DE2813304A1

DE2813304A1 - Verfahren zum zerteilen von quaderfoermigen bloecken aus glas

Info

Publication number: DE2813304A1
Application number: DE19782813304
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Ing Doell; Manfred Juengling; Dieter Dipl Phys Stahn
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1978-03-28
Filing date: 1978-03-28
Publication date: 1979-10-11
Also published as: DE2813304B2; DE2813304C3

Description

Verfahren zum Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas.
Glas z.B. in Form von Block- oder Barrenglas wird in der glasveredelnden Industrie beispielsweise zur Erzeugung von Rohlingen für optische Bauteile (Prismen, Linsen usw.) zerteilt. Es ist allgemein bekannt, daß dazu mechanische Bearbeitungstechniken unter Verwendung von Sägewerkzeugen herangezogen werden können. Dabei ist der Einsatz von Glassägemaschinen mit rotierenden Sägescheiben in der Regel durch folgende Nachteile gekennzeichnet: 1) Die Abmessungen der damit zerteilbaren Glasblöcke werden durch den Durchmesser der Sägescheiben begrenzt. 2) Der Sägevorgang ist zeitaufwendig.
Beim Einsatz von Sägemaschinen unter Verwendung von umlaufenden Drahtseilen läßt sich zwar der erste Nachteil vermeiden, jedoch beansprucht hier der Sägevorgang besonders viel Zeit.
Weiter ist bekannt, daß Glas auch mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen getrennt werden kann (siehe US-Patentschriften Nr. 1720883 und 1777644 sowie deutsche Patentschrift Nr. 1227207). In diesen Druckschriften werden allerdings thermische Verfahren nur zum Schneiden von Glasscheiben beschrieben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, quaderförmige Blöcke aus Glas mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen zu zerteilen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Zerteilen von quaderförmigen Glasblöcken mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen sieht zunächst ein Kühlen der Blöcke vor.
Eine Grundvoraussetzung dafür, daß sich dabei Wärmespannungen im Glas ausbilden können, - daß nämlich das Material bei Temperaturänderungen Wärmedehnungen zeigt - , ist normalerweise immer erfüllt. Im vorliegenden Fall treten Wärmespannungen auf, wenn verschiedene Temperaturen im Glas unterschiedliche Dehnungen bewirken, die sich behindern.
Beim erfindungsgemäßen Vorgehen werden durch das Aufbringen einer Temperaturdifferenz auf die Grundflächen der quaderförmigen Glasblöcke - "Grundflächen" eines Quaders sind seine sechs rechteckigen oder quadratischen Oberflächen -im Glas Wärmespannungsfelder erzeugt, die jeweils symmetrisch zu den drei halbierenden Mittelebenen der Quader sind. Eine Kühlung eines Glasblocks bewirkt eine Kontraktion seineroberflächennahen Bereiche, die jedoch durch den noch warmen Innenbereich behindert wird. Dabei geraten das äußere des Quaders unter Zug-, das Innere unter Druckspannungen. Wird - wie in der Erfindung vorgesehen - auf der Oberfläche eines quaderförmigen Glasblocks zur Festlegung der Trennebene in einer der drei Mittelebenen künstlich eine wirksame Schwachstelle eingeführt, so wird der Block bei gleichförmiger Kühlung in geeignet bemessener Intensität bevorzugt in der vorgeschwächten Ebene bis auf eine Restfläche getrennt. Dies vollzieht sich in solcher Weise, daß ein Riß von der Schwachstelle ausgeht und sich - vereinfacht ausgedrückt - über diejenigen Bereiche der vorgesehenen Trennebene ausdehnt, in denen senkrecht zum Riß Zugspannungen vorherrschen. Dabei bleibt eine Restfläche, auf die Druckspannungen wirken, im Innern des Blockes ungetrennt. Um auch diesen Bereich zu zerteilen, wird erfindungsgemäß der quaderförmige Block anschließend über seine Oberflächen erwärmt. Die Umkehr der Richtung der Temperaturgradienten hat ein Vertauschen der bisherigen Lage von Zug- und Druckspannungsbereichen im Glasblock zur Folge. Auf Grund der nunmehr an der Restfläche angreifenden Zugspannungen setzt sich die Rißausbreitung bei geeignet gewählter Temperaturerhöhung bis zur vollständigen Zerteilung des Blockes in zwei gleiche Hälften fort. Die so erhaltenen Teilblöcke können dann, falls nötig, erfindungsgemäß weiter zerteilt werden.
