WO2016156235A1 - VERFAHREN ZUM TRENNEN VON GLAS MITTELS EINES LASERS, SOWIE VERFAHRENSGEMÄß HERGESTELLTES GLASERZEUGNIS - Google Patents

VERFAHREN ZUM TRENNEN VON GLAS MITTELS EINES LASERS, SOWIE VERFAHRENSGEMÄß HERGESTELLTES GLASERZEUGNIS Download PDF

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glass
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laser beam
laser
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Stephan Behle
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Definitions

  • the invention generally relates to the cutting of glass.
  • the invention relates to the cutting of glass by laser-induced voltage tripping.
  • One common method of breaking glass is scratching.
  • a linear damage zone is introduced into the glass mechanically, typically with a scoring wheel.
  • Production-related for example, during
  • Retraction of a glass ribbon from a preform or drawing from a melt typically form edge regions thickened at the edge of the glass ribbon
  • WO 2011/026074 A1 describes a method for inserting a slit into a glass substrate.
  • a laser beam is directed to damage and moved across the glass surface.
  • a jet of fluid is directed directly at the laser spot on the glass surface so that the glass is cooled even before the temperature generated by the laser beam is completely equilibrated by the thickness of the glass substrate.
  • the thermal stress is limited to a part of the thickness of the
  • US 6,327,875 Bl describes a method in which also the glass is not completely separated, wherein a scribe is inserted with a laser beam. The separation of the glass is then carried out by applying a bending moment. It is proposed to use a laser beam with an elongated elliptical beam profile and block at least one end of a portion of the beam.
  • the invention provides a method for
  • Laser beam is formed by means of a Strahlformumgsoptik so that its beam profile has an elongated shape, and wherein the laser beam is directed to the surface of the thin glass, that the longitudinal direction is in the feed direction, and wherein the elongated shape of the beam profile is asymmetrical, so that the
  • extending edge are formed so that the intensity increases when sweeping the beam by leaps and bounds.
  • the heating is subsequently the thin glass by means of a cooling jet
  • the cooling jet can also be here
  • a beam shaping optical system for shaping the beam profile of the laser beam that can be generated by the laser
  • the beam shaping optics is adapted to shape the laser beam so that its beam profile has an elongated shape and to direct the laser beam onto the surface of the thin glass such that its
  • elongated shape of the beam profile is asymmetrical, so that the intensity profile at the ends of the
  • Beam profile is different, such that the increase in intensity at the front end first sweeping the thin glass is steeper than the decrease in the intensity of the opposite rear end.
  • a cooling jet generator for generating a cooling jet which impinges on the thin glass offset along the dividing line to the laser beam, so that when moving a lying on the dividing line point of the thin glass first passes through the point of incidence of the laser beam and then the impingement of the cooling jet. It has turned out to be favorable to the flow of
  • Cooling beam depending on the thickness of the glass to choose. In particular, it is favorable to choose the cooling jet flow higher with a thinner glass. So if the process changes from a thicker glass to a thinner glass, the cooling jet flow is increased, and vice versa.
  • the flow can also be adjusted in proportion to the glass thickness.
  • a flow which is about twice as high as the flux, which is particularly suitable for a glass of 100 ⁇ m proves to be favorable.
  • very low flows are already sufficient, with the optimum cooling jet flux at a glass thickness of 100 pm being almost zero.
  • the beam profile can be shaded at its front end by means of a suitable shading element in a simple manner. First of all, goes through such shadowing
  • Another possibility is to generate the edge by beam shaping by means of a diffractive optical element. With a suitable diffractive optical element then the entire beam energy can be exploited. Another possibility is a development of the abovementioned shadowing, in which the shading is performed by means of a reflective optical element, the reflected partial beam being directed onto the thin glass 1 and the beam profile being formed from the reflected partial beam passing the reflected optical element. Finally, it is also possible to produce such an asymmetric beam profile by means of a cylindrical lens as part of the beam shaping device, which is tilted with respect to the beam direction. The optical axis of the cylindrical lens is then not parallel to
  • edges produced in this way surprisingly also have a higher strength than edges which were produced with a normal beam profile which runs off at both ends. This shows an increased
  • inventive method or apparatus according to the invention can be produced, provided, which has at least one cut by means of laser-Spannungsrisstumble edge, wherein the thin glass element for outgoing from the edge fractures under bending load a
  • Thin glass element is generally also higher, as stated.
  • the thin glass element has a Weibull distribution for fractures under bending load, in which the mean value of the bending stress at break of the sample is more than 200 MPa.
  • This non-tempered glass element can now be used for a long time in a bent form
  • Bending stress can be achieved in particular for glasses with thicknesses in the range of 30 pm to 150 pm.
  • Thin glass element also depends on the feed rate. Here are fast feed rates cheaper for a high edge strength. However, the speed must still be sufficient to the glass
  • the thin glass ribbon can thus after production and after separation of marginal borders with the inventive method to a role
  • the thin glass band preferably has a length of at least 10 meters, particularly preferably at least 100 meters.
  • FIG. 1 shows an apparatus for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows an asymmetrical beam profile according to FIG.
  • Fig. 3 shows a symmetrical comparison
  • FIGS. 4 to 7 show embodiments for
  • Figures 8 to 10 show plots of temperatures as a function of time at the top and bottom of glasses of different thickness when passing the glass over a laser beam with symmetrical elliptical beam profile.
  • FIG. 11 shows a diagram of the local variation of the temperature difference along the dividing line with symmetrical beam profile
  • Fig. 12 shows the local course along the dividing line with asymmetric beam profile.
  • FIG. 13 shows the temperature profile of the symmetrical and FIG. 14 the temperature profile of the
  • FIG. 15 shows a photomicrograph of a thin glass element produced by the method according to the invention by means of laser voltage tripping.
  • Fig. 16 shows a microscopic comparison for comparison
  • Figures 17 and 18 show Weibull plots for the crushing strength of thin glass samples.
  • Fig. 19 shows a thin glass roll as
  • Fig. 1 shows an example of an inventive
  • Device 2 for the voltage tripping of thin glasses 1.
  • the device 2 according to a preferred application of the invention for separating
  • the inventive method for separating glass which can be carried out with the device 2, in particular here for cutting edges 110, 111 of a thin glass strip, is based on a thin glass strip 1 having a thickness of at most 250 ⁇ m along a feed direction 103 by means of a
  • Transport device 20 is guided over a Levitationsunterlage 21, wherein laser 9 are provided, which in the region of the levitation substrate 21 laser beams 8 to the thin glass band, which the thin glass 1 locally
  • a C02 ⁇ laser or a laser beam in a wavelength range which is also fully as in a C02 ⁇ Laser in a near-surface layer or at least almost completely
  • the feed direction 103 is expedient in the longitudinal direction of the thin glass band.
  • a cooling jet 5 is blown onto the heated track, so that the heated region is again cooled and a mechanical stress is generated, which leads to the propagation of the thin glass 1 in the longitudinal direction 103 along the heated track by cutting stress crack 7 and thus separates the braids 110, 111 along the intended dividing line 3.
  • the thin glass 1 is thus heated along a path forming a parting line 3 along a feed direction 103 progressively with a laser beam 8 and subsequently cooled by a cooling jet 5, so that a mechanical stress is generated in the glass by the temperature difference thus produced and a crack 7 of the Following mechanical stress propagates along the dividing line 3 and the thin glass 1 is severed.
  • a gas jet in particular an air jet can be used.
  • air jet particularly preferred are aerosol jets or wet jets
  • Cooling jets Due to the liquid phase of the aerosol, a higher cooling capacity is achieved and thus also the
  • Liquid phase is present in the air, ie the air is not present as an aerosol at least before the gas outlet.
  • a relative humidity of the gas used for the cooling jet preferably air as gas
  • 70% to 100% preferably greater than 80%, particularly preferably greater than 90%. It may be achieved by adiabatic relaxation of the gas at the gas outlet cooling and condensation and thus formation of an aerosol.
  • a droplet jet may also be used successively ejected droplets or a liquid jet can be used for cooling.
  • Droplet stream can be generated according to a development in a simple manner by means of an inkjet printhead.
  • a droplet jet and a liquid jet offer the advantage that a high cooling capacity can be achieved over a very limited area.
  • a further development of the invention provides that a cooling jet is used, which is a humidified gas jet with a relative humidity of 70% to 100%, preferably greater than 80%, particularly preferably greater than 90%, or comprises a liquid phase, be it as Aerosol droplets, in the form of a jet of liquid or as a droplet jet with successively ejected droplets.
  • the cooling jet generator 51 then comprises a device for producing a moistened gas jet with a relative humidity of 70% to 100% or a cooling jet with a liquid phase.
  • a cooling jet having a flow of 0.05 liters per hour is used to separate a thin glass of 100 ⁇ m glass thickness. With a 50 pm thick glass, a cooling air flow of 0.4 liters per hour proves to be favorable.
  • the cooling jet flow i. the cooling fluid volume flow can be in particular between 0.001 l / h (liters per hour) and 1.0 l / h.
  • glass thicknesses between 75 pm and 400 pm, e.g. for one
  • Glass thickness of 100 pm (in particular 100 pm plus / minus 10 pm), In general, a flow rate between 0.001 1 / h and 0.3 1 / h, preferably from 0.05 1 / h (especially plus / minus 0.01 1 / h) particularly favorable.
  • a volume flow is between 0.06 l / h and 1.0 l / h, preferably 0.4 l / h (especially
  • the embodiment with the separation of the thin glass 1 on a levitation pad 21 is of course not limited to the illustrated specific example.
  • the thin glass 1 is mounted on a gas cushion generated with a Levitationsunterlage or guided over the gas cushion, the impact of laser beam 8 and cooling jet 5 in the gas cushion supported area of the thin glass 1 lie.
  • a levitating storage is
  • a damage, or an initial defect is introduced in a further development of the invention by means of a scoring device 89 at the beginning of the thin glass ribbon prior to the impact of the laser beams, which passes through the area heated by the laser beams 8 in order to initiate the stress crack.
  • Scoring device removed from the surface of the thin glass ribbon 1 and thus ends the damage.
  • the corresponding device 2 therefore preferably has a device for removing the scoring device from the surface of the thin glass band 1 after initiation of the stress crack during the crack propagation. Unlike provided in US 2013/0126576 AI, so preferably only scratched initially. It has been shown that crack propagation after initiation can also be effected solely on the basis of the temperature gradient which can be achieved by heating with the laser beam 7 and subsequent cooling with the cooling fluid.
  • a scoring device 89 is preferably a scriber
  • FIG. 1 shows the thin glass ribbon after inserting the initial damage in the form of a
  • the levitation pad 21 is compressed by a pressure source, such as a pump 33.
  • the compressed fluid preferably supplied air.
  • Levitationsunterlage 21 forms, which carries the thin glass 1 and stores. Instead of a pump 33 is
  • a reservoir with compressed fluid conceivable.
