlicht 2 auch, dass die Mikrorisse 5 innerhalb der Glasscheibendicke einem abgewinkelten und gegenüber der jeweiligen Senkrechten oder Normalen auf der Glasscheibenfläche geneigten Verlauf folgen. Die einander rechts und links gegenüber liegenden Mikroriss-Gruppen sind dabei gegenläufig orientiert. Insgesamt ergibt sich so zwischen den Mikroriss-Gruppen eine Ausbruch-Scherbe mit etwa keilförmigem Bruch-Umriss. Es ist evident, dass bei Einwirkung einer zum Bruch führenden Kraft von der konkaven Seite der Scheibe 1' her ein anderes Bruchverhalten sich ergibt, als wenn die Kraft von der konvexen Seite der Scheibe 1' her einwirkt. Im letzteren Fall wird die Scheibe nachgiebiger sein, während man im ersteren Fall eine gewisse Stützwirkung erwarten kann, die sich aus dem Überlappen der beidseitigen Bruchkanten in Kraftrichtung ergibt. Für den konkreten Anwendungsfall sind die Verläufe der Mikrorisse und Schwächungszonen natürlich durch Versuche zu optimieren; die hier gezeigte nicht maßstäbliche Anordnung dient nur der symbolisch-schematischen Veranschaulichung.
Eine ähnliche, je nach Einwirkrichtung differenzierte Bruchreaktion lässt sich erzielen, wenn man auf einer der Scheibenseiten die Mikrorisse bis in die Oberfläche führt, auf der anderen Seite jedoch mehr oder weniger weit vor Erreichen der Oberfläche enden lässt. Offensichtlich kommt dies einem (zumindest partiellen) Ritzen der betroffenen Oberfläche gleich und begünstigt die Rissfortpflanzung entlang und ausgehend von dieser vorgeschädigten Oberfläche.
3 zeigt noch eine ganze Reihe von Gestalt-Varianten, in denen Mikrorisse 5 in Glasscheiben eingearbeitet werden können; ganz links ist ein geradliniger Verlauf senkrecht zur Scheibenoberfläche gezeigt, rechts daneben ein um etwa 45 ° zu den Oberflächen geneigter geradliniger Verlauf (hier erstrecken sich beide Rissenden bis zur Oberfläche), hiernach zwei verschiedene gekrümmte Verläufe. Schließlich ist ganz rechts auch ein einzelner „Mikroschadenpunkt" dargestellt. Eine Reihe solcher einzelner, optisch besonders unauffällig anzubringender Punkte im Verlauf der Linie 3 in 1 kann in bestimmten Fällen zum Erzielen der gewünschten Wirkung ausreichen. Alle diese Gestaltungen und viele andere Varianten können mit dem Strahlverfahren mit relativ wenig Aufwand reproduzierbar, hoch mechanisiert maschinell und in kurzer Zeit hergestellt werden.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Sollbruchstellen in einer Glasscheibe, bei dem mithilfe einer energiereichen, in das Glas eindringenden Strahlung lokale Überhitzungen der Struktur des Glases erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstellen (5) durch sequentielles Führen der Strahlung nach einem vorgegebenen, dem bevorzugten Verlauf des Bruchs der Glasscheibe (1) folgenden Verlauf (Linie 3) sowie durch sequentielles Fokussieren der Strahlung sowohl entlang diesem Verlauf (Linie 3) als auch in unterschiedlichen Tiefen bezüglich der Oberfläche der Glasscheibe (1) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sollbruchstellen (5) entlang dem Verlauf (Linie 3) kontinuierlich oder diskontinuierlich angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sequentielle Fokussierung der Strahlung in unterschiedlichen Eindringtiefen einer senkrecht zur Glasoberfläche stehenden Linie folgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sequentielle Fokussierung in unterschiedlichen Eindringtiefen einer schräg zur Glasoberfläche stehenden Linie und/oder einer gekrümmten Linie folgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man eine oder mehrere in einer Verbundscheibe integrierte oder zu integrierende Glasscheiben mit Sollbruchstellen versieht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die die Sollbruchstellen erzeugenden Mikrorisse in der Glasmasse ohne Beeinträchtigung einer oder beider Glasoberflächen einbringt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man auf mindestens einer Oberfläche der Glasscheibe austretende Mikrorisse erzeugt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Sollbruchstellen oder Schwächungszonen der Glasscheibe optisch kaschiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Laser mit einer Wellenlänge von 1064 nm oder 532 nm verwendet.
Glasscheibe mit mindestens einer bei Überlastung der Glasscheibe einen Bruch entlang einem vorgegebenen Bruchverlauf begünstigenden Schwächungszone, welche durch Einbringen von Mikrorissen mithilfe energiereicher Strahlung, insbesondere mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, erzeugt wurde.