WO2017093393A1 - Verfahren zum lasergestützten ablösen eines teilstücks von einem flächigen glas- oder glaskeramikelement - Google Patents

Verfahren zum lasergestützten ablösen eines teilstücks von einem flächigen glas- oder glaskeramikelement Download PDF

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ceramic element
section
glass ceramic
damage
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Martin Spier
Fabian Wagner
Andreas Ortner
Georg Haselhorst
DR. Volker PLAPPER
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Schott AG
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    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/52—Ceramics
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    • B23K2103/50—Inorganic materials other than metals or composite materials
    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the invention relates to a method for laser-assisted detachment of a portion of a sheet-like glass or glass ceramic element along an intended dividing line, which divides the glass or glass ceramic element in the part to be detached and a remaining main part.
  • the invention further relates to a hob comprising a glass or glass ceramic element producible as a main part with the method according to the invention.
  • filaments can be produced in a transparent substrate with a pulsed focused laser beam, and that a path formed from a plurality of filaments makes it possible to separate the substrate.
  • a filament is thereby produced by a high-energy short laser pulse, it being assumed that the non-linear optical Kerr effect results in self-focusing of the laser beam, causing plasma formation.
  • DE 10 2012 110 971 A1 describes a method of separating preparation of transparent workpieces, in which filament structures which extend transversely through the workpiece and are arranged next to one another are produced by ultrashort laser pulses along a predetermined breaking line. The workpiece is separated in a subsequent step.
  • Residual substrate may be of interest as well
  • Part of a flat glass element presented which is also suitable for thicker glass elements.
  • the glass element is heated in the region of the main part and made to expand and / or cooled in the region of the section and brought to contract, so that the section separates from the main part.
  • the method is intended primarily for glass elements and less for glass ceramic elements.
  • the method can be used especially for materials with low
  • Pieces are to be further developed.
  • Pieces of sheet glass or glass ceramic elements along non-linear, in particular highly curved or even closed, dividing lines allows, so that both the severed portion and the remaining body are not damaged further.
  • One aspect of the object is to enable the detachment even of small inner cutouts made of thick glass or glass ceramic elements with low coefficients of thermal expansion.
  • Another aspect of the object is to enable a clean, in particular splinter-free, detachment of the section and the risk of damaging cracking both in the separated section and in the remaining
  • the inventive method is prepared for detaching a portion of a sheet glass or
  • the inventive method is based on that
  • filament-shaped Damage in the volume of the glass or glass ceramic element are generated, and the filamentous damage produced by laser pulses of a laser, in particular by the laser pulses in the volume of the glass element generate a plasma, wherein the material of the glass or
  • Glass ceramic element for the laser pulses is transparent, and the impact points of the laser pulses on the glass or
  • Section subjected to a phase transition and brought to contract, so that the portion along the dividing line on the juxtaposed filament-like damage detaches from the main body.
  • the induction of the phase transition is causal to the phase-change contraction
  • the atoms of the material undergoing a phase transition can thus be arranged in a smaller volume than before after the phase transition.
  • the ratio of the volume of the atoms and the volume in which the atoms are located, i. the space filling or packing density can be increased.
  • the particles of the phase-converted material can thus reduce their distance from each other.
  • the phase-converted material thus has a higher density than before.
  • Crystal phases usually represent states with the highest
  • amorphous material can be converted to high quartz mixed crystal (HQMK) and / or keatite mixed crystal (KMK).
  • a finely divided HQMK phase and / or KMK phase can be generated in the region of the section, it being possible, for example, to convert about 70 percent of the volume of the ceramized region of the glass or glass ceramic element into crystallites and about 30 percent in to remain in an amorphous state.
  • Ceramic crystallites typically have a negative coefficient of thermal expansion, so too
  • Temperature-related contraction can be achieved by heating. In particular, due to the negative
  • Thermal expansion coefficient of a ceramified portion of the glass or glass ceramic element can be achieved in total.
  • a relative contraction of a ceramized substrate region to a non-ceramized substrate region can be provoked, which benefits from increased substrate temperature.
  • Glass element which consists of a so-called. Green glass, so an amorphous starting material for a ceramizing process, to convert by ceramification in a semi-crystalline state.
  • the ceramized glass typically shrinks by 1 to 2 percent. See eg Bach, Krause (ed.): Low Thermal Expansion Glass Ceramics, Springer-Verlag, See. Ed., 2005, page 43, Figure 2.23.
  • the preferred materials to be processed have a composition that is at the stage of
  • Green glass production a spatially evenly distributed local liquid-liquid phase separation, in particular a droplet formation, favors.
  • the solid glass or glass ceramic element from which a part is to be detached already be at least two-phase, the two phases are preferably both amorphous, but differ in terms of their chemical composition. Since crystallization can be specifically initiated, in particular within such droplets, controlled crystallization advantageously takes place
  • impurities are added to the green glass as a nucleating agent, which when heated
  • Phase transition temperature is heated to initiate the phase transition.
  • a change in temperature is particularly advantageous because the temperature is an in practice well controllable intensive state variable.
  • the heating to the phase transition temperature is preferably carried out by means of electromagnetic radiation,
  • a diode laser can be used, for example, in the case of volume-colored glass ceramics such as SCHOTT CERAN®, with a wavelength of approximately 1000 nm and coupling of the laser radiation into a volume fraction of 8 to 12 percent being preferred.
  • other laser types can also be used.
  • Er: YAG laser or HF or CO laser 4.8 ym to 8.3 ym
  • high absorption at 2.9 ym or 5.6 ym for example in the case of high absorption at 2.9 ym or 5.6 ym.
  • Phase transition be brought.
  • This phase transition temperature which may be referred to in particular as the ceramization temperature, may be e.g. above the glass transition temperature.
  • Phase transition temperature is below the melting temperature of the material, especially this clear
  • the phase transition temperature is preferably at least 50 ° C, preferably at least 100 ° C, more preferably at least 150 ° C below the
  • phase transition temperature is generally not to be understood as the temperature which lies exactly on the phase boundary curve in the phase diagram, but rather in practice as the temperature at which the phase transition actually takes place in controllable time scales.
  • the phase transition temperature is typically higher than that on the
  • the laser power of the local temperature at the intended impact point on the surface in particular the
  • a temperature measurement of the glass or glass ceramic element can be provided.
  • a temperature-controlled embodiment may in particular be a pyrometer, a thermal imaging camera or other e.g. comprise imaging temperature measuring methods for measuring the local temperature.
  • the target temperatures can be adjusted in particular via a two-fold thermal stroke. It can be provided a defined oscillation of the laser power, so that an optimum temperature for nucleation and seed growth at the respective point of impact of the laser is taken multiple times. This procedure is particularly useful when a CO2 laser is used.
  • a C02 laser typically has one
  • a sufficient amount of material in the region of the section is brought to contract.
  • a volume fraction of the section is phase-converted by at least 50 percent.
  • Section volume increases the required degree of ceramization. Depending on where such material is located in the region of the section, the section may contract overall or only locally.
  • the separation or cleavage of the portion is also referred to as "cleaving.”
  • the cleavage of the portion from the body may optionally be done or assisted by an additional so-called cleaving step, as described further below.
  • Phase transition and the phase transition in turn is due to a warming of the material, it may happen as a result of the heating that the section expands first. That the heated area can initially become larger and, in particular in the case of an internal one
  • the section usually loses or reduces the contact with the main part.
  • the contraction of the section thus results in the detachment of the section from the main body.
  • curved or closed dividing lines can be provided and thus parts can be removed or removed, which predominantly or completely from the
  • Main part are surrounded in the plane level. Especially shrinkage of an inner portion forms a gap between the inner cut and the
  • Inducing a shrinkage of the section by introducing one or more phase transitions in the region of the section has the advantage that a sufficient relative contraction of the section relative to the main part can still be achieved even if a warming-up of the main part and / or a cooling of the section is insufficient, for example, because the coefficient of thermal expansion of the glass or the glass ceramic is too low, the generation of the required temperature difference between the main body and section is no longer practicable, or because the section has too small dimensions.
  • filamentous damage received at least the main part as a whole.
  • both the part and the main part remain as a whole when detaching the section along the dividing line at the adjacent filament-shaped damage.
  • the laser filamentation takes place only in the region of the intended dividing line.
  • Destroying section This advantageously reduces the complexity of the process compared to a process with such auxiliary perforations and minimizes the risk of damaging crack propagation into the main part.
  • Auxiliary perforations is further that tensile stresses for
  • the preferably provided one-piece receipt of the main part and the piece is also because of
  • both parts can be reused.
  • the main part, the part or both parts be of interest. If you are interested in the main part, the receipt of the section is advantageous because fewer residues and splinters incurred and the section in turn can be used as a starting material without it needs to be melted down.
  • Damage is based on the use of a laser, which preferably emits ultrashort laser pulses (UKP laser).
  • the laser pulses generate filamentous damage precisely along the predetermined dividing line across the flat glass or glass ceramic element by local destruction of the material in the interaction zone with the laser light.
  • the filamentous lesions are typically formed as defined linear damage whose length can be influenced by selecting suitable pulse energies and pulse durations. By producing a plurality of closely spaced filaments, a perforation of the material is achieved.
  • Cut edges of the section and the main part reaches a very high edge quality.
  • Method thus represents a precision separation process, which ensures a high edge quality and thus leads in particular to a high bending strength of the main part and the part.
  • the reason for this is that the flexural strength of a glass or glass ceramic material strongly depends on the nature of the cut edges. A clean as possible edge with as few and as small as possible, preferably no chipping, notches and other bumps contributes significantly to reducing the risk of breakage.