  • a reservoir and / or a throttle of the pump 33 and the Levitationsunterlage 21st be intermediate to a uniform
  • the thin glass 1 is thus transported floating in the vicinity of the cutting process by gas levitation, so that the ambient air acts as a thermal insulator.
  • the transport device 20 comprises according to a
  • Embodiment as also shown in Fig. 1, one or more conveyor belts 54, 55.
  • two conveyor belts are provided, wherein the conveyor belt 54 in front in the transport direction and the conveyor belt 55 in
  • Transport direction behind the levitation pad 21 are arranged. It is particularly favorable if a
  • Transport belt which in the transport direction in front of the
  • the thin glass 1 is quickly attached to the thin glass 1
  • Laser beam 8 passes over the thin glass 1 at a speed of at least 3 meters per minute, preferably at a speed in a range of 3 to 20 meters per minute.
  • a beam-shaping optical system 6 is provided for the respective laser beam 8, with which the
  • Beam profile is now changed so that this has an elongated shape after beam shaping and the longitudinal direction is in the feed direction 103.
  • the partial image Fig. 2 (a) shows such beam profiles 80 together with the feed direction 103 of the glass.
  • the elongate shape of the beam profile is asymmetrical with the ends 82,
  • the rear end 83 of the beam profile 80 has a steadily decreasing towards the end
  • the beam profile thus also has a shape tapering towards the rear end 83.
  • the beam profile 80 may be elliptical or tapered towards the end 83.
  • Fig. 3 shows for comparison a symmetrical beam profile, as it is commonly used in the voltage tripping previously.
  • the beam profile 80 of this example has an elliptical shape.
  • Invention can from a
  • the laser beam 8 passes over one
  • Beam profile 80 of FIG. 2 now the thin glass 1, then results at the beginning of the heating phase caused by the edge of a sudden increase in the laser intensity and thus the Heating capacity.
  • Particularly suitable for this purpose is a CO2 laser.
  • Temperature difference between the irradiated side of the thin glass 1 and the opposite side can be made.
  • the edge 84 is rectilinear. According to a development of
  • this edge may also be concave, so that the two parts of the edge 84 extending from the parting line face each other.
  • a beam profile is shown in FIG. 2 (b).
  • the edge 84 here has two legs 841, 842, which are inclined to each other.
  • the edge 84 is formed as a concave incision in the beam profile, or the front end 82 has a concave incision 85. This course of the edge 84,
  • the beam-shaping optical system comprises a shading element 60, with which a part of the elongate beam profile 80 is shaded, so that an edge 84 is formed in the beam profile on the thin glass 1.
  • an oblong beam profile of the laser beam 8 can be generated by means of a cylindrical lens 61.
  • Fig. 5 shows a variant of the example shown in Fig. 4. This variant is based on that
  • Shading element 60 is designed to be reflective.
  • the shadowed partial beam can in this way
  • Reflection are directed to the thin glass 1 so that it contributes to the intensity distribution of the beam profile 80 on the thin glass 1, or so that the
  • Beam profile 80 on the thin glass 1 is composed of the unshaded part of the beam and the shadowed and reflected partial beam.
  • a diffractive-optical element 62 is used to form the
  • the diffractive optical element is a transmitting element
  • the element can also be designed for beam shaping in reflection.
  • Fig. 7 shows an embodiment in which the
  • asymmetric beam profile 80 is generated by means of a cylindrical lens 61, whose optical axis 610 for
  • Beam direction of the laser beam 8 is tilted.
  • Asymmetry of the beam profile 80 results here by the Kaustik due to the inclination of the cylindrical lens 61st It can be seen that with the inventive asymmetrical design of the beam profile, a larger temperature difference can be produced compared to a symmetrical, for example elliptical
  • FIGS. 8 to 10 show diagrams of the temperatures as a function of time at the top and bottom
  • symmetrical, elliptical beam profile that is, for example, a beam profile according to FIG. 3.
  • FIG. 8 shows the temperature profiles for a 1 mm thick glass.
  • Temperature profile (i) is the profile on the irradiated side, temperature profile (ii) the profile in the middle of the glass and temperature profile (iii) the profile on the opposite side.
  • FIG. 11 shows a diagram of the local course of the temperature difference along the dividing line with a symmetrical beam profile
  • FIG. 12 shows the corresponding course in accordance with the invention
  • Beam profile was assumed to be the same elliptical beam profile, which is also the basis of the course of FIG. 11, wherein the shading takes place from the center axis.
  • the asymmetric beam profile thus only provides half of the total intensity of the symmetrical beam profile. Nevertheless, the maximum temperature difference between the irradiated and the opposite side of the
  • Thin glass 1 are constructed, as well as the example of FIG. 12 shows. Now not only is the temperature difference itself larger, but also the gradient of the temperature difference.
  • a maximum temperature difference between the irradiated side and the opposite side of the thin glass 1 is established within a travel distance of less than 5 millimeters. In the example shown, this distance is even smaller and is in the range of one millimeter.
  • FIG. 15 shows a micrograph of a laser beam produced by the method according to the invention.
  • Tension Trimming Race Cut Thin Glass Element 100 For comparison, Fig. 16 is a photomicrograph of a laser filament cut to size
  • the thin glasses have a thickness of 50 ⁇ m in both cases.
  • the photographs were taken in a plan view of the edge 101 produced by the respective separation method. With reference to a comparison of FIGS. 15 and 16, FIG.
  • the edge 101 produced according to the invention is substantially smoother than an edge scored by laser filamentation. Even with a conventional scratching
  • the edge is particularly important for the fracture stability, since fractures originating from the edge are far more likely to be fractures that occur in one
  • Shape parameters of the fracture behavior descriptive Weibull distribution. If the shape parameter is small, then, with a certain remaining probability, also fractures can occur with only relatively small stresses
  • Shape parameter is increased.
  • the invention therefore provides a thin glass element 100 with a thickness of at most 250 ⁇ m, preferably with a thickness in the range of 30 ⁇ m to 150 ⁇ m, which can be produced by the method or the device according to the invention, which comprises at least one laser voltage riser
  • FIG. 17 and FIG. 18 show two Weibull diagrams, ie double logarithmic diagrams of FIG.
  • Fracture probability as a function of the bending stress of the thin glass samples. 17 is the Weibull diagram of the measured values on samples which have a symmetrical,
  • Fig. 18 shows the measured values of thin glasses separated according to the invention. Also indicated are the scale parameters of the Weibull distribution, corresponding to the mean Breaking stress, as well as the shape parameter m. The shape parameter corresponds to the slope of the measured values in the Weibull diagram.
  • the mean breaking stress is at the with
  • the average breaking stress of 222 MPa for edges produced according to the invention by about 27%, ie significantly higher. Even clearer is the increase in the shape parameter. This increases from a value of 3.7 to a value of 6.95. This corresponds to an increase of almost 88%.
  • the strength of the edge is also influenced by other parameters, such as the feed rate
  • a Weibull distribution for fractures under bending load is generally achieved in which the average value of the bending stress at breakage of the sample, as in the example shown in Fig. 18, is more than 200 MPa.
  • Thin glass element 100 long-term stable under higher mechanical stress to set than is possible with elements with glass edges produced in other ways. Due to the high edge strength, a long service life is achieved for such a thin glass element under bending stress.
  • FIG. 19 An application example is shown in FIG. 19. Here is the
  • Thin glass element 100 is a thin glass ribbon wound into a roll.
  • the invention form
  • the thin glass ribbon can then be stored to save space until further processing.
  • the thin-glass band is intended for dimensions of at least 10 meters, preferably at least 100 meters.
  • the bending stress exerted on the thin glass band is decisively determined by the inner diameter 13 of the roll. Due to the high edge stability, the thin glass ribbon can now be rolled up with a smaller inner diameter 13 and still be stably stored for a long time.
  • CC denotes the thermal
  • a suitable group of glasses for the invention are alkali-free borosilicate glasses.
  • Glass compositions and glass properties is fully made the subject of the present application.
  • One glass of this class is the AF32 glass already mentioned in the table.
  • Borosilicate glasses with the following components in
  • One glass of this class of glasses is the Schott glass D263 already mentioned in the table.
  • the glasses with more precise compositions are also described in US 2013/207058 AI, the content of which is also fully made subject to the present application with respect to the compositions of the glasses and their properties.
  • tailored thin glass elements 100 can be achieved, even if these under permanent
  • Thin glass element 100 is provided, which is in development of the invention under tensile stress, in particular due to a bending load, wherein the tensile stress is smaller than the following term:
  • ⁇ T a and ⁇ J e are mean values of the tensile stress at breakage of samples of the glass element under bending stress, where Lref is the edge length and A re f is the area of the samples, where G a is the mean value of the tensile stress at
  • a apP is the area of the thin glass element and L apP is the added edge length of opposite edges of the glass element and ⁇ is a predetermined maximum break quota within a period of at least six months.
  • the predetermined maximum fracture rate ⁇ is preferably 0, 1 or less (ie at most 10%), more preferably less than 0.05, (less than 5%).
  • Thin glass member 100 is provided, which is set below a tensile stress G apP , which is smaller than the above-mentioned term (1).
  • the tensile stress can be caused by, for example, rolling up or even mounting on a support under forced bending.
  • the glass element be placed under a tensile stress ⁇ which is less than
  • the minimum bending radius R with the tensile stress G apP has the following relationship:
  • E denotes the Young's modulus
  • t the thickness of the thin glass
  • V the Poisson's number of the glass. Preferred glass thicknesses are at the top of the description
  • End faces are, as already described with reference to FIG. 1, have been produced by separating borders 110, 111.
  • the method with which the parameters of the above equations are determined is also described in detail in PCT / EP2014 / 070826, the content of which in this respect also fully relates to the subject matter of the present invention
  • Breaking tension, or the corresponding bending radii are recorded at break and based on these data statistical parameters determined and based on these parameters, an area for a bending radius
  • the invention now provides a thin glass element 100
  • edges 101 for example in the form of a thin glass roll with a rolled thin glass 1 in the form of a thin glass ribbon with a length of preferably at least 10 meters, wherein the inner radius of the rolled thin glass or more generally the bending radius of the bent thin glass element in the range of
  • Time-delayed fractures are caused in particular by stress corrosion cracking.
  • Thin glass element 100 in the form of a roll 3 with a rolled up thin glass 1 with a length of preferably at least 10 meters is therefore based on
  • Truss race is made and the thin glass ribbon is wound into a roll, wherein the inner radius of the roll, which is the radius of the innermost layer of the
  • Thin glass ribbon is chosen to be in the range of Rmin according to equation (8) to R ma x according to equation (9), where t is a predetermined minimum duration in days which the thin glass roll should survive without breakage.
  • t is a predetermined minimum duration in days which the thin glass roll should survive without breakage.
  • equations (8) and (9) are adjusted so that the fractional quota within a given minimum duration is generally less than 0, 1, preferably less than 0, 05.
  • edges 101 according to the invention and their improved strength influence the parameters s and ⁇ R>.
  • the mean value ⁇ R> as compared with samples not in accordance with the invention is also overall
  • the variance s may increase or also become smaller than samples produced according to the invention.

