DE2813304C3

DE2813304C3 - Verfahren zum Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas

Info

Publication number: DE2813304C3
Application number: DE19782813304
Authority: DE
Inventors: Manfred 7800 Freiburg Jüngling
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: 1981-05-21
Also published as: DE2813304A1; DE2813304B2

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er z. B. aus der DE-AS 30 530 bekannt ist.

Glas ζ. B. in Form von Block- oder Barrenglas wird in der glasveredelnden Industrie u. a. zur Erzeugung von Rohlingen für optische Bauteile (Prismen, Linsen usw.)

65 zerteilt Es ist allgemein bekannt, daß dazu mechanische Bearbeitungstechniken unter Verwendung von Sägewerkzeugen herangezogen werden können. Dabei hat der Einsatz von Glassägemaschinen mit rotierenden Sägescheiben in der Regel folgende Nachteile:

1. Die Abmessungen der damit zerteilbaren Glasblökke werden durch den Durchmesser der Sägeschaiben 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. Die Verfahren z. B. nach DE-AS 10 30 530, DE-AS 12 38 164 und FR-PS 12 43 880 haben das thermische Spalten von Glasscheiben zwecks Herstellung von Verbundglasscheiben zum Ziel. Hiermit werden »aufeinanderpassende Glasscheiben aus einer Ausgangsplatte durch Spalten derselben in einer zu ihren Oberflächen parallelen Fläche« erzeugt Dies soll durch symmetrisches Kühlen der an den Kantenflächen angeritzten Glasplatte erreichbar sein. Es treten jedoch, wie in DE-AS 10 30 530 eingeräumt wird, Schwierigkeiten beim Abschluß des Spaltvorganges auf, wodurch sich Unregelmäßigkeiten und Störungen in der Qualität der Spaltungsflächen oft nicht vermeiden lassen. Bei der Herstellung von Verbundgläsern mit Mittellagen aus Kunststoff können derartige Mängel im allgemeinen noch in Kauf genommen oder schlimmstenfalls aus den Glasscheiben herausgeschnitten werden (DE-AS 10 30 530).

Beim Zerteilen z. B. von Glasquadern zur Erzeugung von Rohlingen für optische Bauteile werden jedoch sehr viel höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Trennflächen gestellt, damit aufwendige Nachbearbeitungsvorgänge eingespart werden können. Daher sind Unregelmäßigkeiten, wie sie sich bei den genannten Verfahren ergeben, hier untragbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, quaderförmige Blöcke aus Glas durch Halbieren parallel zu einem Paar von Grundflächen mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen zu zerteilen, so daß die Nachteile der bisher bekannten thermischen Spaltungsverfahren vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gelöst, weitere vorteilhafte Ausgestaltrngen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Als mögliche Trennebenen für das erfindungsgemäße Zerteilen eines quaderförmigen Blockes aus Glas kommen also solche Symmetrieebenen in Betracht, die Mittelebenen zwischen einem Paar von Grundflächen sind. (Als »Grundflächen« eines Quaders bezeichnet man seine sechs rechteckigen oder quadratischen Teiloberflächen).

Das Verfahren sieht als ersten Schritt die an sich bekannte Erzeugung einer Schwachstelle auf der Oberfläche des zu zerteilenden Glasblockes vor, an der nachher der Trennvorgang eingeleitet wird, und zwar sollte die von der vorgesehenen Trennebene und der Oberfläche des Blockes gebildete Schnittlinie möglichst in voller Länge angeritzt werden, da eine umlaufende Kerblinie beim anschließenden Spalten zugleich eine gewisse Führung ausübt.

Um den Block entlang der vorgesehenen Trennebene zu zerteilen, müssen die das Material trennenden

Spannungen symmetrisch zu dieser Ebene gelegen sein. Dies wird im vorliegenden Fall durch Aufbringen von Temperaturänderungen erreicht (Eine Grundvoraussetzung dafür, daß sich dabei Wärmespannungen ausbilden können, — daß nämlich das Material bei 5 Temperaturänderungen Wärmedehnungen zeigt —, ist normalerweise immer erfüllt). Wärmespannungen treten auf, wenn die aus unterschiedlichen Temperaturen resultierenden unterschiedlichen Dehnungen des Materials sich gegenseitig behindern.