  • the quality of the separating edges and separating surfaces produced by the method according to the invention both at the portion and at the main part is characterized in particular by a chipping of less than 10 micrometers, more preferably less than 5 micrometers and a roughness with an Rz value of less than 30 micrometers,
  • the filamentous damages produced by the laser pulses in the method according to the invention are typically formed as submicron hollow channels, ie as hollow channels with diameters of less than 5 micrometers, more preferably less than 2, most preferably less than 1 micrometer.
  • Preferred are filaments having a length of at least 200 microns, more preferably at least 500 Microns generated to facilitate the separation of the section.
  • Ultra short pulse laser in the so-called burst mode.
  • the laser pulse is not delivered as a single pulse, but as a result in quick succession
  • Such a pulse packet generally has a slightly greater energy than a single pulse in conventional single-shot operation.
  • the pulses of a burst itself contain significantly less energy than a single pulse.
  • the pulse energies are flexibly adjustable, in particular that the pulse energies either remain substantially constant or that the pulse energies increase or that the pulse energies decrease.
  • a suitable laser source is a neodymium-doped yttrium-aluminum-garnet laser having a wavelength of 1064 nanometers.
  • the laser source operates in particular with a repetition rate which is between 1 kHz and 1000 kHz, preferably between 20 kHz and 120 kHz, particularly preferably between 30 kHz and 110 kHz, and most preferably between 35 kHz and 105 kHz.
  • the scan speed may preferably be selected such that, depending on the repetition rate, the distance between adjacent filamentous lesions
  • Micrometer more preferably at least 4 microns and is at most 20 microns, preferably at most 10 microns, more preferably at most 7 microns.
  • the suitable pulse duration of a laser pulse is in a range of less than 100 picoseconds, preferably less than 10 picoseconds.
  • the pulse duration can also be less than 1 picosecond.
  • the typical power of the laser source is particularly favorable in a range of 20 to 300 watts.
  • a pulse energy in the burst of more than 200 microjoules is used, further advantageously a total burst energy of more than 500 microjoules.
  • the repetition rate is the repetition rate of burst delivery.
  • the pulse duration is essentially independent of whether a laser is operated in single-pulse mode or in burst mode.
  • the pulses within a burst typically have a similar pulse length as a pulse in single pulse mode.
  • the material of the glass or glass ceramic element is finely divided is located above a parting line extending edge region of the section, subjected to a phase transition.
  • Peeling of the section can often be successful by ceramification, or, generally, partial phase transformation, of an edge zone (a
  • Edge strip in the region of the section. Thereby, a contraction of the portion can be achieved in the edge region, which leads to the detachment of the portion of the main body.
  • Ceramization can thus save time and energy, i. the process will be optimized.
  • the edge region extending adjacent to the dividing line may preferably have a width of at most 50 millimeters, particularly preferably at most 30
  • Millimeters more preferably at most 15 millimeters.
  • the edge region therefore also preferably has a certain minimum width.
  • the edge region extending next to the dividing line may preferably have a width of at least 5
  • Millimeters more preferably at least 7, 5
  • Millimeters more preferably at least 10 millimeters.
  • ⁇ denotes a contraction factor, which is the
  • the contraction factor ⁇ is preferably 1 percent, more preferably 2
  • R denotes the mean roughness of the edge surface at which the part separates from the main part along the filamentary parting line.
  • the width of a border region extending adjacent to the parting line which is to be ceramified is then expediently at least R9 / 2 Y and further
  • ⁇ can preferably also have a value in
  • ceramization or in general
  • the treatment of the entire section is particularly advantageous if the section is relatively small and it is no longer sufficient to phase transform only material in a peripheral zone. But even with big ones
  • Pieces may be provided to ceramize the entire section, for example, because the section as
  • Glass ceramic element which is located in the region of the main part, subjected to a phase transition into a crystal phase.
  • the main part is at least partially ceramized.
  • material is used
  • the main part is to be used as the final product, e.g. As a cooking surface is of interest and should be designed as a glass ceramic with certain properties, in particular with low thermal expansion coefficient.
  • a continuation of the ceramization in the region of the main part may be desired in order to achieve a specific desired ratio of glass phase to crystal phase.
  • the ceramization of the main part can be done in the same way as for the part, e.g. by applying electromagnetic radiation (in particular
  • the glass or glass ceramic element in particular in the region of the main part and / or of the section, at a surface temperature above the room temperature and below the
  • the surface temperature preferably at most 800 degrees Celsius, especially
  • the surface temperature by heating the glass or
  • Glass ceramic elements are achieved in an oven and the glass or glass ceramic element during the
  • Surface temperature is maintained e.g. be ceramized locally. It is expedient to keep at least those areas of the glass or glass ceramic element at an elevated surface temperature, in which material is phase-converted.
  • the glass or glass ceramic element can on a
  • the glass or glass ceramic element can be maintained at the surface temperature while material of the glass or glass ceramic element is subjected to a phase transition. Holding on a surface temperature has a warming of the material and thus an increased temperature in the entire volume result, although typically the laser-irradiated volume fractions of the material increased again
  • glass or glass ceramic element at least one of
  • the main part can be protected by keeping the glass or glass ceramic element warm: (1)
  • Phase-transforming material in the region of the section is heated to effect the phase transition.
  • Section. (3) The dividing line divides the glass or
  • Such compressive stresses can be reduced in an advantageous manner if the glass or glass ceramic element is kept at an elevated temperature, so that this thermally expands overall.
  • glass or glass ceramic element at least one of
  • tensile stresses which initially arise locally where material contracts, for example due to a phase transition can advantageously be distributed over larger areas of the glass or glass ceramic element. This can in particular a more uniform macroscopic contraction of the section due to a Constriction of material in microscopic
  • volume elements of the section are favored. In addition, it can be prevented that highly localized high
  • micro-perforation used for the invention is - apart from tiny amounts - no material removed from the parting line. Both parts to be separated are after inserting the filamentous damage in
  • Microperforation is carried out, is therefore along the intended dividing line a predetermined breaking line in the material, along which the material can be separated, as soon as suitable stresses in the material are caused.
  • Dividing line arranged filamentous damage were generated, a point of incidence of a laser radiation, preferably a carbon dioxide laser, on the glass or glass ceramic element over its surface along the Dividing line moves, so that along the dividing line local tensile stresses in the material of the glass or
  • section-wise parting line are completed, i. at least partial separation or splitting off of the section from the main part can be achieved. Is it through the cleaving step to a complete
  • Parting line causes the following inventive
  • a cleaving step thus serves the pre-separation.
  • the glass element is preferably irradiated along the separation line with a C02 laser to thermomechanical
  • Damage connecting cracking can be generated along the dividing line, but usually without that part separates from the main part.
  • the cleavage step may also be performed by local cooling after heating
  • Suitable tensile stresses to cause separation along the predetermined breaking line may be in another
  • Embodiment also be caused by temperature differences between the main part and the part.
  • a temperature difference is preferably caused between the average temperature of the main part and the average temperature of the section, which depends on the thermal expansion coefficient of the glass or glass ceramic element and the dimensions of the section and according to one example at least 150 degrees Celsius, according to another example, at least 200 degrees Celsius and according to yet another example at least 300 degrees Celsius.
  • the average temperature in the main part is higher than the average temperature in the section.
  • a first possibility is, by heating the element exclusively in the region of the main part to bring the main part to expand while the element in the region of the section is not warmed up. As a result, the element expands more in the area of the main part, as in
  • the heating plate may accordingly have a heating field adapted to the shape of the main part.
  • a second possibility is to expand the main part by heating the element in the region of the main part and to cool the element by cooling in the region of the element
  • a third possibility is to bring the part to contract by cooling the element exclusively in the area of the section, while the element in the area of the main part is not cooled.
  • Tensile stresses can cause the patch to separate from the body along the dividing line at the adjacent filamentary damages.
  • this step can be integrated into an optional subsequent tempering process or ceramization process of the main part. It may be provided after the section along the parting line to the adjacent
  • filamentous damage has been detached from the main body to thermally bias the main part by utilizing the heating done. This allows the body to be thermally-biased in an energy-efficient manner, i. Energy costs can be saved.
  • the thermal prestress or the thermal hardening, is based on the fact that the glass element to be hardened is quenched. In the process, the surface of the element initially cools, while there is still a warmer or softer phase in the interior. The temperature difference to
  • thermal toughening is that it is a relatively inexpensive method of increasing strength. In this way, an efficient method for detachment and subsequent pretensioning is thus provided. This increases the economic benefit.
  • thermally toughened glass elements usually can not be cut well and separated. The micro perforating, cutting and
  • peeling off is no longer absolutely necessary after tempering, since all required detachment steps can be carried out previously in the still unstressed glass element.
  • Preloading of heated parts is made possible, in particular, by the precision-separation method used by means of filamentation, whereby a high edge quality results. In particular, this does not make it necessary to grind or otherwise process the edge produced by the separation of the section from the main part.
  • Substrate temperature during ceramization contribute to the spatial distribution of locally arising tensile stresses and thus to prevent unwanted cracking. These advantages can thus be achieved at the same time in an energy-efficient manner.
  • the glass or glass ceramic element has a thickness of at least 0.5
  • Millimeters preferably at least 2 millimeters, more preferably at least 3 millimeters, more preferably at least 4 millimeters.
  • inventive method is particularly suitable for sheet-like elements with the aforementioned thicknesses, but also thicknesses of over 6 or even over 8 millimeters can be overcome.
  • the glass or glass ceramic element also has
  • micro perforation over the entire thickness in one processing step, or with a single movement along the impact of the impact
  • whose largest dimension is less than 100 millimeters.
  • detachment is also possible if the largest dimension is less than 80 millimeters.