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Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Prozessstabilität beim Zerteilen sehr dünner Gläser zu verbessern. Dazu wird ein Verfahren zum Trennen von Dünnglas (1) mit einer Dicke kleiner als 250 μm vorgeschlagen, bei welchem das Dünnglas (1) entlang eines eine Trennlinie (3) bildenden Pfades entlang einer Vorschubrichtung (103) fortschreitend mit einem Laserstrahl (8) erwärmt wird, so dass ein Riss (7) sich entlang der Trennlinie (3) fortpflanzt und das Dünnglas (1) durchtrennt, wobei der Laserstrahl (8) mittels einer Strahlformumgsoptik (6) so geformt wird, dass dessen Strahlprofil (80) eine langgestreckte Form aufweist, und wobei der Laserstrahl (8) so auf die Oberfläche des Dünnglases (1) gerichtet wird, dass dessen Längsrichtung (81) in Vorschubrichtung liegt, und wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden (82, 83) des Strahlprofils (80) unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas (1) zuerst überstreichenden vorderen Ende (82) steiler ist, als der Abfall der Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes

Description

Verfahren zum Trennen von Glas mittels eines Lasers, sowie verfahrensgemäß hergestelltes Glaserzeugnis
Beschreibung
Die Erfindung betrifft allgemein das Zerteilen von Glas. Insbesondere betrifft die Erfindung das Zerteilen von Glas durch laserinduziertes Spannungsrisstrennen . Ein gängiges Verfahren, um Glas zu zerteilen, ist das Ritzbrechen. Dabei wird mechanisch, typischerweise mit einem Ritzrad eine linienförmige Schädigungszone in das Glas eingebracht. Durch Anwenden einer mechanischen
Spannung kann dann das Glas entlang dieser Schädigungszone leicht zerteilt werden. Nachteilig ist hieran allerdings, dass die Glaskante eines derart gewonnenen Glaselements noch Schädigungen der zuvor erzeugten Schädigungszone aufweisen kann. Da gerade die Kanten besonders kritisch in Bezug auf eine mechanische Beanspruchung des Glases mit Zugspannungen sind, kann ein Zerteilen eines Glases durch Ritzbrechen zu einer deutlichen Herabsetzung der
Festigkeit, insbesondere bei einer Biegebelastung führen.
Flachgläser, insbesondere Dünn- und Dünnstgläser mit Dicken unter 1,2 Millimeter, vorzugsweise unter 200 Mikrometer werden heutzutage vielfach in Form langer Bänder
hergestellt. Herstellungsbedingt, beispielsweise beim
Wiederziehen eines Glasbands aus einer Vorform oder dem Ziehen aus einer Schmelze bilden sich typischerweise am Rand des Glasbands verdickte Randbereiche, sogenannte
Borten aus. Es ist günstig, diese Borten nach der
Herstellung des Glasbands abzutrennen, unter anderem, um bei Dünngläsern das Aufwickeln auf eine Rolle oder allgemein die Weiterverarbeitung zu erleichtern. Dadurch können Probleme vermieden werden wie beispielsweise das durch die dickeren Borten bedingte Entstehen mechanischer Spannungen, die eine Verwindung oder Verwölbung
(sogenannter „Warp") des Dünnglases mit sich bringen.
Aus der US 2013/0126576 AI sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen Kantenabtrennung eines dünnen Glasbands bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden mit einer Ritzeinrichtung Anfangsschädigungen in das Glasband eingefügt. Während das Glasband entlang seiner
Längsrichtung über eine gebogene Levitationsunterlage geführt wird, wird es mittels eines Laserstrahls erhitzt und durch einen Fluid abgekühlt, so dass innerhalb des Glasbands thermische Spannungen induziert werden. Dadurch reißt das Glasband ausgehend von einer Anfangsschädigung entlang seiner Längsrichtung.
Die WO 2011/026074 AI beschreibt ein Verfahren zum Einfügen eines Schlitzes in ein Glassubstrat. Bei diesem Verfahren wird ein Laserstrahl auf eine Schädigung gerichtet und über die Glasoberfläche weiterbewegt. Darüber hinaus wird ein Fluidstrahl direkt auf den Laserspot auf der Glasoberfläche gerichtet, so dass das Glas abgekühlt wird, noch bevor die durch den Laserstrahl erzeugte Temperatur vollständig durch die Dicke des Glassubstrats äquilibriert ist. Dadurch ist die thermische Spannung auf einen Teil der Dicke des
Glassubstrats begrenzt und der entstehende Schlitz
erstreckt sich nur teilweise durch die Dicke des
Glassubstrats. Die US 6,327,875 Bl beschreibt ein Verfahren, bei welchem ebenfalls das Glas nicht vollständig getrennt wird, wobei eine Ritzung mit einem Laserstrahl eingefügt wird. Die Auftrennung des Glases erfolgt dann durch Ausüben eines Biegemoments. Es wird vorgeschlagen, einen Laserstrahl mit einem länglichen elliptischen Strahlprofil zu verwenden und an zumindest einem Ende einen Teil des Strahls zu blocken.
Beim Versuch, das Verfahren auf dünnere Gläser,
insbesondere mit Dicken unter 250 pm anzuwenden, ergibt sich das Problem, das diese Gläser so schnell
(typischerweise innerhalb von Millisekunden) durchwärmt sind, dass bis zum Auftreffen des Kühlstrahls kein
hinreichend hoher Temperaturgradient aufrechterhalten werden kann. Probleme beim Trennen sehr dünner Gläser bereiten dann eine teilweise nicht ausreichende
Prozessstabilität, sowie auch die Festigkeit der mit dem Trennverfahren hergestellten Glaskanten. Letzteres ist insofern überraschend, da diese Kanten an sich nur wenige bis gar keine Defekte aufweisen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Prozessstabilität und damit auch die Festigkeit und den definierten Verlauf von Glaskanten sehr dünner Gläser, die mit laserinduziertem
Spannungsrisstrennen hergestellt wurden, zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dementsprechend sieht die Erfindung ein Verfahren zum
Trennen von Dünnglas mit einer Dicke kleiner als 250 pm vor, bei welchem das Dünnglas entlang eines eine Trennlinie bildenden Pfades entlang einer Vorschubrichtung
fortschreitend mit einem Laserstrahl erwärmt wird, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied des erwärmten Glases zum umgebenden Glas eine mechanische
Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie fortpflanzt und das Dünnglas durchtrennt, wobei der
Laserstrahl mittels einer Strahlformumgsoptik so geformt wird, dass dessen Strahlprofil eine langgestreckte Form aufweist, und wobei der Laserstrahl so auf die Oberfläche des Dünnglases gerichtet wird, dass dessen Längsrichtung in Vorschubrichtung liegt, und wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der
Intensitätsverlauf an den Enden des Strahlprofils
unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas zuerst überstreichenden vorderen Ende steiler ist, als der Abfall der Intensität des
gegenüberliegenden hinteren Endes. Insbesondere kann das vordere Ende, welches beim Vorschub das Glas zuerst
überstreicht, durch eine quer zur Vorschubrichtung
verlaufende Kante gebildet werden, so dass die Intensität beim Überstreichen des Strahles sprunghaft ansteigt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Erwärmung nachfolgend das Dünnglas mittels eines Kühlstrahls
abgekühlt. Mit dem erfindungsgemäßen Strahlprofil kann eine Rissfortpflanzung und dadurch eine Auftrennung des Glases auch ohne einen Kühlstrahl erfolgen. Dies gelingt
insbesondere bei dünneren Gläsern mit einer Dicke von lOOpm oder weniger. Der Kühlstrahl kann aber auch hier
vorteilhaft sein, um durch ein Zusammenziehen des Glases einen Kontakt der Glaskanten zu vermeiden. Ein solcher
Kontakt kann eine Festigkeitsminderung nach sich ziehen. Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens umfasst demgemäß
- einen Laser zur Bestrahlung eines Dünnglases mit einem Laserstrahl, welcher im Dünnglas absorbiert wird und somit das Dünnglas erwärmt,
- eine Strahlformungsoptik zur Formung des Strahlprofils des vom Laser erzeugbaren Laserstrahls,
- eine Vorschubeinrichtung, um das Dünnglas relativ zum Auftreffort des Laserstrahls entlang einer vorgesehenen Trennlinie zu bewegen, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie fortpflanzt und das Dünnglas durchtrennt, wobei die Strahlformungsoptik ausgebildet ist, den Laserstrahl so zu formen, dass dessen Strahlprofil eine langgestreckte Form aufweist und den Laserstrahl so auf die Oberfläche des Dünnglases zu richten, dass dessen
Längsrichtung in Vorschubrichtung liegt, wobei die
langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden des
Strahlprofils unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas zuerst überstreichenden vorderen Ende steiler ist, als der Abfall der Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes.
Optional ist ein Kühlstrahlerzeuger zur Erzeugung eines Kühlstrahls vorgesehen, welcher entlang der Trennlinie versetzt zum Laserstrahl auf das Dünnglas auftrifft, so dass bei Vorschub ein auf der Trennlinie liegender Punkt des Dünnglases zuerst den Auftreffort des Laserstrahls und dann den Auftreffort des Kühlstrahls durchläuft. Es hat sich als günstig herausgestellt, den Fluss des
Kühlstrahls abhängig von der Dicke des Glases zu wählen. Im Speziellen ist es günstig, den Kühlstrahl-Fluss bei einem dünneren Glas höher zu wählen. Wird also im Prozess von einem dickeren Glas auf ein dünneres Glas gewechselt, so wird der Kühlstrahl-Fluss erhöht, und umgekehrt.
Insbesondere kann der Fluss auch proportional zur Glasdicke eingestellt werden. So erweist sich bei einer Glasdicke von 50 pm ein Fluss als günstig, der etwa doppelt so hoch ist, wie der Fluss, der besonders geeignet für ein 100 pm dickes Glas. Im Allgemeinen sind sehr niedrige Flüsse bereits ausreichend, wobei der optimale Kühlstrahl-Fluss bei einer Glasdicke von 100 pm schon fast bei null liegt. Ein
gewisser Kühlstrahl-Fluss ist aber stets günstig. Gänzlich ohne Kühlstrahl kann der Schneidprozess instabil werden oder schlecht starten und es kann zu Abrissen des Prozesses kommen, bei welchen sich der Riss nicht weiter fortpflanzt. Ein zu hoher Fluss kann andererseits zu thermisch oder mechanisch verursachter Wellenbildung im Glas führen.
