DE4214159C1 - Verfahren zum Erzeugen von Bruchspannungen in Glas - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum thermischen Erzeugen von Bruchspannungen im Glas.

Im Verlauf der Be- und Verarbeitung von Glas ist es häufig erforderlich, Glas zu trennen. Die Trennverfahren für Glas lassen sich grob unterteilen in Ritzen/Brechen, Sägen und Schneiden. Sägen und Schneiden (Abschmelzen) haben den Nachteil, daß sie viel Zeit beanspruchen. Bei dem Ritzen erzeugt man eine Materialschwächung, von der aus sich bei Induzieren einer Spannung ein Riß ausbreitet, der zur Trennung des Glases führt. Das Ritzen kann mechanisch, z. B. mit einer Diamantfeile oder einem Glasschneider oder auch mittels eines CO₂-Lasers (DE 35 37 434 A1 oder EP 00 62 484) erfolgen. Das Ritzen erfolgt hierbei durch Verdampfen von Glas mittels Laserstrahlenergie. Die Spannung wird bei der manuellen Verarbeitung häufig thermisch induziert, z. B. bei dem Absprengen von Röhren durch Aufpressen eines flüssigen Glastropfens auf den Riß, durch Erhitzen der Ritzstelle mit einem glühenden Absprenghaken, durch Abbrennen einer um den Ritzkreis gelegten, mit Benzin getränkten Schnur usw. Auch dieses Verfahren ist zeitaufwendig, darüber hinaus ist es bekannt, daß die entstandene Trennstelle nicht immer den Anforderungen an die Genauigkeit des Rißverlaufs, die Bruchflächenqualität und die Splitterfreiheit entspricht. Aus EP 04 48 168 A1 ist auch bekannt, die zur Ausbreitung eines Initialrisses erforderliche Spannung durch einen Laserstrahl thermisch zu induzieren. Nachteilig ist, daß auch hier ein Initialriß durch Ritzen erzeugt werden muß.

Aus GB-PS 14 33 563 ist ein Verfahren zum Glasschneiden bekannt, bei dem zwei Laserstrahlen unterschiedlicher Energie nacheinander über die Trennlinie geführt werden, um die Trennung zu bewirken. Ein solches Verfahren ist jedoch verhältnismäßig aufwendig.

Bei relativ hohen Prozeßgeschwindigkeiten ist nur das Ritzen und Brechen anwendbar, bei dem ausgehend von der Ritzstelle der zum Bruch führende Riß durch Aufbringen einer geeigneten mechanischen Spannung erzeugt wird.

Nachteilig dabei ist jedoch, daß auch hierbei nicht alle Anorderungen an die Trenngenauigkeit, die Bruchflächenqualität und die Splitterfreiheit des Bruches erfüllt werden können, da nur oberflächennahe Glasschichten bis zu einer Tiefe von ca. 100 µm geritzt werden und eine kontrollierte Beeinflussung des Spannungsprofils in der Tiefe kaum möglich ist. Darüber hinaus lassen sich komplizierte Profile nach der Ritzel/Brechen-Technik nicht trennen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Erzeugen von Bruchspannungen im Glas zu finden, das kontaktlos arbeitet, d. h. bei dem nicht geritzt werden muß, das eine hohe Trenngeschwindigkeit mit hoher Trenngenauigkeit verbindet, das auch bei komplizierten Profilen möglich ist und mit dem eine gute Bruchflächenqualität mit geringer Splitterbildung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beschriebene Verfahren gelöst.

Es konnte gefunden werden, daß beim Bestrahlen von Glas entlang der geplanten Trennlinie in einer Breite von höchstens 0,15 mm mit energiereicher elektromagnetischer Strahlung einer Leistungsdichte von mindestens 10 kW/mm² und Aufheizzeiten kleiner als 125 ms in einem Wellenlängenbereich, in dem die Absorptionslänge der Strahlung in dem Glas in der Größenordnung der Werkstückdicke liegt, Bruchspannungen erzeugt werden, die zu sehr genauen Brüchen mit erstklassiger Bruchflächenqualität führen.