  • it is still possible to detach if the largest dimension is less than 60 millimeters. In a particularly advantageous manner, a detachment is even then
  • the largest dimension is less than 60 and greater than 15 millimeters. Furthermore, detachment can still be achieved in a particularly advantageous manner even if the largest dimension is less than 15 millimeters and greater than 10 millimeters.
  • the invention thus makes it possible, in particular, to trigger (very) small internal cutouts and also from glass or glass ceramic elements with large thicknesses and / or low coefficients of thermal expansion. In contrast, at low coefficients of thermal expansion
  • Tripping methods which only work with temperature differences between the main part and section, get in small internal cut-outs difficulties because the required temperature differences are so high that they can no longer or only with difficulty be realized.
  • the part may be advantageous if the part to be separated in the plane of the flat glass or
  • Glass ceramic element assumes a two-dimensional shape, whose smallest dimension is greater than 5 millimeters
  • the smallest dimension is to be understood as the smallest characteristic length dimension in the plane.
  • the planar glass or glass ceramic element is divided by the dividing line such that the main part in the plane of the flat glass or glass ceramic element assumes a two-dimensional shape which is not star-shaped in the mathematical-topological sense.
  • a separation of sections along generally curved or sectionally angled predetermined breaking lines becomes more difficult in conventional separation methods, the more the separation line is bent in itself or bent accordingly. Particularly difficult is the detachment of a section, if the part is partially or almost inboard, so the dividing line is almost closed.
  • the flat glass or glass ceramic element is thus divided by the dividing line so that the main part of the section in the plane of the sheet-like glass or glass ceramic element
  • the main part can easily assume a form that is not star-shaped, it is of
  • the part to be detached assumes a shape that is star-shaped.
  • this can be done without a hook-free contraction.
  • Glass ceramic elements can take, are the one
  • microns preferably less than 100 microns, more preferably less than 50 microns.
  • Offset line which is from the first offset line
  • the laser pulses are obliquely on the surface of the glass or
  • the light incidence plane is spanned by the propagation direction of the laser beam and the surface normal.
  • the damage channels are inserted so that their longitudinal direction from the
  • An application example of the detachment of internal geometries is the production of hob-tops made of glass (eg.
  • Soda-lime glass as the main part. This is also the
  • a cooking surface which comprises a flat glass or glass ceramic element which can be produced or produced as the main part by the method according to the invention.
  • the two-dimensional glass or glass ceramic element accordingly comprises, in particular, two opposite side surfaces, as well as an edge surface connecting these two side surfaces, side by side running in the edge surface
  • the sheet-like glass or glass ceramic element can furthermore have a two-dimensional shape in the surface, which is not star-shaped. Preference is given to a shape of a rectangle, in particular with rounded corners, which has at least one missing area corresponding to a detached section in the form of an inner cutout. In particular, in the circumferential edge surface of the at least one
  • the at least one missing area has in particular the shape of a circle, rectangle or rounded rectangle.
  • the at least one missing area is preferably in
  • Arranged glass ceramic element There may further be provided a plurality or plurality of raster-like misregistration areas.
  • a tubular cooker-receiving device is included, which is connected to the flat glass or glass ceramic element, so that at least one of the
  • detached portion corresponding missing area communicates with the interior of the tubular cooking vapor receptacle.
  • the cooker-receiving device may be formed as a downwardly leading tube or shaft, which is airtightly connected to the lower side surface of the sheet-like glass element or to an edge surface of a
  • Missing area adjacent is embedded in a miss area, so that fumes, odors and / or vapors in one
  • the cooker-receiving device is a passive element to which a suction device may be connected.
  • Fig.l schematically a perspective view of a laser processing apparatus for generating
  • FIG. 3 schematically in top view ceramization in FIG
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a filamented glass or glass ceramic element which has been brought to contract in the region of the section so that the section can be removed;
  • FIG. 6 is a schematic side view of glass elements after repeated laser processing
  • FIG. 8 is a schematic perspective view of sets of two flat glass elements
  • 9 shows a perspective view of flat glass elements with offset / offsets in the edge area
  • Fig.10 is a photograph of a glass sheet with a circular inner cutout, which by
  • FIG. 11 graphs of measured temperature profiles at the edge of sections to be triggered for four different samples, similar to FIG. 10, FIG.
  • Fig. 12 schematically shows a graph of the relative
  • Fig. 13 schematically shows a graph of the relative
  • Fig.l shows a laser processing apparatus 1, with which a glass or glass ceramic element 2 by
  • the laser processing apparatus 1 comprises a
  • Ultra short pulse laser 10 the laser pulses 12 are directed to the glass or glass ceramic element 2.
  • the laser pulse 12 are focused by means of a focusing device 11 on the glass or glass ceramic element 2.
  • Wavelength of the ultrashort pulse laser 10 is selected so that the laser pulses 12 in the glass or
  • Glass ceramic element 2 can penetrate.
  • the laser pulses 12 generate in the volume of the glass or
  • the dividing line 21 is defined so that it
  • closed dividing lines 21 may be, for example, oval, regular polygonal, or regular polygonal with rounded corners.
  • Fig. 2a and Fig. 2b is a
  • Parting edge can be disadvantageous.
  • Glass ceramic element 2 is not star-shaped in the mathematical-topological sense. Moreover, with an interior panel, the area of the main part is not easy
  • Method according to the invention may sometimes be advantageous if the two-dimensional shape of a section 4 in the plane of the glass or glass ceramic element 2 is star-shaped, that is, if there is at least one star point in the two-dimensional area corresponding to a section 4. This is because such a star point as
  • Contraction center during detachment by contraction of the Section 4 can serve, so that the section 4 does not get caught in a shape-retaining contraction (on a star point) with the main part 3.
  • the regions of the sections 4 are even convex. Accordingly, all points of these areas are star points, or in other words the areas are star areas. It may sometimes be advantageous for the detachment when sections 4 in the plane of the flat glass or glass ceramic element 2 represent convex areas. Therefore, it is general, without limitation to the examples shown, in a further development of
  • the shape of the section in the surface of the glass is star-shaped or even convex. It can e.g. by only a partial contraction of the
  • Section 4 a (in particular form changing)
  • Constriction can be effected, so also not
  • star-shaped sections 4 can be triggered.
  • FIG. 3 shows exemplary procedures for implementing
  • Compressive stresses on the main part 3 are to be expected, may be preferably provided, the glass or
  • Glass element 2 the ceramization is started. But even in the case of already crystallites more comprehensive Glass ceramic elements 2, a ceramization can be continued. Glass ceramic elements 2 may in particular comprise CERAN®, ROBAX® and / or ZERODUR®. Through the ceramization goes over the
  • Ceramization region 5 finely divided material from an amorphous to a crystalline phase. This means that a large number of crystal nuclei are formed out of which crystallites grow or already exist
  • the material thus has at least two after the ceramization
  • the crystalline phase has a higher packing density than the amorphous phase. This reduces that
  • phase-converted, crystallized material its volume, i. it contracts. It thus creates a
  • the portion 4 has only partially become in the annular ceramization area 6 ceramized, while the complementary portion 7 of the section 4 was not ceramized.
  • Ceramization region 6 in this case corresponds to an edge zone of the section 4 adjoining the parting line 21. Thus, it arises in the edge region of the section 4
  • Main part 3 are directed into the section 4 in.
  • the edge-side phase transformation is ab
  • Pieces applied with a certain minimum surface area It may be sufficient with the laser beam intended for heating to the ceramization temperature
  • Depart section in parallel at a certain distance to the filamentated parting line and thus to produce the necessary material shrinkage locally. It can be provided, for example, that the minimum distance between the filamented parting line and a laser exit line or ceramifying line is greater than 1 millimeter, preferably greater than 2 millimeters and particularly preferably greater than 3 millimeters.
  • the tensile stresses extending over the parting line 21 may cause the part 4 to be torn off the main part 3 along the part If the tensile stresses are high enough and the filament-shaped damage to the perforation is close enough, the height of the tensile stresses can be influenced in particular by the volume ratio of crystalline to amorphous phase.
  • This volume ratio depends on the duration during which the ceramizing region 5, 6 on the
  • Ceriumization temperature is maintained, from. The longer this time, the more material is phase-converted.
  • the part 4 can thus detach after separation along the filamentary damage along the parting line 21 of the main part, in particular lose contact with the main part 3.
  • the resulting gap 24 provides a certain amount of leeway, which makes it possible to separate the portion 4 without tilting of the main part 3.
  • the shrinkage of the portion 4 thus allows its removal along the side surface normal (indicated by an arrow) in particular from not
  • Trennline 21 a detachment of sections 4 in glass or Glass ceramic elements 2 with large thicknesses 23, in particular over 3, preferably over 5, more preferably over 7 millimeters.
  • the gap width of the gap 24 is preferably
  • ⁇ assumes a value, which in particular may be 1 or may be related to the angle between the parting surface and the surface of the glass or glass ceramic element 2, as described above.
  • Cooling of the section 4 is preferably carried out after the section 4 has been at least partially ceramized. This is because it is advantageous during the ceramization, the portion 4 as part of the entire glass or glass ceramic element 2 on an elevated
  • the laser pulses 12 can also be directed obliquely onto the surface 22 of the glass or glass ceramic element 2, so that between the
  • Section to facilitate, in the range a few degrees to well above 10 °.
  • Surface normal 14 of the surface 22 of the glass element 2 an angle in the range of 3 ° to 30 °, more preferably 3 ° to 15 °, more preferably set at least 5 °.
  • Laser pulses 12 further directed obliquely on the surface 22, that the light incident plane 15 is transverse, preferably perpendicular to the parting line 21. Accordingly, the direction of travel, along which lies the
  • Impact point 13 is moved over the surface 22, transversely, preferably perpendicular to the Lichteinfallsebene 15. Die
  • Light incident plane 15 is spanned by the light incident direction and the surface normal 14. Is the
  • FIG. 5b shows a sectional view corresponding to FIG. 5a of the glass or glass ceramic element 2.