Um ein asymmetrisches Strahlprofil, insbesondere auch mit einer Kante am vorderen Ende zu erzeugen, kann in einfacher Weise das Strahlprofil an dessen vorderen Ende mittels eines geeigneten Abschattungselements abgeschattet werden. Zunächst einmal geht durch eine solche Abschattung
allerdings ein Teil der Strahlenergie verloren.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kante durch Strahlformung mittels eines diffraktiv optischen Elements zu erzeugen. Mit einem geeigneten diffraktiv optischen Element kann dann die gesamte Strahlenergie ausgenutzt werden . Noch eine Möglichkeit ist eine Weiterbildung der oben genannten Abschattung, bei welcher die Abschattung mittels eines reflektierenden optischen Elements vorgenommen wird, wobei der reflektierte Teilstrahl auf das Dünnglas 1 gelenkt und das Strahlprofil aus dem reflektierten und dem am reflektierenden optischen Element vorbeigestrahlten Teilstrahl gebildet wird. Schließlich ist es auch möglich, ein solches asymmetrisches Strahlprofil mittels einer Zylinderlinse als Bestandteil der Strahlformungseinrichtung zu erzeugen, welche gegenüber der Strahlrichtung verkippt ist. Dabei steht die optische Achse der Zylinderlinse dann nicht parallel zur
Strahlrichtung des Laserstrahls, sondern schräg,
vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 25° bis 75° zur Strahlrichtung .
Es zeigt sich, dass mit dem Strahlprofil wie oben
beschrieben sehr dünne Gläser mit Dicken unter 250 pm, sogar unter 100 pm zuverlässig und ohne seitliches
Verlaufen der Kante durchtrennt werden können. Überdies zeigt sich, dass die so hergestellten Kanten überraschend auch eine höhere Festigkeit aufweisen, als Kanten, die mit einem normalen, an beiden Enden auslaufenden Strahlprofil hergestellt wurden. Hierbei zeigt sich eine erhöhte
Festigkeit sowohl hinsichtlich des höheren Mittelwerts der Biegespannung beim Bruch, als auch insbesondere am höheren Weibull-Modul . Ist das Weibull-Modul hoch, so ist für nicht zu hohe Biegespannungen ein Bruch auszuschließen oder zumindest sehr unwahrscheinlich. Dies ermöglicht auch, Glaselemente, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeschnitten wurden, dauerhaft unter Spannung zu setzen und dennoch eine lange Lebensdauer dieses Glaselements zu erzielen. Demgemäß ist erfindungsgemäß ein Dünnglaselement mit einer Dicke von höchstens 250 pm, die mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbar ist, vorgesehen, welche zumindest eine mittels Laser-Spannungsrisstrennen geschnittene Kante aufweist, wobei das Dünnglaselement für von der Kante ausgehende Brüche unter Biegebelastung eine
Weibullverteilung mit einem Weibullmodul von mindestens m = 4,5 , vorzugsweise mindestens m = 5, besonders
bevorzuge mindestens m = 6 aufweist.
Der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch des
Dünnglaselements ist wie gesagt im Allgemeinen ebenfalls höher. So ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Dünnglaselement eine Weibullverteilung für Brüche unter Biegebelastung aufweist, bei welcher der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch der Probe mehr als 200 MPa beträgt. Die vorgenannten Werte für das
Weibullmodul und den Mittelwert gelten für nicht
vorgespanntes Glas. Dieses nicht vorgespannte Glaselement kann nun langzeitstabil in gebogener Form verwendet
und/oder aufbewahrt werden, da aufgrund des hohen
Weibullmoduls ein Bruch sehr unwahrscheinlich ist.
Die oben genannten Weibullmodule und Mittelwerte der
Biegespannung können insbesondere bei Gläsern mit Dicken im Bereich von 30 pm bis 150 pm erreicht werden.
Es zeigt sich weiter, dass die Kantenfestigkeit des
Dünnglaselements auch von der Vorschubgeschwindigkeit abhängt. Hierbei sind schnelle Vorschubgeschwindigkeiten günstiger für eine hohe Kantenfestigkeit. Allerdings muß die Geschwindigkeit noch ausreichen, um das Glas
hinreichend zu erwärmen. Bevorzugt wird, dass der
Laserstrahl das Dünnglas mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 Metern pro Minute, vorzugsweise mit einer
Geschwindigkeit in einem Bereich von 3 bis 20 Metern pro Minute überstreicht.
Eine Ausführungsform eines dauerhaft unter Biegespannung stehenden Glaselements ist ein zu einer Rolle
aufgewickeltes Dünnglasband. Das Dünnglasband kann so nach der Herstellung und nach Abtrennen von randseitigen Borten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Rolle
aufgewickelt und auf diese Weise platzsparend bis zu seiner Weiterverarbeitung gelagert werden. Das Dünnglasband hat dabei vorzugsweise eine Länge von mindestens 10 Metern, besonders bevorzugt mindestens 100 Metern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigeschlossenen Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens . Fig. 2 zeigt ein asymmetrisches Strahlprofil gemäß der
Erfindung .
Fig. 3 zeigt zum Vergleich ein symmetrisches
Strahlprofil .
Fig. 4 bis Fig. 7 zeigen Ausführungsformen für
Strahlformungsoptiken . Fig. 8 bis Fig. 10 zeigen Diagramme der Temperaturen als Funktion der Zeit an Ober- und Unterseite von Gläsern verschiedener Dicke bei Überstreichen des Glases mit einem Laserstrahl mit symmetrischem, elliptischen Strahlprofil.
Fig. 11 zeigt ein Diagramm des örtlichen Verlaufs Temperaturdifferenz entlang der Trennlinie bei symmetrischem Strahlprofil und
Fig. 12 den örtlichen Verlauf entlang der Trennlinie bei asymmetrischem Strahlprofil.
Fig. 13 zeigt den Temperaturverlauf des symmetrischen und Fig. 14 den Temperaturverlauf des
erfindungsgemäßen asymmetrischen Strahlprofils auf de Trennlinie .
Fig. 15 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Laser- Spannungsrisstrennen hergestellten Dünnglaselements.
Fig. 16 zeigt zum Vergleich eine mikroskopische
Aufnahme eines durch Laser-Filamentierung
geschnittenen Dünnglaselements.
Die Fig. 17 und Fig. 18 zeigen Weibull-Diagramme zur Bruchfestigkeit von Dünnglas-Proben. Fig. 19 zeigt eine Dünnglas-Rolle als
Anwendungsbeispiel für erfindungsgemäß bearbeitete Dünngläser .
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung 2 zum Spannungsrisstrennen von Dünngläsern 1. Im dargestellten Beispiel ist die Vorrichtung 2 gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung zum Abtrennen von
Borten 110, 111 eines Dünnglases 1 in Form eines
Dünnglasbands ausgebildet.
Das mit der Vorrichtung 2 ausführbare erfindungsgemäße Verfahren zum Trennen von Glas, speziell hier zum Abtrennen von Borten 110, 111 eines Dünnglasbands basiert darauf, dass ein Dünnglasband 1 mit einer Dicke von höchstens 250 pm entlang einer Vorschubrichtung 103 mittels einer
Transporteinrichtung 20 über eine Levitationsunterlage 21 geführt wird, wobei Laser 9 vorgesehen sind, welche im Bereich der Levitationsunterlage 21 Laserstrahlen 8 auf das Dünnglasband richten, welcher das Dünnglas 1 lokal
aufheizen, während das Dünnglasband in Längsrichtung 103 vorbeibewegt wird. Besonders bevorzugt wird ein C02~Laser oder ein Laserstrahl in einem Wellenlängenbereich, der ebenfalls wie bei einem C02~Laser in einer oberflächennahen Schicht vollständig oder zumindest fast vollständig
absorbiert wird. Auf diese Weise können auch dünne Gläser mit einer Dicke unter 250 pm effektiv aufgeheizt werden. Die Vorschubrichtung 103 liegt zweckmäßig in Längsrichtung des Dünnglasbands. Mittels Kühlstrahlerzeuger 51 wird ein Kühlstrahl 5 auf die erwärmte Spur geblasen, so dass der erwärmte Bereich wieder abgekühlt wird und eine mechanische Spannung erzeugt wird, welche zur Fortpflanzung eines das Dünnglas 1 in Längsrichtung 103 entlang der erwärmten Spur durchtrennenden Spannungsrisses 7 führt und so die Borten 110, 111 entlang der vorgesehenen Trennlinie 3 abtrennt.
Das Dünnglas 1 wird also entlang eines eine Trennlinie 3 bildenden Pfades entlang einer Vorschubrichtung 103 fortschreitend mit einem Laserstrahl 8 erwärmt und mittels eines Kühlstrahls 5 nachfolgend abgekühlt, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss 7 sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie 3 fortpflanzt und das Dünnglas 1 durchtrennt.
Für den Kühlstrahl 5 kann ein Gasstrahl, wie insbesondere ein Luftstrahl verwendet werden. Besonders bevorzugt werden allerdings Aerosolstrahlen oder feuchte Strahlen als
Kühlstrahlen. Durch die flüssige Phase des Aerosols wird eine höhere Kühlleistung erwirkt und damit auch der
Spannungsgradient erhöht. Auch feuchte Luft hat sich als günstig erwiesen, um den Schneidprozess zu stabilisieren. Dies ist selbst dann der Fall, wenn anfänglich keine
Flüssigphase in der Luft vorhanden ist, die Luft also zumindest vor dem Gasaustritt nicht als Aerosol vorliegt. Günstig ist eine relative Feuchte des für den Kühlstrahl verwendeten Gases (vorzugsweise Luft als Gas) von 70 % bis 100 %, bevorzugt größer 80 %, besonders bevorzugt größer 90 %. Möglicherweise wird durch adiabatische Entspannung des Gases beim Gasaustritt eine Abkühlung und Kondensation und damit eine Bildung eines Aerosols erzielt. Gemäß noch einer Ausführungsform kann auch ein Tröpfchenstrahl mit hintereinander ausgestoßenen Tröpfchen oder ein Flüssigkeitsstrahl zur Kühlung verwendet werden. Ein
Tröpfchenstrahl kann gemäß einer Weiterbildung in einfacher Weise mittels eines Tintenstrahl-Druckkopfs erzeugt werden. Sowohl ein Tröpfchenstrahl, als auch ein Flüssigkeitsstrahl bieten den Vorteil, dass eine hohe Kühlleistung auf einer sehr begrenzten Fläche erzielbar ist. Allgemein ist also in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass ein Kühlstrahl verwendet wird, welcher ein angefeuchteter Gasstrahl mit einer relativen Feuchte von 70 % bis 100 %, vorzugsweise größer 80 %, besonders bevorzugt größer 90 % ist oder eine flüssige Phase umfasst, sei es als Aerosoltröpfchen, in Form eines Flüssigkeitsstrahls oder als Tröpfchenstrahl mit hintereinander ausgestoßenen Tröpfchen. Bei der Vorrichtung umfasst entsprechend der Kühlstrahlerzeuger 51 dann eine Einrichtung zur Erzeugung eines angefeuchteten Gasstrahls mit einer relativen Feuchte von 70 % bis 100% oder eines Kühlstrahls mit einer flüssigen Phase. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zum Auftrennen eines Dünnglases mit 100 pm Glasdicke ein Kühlstrahl mit einem Fluss von 0,05 Liter pro Stunde verwendet. Bei einem 50 pm dicken Glas erweist sich ein Kühlluft-Fluss von 0,4 Liter pro Stunde als günstig.