Die Größe der auftretenden Wärmespannungen hängt - außer von der Temperaturdifferenz und dem linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials -wesentlich von der Geschwindigkeit ab, mit der die Temperaturdifferenz aufgebracht wird. Besonders hohe Maximalwerte an Wärmespannungen stellen sich an den thermisch beaufschlagten Oberflächen des Glasblockes ein, wenn die Temperaturdifferenz rasch aufgebracht wird (hohe Belastungsgeschwindigkeit).
Allerdings bauen sich diese Maximalwerte mit der Dauer der thermischen Einwirkung ab. Einen anderen zeitlichen Verlauf haben die zugehörigen Wärmespanabsolutes nungen im Innern des Glasblocks. Hier wird ein tpannungsmaximum erst eine bestimmte Zeit nach Beginn der thermischen Beaufschlagung der Oberflächen erreicht. Angewandt auf das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet dies: Die beim Vorgang einer raschen Kühlung erzielte teilweise Trennung des zu zerteilenden quaderförmigen Glasblocks setzt praktisch unmittelbar mit Beginn des Kühlvorgangs ein; dagegen vollzieht sich die vollständige Trennung der während des Kühl vorgangs ungetrennten Restfläche gegenüber dem Beginn der Erwärmung zeitlich verzögert.
Gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der Erfindung wird ein Kühlen des zu zerteilenden quaderförmigen Glasblocks, das schon bei relativ geringer Temperaturdifferenz die zum Trennen erforderlichen Spannungen im Glas erzeugt, durch rasches Eintauchen und zeitweiliges Belassen in der Kühlflüssigkeit eines Kühl bades erreicht. Ein Vorteil dieses Bearbeitungsschrittes ist neben seiner Einfachheit und geringen Umweltbelastung (im Vergleich zum Sägen) seine kurze Dauer, da der hierbei ausgelöste trennende Riß sich innerhalb weniger Sekunden ausbreitet. Auch die anschließende Erwärmung des schon großenteils getrennten quaderförmigen Glasblocks, wodurch das Zerteilen beendet wird, kann in denkbar einfacher Weise vorgenommen werden. In bestimmten vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung genügt zum Zerteilen bereits, daß der gekühlte Block durch freien Wärme austausch mit der Umgebung wieder in seine Ausgangstemperatur zurückkehrt. Andernfalls wird die beim Kühivorgang nicht durchtrennte Restfläche in der vorgesehenen Trennebene getrennt, indem der gekühlte quaderförmige Glasblock zur rascheren Erwärmung vorübergehend in ein Wasserbad von Umgebungstemperatur oder höherer Temperatur eingetaucht wird. Danach liegt der Block in zwei gleiche Hälften gespalten vor.
Für die Einleitung des Trennvorgangs ist es vorteilhaft, wenn der zu zerteilende quaderförmige Glasblock zur Erzeugung einer geeigneten Schwachstelle auf der Oberfläche längs der vorgesehenen Trennebene angeritzt wird.
Als besonders günstig hat sich eine mit einem Hartrnetallrädchen erzeugte umlaufende Kerblinie in der als Symmetrieebene der Spannungsfelder ausgezeichneten Trennebene erwiesen. Die Kerblinie sorgt für eine zusätzliche RiSftihrung bei der Rißausbreitung während des Kühl vorgangs.
Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die beim Kühl vorgang nicht durchtrennbare Restfläche in einem Eckbereich der Trennfläche - und nicht in ihrem Inneren - entstehen zu lassen. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß den bei der Kühlung des Glasblocks auftretenden Wärmespannungen zusätzliche mechanisch bedingte Spannungen überlagert werden.
Dazu wird vor Beginn der Kühlung des quaderförmigen Glasblocks eine äußere Druckkraft senkrecht auf die zur vorgesehenen Trennebene parallelen Grundflächen aufgebracht, deren Wirkung sich auf die nähere Umgebung einer -diese Grundflächen verbindenden - Quaderkante beschränkt. Diese Druckkraft bleibt während des ganzen Kühl vorgangs aufgebracht, wird aber unmittelbar danach wieder entfernt. Die mechanisch erzeugte Druckspannung in einem Eckbereich der Trennfläche führt dazu, daß der während des Kühlvorgangs sich ausbreitende Riß den Quader in der Trennebene mit Ausnahme dieses Eckbereichs zerteilt. Wegen der günstigeren Kraftmomente im Vergleich zu dem Fall, daß die nicht getrennte Restfläche im Inneren der gewünschten Trennfläche liegt, genügt bei der anschließenden Erwärmung des gekühlten Blockes bereits der freie Wärmeaustausch mit der Umgebung, um ihn selbsttätig vollständig zu zerteilen, d.h. der Arbeitsgang der beschleunigten Erwärmung in einem Wasserbad kann bei dieser Ausführunqsform der Erfindung entfallen.