  • Damages 20 and the normal on the surface 22 is, results in a marked by the arrow Preferred direction, along which the section 4 can be separated from the main part 3.
  • FIG. 6 illustrates glass or glass ceramic elements 2 in a sectional view analogous to FIG.
  • Impact points 13 of the laser pulses 12 are moved on the glass or glass ceramic element 2 via the surface 22 along the dividing line 21, there are more
  • Damage 20 ', 20' ', etc. are generated at other depths in the volume of the glass or glass ceramic element 2.
  • a problem that may arise with repeated passing over the laser beam in different focal depths is that the damage in different depths in the volume of the glass or glass ceramic element 2 are not ideally aligned.
  • 6a exemplarily and schematically illustrates a glass or glass ceramic element 2 after two times
  • the offset between damage 20 'and 20 bring about so that for a separation of the portion 4 of the
  • Section 4 does not have to be a complete one
  • portion 4 is a circular inner piece, it has figuratively speaking due to the offset between the damage 20 'and 20 a cake shape.
  • the offset line runs completely on one side of the dividing line 21. It is not necessary but advantageous if the distance which the offset line 21 'has from the dividing line 21 is constant along the lines.
  • the described development of the invention is not limited to two-time laser processing. There are also three or more crossings with the laser
  • FIG. 6d again shows how the offsets between the damages 20 '' and 20 'as well as between the damages 20' and 20 in this development of the invention can be produced in such a way that a preferred direction indicated by the arrow for detaching the part 4 from FIG the
  • the damage 20 'according to FIG. 7b is produced in that the points of incidence 13 of the laser pulses 12 on the glass or glass ceramic element 2 via its
  • Offset line 21 ' It is not necessary but advantageous if the distance that the second offset line 21 '' from the first offset line 21 'has along the lines is constant.
  • offset lines can be defined along which the points of incidence 13 of the laser pulses 12 are moved on the glass or glass ceramic element 2 via the surface 22. Controlling an offset or multiple offsets between damages caused by multiple
  • Laser processing can be generated with different focal depths, can be combined with the in Fig.5
  • FIG. 6e shows oblique damage 20 'and 20
  • the damage 20 'and 20 are not exactly on a line (or exactly in a plane) but have a certain offset to each other. This in turn makes it difficult to detach the section 4 from the main part 3 with the method according to the invention.
  • the offset can be advantageously set so that there is a preferred direction for detachment (indicated by the arrow).
  • the portion 4 of the offset is a preferred direction for detachment (indicated by the arrow).
  • Main part 3 are replaced without the edges caused by the offset, disturbing.
  • the described development of the invention is not limited to two-time laser processing with obliquely incident on the surface 22 laser pulses 12. It can also be performed three or more laser processing steps in different focal depths.
  • 6 g shows, by way of example and schematically, the section through a glass element 2 after three laser machining operations with laser pulses 12 directed obliquely onto the surface, leading to the damages 20 ", 20 'and 20.
  • Fig.6h shows
  • FIGS. 8a and 8b each show a sentence.
  • a sentence according to the invention is distinguished by the fact that the two-dimensional shape, which is one of the two-dimensional
  • edges 27, 28 of the one element 2 which the transition between the side surfaces 29, 30 and form an edge surface 25 connecting these side surfaces, each having a same shape as two
  • the set of two flat elements shown in FIG. 8b is designed in such a way that the two-dimensional shape which has one of the flat elements 2 in its plane has the two-dimensional shape, that of the other two-dimensional one
  • the element 2 ' is an inner piece matching the element 2.
  • the element 2 ' is a matching to the element 2
  • the two-dimensional element 2 can be fitted together accurately with the other sheet-like element 2 '.
  • Such a set of two flat elements, which can be assembled accurately, can match so precisely that it is liquid-tight. This can be taken advantage of, for example, for the production of liquid-tight closures made of glass.
  • the elements 2 and 2' would touch one another at their edge surfaces 25 and 25 'or would come very close to each other. It would also touch the edges 27 and 21 'or come very close and also the edges 28 and 28' touch or come very close.
  • the two-dimensional surfaces in the planes of the planar elements 2 and 2 ' would fit together like two puzzle pieces when joining the two elements 2 and 2' together.
  • ceramized It may therefore be one of the sheet-like elements 2, 2 'a glass ceramic element and the other a glass element. Both elements can also be glass ceramic elements.
  • the ceramization can be advantageous with a shrinkage of an internal
  • one, in particular an inner element 2 ', is such ceramified is that it comprises a HQMK main crystal phase, while the other element 2 comprises a KMK main crystal phase, because the production of a HQMK glass-ceramic typically goes with a stronger one
  • one of the sheet-like elements 2, 2 is thermally prestressed.
  • the prestressed element can by the thermal toughening in a
  • one or both of the elements on the edge surface, which has filament-shaped damage, is ground. This also otro possibly problems when joining can be avoided.
  • the two planar elements of a set originate from the same detachment process. That is, through
  • an original sheet glass or glass ceramic element is divided into a main part and a portion, which together form a set of flat elements. If the two planar elements of a sentence come from the same process, then one is especially high
  • each planar element 2 (or 2 ') of a set with two flat elements has an edge surface 25 (or 25') in which
  • At least one offset 32 (or 32 '), i.e. a step, is present, which is transversely, preferably substantially perpendicular, to the longitudinal direction of the side by side
  • the at least one offset 32 (or 32 ') can result in a roughness R' of the edge surface 25 (or 25 ') which is increased relative to the roughness R due to the filamentary damage 26 (or 26').
  • the at least one offset represents a step that is imperceptible to the naked eye, so that it is still possible to speak of a single edge surface 25 (or 25 ').
  • the at least one offset represents a step of at least 5 microns and at most 50 microns.
  • Edge surface 25 adjacent filament-shaped damage 26 are present, forming the recesses in the edge surface 25, wherein the longitudinal direction of the
  • the edge surface 25 has an offset 32 extending along the entire edge surface 25, which is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the filament-shaped damage 26.
  • the offset represents a level of
  • Embodiment therefore also relates to a planar, at least partially ceramized
  • Glass element or glass ceramic element adjacent filament-shaped damages are present, which form depressions in the edge surface, and wherein the longitudinal direction of the filamentary damage in the direction from one edge to the other edge, which forms the transition between the edge surface and the side surfaces of the at least partially ceramized glass element or glass ceramic element , runs, and where the
  • Edge surface at least one along the edge surface, preferably along the entire edge surface
  • FIG. 9b shows another planar surface according to the invention
  • Edge surface 25 has two along the entire edge surface 25 extending offsets 32, which is substantially perpendicular to the longitudinal direction of the filamentary
  • Damage 26 runs.
  • the two offsets preferably run with a deviation of 20 percent with a distance of one third and two thirds of the width 23 of the edge surface 25 from the surface 30 of the element 2.
  • the flat elements 2 according to the invention are each at least partially, preferably completely, ceramized.
  • Section 4 corresponds, wherein the glass element 2 has been produced as a main part 3 with the following in more detail
  • the glass element 2 was filamented with a UKP laser along a (here circular) parting line.
  • the inner part 4 was separated from the main part 3, so that the two parts were still "press" to each other.
  • the glass element 2 was preheated in an oven to about 500 to 600 degrees Celsius. Thereafter, the inner part 4 was ceramized with a CO 2 laser process (400 W) over a period of 45 seconds along two concentric circular paths (2 ⁇ 8 mm) (sample GC_9).
  • Section 4 shows here the switching point of the laser scanner between the two circles.
  • the inner part 4 was ceramized with a C02 laser (300 W) over a period of 40 seconds along only one circular path (8 mm)
  • Tripping processes (inter alia sample GC_9, sample GC_7) were measured.
  • a temperature is reached by preheating the glass or
  • Glass ceramic element 2 is produced in an oven and in These examples between 500 and 550 degrees Celsius
  • the portion 4 is at least partially ceramified by being irradiated with a laser.
  • the temperature rises up to about 1000 degrees Celsius.
  • FIG. 12 schematically shows graphs 40, 42 (solid, dashed line) of the relative displacement ⁇ of two points 40P, 42P which are opposite one another at a separation line 21 over time t of an exemplary detachment process of a circular inner section 4 from a main part 3.
  • the relative displacements 40 , 42 are each given in relation to the center of the
  • Displacements 40, 42 of the extension of the section 4 and the main part 3 during the detachment process are Displacements 40, 42 of the extension of the section 4 and the main part 3 during the detachment process.
  • the glass element 2 is heated in an oven to a furnace temperature (and thus to a in the
  • a second period 52 only material in the region of the section 4 is then further heated by means of a laser.
  • the material expands in the region of the section 4.
  • both curves 40, 42 increase, the curve 40 increasing substantially more than the curve 42.
  • material begins to crystallize in the region of the section, and high-quartz mixed crystal is formed within an HQMK regime 62 , (One at even higher temperature
  • Microstructure transformation 44 ceramized. However, as a result of the ceramization, the portion 4 expands less than would be expected without ceramization (curve 40 ').
  • the curve 40 thus has a kink with respect to the curve 40 ', which is a typical characteristic for a phase transition.
  • the curve 41 also shows a
  • ceramization causes a kink in the curve 40, i. the extent is smaller than would be expected without ceramization (curve 40 ').
  • ceramization causes a kink in the curve 40, i. the extent is smaller than would be expected without ceramization (curve 40 ').
  • no laser irradiation of the portion 4 takes place more, so that a
  • Cooling of the section 4 and the main part 3 is carried out to the starting temperature.
  • a gap formation 48 takes place along the dividing line 21, so that the inner section 4 can be removed.