Der Kühlstrahl-Fluss , d.h. der Kühlfluid-Volumenstrom, kann insbesondere zwischen 0,001 1/h (Liter pro Stunde) und 1,0 1/h betragen. Ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele ist für Glasdicken zwischen 75 pm und 400 pm, z.B. für eine
Glasdicke von 100 pm (insbesondere 100 pm plus/minus 10pm) , allgemein ein Volumenstrom zwischen 0,001 1/h und 0,3 1/h, vorzugsweise von 0,05 1/h (insbesondere plus/minus 0,01 1/h) besonders günstig. Für Glasdicken zwischen 5pm und 75pm, z.B. für eine Glasdicke von 50pm (insbesondere 100 pm plus/minus 10pm) , ist ein Volumenstrom zwischen 0,06 1/h und 1,0 1/h, vorzugsweise von 0,4 1/h (insbesondere
plus/minus 0,1 1/h) besonders günstig.
Die Ausführungsform mit der Trennung des Dünnglases 1 auf einer Levitationsunterlage 21 ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte spezielle Beispiel beschränkt.
Allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel ist gemäß einer Ausführungsform vielmehr vorgesehen, dass das Dünnglas 1 auf einem mit einer Levitationsunterlage erzeugten Gaspolster gelagert oder über das Gaspolster geführt wird, wobei die Auftrefforte von Laserstrahl 8 und Kühlstrahl 5 im vom Gaspolster unterstützten Bereich des Dünnglases 1 liegen. Eine levitierende Lagerung ist
vorteilhaft, allerdings nicht zwingend, um das Dünnglas mittels der Erfindung zu zerteilen. Anstelle einer
Levitationsunterlage 21 kann also auch eine andere
geeignete Auflage verwendet werden.
Um die Entstehung eines Risses zu Beginn des
Trennverfahrens zu untersützen, wird in einer Weiterbildung der Erfindung mittels einer Ritzeinrichtung 89 am Anfang des Dünnglasbands vor dem Auftreffen der Laserstrahlen eine Schädigung, beziehungsweise ein Initialdefekt eingefügt, welcher durch das von den Laserstrahlen 8 erwärmte Gebiet läuft, um den Spannungsriss zu initiieren.
Nach dem Initiieren des Spannungsrisses während der Rissfortpflanzung wird dann vorzugsweise die
Ritzeinrichtung von der Oberfläche des Dünnglasbands 1 entfernt und damit die Schädigung beendet. Die
entsprechende Vorrichtung 2 weist daher vorzugsweise eine Einrichtung auf, um nach dem Initiieren des Spannungsrisses während der Rissfortpflanzung die Ritzeinrichtung von der Oberfläche des Dünnglasbands 1 zu entfernen. Anders als in der US 2013/0126576 AI vorgesehen, wird also vorzugsweise nur anfänglich geritzt. Es hat sich dabei gezeigt, dass eine Rissfortpflanzung nach Initiierung auch alleine aufgrund des Temperaturgradienten, der durch das Aufheizen mit dem Laserstrahl 7 und dem darauffolgenden Abkühlen mit dem Kühlfluid, erfolgen kann. Als Ritzeinrichtung 89 wird bevorzugt ein Ritzrad,
insbesondere bevorzugt ein Rädchen mit strukturierter
Ritzfläche verwendet. Fig. 1 zeigt dabei das Dünnglasband nach dem Einfügen der Initialschädigung in Form eines
Anrisses. Demgemäß sind hier die Ritzrädchen angehoben und berühren die Glasoberfläche nicht mehr.
Der Levitationsunterlage 21 wird mittels einer Druckquelle, wie etwa einer Pumpe 33 ein komprimiertes Fluid,
vorzugsweise Luft zugeführt. Das komprimierte Fluid
entweicht durch Öffnungen an dessen dem Dünnglasband 1 zugewandten Oberfläche, so dass sich ein Gaspolster
zwischen dem Dünnglas 1 und der Oberfläche der
Levitationsunterlage 21 bildet, welches das Dünnglas 1 trägt und lagert. Anstelle einer Pumpe 33 ist
beispielsweise ein Reservoir mit komprimiertem Fluid denkbar. Weiterhin kann auch ein Reservoir und/oder eine Drossel der Pumpe 33 und der Levitationsunterlage 21 zwischengeschaltet sein, um einen gleichmäßigen
Ausgangsdruck bereitzustellen. Das Dünnglas 1 wird also in der Umgebung des Schneidprozesses durch Gaslevitation schwebend transportiert, so dass die Umgebungsluft als thermischer Isolator wirkt.
Die Transporteinrichtung 20 umfasst gemäß einer
Ausführungsform, wie auch in Fig. 1 dargestellt, ein oder mehrere Transportbänder 54, 55. Im Beispiel der Fig. 1 sind zwei Transportbänder vorgesehen, wobei das Transportband 54 in Transportrichtung vor und das Transportband 55 in
Transportrichtung hinter der Levitationsunterlage 21 angeordnet sind. Besonders günstig ist es, wenn ein
Transportband, welches in Transportrichtung vor der
Levitationsunterlage 21 angeordnet ist (im Beispiel der
Fig. 1 also das Transportband 54), eine Unterdruckansaugung 53 aufweist, um das Dünnglasband am Transportband
festzusaugen. Dies ermöglicht die Ausübung hinreichend hoher Zugkräfte, ohne dass diese sich gegebenenfalls auf vorgelagerte Prozessschritte, wie beispielsweise einem
Ziehprozess aus einer Schmelze oder einem Vorkörper, oder auch einem Abwickeln des Dünnglasbands von einer Rolle auswirken . Vorzugsweise wird das Dünnglas 1 schnell an den
Laserstrahlen 8 vorbeibewegt, so dass der jeweilige
Laserstrahl 8 das Dünnglas 1 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 Metern pro Minute, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 3 bis 20 Metern pro Minute überstreicht. Erfindungsgemäß ist eine Strahlformungsoptik 6 für den jeweiligen Laserstrahl 8 vorgesehen, mit welcher das
Strahlprofil nun so geändert wird, dass dieses nach der Strahlformung eine langgestreckte Form aufweist und dessen Längsrichtung in Vorschubrichtung 103 liegt. Das Teilbild Fig. 2 (a) zeigt solche Strahlprofile 80 zusammen mit der Vorschubrichtung 103 des Glases. Die langgestreckte Form des Strahlprofils ist asymmetrisch wobei sich die Enden 82,
83 des Strahlprofils unterscheiden, wobei das vordere Ende 82, welches beim Vorschub das Glas zuerst überstreicht, durch eine quer zur Vorschubrichtung 103 verlaufende Kante
84 gebildet wird. Weiterhin weist das hintere Ende 83 des Strahlprofils 80 eine stetig zum Ende hin abfallende
Intensität auf. Das Strahlprofil weist damit auch eine zum hinteren Ende 83 hin zulaufende Form auf. Beispielsweise kann das Strahlprofil 80 zum Ende 83 hin elliptisch oder spitz zulaufen.
Fig. 3 zeigt zum Vergleich ein symmetrisches Strahlprofil, wie es bisher üblicherweise beim Spannungsrisstrennen verwendet wird. Das Strahlprofil 80 dieses Beispiels hat eine elliptische Form. Ein Strahlprofil 80 gemäß der
Erfindung, wie es Fig. 2 zeigt, kann aus einem
herkömmlichen Strahlprofil einfach dadurch geformt werden, indem ein Teil des Laserstrahls geblockt oder ausgeblendet wird. Demgemäß wird die Kante durch Abschattung des
Strahlprofils 80 an dessen vorderem Ende erzeugt.
Überstreicht der Laserstrahl 8 mit einem solchen
Strahlprofil 80 gemäß Fig. 2 nun das Dünnglas 1, so ergibt sich zu Beginn der Aufheizphase verursacht durch die Kante ein sprunghafter Anstieg der Laserintensität und damit der Heizleistung. Bevorzugt wird ein Laser, dessen Laserstrahl bereits in der Oberfläche des Glases möglichst vollständig absorbiert wird. Geeignet hierzu ist insbesondere ein CO2- Laser. Mit dieser oberflächennahen Absorption kann mit dem erfindungsgemäßen Strahlprofil nun auch ein
Temperaturunterschied zwischen der bestrahlten Seite des Dünnglases 1 und der gegenüberliegenden Seite hergestellt werden .
Bei dem in Fig. 2 (a) gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kante 84 geradlinig. Gemäß einer Weiterbildung der
Erfindung kann diese Kante auch konkav verlaufen, so dass die zwei von der Trennlinie ausgehenden Teile der Kante 84 einander zugewandt sind. Ein solches Strahlprofil zeigt Fig. 2 (b) . Die Kante 84 weist hier zwei Schenkel 841, 842 auf, die zueinander geneigt sind. Ohne Beschränkung auf das spezielle dargestellte Ausführungsbeispiel ist die Kante 84 als konkaver Einschnitt im Strahlprofil ausgebildet, beziehungsweise weist das vordere Ende 82 einen konkaven Einschnitt 85 auf. Dieser Verlauf der Kante 84,
beziehungsweise des vorderen Endes des Strahlprofils kann von Vorteil sein, um ein Verlaufen des sich fortpflanzenden Risses zu vermeiden. Mit dem Einschnitt 85 wird die
Rissfortpflanzung auf den vorgesehenen Verlauf entlang der Trennlinie zentriert.
Anhand der Fig. 4 bis Fig. 6 werden Ausführungsformen für Strahlformungsoptiken 6 beschrieben, wie sie zur Erzeugung eines asymmetrischen Strahlprofils 80, auch gemäß den in den Fig. 2 (a) und (b) gezeigten Ausführungsbeispielen verwendet werden können. Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Strahlformungsoptik ein Abschattungselement 60, mit welchem ein Teil des langgestreckten Strahlprofil 80 abgeschattet wird, so dass sich im Strahlprofil auf dem Dünnglas 1 eine Kante 84 ausbildet. Vor der Abschattung kann ein längliches Strahlprofil des Laserstrahls 8 mittels einer Zylinderlinse 61 erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt eine Variante des in Fig. 4 dargestellten Beispiels. Diese Variante basiert darauf, dass das
Abschattungselement 60 reflektierend ausgebildet ist. Der abgeschattete Teilstrahl kann auf diese Weise durch
Reflexion auf das Dünnglas 1 gerichtet werden, so dass dieser zur Intensitätsverteilung des Strahlprofils 80 auf dem Dünnglas 1 beiträgt, beziehungsweise so dass das
Strahlprofil 80 auf dem Dünnglas 1 sich aus dem nicht abgeschatteten Teilstrahl und dem abgeschatteten und reflektierten Teilstrahl zusammensetzt.