Es wird nun eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen: Fig. 1: Perspektivische Darstellung eines zu zerteilenden quaderförmigen Glasblocks (1) mit einer auf seiner Oberfläche in der vorgesehenen Trennebene (2) umlaufenden Kerblinie; außerdem sind gezeigt eine Einrichtung (5) zum Halten des Blockes und damit verbunden eine Einrichtung (8), mit deren Hilfe - hier über Gewinde - eine Druckspannung in einem Eckbereich der vorgesehenen Trennfläche erzeugt wird.
(Die Bezugsziffern (3) und (4) kennzeichnen zwei einander entgegengesetzt gegenüberliegende Quaderkanten.) Fig. 2: Ansicht einer Vorrichtung'in der quaderförmige Glasblöcke (1) - durch die Einrichtung (8) mit einer äußeren Druckkraft beaufschlagt - durch Eintauchen in ein Kühlbad (6) bis auf einen Restbereich zerteilt werden. Die Bezugsziffer (7) kennzeichnet eine (nicht gezeigte) Antriebseinrichtung, welche die zu zerteilenden Blöcke auf dem Bearbeitungsweg längs der Führung (9) transportiert.
Es hat sich in erfindungsgemäßen Versuchen als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der mit einer umlaufenden Kerblinie versehene quaderförmige Glasblock in diagonaler Ausrichtung gemäß Fig. 2 zuerst mit derjenigen Quaderkante (4) in das Kühlbad eingetaucht wurde, welche der durch die äußere Druckkraft beaufschlagten Kante (3) entgegengesetzt gegenüberlag,und wenn erst dann der ganze Block untergetaucht wurde. Bei diesem zweistufigen Vorgehen wird an der vorab gekühlten Kante zunächst eine lokale Ausgangsrißvertiefung erzielt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,die aus einer Einrichtung (5) zum Halten von quaderförmigen Glasblöcken (1), aus einer Einrichtung (6) zum Kühlen und aus einer Einrichtung (7) besteht, mit der die Blöcke auf dem Bearbeitungsweg (9) transportiert werden können.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung enthält neben einem Kühlbad (6) zusätzlich ein Wasserbad zum Erwärmen der zuvor gekühlten Blöcke, wodurch der im Kühlbad eingeleitete jeweilige Trennschnitt beendet wird.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß mit der Einrichtung (5), welche die Blöcke hält, eine Einrichtung (8) verbunden ist, mit deren Hilfe auf die Blöcke (1) während des Durchlaufens des Kühl bades (6) eine äußere Druckkraft aufgebracht werden kann.
Die vorstehenden Ausführungsformen sollen die Erfindung lediglich erläutern, ohne sie zu beschränken. Es sind darüber hinaus viele andere Ausgestaltungen im Rahmen der Erfindung möglich.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind vor allem die Einfachheit des Verfahrens und seiner Anwendung, der geringe Aufwand an technischen Mitteln und die kurze Dauer des Bearbeitungsprozesses.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert ebene, glatte, durchsichtige Trennflächen, die oft nur eine geringe Nachbearbeitung erfordern.
Die wirtschaftlich arbeitende erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet Werkzeugverschleiß und kann gleichzeitig mit mehreren Blöcken bestückt werden. Sie bietet einen sauberen Arbeitsplatz mit geringer Umweltbelastung und vermeidet Lärm, Glasstaub, Splitter usw.
In einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wurde ein quaderförmiger Glasblock mit den Abmessungen 75 x 75 x 40 mm3 mit einer umlaufenden Kerblinie versehen und in zwei gleiche Hälften von 75 x 75 x 20 mm3 zerteilt. Die bei der Kühlung gemäß Fig. 2 aufgebrachte Temperaturdifferenz betrug 52 K, die Kühlung dauerte 30 s. Währenddessen war durch eine Schraubzwinge gemäß Fig. 1 eine äußere Druckkraft von ca. 2000 N aufgebracht. Nach Entfernen der äußeren Druckkraft im Anschluß an den Kühlvorgang zerteilte sich der Glasblock selbsttätig, während er durch freien Wärmeaustausch mit der Umgebung in seine Ausgangstemperatur zurückkehrte.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (1) jeweils durch einen Trennschnitt parallel zu einem Paar von Grundflächen halbiert werden und daß die so erhaltenen Teilblöcke, falls nötig, in gleicher Weise weiter zerteilt werden und daß zur Erzeugung dieser Trennschnitte die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden: a) zunächst wird auf der Oberfläche der quaderförmigen Glasblöcke in der jeweils vorgesehenen Trennebene (2) eine Schwachstelle erzeugt, b) die Glasblöcke werden nun durch Aufbringen einer geeigneten Temperaturdifferenz genügend lange so stark gekühlt, daß in ihnen Wärmespannungen in ausreichender Größe entstehen, wodurch die Blöcke -ausgehend von der geschwächten Stelle - in der vorgesehenen Trennebene bis auf eine Restfläche getrennt werden, c) im Anschluß an den Kühlvorgang werden die Glasblöcke über ihre Oberflächen erwärmt, so daß sie auch längs der Restfläche in der vorgesehenen Trennebene getrennt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenozeichnet, daß die Kühlung der zu zerteilenden quaderförmigen Glasblöcke durch rasches Eintauchen und zeitweiliges Belassen in der Kühlflüssigkeit eines Kühlbades erfolgt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die quaderförmigen Glasblöcke im Anschluß an den Kühlvorgang durch freien Wärmeaustausch mit der Umgebung wieder ihre Ausgangstemperatur erlangen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an den Kühlvorgang eine erzwungene Erwärmung der quaderförmigen Glasblöcke in einem Wasserbad- erfolgt, wobei das Wasser entweder Umgebungstemperatur oder eine höhere Temperatur besitzt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß die quaderförmigen Glasblöcke zur Erzeugung einer geeigneten Schwachstelle auf der Oberfläche längs der jeweils vorgesehenen Trennebene auf eine an sich bekannte Weise angeritzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn der Kühlung der quaderförmigen Glasblöcke (1) eine äußere Druckkraft senkrecht auf die zur vorgesehenen Trennebene (2) parallelen Grundflächen aufgebracht wird, deren Wirkung sich auf die nähere Umgebung einer - diese Grundflächen verbindenden - Quaderkante (3) beschränkt, und daß diese Druckkraft auch während des Kühlvorgangs aufgebracht bleibt, aber unmittelbar danach entfernt wird, worauf zumeist die Erwärmung der gekühlten Blöcke durch freien Wärmeaustausch mit der Umgebung genügt, um sie selbsttätig vollständig zu trennen.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Druckkraft pneumatisch, hydraulisch oder durch Gewinde(8) erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der zu zerteilenden quaderförmigen Glasblöcke (1) jeweils an derjenigen Kante(4) begonnen wird, welche der durch die äußere Druckkraft beaufschlagten Kante (3) entgegengesetzt gegenüberliegt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der zu zerteilenden quaderförmigen Glasblöcke (1) in zwei Stufen erfolgt, wobei zunächst ein kleiner Bereich um diejenige Quaderkante (4), welche der durch die äußere Druckkraft beaufschlagten Kante (3) entgegengesetzt gegenüberliegt, kurzzeitig vorgekühlt wird, bevor die Kühlung die gesamte Blockoberfläche erfaßt.
10. Vorrichtung zur- Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 - 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (5) zum Halten der Blöcke (1), durch eine Einrichtung (6), in der die Blöcke gekühlt werden können, um in ihnen Wärmespannungen zum Zerteilen hervorzurufen, sowie durch eine Einrichtung (7), welche die Blöcke auf dem Bearbeitungsweg (9) transportiert.
11. Vorrichtung nach Anspruch lo, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6), in der die quaderförmigen Glasblöcke (1) gekühlt werden, ein mit einer Kühlflüssigkeit gefülltes Kühlbad ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zu zerteilenden quaderformigen Glasblöcke zur Beendigung des Trennschnittes im Anschluß an den Kühlvorgang zusätzlich eine Einrichtung zum Erwärmen durchlaufen (in Fig. 2 nicht dargestellt).
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erwärmen der vorher gekühlten quaderförmigen Glasblöcke ein Wasserbad ist.
14 Vorrichtung nach einem der Ansprüche lo - 13, dadurch gekennzeichnet, daß kombiniert mit der Einrichtung (5), welche die Blöcke hält, eine Einrichtung (8) vorgesehen ist, mit deren Hilfe auf die quaderförmigen Glasblöcke (1) während des Durchlaufens der Kühleinrichtung (6) eine äußere Druckkraft aufgebracht wird.