  • the portion targeted in a relevant for the ceramization temperature range between room temperature and
  • Melting temperature preferably between 300 ° C and
  • Melting temperature more preferably heated between 500 ° C and melting temperature. Furthermore, it is provided in particular that the temperature in this area be maintained for a time interval of at least 10 seconds, preferably at least 25 seconds, more preferably at least 50 seconds.
  • a time interval of at least 10 seconds, preferably at least 25 seconds, more preferably at least 50 seconds.
  • nucleating agents are present to provide a suitable temperature control as described

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Abstract

Vorgesehen ist ein Verfahren zum Ablösen eines Teilstücks von einem flächigen Glas- oder Glaskeramikelement (2) entlang einer vorgesehenen Trennlinie (21), welche das Glas- oder Glaskeramikelement (2) in das abzulösende Teilstück (4) und einen zu verbleibenden Hauptteil (3) einteilt, wobei - nebeneinander entlang der Trennlinie (21) filamentförmige Schädigungen (20) im Volumen des Glas- oder Glaskeramikelements (2) erzeugt werden, und - die filamentförmigen Schädigungen (20) durch Laserpulse (12) eines Lasers (10) erzeugt werden, wobei das Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2) für die Laserpulse (12) transparent ist, und - die Auftreffpunkte (13) der Laserpulse (12) auf dem Glas- oder Glaskeramikelement (2) über dessen Oberfläche (22) entlang der Trennlinie (21) bewegt werden, und - nachdem die nebeneinander entlang der Trennlinie (21) angeordneten filamentförmigen Schädigungen (20) erzeugt wurden, Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2), welches sich im Bereich des Teilstücks (4) befindet, einem Phasenübergang unterzogen und zum Zusammenziehen gebracht wird, so dass sich das Teilstück (4) entlang der Trennlinie (21) an den nebeneinander angeordneten filamentförmigen Schädigungen (20) von dem Hauptteil (3) ablöst, wobei zumindest der Hauptteil (3) als Ganzes erhalten bleibt.

Description

Verfahren zum lasergestützten Ablösen eines Teilstücks von einem flächigen Glas- oder Glaskeramikelement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lasergestützten Ablösen eines Teilstücks von einem flächigen Glas- oder Glaskeramikelement entlang einer vorgesehenen Trennlinie, welche das Glas- oder Glaskeramikelement in das abzulösende Teilstück und einen zu verbleibenden Hauptteil einteilt. Die Erfindung betrifft ferner ein Kochfeld umfassend ein Glas- oder Glaskeramikelement herstellbar als Hauptteil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Aus der WO 2012/006736 A2 ist bekannt, dass mit einem gepulsten fokussierten Laserstrahl Filamente in einem transparenten Substrat erzeugt werden können, und dass ein aus mehreren Filamenten gebildeter Pfad das Trennen des Substrats ermöglicht. Ein Filament wird dabei durch einen hochenergetischen kurzen Laserpuls hergestellt, wobei angenommen wird, dass der nichtlineare optische Kerr-Effekt zur Selbstfokussierung des Laserstrahls führt, wodurch Plasmabildung bewirkt wird.
Die DE 10 2012 110 971 AI beschreibt ein Verfahren der Trennvorbereitung von transparenten Werkstücken, bei welchem sich quer durch das Werkstück erstreckende, aneinander gereihte Filamentstrukturen durch ultrakurze Laserpulse entlang einer Sollbruchlinie erzeugt werden. Das Werkstück wird in einem nachfolgenden Schritt getrennt.
Im Falle dünner Glas- oder Glaskeramikelemente und
geradliniger Trennlinien gestaltet sich das der
Laserfilamentierung nachfolgende Ablösen einfach. So kann etwa durch Ausüben eines hinreichenden Biegemoments ein Abtrennen bewirkt werden. Schwieriger ist das Ablösen demgegenüber dann, wenn die Trennlinie gebogen ist, mehrere in einem Winkel zueinander stehende Abschnitte aufweist oder sogar eine geschlossene Linie bildet. Letzterer Fall ist insbesondere dann gegeben, wenn ein Innenausschnitt (auch Innenkontur genannt) hergestellt werden soll.
Eine Möglichkeit, Innenkonturen aus flächigen Substraten herauszutrennen, kann der EP 2 781 296 AI entnommen werden. Dabei werden mittels eines über das Substrat geführten Laserstrahls eine Vielzahl einzelner Zonen innerer
Schädigung entlang einer Konturlinie
(Konturdefinitionsschritt) sowie entlang mehrerer von der Konturlinie aus gesehen in die abzutrennende Kontur hinein führender, beispielsweise spiral- oder V-förmiger
Risslinienabschnitte erzeugt (Rissdefinitionsschritt) .
Danach wird mittels eines über das Substrat geführten, materialabtragenden Laserstrahls entlang einer längs der Konturlinie, jedoch beabstandet von dieser sowie in der abzutrennenden Kontur verlaufenden Abtragslinie das
Substratmaterial über die gesamte Substratdicke abgetragen (Materialabtragsschritt) . Insgesamt stellt sich das
Verfahren als verhältnismäßig aufwändig und somit
hinsichtlich der Effizienz als verbesserungswürdig dar.
Nachteilig ist auch die Zerstörung der Innenkontur, welche insbesondere aufgrund ihrer exakten Passform zu dem
Restsubstrat von Interesse sein kann, sowie
zerstörungsbedingte Partikel und Splitter, welche einen erhöhten Reinigungsaufwand nach sich ziehen. Das Verfahren kommt zudem im Falle dicker Glas- oder
Glaskeramikelemente, insbesondere solche mit Dicken über 3 Millimeter, an seine Grenzen. Insbesondere kann bei dicken Gläsern eine im Materialabtragsschritt bewirkte Erwärmung der Innenkontur zu einer Materialausdehnung führen, die stärker ist als der gewünschte Effekt der Spaltbildung durch schwerkraftbedingtes Ausbeulen des Materials. In der Patentanmeldung mit Aktenzeichen 10 2015 111 490.9 wird ein Verfahren zum lasergestützten Ablösen eines
Teilstücks von einem flächigen Glaselement vorgestellt, welches sich auch für dickere Glaselemente eignet. Das Glaselement wird im Bereich des Hauptteils erwärmt und zum Ausdehnen gebracht und/oder im Bereich des Teilstücks abgekühlt und zum Zusammenziehen gebracht wird, so dass sich das Teilstück von dem Hauptteil ablöst. Dieses
Verfahren ist jedoch in erster Linie für Glaselemente und weniger für Glaskeramikelemente vorgesehen. Zudem kann das Verfahren insbesondere für Materialien mit niedrigem
Wärmeausdehnungskoeffizienten und das Ablösen kleiner
Teilstücke weiterentwickelt werden.
Die Patentanmeldung derselben Anmelderin mit Aktenzeichen 10 2015 111 490.9 wird hiermit durch Referenz inkorporiert.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein effizientes Verfahren bereitzustellen, welches das Ablösen von
Teilstücken von flächigen Glas- oder Glaskeramikelementen entlang nicht geradliniger, insbesondere stark gekrümmter oder sogar geschlossener, Trennlinien ermöglicht, so dass sowohl das abgetrennte Teilstück als auch der verbleibende Hauptteil nicht weiter beschädigt werden.
Ein Aspekt der Aufgabe ist es, das Ablösen auch kleiner Innenausschnitte aus dicken Glas- oder Glaskeramikelementen mit niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu ermöglichen.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe ist es, ein sauberes, insbesondere splitterfreies, Ablösen des Teilstücks zu ermöglichen und die Gefahr schädlicher Rissbildung sowohl im abgetrennten Teilstück als auch im verbleibenden
Hauptteil zu minimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der
abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist hergerichtet zum Ablösen eines Teilstücks von einem flächigen Glas- oder
Glaskeramikelement entlang einer vorgesehenen Trennlinie, welche das Glas- oder Glaskeramikelement in das abzulösende Teilstück und einen zu verbleibenden Hauptteil einteilt. Die vorgesehene Trennlinie teilt das flächige Element somit in zwei vollständig voneinander abgegrenzte flächige
Bereiche ein, damit das Teilstück entlang der Trennlinie vollständig von dem Glas- oder Glaskeramikelement abgelöst werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert darauf, dass
nebeneinander entlang der Trennlinie filamentförmige Schädigungen im Volumen des Glas- oder Glaskeramikelements erzeugt werden, und die filamentförmigen Schädigungen durch Laserpulse eines Lasers erzeugt werden, insbesondere indem die Laserpulse im Volumen des Glaselements ein Plasma erzeugen, wobei das Material des Glas- oder
Glaskeramikelements für die Laserpulse transparent ist, und die Auftreffpunkte der Laserpulse auf dem Glas- oder
Glaskeramikelement über dessen Oberfläche entlang der
Trennlinie bewegt werden.
Erfindungsgemäß wird, nachdem die nebeneinander entlang der Trennlinie angeordneten filamentförmigen Schädigungen erzeugt wurden, Material des Glas- oder
Glaskeramikelements, welches sich im Bereich des
Teilstücks befindet, einem Phasenübergang unterzogen und zum Zusammenziehen gebracht, so dass sich das Teilstück entlang der Trennlinie an den nebeneinander angeordneten filamentförmigen Schädigungen von dem Hauptteil ablöst. Mit anderen Worten kann im Bereich des Teilstücks befindliches Material des Glas- oder Glaskeramikelements zum
Phasenübergang und zur Volumenreduktion gebracht werden, wobei als Folge insbesondere der Volumenreduktion des Materials ein Ablösen stattfindet.