Der zweite Verfahrensschritt (= erster thermischer Verfahrensüchritt) sieht ein Kühlen des angeritzten quaderförmigen Glasblockes in an sich bekannter Weise vor. Dies bewirkt eine Kontraktion seiner oberflächennahen Bereiche, die jedoch durch den noch warmen Innenbereich behindert wird. Dadurch geraten das gekühlte Äußere des Blockes unter Zug, das Innere hingegen unter Druck. Erfolgt die Kühlung mit geeignet bemessener Intensität und zeitlicher Dauer, so wird der Block entlang der vorgesehenen Trennebene bis auf eine Restfläche getrennt Dies vollzieht sich in solcher Weise, daß ein Riß von der Kerblinie auf der Oberfläche ausgeht und sich — vereinfacht ausgedrückt — über diejenigen Bereiche der vorgesehenen Trennfläche ausdehnt, in denen sich senkrecht zum Riß Zugspannungen ausbilden. Daß der quaderförmige Block dabei in der vorgesehenen Trennfläche zunächst nicht vollständig getrennt wird, ist grundsätzlich bed'ngt. Es ist dies eine Folge des Prinzips des Kräftegleicngewichts. In der unzertrennten Restfläche liegen nämlich während der Kühlung Druckspannungen vor, welche denjenigen Zugspannungen, die im übrigen Teil der vorgesehenen Trennfläche das Spalten bewirken, die Waage halten.

Um den Block längs dieser Restfläche in der vorgesehenen Trennebene zu zerteilen, ist eine weitere technische Maßnahme erforderlich. Die vorliegende Erfindung sieht hierfür als neuen, dritten Verfahrensschritt (= zweiter thermischer Verfahrensschritt) vor, daß der quaderförmige Glasblock im Anschluß an den Kühlvorgang über seine Oberflächen erwärmt wird. Die Umkehr der Richtung der Temperaturgradienten bewirkt ein Vertauschen der bisherigen Lage von Zug- und Druckspannungsbereichen im Block. Auf Grund der nun an der vorher unzertrennten Restfläche angreifenden Zugspannungen setzt sich die Rißausbreitung bei geeignet gewählter Temperaturerhöhung bis zur vollständigen Spaltung 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 Glasbiockes ein, wenn die Temperaturdifferenz rasch aufgebracht wird. Allerdings bauen sich diese Maximalwerte mit der Dauer der thermischen Einwirkung ab. Einen anderen zeitlichen Verlauf zeigen die Wärmespannungen im Innern des Blockes. Hier wird ein absolutes Spannungsmaximum erst eine bestimmte Zeit nach Beginn der thermischen Beaufschlagung der Oberflächen erreicht. Übertragen 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; bei der anschließenden Erwärmung hingegen vollzieht sich die Trennung der vorher unzertrennten Restfläche gegenüber dem Beginn der Erwärmung verzögert

In einer besonders günstigen Ausführungsform des Verfahrens werden die thermischen Einwirkungen auf den zu zerteilenden Block durch rasches Eintauchen und zeitweiliges Belassen in der Flüssigkeit eines Kühlbades bzw. in einem erwärmenden Wasserbad erzielt

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform für das Zerteilen eines quaderförmigen Blockes aus Glas zielt darauf ab, die beim Kühlvorgang nicht durchtrennbare Restfläche in einem Eckbereich — und nicht im Inneren

— der vorgesehenen Trennfläche entstehen zu lassen. Dies wird dadurch erreicht, daß den durch die Kühlung im Block induzierten Wärmespannungen zusätzliche mechanisch bedingte Spannungen in folgender Weise überlagert werden: Vor Beginn des Kühlens wird eine äußere Druckkraft senkrecht auf die zur vorgesehenen Trennebene parallelen Grundflächen des Blockes aufgebracht deren Wirkung sich auf die nähere Umgebung einer — diese Grundflächen verbindenden

- Kante beschränkt Die äußere Druckkraft bleibt während des gesamten Kühlvorgangs angewandt, wird aber unmittelbar danach entfernt. Wenn die beim Kühlvorgang nicht durchtrennbare Restfläche im Bereich einer Ecke der vorgesehenen Trennfläche liegt, ergibt das Zerteilen bei der anschließenden Erwärmung auf Grund der günstigen Kraftmomente eine besonders gute Trennflächenqualität

Es wird nun eine Ausführungsform der Erfindung an Hand der Zeichnungen näher erklärt:

F i g. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung einen quaderförmigen Glasblock (1) mit einer auf seiner Oberfläche in der vorgesehenen Trennebene (2) umlaufenden Kerblinie; außerdem ist darin eine Einrichtung (5 und 8) dargestellt mit deren Hilfe - hier über Gewinde — eine Druckspannung in einem Eckbereich der vorgesehenen Trennfläche erzeugt wird. Die Einrichtung (5 und 8) kann zugleich die Funktion einer Halterung des Blockes übernehmen. (Die Bezugsziffern 3 und 4 kennzeichnen zwei einander entgegengesetzt gegenüberliegende Quaderkanten).