Die Bruchauslösung erfolgt je nach der Intensität der Bestrahlung durch die Höhe der induzierten Spannung selbst, d. h. spontan oder falls eine Sollbruchstelle erwünscht ist, durch Aufbringen einer zusätzlichen Spannung.

Die Bestrahlung des Glases erfolgt entlang der geplanten Bruchlinie. Eine Linienbreite für den Energiestrahl von 0,15 mm soll nicht überschritten werden, da sich sonst die Bruchqualität verschlechtert. Bevorzugt wird eine Linienbreite von höchstens 0,1 mm.

Im allgemeinen wird der Energiestrahl eine Linienbreite von 0,05 mm bis 0,1 mm besitzen. Kleinere Linienbreiten sind durchaus möglich, können jedoch für energiereiche Strahlung mit den derzeitigen optischen und technischen Mitteln nur unter erhöhtem Aufwand erzielt werden.

Die Wellenlänge der verwendbaren elektromagnetischen Strahlung liegt zwischen etwa 1 und 5 µm. Sie muß je nach zu bestrahlendem Glastyp so gewählt werden, daß die Strahlung nicht im wesentlichen an der Oberfläche absorbiert wird, sondern daß die Absorptionslänge der Strahlung in dem Glas in der Größenordnung der Werkstückdicke liegt. Als Absorptionslänge ist die Eindringtiefe der Strahlung in das Glas definiert, bis zu der die Strahlung bis auf einen Rest von ca. 36% absorbiert ist. Die Absorptionslänge der Strahlung soll in der Größenordnung der Werkstückdicke liegen, wobei darunter die Werkstückdicke ± etwa 40% verstanden wird. Liegt die Absorptionslänge darunter, so besteht die Möglichkeit, daß die Qualität der späteren Bruchkante nicht mehr zufriedenstellend ist, liegt sie höher, so geht ein immer größerer Anteil der Strahlung ungenutzt verloren. Sollen Bruchspannungen in Rohren erzeugt werden, z. B. für das Abtrennen von Rohrabschnitten, so reicht es vollkommen aus, wenn die Trennlinie etwa 25 bis 50% der Umfangslinie beträgt, um einwandfreie Bruchflächen zu erhalten.

Bei farbigen Gläsern können alle Wellenlängen zur Anwendung kommen, mit denen sich entsprechende Absorptionslängen im Glas erreichen lassen. Die geeignete Wellenlänge richtet sich nach der Färbung des Glases und kann anhand von Transmissionskurven leicht ermittelt werden. Bei farblosen Gläsern findet bevorzugt eine Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 2,9 und 3 µm Verwendung, die die in praktisch allen Gläsern vorhandenen OH-Gruppen zu thermischen Schwingungen anregt. Diese Strahlung dringt in für die Erzeugung thermischer Spannungen wirksamer Intensität mehrere Millimeter tief in das Glas ein und erhitzt es bis zu dieser Tiefe gleichmäßig und praktisch gleichzeitig. Diese Strahlung ist daher für praktisch alle Gläser geeignet.

Dauerhafte Spannungen im Glas werden bekanntlich dadurch erzeugt, daß das Glas lokal über die Transformationstemperatur Tg erhitzt wird. Beim nachfolgenden Abkühlen entstehen die mechanischen Spannungen zwischen den erhitzten und nicht erhitzten Teilen des Glases. Der Temperaturanstieg in der benachbarten nicht erhitzten Partie des Glases soll so gering wie möglich bleiben und die erhitzte Zone soll so schnell wie möglich wieder abkühlen.