Vorzugsweise ist das Herbeiführen des Phasenübergangs kausal für das Zusammenziehen des phasenumgewandelten
Materials .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist demnach vorgesehen, dass das Material des Glas- oder
Glaskeramikelements, welches einem Phasenübergang
unterzogen wird, in eine Phase übergeht, welche gegenüber der Ausgangsphase eine höhere Raumerfüllung aufweist.
Die Atome des Materials, welches einem Phasenübergang unterzogen wird, können sich somit nach dem Phasenübergang in einem kleineren Volumen als zuvor anordnen. Dadurch kann das Verhältnis aus dem Volumen der Atome und dem Volumen in welchem sich die Atome befinden, d.h. die Raumerfüllung oder Packungsdichte, erhöht werden. Die Partikel des phasenumgewandelten Materials können somit ihren Abstand zueinander verringern. Das phasenumgewandelte Material weist somit eine höhere Dichte als zuvor auf.
Besonders bevorzugt geht das Material des Glas- oder
Glaskeramikelements, welches einem Phasenübergang
unterzogen wird, in eine Kristallphase über. Kristallphasen stellen in der Regel Zustände mit den höchsten
Packungsdichten dar.
Insbesondere bevorzugt ist, Material ausgehend von einer amorphen Phase in eine kristalline Phase zu überführen. Mit anderen Worten wechselt Material, welches sich ursprünglich in einem metastabilen Zustand befindet, in einen stabilen oder zumindest stabileren Zustand. Beispielsweise kann amorphes Material in Hochquarz-Mischkristall (HQMK) und/oder Keatit-Mischkristall (KMK) umgewandelt werden.
Typischerweise wird im Bereich des Teilstücks eine
Keramisierung des Glas- oder Glaskeramikelement begonnen bzw. fortgesetzt. Das heißt es wird amorphes Material des Glas- oder Glaskeramikelements, welches sich feinverteilt im Bereich des Teilstücks befindet, kristallisiert. Es bilden sich demnach Kristallkeime, die zu Kristalliten heranwachsen oder es vergrößern sich bereits bestehende Kristallite. Mit anderen Worten kann das Teilstück
zumindest teilweise keramisiert werden. Beispielsweise kann im Bereich des Teilstücks eine feinverteilte HQMK-Phase und/oder KMK-Phase erzeugt werden, wobei beispielsweise vorgesehen sein kann, ca. 70 Prozent des Volumens des keramisierten Bereichs des Glas- oder Glaskeramikelements in Kristallite zu überführen und ca. 30 Prozent in einem amorphen Zustand zu belassen.
Keramische Kristallite haben typischerweise einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass auch ein
temperaturbedingtes Zusammenziehen durch Erwärmung erreicht werden kann. Insbesondere kann infolge des negativen
Wärmeausdehnungskoeffizienten keramischer Kristallite ein sehr geringer oder verschwindender
Wärmeausdehnungskoeffizient eines keramisierten Bereichs des Glas- oder Glaskeramikelements insgesamt erzielt werden. Somit kann ein relatives Zusammenziehen eines keramisierten Substratbereichs gegenüber einem nicht keramisierten Substratbereich provoziert werden, welcher von erhöhter Substrattemperatur profitiert.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, ein flächiges
Glaselement, das aus einem sog. Grünglas, also einem amorphen Ausgangsmaterial für einen Keramisierungsprozess , besteht, durch Keramisierung in einen teilkristallinen Zustand zu überführen. Das keramisierte Glas schrumpft dabei typischerweise um 1 bis 2 Prozent. Vgl. z.B. Bach, Krause (Hrsg.) : Low Thermal Expansion Glass Ceramics, Springer-Verlag, See. Ed., 2005, Seite 43, Figur 2.23. Die bevorzugt zu prozessierenden Materialien verfügen über eine Zusammensetzung, die im Stadium der
Grünglasherstellung eine räumlich gleichmäßig verteilte lokale flüssig-flüssig Phasentrennung, insbesondere eine Tröpfchenbildung, begünstigt. Demnach kann das feste Glasoder Glaskeramikelement, von welchem ein Teilstück abgelöst werden soll, bereits zumindest zweiphasig ausgebildet sein, wobei die zwei Phasen vorzugsweise beide amorph sind, sich jedoch hinsichtlich ihrer chemischen Zusammensetzung unterschieden. Da insbesondere innerhalb solcher Tröpfchen eine Kristallisation gezielt initiiert werden kann, wird in vorteilhafter Weise eine gesteuerte Kristallisation
ermöglicht . Es kann auch vorgesehen sein, dem Grünglas Verunreinigungen als Keimbildner hinzugegeben, welche bei Erwärmung
ausfallen und als Kristallisationskeime wirken.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Material des Glas- oder Glaskeramikelements, welches einem Phasenübergang unterzogen wird, auf eine
Phasenübergangstemperatur erwärmt, um den Phasenübergang einzuleiten. Zwar kommt grundsätzlich die Änderung auch anderer physikalischer Größen in Betracht, um einen
Phasenübergang einzuleiten (z.B. der Druck), eine Änderung der Temperatur ist jedoch besonders vorteilhaft, weil die Temperatur eine in der Praxis gut kontrollierbare intensive Zustandsgröße darstellt. Das Erwärmen auf die Phasenübergangstemperatur erfolgt vorzugsweise mittels elektromagnetischer Strahlung,
insbesondere mittels Laserstrahlung, z.B. eines Kohlendioxid- oder Diodenlasers. Ein Diodenlaser kann beispielsweise bei volumengefärbter Glaskeramik wie SCHOTT CERAN® zum Einsatz kommen, wobei eine Wellenlänge von ca. 1000 nm und eine Einkopplung der Laserstrahlung in einen Volumenanteil von 8 bis 12 Prozent bevorzugt ist. Je nach Absorptionsverhalten der Materialien, können auch andere Lasertypen zur Anwendung kommen. So etwa Nd-YAG-Laser (1064 nm) , Er:YAG-Laser oder HF- bzw. CO-Laser (4,8 ym bis 8,3 ym) beispielsweise im Falle hoher Absorption bei 2,9 ym oder 5, 6 ym.
Durch Beaufschlagen des Materials mittels
elektromagnetischer Strahlung kann in vorteilhafter Weise insbesondere gezielt Material an bestimmten Stellen
innerhalb des Teilstücks lokal erwärmt und zum
Phasenübergang gebracht werden. So können z.B. lokal begrenzte Bereiche innerhalb des Volumens des Teilstücks mit erhöhter Temperatur beaufschlagt werden. Diese Phasenübergangstemperatur, welche insbesondere auch als Keramisierungstemperatur bezeichnet werden kann, kann z.B. oberhalb der Glasübergangstemperatur liegen.
Insbesondere ist ferner vorgesehen, dass die
Phasenübergangstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Materials liegt, insbesondere diese deutlich
unterschreitet. Mit anderen Worten erfolgt insbesondere keine Erwärmung des Teilstücks bis zur Schmelztemperatur, da dies zu einem Verlust der durch Filamentierung
definierten Kanten führen kann. Eine Erwärmung bis zum Schmelzpunkt kann insbesondere auch daher ungünstig sein, weil eine erwünschte Keramisierung ggf. wieder verloren gehen kann. Die Phasenübergangstemperatur liegt vorzugsweise mindestens 50°C, bevorzugt mindestens 100°C, noch bevorzugter mindestens 150°C unterhalb der
Schmelztemperatur . Vorzugsweise findet eine Keramisierung der mittels
Laserstrahlung beaufschlagten Bereiche bereits nach weniger als 80 Sekunden, bevorzugt weniger als 50 Sekunden, besonders bevorzugt weniger als 20 Sekunden statt. Unter der genannten Phasenübergangstemperatur ist im allgemeinen nicht diejenige Temperatur zu verstehen, die genau auf der Phasengrenzkurve im Phasendiagramm liegt, sondern eine in der Praxis ermittelte Temperatur, bei der der Phasenübergang tatsächlich in beherrschbaren Zeitskalen stattfindet. Insbesondere ist die Phasenübergangstemperatur typischerweise höher als diejenige auf der
Phasengrenzkurve, damit die Keimbildungsbarriere rasch überwunden wird. Für eine effiziente Ausgestaltung des Prozesses bietet es sich weiterhin an, durch eine gezielte Temperaturführung im Rahmen der Laserbestrahlung den Keimbildungs- und
anschließenden Keimwachstumsvorgang an ein Optimum
anzunähern .
Für optimale Keimbildung werden demnach vorzugsweise enge Temperaturkorridore abgedeckt. Dies gilt insbesondere bei Materialien, bei welchen im Stadium der Grünglasherstellung flüssig-flüssig Phasentrennung herbeigeführt wurde
(Tröpfchenbildung) . Vorzugsweise wird eine sehr dichte Verteilung von
Kristalliten oder Kristallen herbeigeführt.