F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung, in der quaderförmige Glasblöcke (1), während sie durch Einrichtungen (5 und 8) mit einer äußeren Druckkraft beaufschlagt sind, ein Kühlbad (6) durchlaufen und dabei längs der vorgesehenen Trennebene bis auf eine Restfläche getrennt werden. Die Bezugsziffer 7 kennzeichnet eine (nicht gezeigte) Antriebseinrichtung, welche die Blöcke längs einer Führung (9) transportiert

Es hat sich in Versuchen als günstig erwiesen, wenn der zu zerteilende Block (1) in diagonaler Ausrichtung gemäß F i g. 2 zuerst mit derjenigen Quaderkante (4) in das Kühlbad (6) eingetaucht wird, welche der durch die äußere Druckkraft beaufschlagten Kante (3) - s. F i g. 1 — entgegengesetzt gegenüberliegt und wenn erst dann auch der übrige Block eingetaucht wird. Bei diesem zweistufigen Vorgehen wird an der vorab gekühlten Kante zunächst eine lokale Anrißvertiefung erzielt.

Eine vollständige Vorrichtung zum Zerteilen von quaderförmigen Blöcken aus Glas in der angedeuteten Ausführungsform enthält neben dem Kühlbad (6) ein in F i g. 2 nicht dargestelltes Wasserbad, worin die zuvor durch Kühlung eingeleitete Trennung der Blöcke vollendet wird.

Vorteile der Erfindung sind vor allem die Einfachheit des Verfahrens und seiner Anwendung, der geringe Aufwand an technischen Mitteln und die kurze Dauer

des Bearbeitungsprozesses. Das Verfahren liefert ebene, glatte, durchsichtige Trennflächen, die oft nur eine geringe Nachbearbeitung erfordern. Werkzeugverschleiß wird weitgehend vermieden. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bietet einen sauberen Arbeitsplatz mit geringer Umweltbelastung, da Glasstaub, Splitter, Lär m usw. praktisch nicht auftreten.

In einem Ausführungsbeispiel wurde ein quaderförmiger Glasblock mit den Abmessungen 75 χ 75 χ 40 mm³ mit einer umlaufenden Kerblinie versehen und in zwei gleiche Hälften von jeweils 75 χ 75 χ 20 mm³ zerteilt. Die bei der Kühlung gemäß F i g. 2 aufgebrachte Temperaturdifferenz betrug 52 K, die Kühlung dauerte 30 s. Währenddessen war durch eine Schraubzwinge gemäß F i g. 1 eine äußere Druckkraft von ca. 2000 N aufgebracht. Im Anschluß an den Kühlvorgang wurde dann der Glasblock, nachdem die äußere Druckkraft entfernt worden war, für 40 s in Wasser mit einer Temperatur von 312 K eingetaucht

ίο und dadurch endgültig halbiert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zerteilen von quaderförmigen Blöcken (1) aus Glas durch Halbieren parallel zu einem Paar von Grundflächen mit Hilfe von thermisch induzierten Spannungen, wobei zunächst eine Materialschwächung in Form einer Kerblinie auf der Oberfläche der Blöcke (1) an der vorgesehenen Trennebene (2) erzeugt wird und wobei dann die Blöcke (1) gekühlt werden, so daß sie durch hierbei entstehende Wärmespannungen — ausgehend von der Kerblinie — in der vorgesehenen Trennebene (2) bis auf eine Restfläche getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Blöcke (1) im Anschluß an den Kühlvorgang über ihre Oberflächen erwärmt werden, so daß sie längs der vorher unzertrennten Restfläche in der vorgesehenen Trennebene (2) zerteilt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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 im Anschluß an den Kühlvorgang eine Erwärmung der quaderförmigen Glasblöcke in einem Wasserbad erfolgt, wobei das Wasser entweder Umgebungstemperatur oder eine höhere Temperatur besitzt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1—3, 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 b.teibt, aber unmittelbar danach entfernt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Druckkraft pneumatisch, hydraulisch oder durch Gewinde erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, 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.

7. Verfahren nach Anspruch 6, 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.