Bei der Ausführungsform der Fig. 6 wird anstelle einer Zylinderlinse 61 und eines Abschattungselements 60 ein diffraktiv-optisches Element 62 verwendet, um das
asymmetrische Strahlprofil 80 zu formen. Das diffraktiv- optische Element ist als transmittierendes Element
dargestellt. Selbstverständlich kann das Element aber auch für eine Strahlformung in Reflexion ausgebildet sein.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das
asymmetrische Strahlprofil 80 mittels einer Zylinderlinse 61 erzeugt wird, deren optische Achse 610 zur
Strahlrichtung des Laserstrahls 8 verkippt ist. Die
Asymmetrie des Strahlprofils 80 ergibt sich hier durch die Kaustik aufgrund der Schiefstellung der Zylinderlinse 61. Es zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen asymmetrischen Ausbildung des Strahlprofils ein größerer Temperaturunterschied hergestellt werden kann, verglichen mit einem symmetrischen, beispielsweise elliptischen
Profil. Dies trifft im Speziellen auf dünne Gläser zu, bei denen ein schneller Temperaturausgleich zwischen
bestrahlter Seite und gegenüberliegender Seite erfolgt.
Die Fig. 8 bis Fig. 10 zeigen zur Verdeutlichung Diagramme der Temperaturen als Funktion der Zeit an Ober- und
Unterseite von Gläsern verschiedener Dicke bei
Überstreichen des Glases mit einem Laserstrahl mit
symmetrischem, elliptischen Strahlprofil, also etwa ein Strahlprofil gemäß Fig. 3.
In Fig. 8 sind die Temperaturverläufe für ein 1 mm dickes Glas dargestellt. Temperaturverlauf (i) ist der Verlauf an der bestrahlten Seite, Temperaturverlauf (ii) der Verlauf in der Mitte des Glases und Temperaturverlauf (iii) der Verlauf an der gegenüberliegenden Seite. Wie zu erkennen ist, ergibt sich eine erhebliche Temperaturdifferenz zwischen bestrahlter Seite und Rückseite. Entsprechend hoch sind die Differenzen der mechanischen Spannung, so dass eine Rissfortpflanzung sicher erzwungen wird und das Glas sich leicht durchtrennen lässt.
Fig. 9 zeigt nun ein entsprechendes Diagramm an einem dünneren, nämlich nur noch 200 pm dicken Glas. Im
dargestellten Maßstab sind Temperaturunterschiede zwischen bestrahlter und gegenüberliegender Seite praktisch nicht zu erkennen. Die Kurven liegen aufeinander. Vergrößert man wie in Fig. 10 gezeigt den Ausschnitt um das Temperaturmaximum, sind noch kleine Temperaturunterschiede zu erkennen. Die Temperaturunterschiede sind aber von mehreren hundert Grad Celsius auf wenige Grade abgesunken. Entsprechend klein ist die Differenz der mechanischen Spannung zwischen
bestrahlter Seite und gegenüberliegender Seite des
Dünnglases .
Hier kann mit einem erfindungsgemäßen Strahlprofil eine deutlich höhere Temperaturdifferenz erzielt werden, wie die Beispiele der Fig. 11 und Fig. 12 zeigen. Fig. 11 zeigt ein Diagramm des örtlichen Verlaufs der Temperaturdifferenz entlang der Trennlinie bei symmetrischem Strahlprofil, Fig. 12 den entsprechenden Verlauf bei erfindungsgemäßem
asymmetrischen Strahlprofil. Als asymmetrisches
Strahlprofil wurde das gleiche elliptische Strahlprofil angenommen, welches auch dem Verlauf der Fig. 11 zugrunde liegt, wobei die Abschattung ab der Mittenachse erfolgt. Das asymmetrische Strahlprofil stellt damit also nur die Hälfte der GesamtIntensität des symmetrischen Strahlprofils bereit. Dennoch ist der maximale Temperaturunterschied zwischen bestrahlter und gegenüberliegender Seite des
Dünnglases mit über 35 °C mehr als doppelt so hoch wie bei dem symmetrischen Strahlprofil, die Temperaturdifferenz gemäß Fig. 11 bleibt unter 15°C.
Allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte
Ausführungsbeispiel kann beim Überstreichen des
erfindungsgemäßen asymmetrischen Strahlprofils 80 ein
Temperaturunterschied von mindestens 20 °C zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des
Dünnglases 1 aufgebaut werden, wie auch das Beispiel der Fig. 12 zeigt. Nun ist nicht nur die Temperaturdifferenz selbst größer, sondern auch der Gradient des Temperaturunterschieds.
Allgemein, ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass beim Überstreichen des Strahlprofils 80 ein maximaler Temperaturunterschied zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des Dünnglases 1 innerhalb einer Wegstrecke von weniger als 5 Millimetern aufgebaut wird. Beim dargestellten Beispiel ist diese Wegstrecke noch kleiner und liegt im Bereich eines Millimeters.
Demgegenüber baut sich gemäß dem Vergleichsbeispiel der Fig. 11 beim symmetrischen Strahlprofile der
Temperaturunterschied deutlich langsamer über eine
Wegstrecke von etwa 10 Millimetern auf.
Die geringere GesamtIntensität bei dem durch teilweise Abschattung gebildeten Strahlprofil äußert sich auch in der geringeren Maximaltemperatur. Fig. 13 zeigt hierzu einen Temperaturverlauf des symmetrischen und Fig. 14 den
Temperaturverlauf des erfindungsgemäßen asymmetrischen Strahlprofils auf der Trennlinie, wobei das elliptische Profil wieder zur Hälfte abgeschattet wurde. Während mit dem symmetrischen Strahlprofil eine Spitzentemperatur von etwa 600 °C erreicht wird, beträgt diese beim
asymmetrischen Profil nur etwas weniger als 350 °C. Dennoch führt der höhere Temperaturunterschied, wie er mit dem erfindungsgemäß geformten Laserstrahl erreicht wird, zu einer verbesserten Prozess-Stabilität .
Fig. 15 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Laser- Spannungsrisstrennen zugeschnittenen Dünnglaselements 100. Zum Vergleich ist in Fig. 16 eine mikroskopische Aufnahme eines durch Laser-Filamentierung zugeschnittenen
Dünnglaselements 100 mit gegenüberliegenden Seitenflächen 102, 103 gezeigt. Die Dünngläser weisen in beiden Fällen eine Dicke von 50 pm auf. Die Aufnahmen wurden in Aufsicht auf die mit dem jeweiligen Trennverfahren hergestellte Kante 101 gemacht. Anhand eines Vergleichs der Fig. 15 und Fig. 16 ist
ersichtlich, dass sich eine mit Laser-Spannungsrisstrennen hergestellte Kante 101 von Kanten, die mit anderen
Verfahren geschnitten wurden, gut unterscheiden lässt. Die erfindungsgemäß hergestellte Kante 101 ist wesentlich glatter, als eine mit Laser-Filamentierung vorgeritzte Kante. Auch bei einer mit herkömmlichem Ritzbrechen
hergestellten Kante entstehen Schädigungen zumindest am Übergang von der Kante 101 in die angeritzte Seitenfläche 102, beziehungsweise 103.
Nun ist allerdings eine allgemein mit Laser- Spannungsrisstrennen hergestellte Kante überraschenderweise nicht notwendigerweise stabiler, obwohl diese auf den ersten Blick absolut eben und defektfrei erscheint.
Allgemein ist die Kante für die Bruchstabilität besonders maßgeblich, da von der Kante ausgehende Brüche deutlich wahrscheinlicher sind, als Brüche, die in einer
Seitenfläche entstehen. Für die Stabilität, insbesondere auch für die Lebensdauer im Falle einer dauerhaften
Biegebelastung ist weiterhin nicht nur die mittlere
Bruchfestigkeit entscheidend, sondern auch der
Formparameter der das Bruchverhalten beschreibenden Weibull-Verteilung . Ist der Formparameter klein, so können mit einer gewissen verbleibenden Wahrscheinlichkeit auch Brüche bei nur verhältnismäßig kleinen Spannungen
auftreten, selbst wenn das Glas eine hohe mittlere
Bruchfestigkeit aufweist.
Es zeigt sich, dass mit der höheren Prozess-Stabilität , die durch das asymmetrische Strahlprofil erreicht wird, auch die Festigkeit, insbesondere im Hinblick auf den
Formparameter erhöht wird. Im Speziellen sieht die
Erfindung daher ein Dünnglaselement 100 mit einer Dicke von höchstens 250 pm, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 30 pm bis 150 pm vor, welches mit dem Verfahren oder der Vorrichtung gemäß der Erfindung herstellbar ist, welche zumindest eine mittels Laser-Spannungsrisstrennen
geschnittene Kante 101 aufweist, wobei das Dünnglaselement 100 für von der Kante ausgehende Brüche unter
Biegebelastung eine Weibullverteilung mit einem
Weibullmodul von mindestens m = 4,5, vorzugsweise
mindestens m = 5, aufweist.
Die Fig. 17 und Fig. 18 zeigen dazu zwei Weibull-Diagramme, also doppellogarithmische Diagramme der
Bruchwahrscheinlichkeit als Funktion der Biegespannung der Dünnglas-Proben. Fig. 17 ist dabei das Weibull-Diagramm der Messwerte an Proben, die mit einem symmetrischen,
elliptischen Strahlprofil des Laserstrahls (also etwa wie in Fig. 3 dargestellt) geschnitten wurden. Fig. 18 zeigt die Messwerte an erfindungsgemäß getrennten Dünngläsern. Außerdem angegeben sind jeweils der Skalenparameter der Weibull-Verteilung, entsprechend der mittleren Bruchspannung, sowie der Formparameter m. Der Formparameter entspricht der Steigung der Messwerte im Weibull-Diagramm.
Die mittlere Bruchspannung beträgt bei der mit
symmetrischem Strahlprofil hergestellten Kante 175 MPa.
Demgegenüber ist die mittlere Bruchspannung mit 222 MPa für erfindungsgemäß hergestellte Kanten um etwa 27%, also signifikant höher. Noch deutlicher ist der Anstieg des Formparameters. Dieser steigt von einem Wert von 3,7 auf einen Wert von 6,95 an. Dies entspricht einem Anstieg um knapp 88%. Die Festigkeit der Kante wird dabei auch durch andere Parameter, wie die Vorschubgeschwindigkeit
beeinflusst. Ein Wert des Weibull-Moduls von mindestens m = 4,5 wird aber typischerweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht.
Auch wird im Allgemeinen eine Weibullverteilung für Brüche unter Biegebelastung erreicht, bei welcher der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch der Probe, wie auch bei dem in Fig. 18 gezeigten Beispiel, mehr als 200 MPa beträgt.
Mit diesen Parametern ist es nun möglich, ein
Dünnglaselement 100 langzeitstabil unter höhere mechanische Spannung zu setzen, als dies mit Elementen mit auf andere Weise hergestellten Glaskanten möglich ist. Durch die hohe Kantenfestigkeit wird eine hohe Lebensdauer für ein solches unter Biegespannung stehendes Dünnglaselement erreicht.