Es kann vorgesehen sein, die Leistung des Lasers, mit welchem das Material auf Phasenübergangstemperatur erwärmt wird, während dem Vorbeiführen des Auftreffpunktes des Lasers auf der Oberfläche des Glas- oder
Glaskeramikelements zu variieren. Insbesondere kann die Laserleistung von der lokalen Temperatur am vorgesehenen Auftreffpunkt auf der Oberfläche, insbesondere der
Oberflächentemperatur, eingestellt werden. Dazu kann eine Temperaturmessung des Glas- oder Glaskeramikelements vorgesehen sein. Eine solche temperaturgeregelte Ausführung kann insbesondere ein Pyrometer, eine Wärmebildkamera oder andere z.B. bildgebende Temperaturmessverfahren zum Messen der lokalen Temperatur umfassen. Die Zieltemperaturen können insbesondere über einen zweimaligen thermischen Hub eingestellt werden. Es kann eine definierte Oszillation der Laserleistung vorgesehen sein, so dass eine optimale Temperatur für Keimbildung und Keimwachstum am jeweiligen Auftreffpunkt des Lasers mehrfach eingenommen wird. Dieses Vorgehen ist insbesondere zweckmäßig, wenn ein C02~Laser zum Einsatz kommt. Bei einem C02~Laser findet typischerweise eine
Oberflächenabsorption der Laserstrahlung und eine
anschließende Durchwärmung des Substrats durch seine Dicke statt . Findet eine Volumenreduktion von Material im Bereich des Teilstücks, insbesondere ein phasenübergangsbedingtes und/oder temperaturbedingtes Zusammenziehen von phasenumgewandeltem Material, so entstehen Zugspannungen im Material des Teilstücks, welche zu einem Zusammenziehen des Teilstücks führen können. Damit sich das Teilstück
zusammenzieht wird in der Regel eine ausreichende Menge an Material im Bereich des Teilstücks zum Zusammenziehen gebracht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass ein Volumenanteil des Teilstücks von mindestens 50 Prozent phasenumgewandelt wird. Allgemein ist der prozentuale
Keramisierungsgrad insbesondere abhängig von Größe und Form des auszulösenden Teilstücks: Mit abnehmendem
Teilstückvolumen nimmt der erforderliche Keramisierungsgrad zu. Je nach dem, an welchen Stellen sich solches Material im Bereich des Teilstücks befindet, kann sich das Teilstück insgesamt oder lediglich lokal zusammenziehen.
Infolge des Zusammenziehens des Teilstücks können wiederum Zugspannungen am Rand des Teilstücks, insbesondere an der filamentierten Trennlinie entstehen. Solche sich über die Perforation erstreckenden Zugspannungen in dem Glas- oder Glaskeramikelement können eine Rissbildung zwischen
benachbarten filamentförmigen Schädigungen bewirken, so dass sich das Teilstück von dem Hauptteil abtrennt. Die Abtrennung oder Abspaltung des Teilstücks wird auch als „Cleaving" bezeichnet. Die Abspaltung des Teilstücks von dem Hauptteil kann optional durch einen zusätzlichen sog. Cleaving-Schritt erfolgen oder unterstützt werden, wie weiter unten beschrieben wird.
Jedenfalls hat das erfindungsgemäße, insbesondere
phasenübergangsbedingte, Zusammenziehen von Material im
Bereich des Teilstücks zur Folge, dass sich das Teilstück selbst zumindest stellenweise zusammenzieht. Die Kontraktion von Material im Bereich des Teilstücks ist demnach kausal für das zumindest lokale Zusammenziehen des Teilstücks. Das Teilstück erfährt somit einen zumindest lokalen Schrumpf. Es kann vorgesehen sein, dass das
Teilstück um mindestens 1 Prozent, vorzugsweise um
mindestens 2 Prozent, besonders bevorzugt um mindestens 3 Prozent schrumpft.
Sofern das erfindungsgemäße Zusammenziehen von Material im Bereich des Teilstücks bedingt ist durch einen
Phasenübergang und der Phasenübergang wiederum bedingt ist durch eine Erwärmung des Materials, kann es infolge der Erwärmung passieren, dass das Teilstück sich zunächst ausdehnt. D.h. der beheizte Bereich kann zunächst größer werden und, insbesondere im Fall eines innenliegenden
Teilstücks, welches sich nur eingeschränkt ausdehnen kann, für Druckspannungen sorgen, welche auf das Teilstück wirken (besonders auf die Kante) . Mit einsetzender Keramisierung kann der Bereich dann auf ein Maß schrumpfen, welches kleiner ist als das Ausgangsmaß.
Infolge des zumindest lokalen Schrumpfens des Teilstücks verliert oder verringert das Teilstück in der Regel den Kontakt zu dem Hauptteil. Das Zusammenziehen des Teilstücks führt somit zum Ablösen des Teilstücks von dem Hauptteil.
Ein Ablösen durch Zusammenziehen, d.h. Schrumpfen des
Teilstücks hat zum Vorteil, dass insbesondere stark
gekrümmte oder geschlossene Trennlinien vorgesehen werden können und somit Teilstücke ab- oder herausgelöst werden können, welche überwiegend oder vollständig von dem
Hauptteil in der flächigen Ebene umgeben sind. Insbesondere durch Schrumpfen eines innenliegenden Teilstücks bildet sich ein Spalt zwischen dem Innenausschnitt und dem
Hauptteil, so dass der Innenausschnitt aus dem Glas- oder Glaskeramikelement entnommen werden kann. Insbesondere vorteilhaft ist, dass solche überwiegend oder vollständig innenliegenden Teilstücke auch aus dicken Glas- oder
Glaskeramikelementen herausgelöst werden können.
Ein Hervorrufen eines Schrumpfens des Teilstücks durch Einleiten eines oder mehrerer Phasenübergänge im Bereich des Teilstücks hat zum Vorteil, dass eine ausreichende relative Kontraktion des Teilstücks gegenüber dem Hauptteil auch dann noch erreicht werden kann, wenn ein Aufwärmen des Hauptteils und/oder ein Abkühlen des Teilstücks dazu nicht ausreicht, etwa weil der Wärmeausdehnungskoeffizient des Glases oder der Glaskeramik zu niedrig ist, das Erzeugen der erforderlichen Temperaturdifferenz zwischen Hauptteil und Teilstück nicht mehr praktikabel ist, oder aber weil das Teilstück zu kleine Abmessungen aufweist.
Erfindungsgemäß bleibt beim Ablösen des Teilstücks entlang der Trennlinie an den nebeneinander angeordneten
filamentförmigen Schädigungen zumindest der Hauptteil als Ganzes erhalten.
Es findet demnach insbesondere keine Laserfilamentierung innerhalb des Hauptteils statt. Vielmehr kommt die Zone der Laserfilamentierung mit dem Hauptteil nur mit dessen Rand in Kontakt. Nach dem Ablösen des Teilstücks weist der
Hauptteil lediglich am Rand die durch die Filamentierung eingebrachten Schädigungen auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bleiben beim Ablösen des Teilstücks entlang der Trennlinie an den nebeneinander angeordneten filamentförmigen Schädigungen sowohl das Teilstück als auch der Hauptteil jeweils als Ganzes erhalten.
Vorzugsweise findet die Laserfilamentierung lediglich im Bereich der vorgesehenen Trennlinie statt. Weder das
Teilstück noch der Hauptteil wird über die Schädigungen durch das Einbringen der Filamente entlang der vorgesehenen Trennlinie hinaus beschädigt. Vorzugsweise weisen somit nach dem Ablösen sowohl der Hauptteil als auch das
Teilstück lediglich die durch Filamentierung eingebrachten Schädigungen an ihren Schnittkanten auf. Es wird somit insbesondere auf weitere Hilfsfilamentierung im Inneren des Teilstücks verzichtet, die darauf gerichtet ist, das
Teilstück zu zerstören. Dadurch wird in vorteilhafter Weise der Verfahrensaufwand gegenüber einem Verfahren mit solchen Hilfsperforationen reduziert und die Gefahr schädlicher Rissfortpflanzung in den Hauptteil minimiert.
Vorteilhaft an der Vermeidung zusätzlicher
Hilfsperforationen ist ferner, dass Zugspannungen zur
Auftrennung der gewünschten Sollbruchlinie ihre volle
Wirkung an der gewünschten Trennlinie entfalten und sich nicht auf zusätzliche Hilfsperforationen aufteilen.
Der bevorzugt vorgesehene jeweils einstückige Erhalt des Hauptteils und des Teilstücks ist auch deswegen von
Vorteil, weil beide Teile weiterverwendet werden können. Je nachdem, für welchen Zweck das Trennverfahren eingesetzt wird, kann der Hauptteil, das Teilstück oder beide Teile von Interesse sein. Ist man an dem Hauptteil interessiert, ist der Erhalt des Teilstücks vorteilhaft, weil weniger Reste und Splitter anfallen und das Teilstück wiederum als Ausgangsmaterial verwendet werden kann, ohne dass es eingeschmolzen zu werden braucht. Sind beide Teile von
Interesse, kann ein Vorteil in der präzisen komplementären Form der beiden Teile bestehen.
Die erfindungsgemäße Erzeugung filamentförmiger
Schädigungen basiert auf dem Einsatz eines Lasers, welcher vorzugsweise ultrakurze Laserpulse abgibt (UKP-Laser) . Die Laserpulse erzeugen filamentförmige Schädigungen präzise entlang der vorgegebenen Trennlinie quer durch das flächige Glas- oder Glaskeramikelement durch lokale Zerstörung des Werkstoffs in der Wechselwirkungszone mit dem Laserlicht. Die filamentförmigen Schädigungen sind typischerweise ausgebildet als definierte linienhafte Schädigungen, deren Länge durch Wahl geeigneter Pulsenergien und Pulsdauern beeinflusst werden kann. Durch Erzeugung einer Mehrzahl dicht beieinander liegender Filamente wird eine Perforation des Werkstoffs erzielt.
Durch eine solche Mikroperforation wird dabei an den
Schnittkanten des Teilstücks und des Hauptteils eine sehr hohe Kantenqualität erreicht. Das erfindungsgemäße
Verfahren stellt somit ein Präzisionstrennverfahren dar, welches eine hohe Kantenqualität gewährleistet und somit insbesondere zu einer hohen Biegefestigkeit des Hauptteils und des Teilstücks führt. Ursächlich dafür ist, dass die Biegefestigkeit eines Glas- oder Glaskeramikwerkstoffs stark von der Beschaffenheit der Schnittkanten abhängt. Eine möglichst saubere Kante mit möglichst wenigen und möglichst kleinen, vorzugsweise keinen Aussplitterungen, Einkerbungen und sonstigen Unebenheiten trägt erheblich zur Verminderung der Bruchgefahr bei.