Diese Forderung kann mit der schmalen Linienbreite von maximal 0,15 mm, bevorzugt maximal 0,1 mm, in indealer Weise erreicht werden. Bei dieser Linienbreite ist die Masse des zu erhitzenden Glases gering, so daß schnelle Aufheizzeiten erreicht werden können und nach dem Abschaltung der Strahlung kühlt die geringe erhitzte Masse auch sehr schnell wieder ab, ohne daß die anliegenden Glaspartien durch eine zu große heiße Masse, zu warm würden. Die Zeit, die für die Erzeugung von für einen Bruch ausreichenden Bruchspannungen erforderlich ist, kann jeder Fachmann anhand weniger Versuche leicht feststellen, wobei generell die Regel gilt, daß bei sehr schmalen zu erhitzenden Zonen und schlechter wärmeleitenden Gläsern die Erhitzungszeit geringfügig (ca. 25%) länger sein kann als bei breiteren Zonen oder thermisch gut leitenden Gläsern. Es hat sich gezeigt, daß im allgemeinen eine Erhitzungszeit von 125 msec nicht überschritten werden sollte, wenn Zonen einer Linienbreite von 0,15 mm erhitzt werden. Erhitzt man länger, kommt es zu einer stärkeren Wärmediffusion, die im Ergebnis zu einer schlechteren Bruchflächenqualität führen kann. Bevorzugt werden Erhitzungszeiten von 100 msec und darunter.

Die Bruchspannung läßt sich besonders günstig erzeugen, wenn die Strahlung auf die Trennlinie mit einer Leistungsdichte von mindestens 10 kW-mm^-2 aufgebraucht wird. Bevorzugt wird eine Leistungsdichte von mehr als 20 kW-mmn^-2, insbesondere von mehr als 25 kW-mm^-2. Unterschreitet man eine Leistungsdichte von 10 kW-mm^-2, so dauert die Erhitzung insbesondere bei größeren Glasdicken länger, was zu größerer Wärmediffusion führt und die Qualität des Bruches verschlechtern kann.

Die Geometrie der Strahlung kann so ausgebildet sein, daß der Strahl eine Linie bildet, die die gesamte Trennlinie gleichzeitig überdeckt. Bei längeren Trennlinien ist es aber schwierig bis unmöglich, ausreichend Energie für den Strahl zu Verfügung zu stellen. Im allgemeinen wird man daher den Strahl punkt- oder ellipsenförmig ausbilden, wobei der Punktdurchmesser bzw. der (im allgemeinen kleinere) Durchmesser der Ellipse der Linienbreite der zu erhitzenden Zone der Trennlinie entspricht. Der punkt- oder ellipsenförmige Strahl kann oszillierend über die Trennlinie geführt werden, wobei die Oszillationsfrequenz im allgemeinen so gewählt wird, daß die Trennlinie als ganzes von dem Strahl überstrichen und gleichzeitig erhitzt wird. Als Frequenz für die Oszillation des Strahls haben sich Werte von 100 Hz bis ca. 5 kHz als günstig erwiesen. Bei sehr langen Trennlinien kann die durch das Oszillieren des Strahls in die Trennlinie eingebrachte Energie mitunter zu gering sein, um eine ausreichend schnelle Erhitzung des Glases zur Ausbildung einer sehr guten Bruchfläche zu bewirken. In diesen Fällen kann die Trennlinie abschrittsweise erhitzt werden oder der punkt- oder ellipsenförmige Strahl wird mit einer solchen Geschwindigkeit über die Trennlinie geführt, daß das Glas unterhalb der Auftreffstelle die für die Erzeugung von Bruchspannungen erforderliche Temperatur erreicht. Es ist ferner möglich, statt einer kontinuierlichen Strahlung eine gepulste Strahlung zu verwenden, wobei die Trennungslinie in eine Reihe ineinander übergehender oder unmittelbar nebeneinanderliegender (Abstand ca. 0,1-5 mm) Punkte aufgelöst wird. In jedem Fall soll jedoch für das bestrahlte Volumenelement eine Erhitzungszeit von 125 ms nicht überschritten werden.

Es ist nicht immer erforderlich, die Strahlung senkrecht auf die Glasoberfläche auftreffen zu lassen bzw. bei Rohren oder Stäben sagittal auftreffen zu lassen, vielmehr kann man auch zur Erzeugung besonderer Spannungsprofile den Strahl geneigt auftreffen lassen, z. B. um das Spannungsprofil an die Werkstückgeometrie anzupassen. Ein nicht senkrechter Winkel kann auch zu einer Verringerung der Strahlungsverluste führen, was insbesondere bei Verwendung des Brewster-Winkels der Fall ist.