Ein Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 19. Hier ist das
Dünnglaselement 100 ein zu einer Rolle aufgewickeltes Dünnglasband. Dabei bilden die erfindungsgemäß
geschnittenen und aufgerollten Kanten 101, welche wie in Fig. 1 dargestellt durch Abtrennen der Borten aus dem
Heißformprozess erzeugt wurden, die Stirnflächen der Rolle. Um die einzelnen Lagen der Rolle gegeneinander zu schützen, kann ein Bahnmaterial 11 mit eingewickelt werden.
In dieser Form kann das Dünnglasband dann platzsparend bis zur Weiterverarbeitung aufbewahrt werden. Immerhin ist beim Dünnglasband an Abmessungen von mindestens 10 Metern, vorzugsweise mindestens 100 Metern gedacht. Die auf das Dünnglasband ausgeübte Biegespannung wird maßgeblich durch den Innendurchmesser 13 der Rolle bestimmt. Durch die hohe Kantenstabilität kann das Dünnglasband nun mit einem kleineren Innendurchmesser 13 aufgerollt und dennoch langzeit stabil gelagert werden.
Für die mechanische Spannung σ, die beim Trennen durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte
Temperaturdifferenz hervorgerufen wird, gilt σ = AT
1-μ
Dabei bezeichnet CC den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, E das Elastizitätsmodul und μ die Poisson-Zahl des Glases.
In der nachfolgenden Tabelle sind spezifische Kennwerte einiger für die Erfindung gut geeigneter Gläser
aufgelistet. Der Parameter Tg bezeichnet dabei die
Transformationstemperatur .
Figure imgf000028_0001
Figure imgf000029_0001
Eine geeignete Gruppe von Gläsern für die Erfindung sind alkalifreie Borosilikatgläser . Hier wird folgende
Zusammensetzung in Gewichtsprozent bevorzugt:
Komponente Gew%
Si02 58 - 65
Figure imgf000029_0002
B2O3 6 - 10,5
MgO 0 - 3
CaO 0 - 9
BaO 3 - 8
ZnO 0 - 2
Diese Gläser werden auch in der US 2002/0032117 AI
beschrieben, deren Inhalt bezüglich der
Glaszusammensetzungen und Glaseigenschaften vollständig auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Ein Glas dieser Klasse ist das in der Tabelle bereits aufgeführte Glas AF32.
Noch eine weitere Klasse bevorzugter Glastypen sind
Borosilikatgläser mit den folgenden Bestandteilen in
Gewichtsprozent : Komponente Gew%
Si02 30 - 85
B2O3 3 - 20
Figure imgf000030_0001
Na20 3 - 15
K20 3 - 15
ZnO 0 - 12
T 1O2 0,5 - 10
CaO 0 - 0,1
Ein Glas dieser Klasse von Gläsern ist das in der Tabelle bereits genannte Schott-Glas D263. Die Gläser mit genaueren Zusammensetzungen werden auch in der US 2013/207058 AI beschrieben, deren Inhalt bezüglich der Zusammensetzungen der Gläser und deren Eigenschaften vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Wie oben dargelegt, kann eine hohe Lebensdauer
erfindungsgemäß zugeschnittener Dünnglaselemente 100 erreicht werden, auch wenn diese unter dauerhafter
Biegebelastung oder Allgemeiner einer oberflächlichen Zugbelastung stehen. Um eine niedrige Bruchquote innerhalb einer langen Lebensdauer zu gewährleisten, wird ein
Dünnglaselement 100 vorgesehen, welches in Weiterbildung der Erfindung unter Zugspannung, insbesondere aufgrund einer Biegebelastung steht, wobei die Zugspannung kleiner ist, als folgender Term:
(1) 1 .1 5 -Min
Figure imgf000030_0002
wobei <Ta und <Je Mittelwerte der Zugspannung beim Bruch von Proben des Glaselements unter Biegebeanspruchung sind, wobei Lref die Kantenlange und Aref die Flache der Proben bezeichnen, wobei Ga der Mittelwert der Zugspannung beim
Bruch in der Fläche der Probe und Ge der Mittelwert der
Zugspannung bei einem von der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kante der Probe ausgehenden Bruch sind, und wobei Ae und Aa die Standardabweichungen der
Mittelwerte Ge, beziehungsweise Ga bezeichnen, und wobei
AapP die Fläche des Dünnglaselements und LapP die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten des Glaselement und Φ eine vorgegebene maximale Bruchquote innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.
Die vorgegebene maximale Bruchquote Φ beträgt bevorzugt 0 , 1 oder weniger (also höchstens 10 % ) , besonders bevorzugt weniger als 0 , 05 (weniger als 5 % ) .
Mit der Weiterbildung der Erfindung wird also ein
Dünnglaselement 100 bereitgestellt, welches unter eine Zugspannung GapP gesetzt ist, welche kleiner ist als der oben genannte Term ( 1 ) . Die Zugspannung kann beispielsweise durch ein Aufrollen oder auch eine Befestigung auf einem Träger unter erzwungener Biegung verursacht werden.
Um eine niedrige Bruchwahrscheinlichkeit des
Dünnglaselements innerhalb von längeren Zeiträumen, beispielsweise bis zu zehn Jahren, zu erzielen, wird bevorzugt, dass das Glaselement unter eine Zugspannung σ gesetzt wird, welche kleiner ist als
A
( 2 ) 0.93 -Min σ3 - Δ3 0.4 · 1— In ref Φ ,σΘ - ΔΘ 0.4 1 - In ref Φ
V "app V aPP Bereits diese vergleichsweise kleine Verringerung der maximalen Zugspannung um einen Faktor 1,15/0,93 = 1,236 führt zu einer erheblichen Steigerung der Lebensdauer des mit der Zugspannung beaufschlagten Glasartikels.
Mit der Erfindung wird nun ermöglicht, Dünnglasbänder zu Rollen 3 aufzuwickeln, die hinsichtlich des Innenradius so bemessen sind, dass sie einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise einen durchschnittlichen oder maximalen Lagerungszeitraum mit hoher Wahrscheinlichkeit unbeschadet überstehen. Dies gilt allgemein auch für andere Formen der Weiterverarbeitung des Dünnglases, bei denen das
hergestellte Glaselement unter Zugspannung steht. Wie auch bei der Ausführungsform der Rolle sind die am häufigsten in Anwendungen, beziehungsweise bei einem weiterverarbeiteten Glasartikel auftretenden Zugspannungen durch Biegung des Dünnglases verursacht. Dabei steht der minimale Biegeradius R mit der Zugspannung GapP in folgender Beziehung:
E t
GaPP 2 OD
(3) "V^ 2R .
In dieser Beziehung bezeichnet E den Elastizitätsmodul, t die Dicke des Dünnglases und V die Poissonzahl des Glases. Bevorzugte Glasdicken sind oben in der Beschreibung
angegeben .
Für den Biegeradius, welcher die Bedingung einer gemäß Term (1) berechneten maximalen Zugspannung GapP erfüllt, ergibt sich durch Kombination mit Gleichung (3) folgender
Zusammenhang zwischen Biegeradius und Zugspannung:
Figure imgf000033_0001
Entsprechend folgt aus der Kombination von Gleichung (3) mit Term (2) für den Biegeradius, mit welchem eine niedrige Bruchwahrscheinlichkeit bei längeren Zeiträumen erhalten wird, die Beziehung
Figure imgf000033_0002
Für ein Dünnglaselement 100 in Form eines wie in Fig. 10 dargestellt, zu einer Rolle aufgewickelten Dünnglasbandes liegt der minimale Biegeradius R des Dünnglasbandes, aus dem gemäß Beziehung (3) die maximale Zugspannung GapP
resultiert, an der Innenseite 17 der Rolle vor. Um die Rolle handhabbar und klein halten zu können, werden
Biegeradien bevorzugt, bei welchen die maximale
Zugspannung, die an der Innenseite am Innendurchmesser 13 auftritt, aber mindestens 21 MPa beträgt. Die Kanten 101 des Dünnglasbandes, welche in der Rolle an deren
Stirnseiten liegen, sind dabei wie bereits anhand von Fig. 1 beschrieben, durch Abtrennen von Borten 110, 111 erzeugt worden. Das Verfahren, mit welchem die Parameter der obigen Gleichungen bestimmt werden, ist eingehend auch in der PCT/EP2014/070826 beschrieben, deren Inhalt diesbezüglich vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden
Erfindung gemacht wird. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden Gleichungen für jeweils fixe Mindest- Lebensdauern von mehr als 6 Monaten, beziehungsweise mehr als einem Jahr angegeben. Gegebenenfalls ist es aber sinnvoll, eine andere bestimmte Lebensdauer vorzugeben. Auch folgen aus den Termen (1), (2) zwar Mindest-Radien, jedoch kann es auch wünschenswert sein, einen Bereich zulässiger Radien, mit dem eine bestimmte Lebensdauer erzielt wird, anzugeben. Schließlich ist es weiterhin auch gegebenenfalls schwierig, zu diskriminieren, ob bei den Bruchtests ein Bruch von einer Kante ausgegangen oder innerhalb der Fläche entstanden ist. Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass Bruchtests durchgeführt werden, bei denen die
Bruchspannung, beziehungsweise die korrespondierenden Biegeradien beim Bruch aufgezeichnet werden und anhand dieser Daten statistische Parameter ermittelt und anhand dieser Parameter ein Bereich für einen Biegeradius
festgelegt wird, welcher eine bestimmte, insbesondere lange Lebensdauer des unter mechanische Spannung gesetzten
Glasartikels garantiert.
Die Erfindung sieht nun ein Dünnglaselement 100 mit
erfindungsgemäß durch Laser-Spannungsrisstrennen
hergestellten Kanten 101, beispielsweise in Form einer Dünnglasrolle mit einem aufgerollten Dünnglas 1 in Form eines Dünnglasbands mit einer Länge von vorzugsweise mindestens 10 Metern vor, wobei der Innenradius des aufgerollten Dünnglases oder allgemeiner der Biegeradius des gebogenen Dünnglaselements im Bereich von
Figure imgf000035_0001
Figure imgf000035_0002
liegt, ittelwert und
(10)
Figure imgf000035_0003
die Varianz der Biegeradien R± beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial des Dünnglaselements sind, wobei R± die Biegeradien sind, bei welchen die Proben jeweils brechen, und t eine vorzugsweise vorgegebene Mindest-Dauer in Tagen ist, welche das
Dünnglaselement ohne Bruch übersteht. Solche
zeitverzögerten Brüche werden dabei insbesondere durch Spannungsrisskorrosion verursacht .