Gepulste Strahlung entsteht insbesondere bei der Verwendung von Lasern als Strahlungsquelle. Laser sind als Strahlungsquelle besonders geeignet, da sie auf einfache Art eine Strahlung, mit der sich die gewünschte Leistungsdichte erreicht läßt, erzeugen. Geeignete Laser, die in unterschiedlichen Wellenbereichen abstrahlen, sind z. B. Nd:YAG- oder CO-Laser. In dem Wellenlängenbereich von 2,9 bis 3 µm strahlen Erbium:YAG-Laser ab, deren Verwendung daher besonders bevorzugt wird. Die Pulsenergie derartiger, kommerziell erhältlicher Laser liegt im Bereich von 0,1 bis 6 Joule und die Pulslänge liegt je nach Ausführungsform zwischen 50 µs und 5 ms. Mit einer Pulsenergie von 2 J und einem Strahldurchmesser von 0,05 mm läßt sich eine Bruchspannung im Glas innerhalb von 1 ms erreichen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es erstmals möglich, berührungslos und innerhalb kürzester Zeit Bruchspannungen auch entlang komplizierter Trennungslinien zu erzeugen, da elektromagnetische Strahlung in dem beanspruchten Wellenlängenbereich besonders gut fokussiert und z. B. über Spiegel geführt werden kann. Dabei hat es der Fachmann in der Hand, die Höhe der Spannungen so zu wählen, daß entweder der Bruch spontan eintritt oder daß der Bruch bei Aufbringen einer zusätzlichen mechanischen Spannung erfolgt, was z. B. bei Ampullen mit vorgefertigter Sollbruchstelle erwünscht ist.

Beispiel

Ein Glasrohr aus Borosilikatglas 3.3. der Zusammensetzung in Gew.-% von 79,7 SiO₂; 10,3 B₂O₃; 3,1 Al₂O₃; 5,2 Na₂O; 0,8 CaO; 0,9 MgO mit einem Durchmesser von 2 cm und einer Wandstärke von 0,08 cm sollte radial getrennt werden. Es wurde mit einer Strahlung der Wellenlänge 2,94 µm auf einer Trennlinie quer zur Rohachse bestrahlt. Die Strahlung war auf einen Strahldurchmesser von 0,5 mm fokussiert und besaß eine Leistungsdichte von 25 kW-mm^-2. Der Strahl wurde mittels eines gepulsten Erbium:YAG-Lasers (Pulsfrequenz 10 Hz) erzeugt und innerhalb von 0,5 s entlang der Trennlinie geführt. Das Glas war dabei an der Auftreffstelle jeweils 2 ms dem Strahl ausgesetzt. Der Strahl mußte nicht ringförmig um das Rohr herumgeführt werden, sondern er wurde lediglich quer zur Rohrachse auf einer Sehne entsprechend 50° Zentriwinkel geführt. Beim Abkühlen bildete sich infolge der erzeugten Bruchspannungen ein splitterfreier Bruch in Umfangsrichtung aus, der eine exakte Bruchfläche ohne Ausmuschelungen oder dergleichen besaß.

Claims (8)

1. Verfahren zum Erzeugen von Bruchspannungen in Glas, dadurch gekennzeichnet, daß die Bruchspannung durch Bestrahlung des Glases entlang der Trennlinie in einer Breite von höchstens 0,15 mm mit energiereicher elektromagnetischer Strahlung einer Leistungsdichte von mindestens 10 kW/mm² und Aufheizzeiten kleiner als 125 ms in einem Wellenlängenbereich erfolgt, in dem die Absorptionslänge der Strahlung in der Größenordnung der Werkstückdichte liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennlinie mit elektromagnetischer Strahlung einer Leistungsdichte von mindestens 25 kW-mm^-2 bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennlinie in einer Breite höchstens 0,1 mm bestrahlt wird.

4. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Volumenelement in weniger als 125 ms über Tg erhitzt wird.

5. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Strahlung punkt- oder ellipsenförmig fokussiert wird und der Strahl ein- oder mehrfach über die Trennlinie geführt wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mittels kontinuierlicher oder in eine Folge von Impulsen aufgelöster Strahlung erfolgt.

7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mittels eines Lasers erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung mittels eines Erbium:YAG-Lasers erfolgt.