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines
Dünnglaselements 100 in Form einer Rolle 3 mit einem aufgerollten Dünnglas 1 mit einer Länge von vorzugsweise mindestens 10 Metern basiert dementsprechend darauf,
- mit einem Bruchtest der Mittelwert <R> der Biegeradien R± beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben 10 unter
fortschreitend größer werdender Biegebelastung, sowie die Varianz s ermittelt werden, und
- ein Dünnglasband aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial der Proben 10 bereitgestellt, zumindest dessen Längskanten erfindungsgemäß durch Laser-
Spannungsrisstrennen hergestellt und das Dünnglasband zu einer Rolle aufgewickelt wird, wobei der Innenradius der Rolle, welcher der Radius der innersten Lage des
Dünnglasbands ist, so gewählt wird, dass dieser im Bereich von Rmin gemäß Gleichung (8) bis Rmax gemäß Gleichung (9) liegt, wobei t eine vorgegebene Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die Dünnglasrolle ohne Bruch überstehen soll. Eine gewisse Bruchwahrscheinlichkeit ist jedoch im Allgemeinen, selbst bei sehr großen Biegeradien bei Glasbändern
typischerweise dennoch vorhanden. Die Parameter der
Gleichungen (8) und (9) sind aber so abgestimmt, dass die Bruchquote innerhalb einer vorgegebenen Mindest-Dauer im Allgemeinen bei kleiner als 0, 1, vorzugsweise kleiner als 0, 05 liegt.
Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung beeinflusst die erfindungsgemäße Herstellung der Kanten 101 und deren verbesserte Festigkeit die Parameter s und <R> . Durch die erhöhte Kantenfestigkeit wird auch insgesamt der Mittelwert <R> gegenüber Proben mit nicht erfindungsgemäß
geschnittenen Kanten erhöht. Je nach Natur der vorhandenen Defekte der Kanten 101 kann die Varianz s gegenüber nicht erfindungsgemäß hergestellten Proben ansteigen oder auch kleiner werden.
Um eine ausreichend vertrauenswürdige Statistik für eine zuverlässige Festlegung des Biegeradius im durch die
Gleichungen (8) und (9) definierten Bereich zu erhalten, werden gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform mindestens zwanzig, vorzugsweise mindestens 50 Proben des
Dünnglases bis zum Bruch mit einer Biegebelastung und damit mit Zugspannung belastet, um den Mittelwert <R> der Biegeradien R± und deren Varianz zu ermitteln. Die
Durchführung des Verfahrens, sowie die Ermittlung der Parameter der Gleichungen (8) bis (10) wird eingehend auch in der DE 10 2014 113 149.5 beschrieben, deren Inhalt diesbezüglich vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird.
Bezugzeichenliste
1 Dünnglas
2 Vorrichtung zum Spannungsrisstrennen
3 Trennlinie
5 Kühlstrahl
7 Riss
8 Laserstrahl
9 Laser
11 Bahnmaterial
20 TranSporteinrichtung
21 Levitationsunterläge
33 Pumpe
51 Kühlstrahlerzeuger
54, 55 Transportband
53 Unterdruckansaugung
60 Abschattungselement
61 Zylinderlinse
62 diffraktives optisches Element
80 Strahlprofil
82, 83 Enden von 80
84 Kante von 80
89 Ritzeinrichtung
101 Kante von 100
102, 103 Seitenflächen von 100
110, 111 Borten
610 optische Achse von 61

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Trennen von Dünnglas (1) mit einer Dicke kleiner als 250 pm, bei welchem das Dünnglas (1) entlang eines eine Trennlinie (3) bildenden Pfades entlang einer Vorschubrichtung (103) fortschreitend mit einem Laserstrahl (8) erwärmt wird, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied des erwärmten Glases zum umgebenden Glas eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss (7) sich der mechanischen Spannung folgend entlang der
Trennlinie (3) fortpflanzt und das Dünnglas (1) durchtrennt, wobei der Laserstrahl (8) mittels einer Strahlformumgsoptik (6) so geformt wird, dass dessen Strahlprofil (80) eine langgestreckte Form aufweist, und wobei der Laserstrahl (8) so auf die Oberfläche des Dünnglases (1) gerichtet wird, dass dessen
Längsrichtung (81) in Vorschubrichtung liegt, und wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden (82, 83) des Strahlprofils (80)
unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas (1) zuerst überstreichenden vorderen Ende (82) steiler ist, als der Abfall der
Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes (83)
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmung nachfolgend das Dünnglas (1) mittels eines Kühlstrahls (5) abgekühlt wird . Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Kühlstrahls abgekühlt wird, welcher ein angefeuchteter Gasstrahl ist, der eine relative Feuchte von 70% bis 100% aufweist oder welcher eine flüssige Phase umfasst, insbesondere mit einem Kühlstrahl in Form eines Aerosolstrahls, Flüssigkeitsstrahls oder
Tröpfchenstrahl aus hintereinander ausgestoßenen Tröpfchen .
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden
Ansprüche, wobei das vordere Ende (82) des
Strahlprofils (80), welches beim Vorschub das Glas zuerst überstreicht, durch eine quer zur
Vorschubrichtung verlaufende Kante (84) gebildet wird
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das asymmetrische
Strahlprofil
- durch Abschattung des Strahlprofils (80) an dessen vorderem Ende (82) oder
- durch Strahlformung mittels eines diffraktiv optischen Elements oder
-mittels einer Zylinderlinse erzeugt wird, welche gegenüber der Strahlrichtung des Laserstrahls (8) verkippt ist, so dass die optische Achse der
Zylinderlinse schräg zur Strahlrichtung, vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 25° bis 75° zur
Strahlrichtung steht.
6. Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überstreichen des Strahlprofils (80) ein maximaler Temperaturunterschied zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des Dünnglases (1) innerhalb einer Wegstrecke von weniger als 5
Millimetern aufgebaut wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überstreichen des Strahlprofils (80) ein Temperaturunterschied von mindestens 20 °C zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des Dünnglases (1) aufgebaut wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (8) das Dünnglas (1) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 Metern pro Minute, vorzugsweise mit einer
Geschwindigkeit in einem Bereich von 3 bis 20 Metern pro Minute überstreicht.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (8) so geformt wird, dass das hintere Ende des Strahlprofils eine stetig zum Ende hin abfallende Intensität aufweist .
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (8) geformt wird, das das vordere Ende (82) des
Strahlprofils (80) einen konkaven Einschnitt (85) aufweist . Vorrichtung (2) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend - einen Laser (9) zur Bestrahlung eines Dünnglases (1) mit einem Laserstrahl, welcher im Dünnglas (1) absorbiert wird und somit das Dünnglas (1) erwärmt,
- eine Strahlformungsoptik (6) zur Formung des
Strahlprofils des vom Laser (9) erzeugbaren
Laserstrahls (8),
- eine Vorschubeinrichtung (20), um das Dünnglas (1) relativ zum Auftreffort des Laserstrahls (8) entlang einer vorgesehenen Trennlinie zu bewegen, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied des entlang der Trennlinie erwärmten Glases zum umgebenden Glas eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss (7) sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie (3) fortpflanzt und das Dünnglas (1) durchtrennt, wobei die
Strahlformungsoptik (6) ausgebildet ist, den
Laserstrahl (8) so zu formen, dass dessen Strahlprofil
(80) eine langgestreckte Form aufweist und den
Laserstrahl (8) so auf die Oberfläche des Dünnglases
(1) zu richten, dass dessen Längsrichtung (81) in Vorschubrichtung liegt, und wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden (82, 83) des
Strahlprofils (80) unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas (1) zuerst überstreichenden vorderen Ende (82) steiler ist, als der Abfall der Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes (83) .
12. Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch,
gekennzeichnet durch einen Kühlstrahlerzeuger (51) zur Erzeugung eines Kühlstrahls (5) , welcher entlang der Trennlinie versetzt zum Laserstrahl auf das Dünnglas (1) auftrifft, so dass bei Vorschub ein auf der
Trennlinie (3) liegender Punkt des Dünnglases (1) zuerst den Auftreffort des Laserstrahls und dann den Auftreffort des Kühlstrahls (5) durchläuft. 13. Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlstrahlerzeuter (51) eine Einrichtung zur Erzeugung eines angefeuchteten
Gasstrahls mit einer relativen Feuchte von 70 % bis 100% oder zur Erzeugung eines Kühlstrahls mit einer flüssigen Phase umfasst.
14. Vorrichtung gemäß einem der vier vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strahlformungsoptik (6) ausgebildet ist, ein
Strahlprofil (80) zu erzeugen, dessen vorderes Ende
(82) einen konkaven Einschnitt (85) aufweist.
15. Vorrichtung gemäß einem der drei vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (9) ein C02~Laser ist.
16. Vorrichtung gemäß einem der vier vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strahlformungseinrichtung (6) zumindest eines der Element umfasst:
- ein Abschattungselement , um das vordere Ende des Strahlprofils abzuschatten, - ein diffraktiv optisches Element
- eine Zylinderlinse, welche gegenüber der
Strahlrichtung des Laserstrahls verkippt ist,
vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 25° bis 75° zur Strahlrichtung.
Dünnglaselement (100) mit einer Dicke von höchstens 250 pm, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 30 pm bis 150 pm, herstellbar mit Verfahren oder der Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welche zumindest eine mittels Laser- Spannungsrisstrennen geschnittene Kante (101)
aufweist, wobei das Dünnglaselement (100) für von der Kante ausgehende Brüche unter Biegebelastung eine Weibullverteilung mit einem Weibullmodul von
mindestens m = 4,5, vorzugsweise mindestens m = 5 aufweist .
Dünnglaselement gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglaselement eine Weibullverteilung für Brüche unter Biegebelastung aufweist, bei welcher der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch der Probe mehr als 200 MPa beträgt.
Dünnglaselement (100) nach einem der zwei vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Dünnglaselement (100) unter einer Zugspannung GapP steht, welche kleiner ist, als
1 .1 5 -Min
Figure imgf000044_0001
wobei <Ja und <Je Mittelwerte der Zugspannung beim
Bruch von Proben des Dünnglaselements unter
Biegebeanspruchung sind, wobei Lref die Kantenlänge und Aref die Fläche der Proben bezeichnen, wobei Oa der Mittelwert der Zugspannung beim Bruch in der Fläche der Probe und (Je der Mittelwert der Zugspannung bei einem von der mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellten Kante der Probe ausgehenden Bruch sind, und wobei Δθ und Äa die
Standardabweichungen der Mittelwerte (Je ,
beziehungsweise σα bezeichnen, und wobei AapP die
Fläche des Dünnglaselements (100) und LapP die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten (101) des
Glaselements und Φ eine maximale Bruchquote von höchstens 0,1 innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.
Dünnglaselement (100) gemäß dem vorstehenden Anspruch, bei welchem das Dünnglaselement unter eine Zugspannung GapP steht, welche kleiner ist als
0.93-Min Φ . σ6 Δρ0.4 1— In Lref Φ
Figure imgf000045_0001
LaPP JJ
Dünnglaselement (100) gemäß einem der beiden
vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das Dünnglaselement (100) ein zu einer Rolle
aufgewickeltes Dünnglasband ist.
Dünnglaselement (100) gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei der Innenradius des aufgerollten Dünnglases (1) im Bereich von
Figure imgf000045_0002
bis
Figure imgf000046_0001
die Varianz der Biegeradien beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial des Dünnglaselements (100) sind, wobei Ri die Biegeradien sind, bei welchen die Proben jeweils brechen, und t eine Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die Dünnglasrolle ohne Bruch übersteht.
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