Die Qualität der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten Trennkanten und Trennflächen sowohl am Teilstück als auch am Hauptteil, ist insbesondere charakterisiert durch ein Chipping von kleiner als 10 Mikrometer, besonders bevorzugt von kleiner als 5 Mikrometer und einer Rauheit mit einem Rz-Wert von kleiner als 30 Mikrometer,
vorzugsweise kleiner als 20 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner als 10 Mikrometer. Die erzielten Kantenqualitäten sind somit hoch genug, dass auf ein nachfolgendes Schleifen der Kanten oft verzichtet werden kann. Dies ist insbesondere ein Vorteil gegenüber dem Sublimationsschneiden mittels eines Lasers, bei welchem infolge des Materialabtrags beim Schneiden ein Spalt entsteht, wodurch zwar ein direktes Herausnehmen von
Innenausschnitten ermöglicht wird, jedoch unsaubere Kanten hinterlassen werden, die nachträglich geschliffen werden müssen. Das Sublimationsschneiden weist zudem längere
Prozesszeiten auf.
Die durch die Laserpulse im erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten filamentförmigen Schädigungen sind typischerweise als Submikron-Hohlkanäle ausgebildet, d.h. als Hohlkanäle mit Durchmessern von weniger als 5 Mikrometer, bervorzugt weniger als 2, besonderst bevorzugt weniger 1 Mikrometer. Bevorzugt werden Filamente mit einer Länge von mindestens 200 Mikrometern, besonders bevorzugt mindestens 500 Mikrometern erzeugt, um das Abtrennen des Teilstücks zu erleichtern .
Besonders vorteilhaft für die Erzeugung langer
filamentförmiger Schädigungen ist ein Betrieb des
Ultrakurzpuls-Lasers im sogenannten Burst-Mode. Bei diesem Betriebsmodus wird der Laserpuls nicht als Einzelpuls abgegeben, sondern als Folge kurz hintereinander
abgegebener Pulse, die gemeinsam ein Pulspaket, einen sogenannten Burst, bilden. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung ein Betrieb des Ultrakurzpuls-Lasers in Form einer zeitlich nacheinander folgenden Abgabe von
Laserpulsen in Form von Bursts, beziehungsweise Pulspaketen vorgesehen, wobei vorzugsweise jeder dieser Bursts jeweils eine der filamentförmigen Schädigungen erzeugt.
Ein solches Pulspaket weist im Allgemeinen eine etwas größere Energie auf, als ein Einzelpuls im üblichen Single- Shot-Betrieb . Die Pulse eines Bursts selbst beinhalten aber deutlich weniger Energie als ein Einzelpuls. Hinsichtlich der Pulse innerhalb eines Bursts kann vorgesehen sein, dass die Pulsenergien flexibel einstellbar sind, insbesondere dass die Pulsenergien entweder im Wesentlichen konstant bleiben oder dass die Pulsenergien zunehmen oder dass die Pulsenergien abnehmen.
Eine geeignete Laserquelle gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern. Die Laserquelle arbeitet insbesondere mit einer Repetitionsrate, welche zwischen 1 kHz und 1000 kHz, vorzugsweise zwischen 20 kHz und 120 kHz, besonders bevorzugt zwischen 30 kHz und 110 kHz und ganz besonders bevorzugt zwischen 35 kHz und 105 kHz liegt. Die Scangeschwindigkeit kann vorzugsweise so gewählt werden, dass abhängig von der Repetitionsrate der Abstand benachbarter filamentförmiger Schädigungen
mindestens 1 Mikrometer, vorzugsweise mindestens 3
Mikrometer, besonders bevorzugt mindestens 4 Mikrometer beträgt und höchstens 20 Mikrometer, vorzugsweise höchstens 10 Mikrometer, besonders bevorzugt höchstens 7 Mikrometer beträgt .
Dabei liegt die geeignete Pulsdauer eines Laserpulses in einem Bereich von weniger als 100 Pikosekunden, bevorzugt bei weniger als 10 Pikosekunden. Die Pulsdauer kann auch bei weniger als 1 Pikosekunde liegen. Die typische Leistung der Laserquelle liegt dabei besonders günstig in einem Bereich von 20 bis 300 Watt. Um die filamentförmigen
Schädigungen zu erzielen, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung eine Pulsenergie im Burst von mehr als 200 Mikrojoule eingesetzt, ferner vorteilhaft eine gesamte Burstenergie von mehr als 500 Mikrojoule.
Im Falle eines Betriebs des Ultrakurzpuls-Lasers im Burst- Modus ist die Repetitionsrate die Wiederholrate der Abgabe von Bursts. Die Pulsdauer ist im Wesentlichen unabhängig davon, ob ein Laser im Einzelpulsbetrieb oder im Burst-Mode betrieben wird. Die Pulse innerhalb eines Bursts weisen typischerweise eine ähnliche Pulslänge auf, wie ein Puls im Einzelpulsbetrieb . In einer Ausführungsform der Erfindung wird Material des Glas- oder Glaskeramikelements, welches sich feinverteilt über einen neben der Trennlinie verlaufenden Randbereich des Teilstücks befindet, einem Phasenübergang unterzogen.
Ein Ablösen des Teilstücks kann oft erfolgreich durch keramisieren, oder, allgemein, teilphasenumwandeln, einer an die Trennlinie angrenzenden Randzone (eines
Randstreifens) im Bereich des Teilstücks erfolgen. Dadurch kann eine Kontraktion des Teilstücks im Randbereich erzielt werden, die zum Ablösen des Teilstücks von dem Hauptteil führt.
Insbesondere bei ausreichend großen Teilstücken kann es ausreichen, lediglich die Randzone zu behandeln.
Vorzugsweise ist demnach vorgesehen, dass Material des Glas- oder Glaskeramikelements, welches sich lediglich feinverteilt über den Randbereich befindet,
phasenumgewandelt wird. Gegenüber einer vollständigen
Keramisierung kann somit Zeit und Energie gespart werden, d.h. der Prozess optimiert werden.
Beispielsweise kann der neben der Trennlinie verlaufende Randbereich vorzugsweise eine Breite von höchstens 50 Millimetern, besonders bevorzugt von höchstens 30
Millimetern, noch bevorzugter von höchstens 15 Millimetern aufweisen.
Vor allem bei innenliegenden Teilstücken (Innengeometrien) ist allerdings zu beachten, dass die durch Kontraktion des Teilstücks entstehende Spaltbreite zwischen Teilstück und Hauptteil die Möglichkeit zur problemlosen Entnahme des Teilstücks gewährleistet. Der Randbereich (Randstreifen) hat demnach auch vorzugsweise eine gewisse Mindestbreite. Beispielsweise kann der neben der Trennlinie verlaufende Randbereich vorzugsweise eine Breite von mindestens 5
Millimetern, besonders bevorzugt von mindestens 7 , 5
Millimetern, noch bevorzugter von mindestens 1 0 Millimetern aufweisen .
Die vorstehenden Überlegungen können, insbesondere für Innenausschnitte, wie folgt verallgemeinert werden. Dazu bezeichne γ einen Kontraktionsfaktor, welcher die
prozentuale Kontraktion des Glas- oder Glaskeramikmaterials durch Keramisierung beschreibt. Der Kontraktionsfaktor γ beträgt vorzugsweise 1 Prozent, besonders bevorzugt 2
Prozent und noch bevorzugter 3 Prozent. Ferner bezeichne R die mittlere Rauheit der Kantenfläche, an der sich das Teilstück von dem Hauptteil entlang der filamentierten Trennlinie abtrennt. Die Breite eines neben der Trennlinie verlaufenden Randbereichs, welcher keramisiert wird, beträgt dann zweckmäßig mindestens R9 / 2 Y und ferner
zweckmäßig höchstens RG/γ, wobei Θ einen Wert von 1 annimmt, insbesondere wenn die Kantenfläche senkrecht zur Oberfläche des Glas- oder Glaskeramikelements ist.
Andernfalls kann Θ vorzugsweise auch einen Wert im
Intervall [n/ 3 , 00 [ annehmen, welcher mit dem Winkel der Kantenfläche zur Oberfläche des Glas- oder
Glaskeramikelements zusammenhängt .
Ferner sei angemerkt, dass im Falle, dass der vorstehend genannte Minimalwert R9 / 2 Y für die Breite eines zu
keramisierenden Randbereichs die Hälfte der größten
Abmessung des Teilstücks übersteigt, zweckmäßig das gesamte Teilstück keramisiert wird. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird
Material des Glas- oder Glaskeramikelements, welches sich feinverteilt über das gesamte Teilstück befindet, einem Phasenübergang unterzogen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, das gesamte Teilstück zu keramisieren . Durch die Keramisierung, oder allgemein
Phasenumwandlung von Material, kann ein Zusammenziehen des gesamten Teilstücks hervorgerufen werden. Dadurch kann ein größerer Schrumpf entstehen, als bei lediglich randseitiger Keramisierung .
Die Behandlung des gesamten Teilstücks ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Teilstück verhältnismäßig klein ist und es nicht mehr ausreicht, lediglich Material in einer Randzone phasenumzuwandeln . Aber auch bei großen
Teilstücken kann vorgesehen sein, das gesamte Teilstück zu keramisieren, beispielsweise, weil das Teilstück als
Glaskeramikelement von Interesse ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird, nachdem sich das Teilstück entlang der Trennlinie an den nebeneinander angeordneten filamentförmigen Schädigungen von dem
Hauptteil abgelöst hat, Material des Glas- oder
Glaskeramikelements, welches sich im Bereich des Hauptteils befindet, einem Phasenübergang in eine Kristallphase unterzogen . Insbesondere ist in dieser Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, im Bereich des Hauptteils eine Keramisierung des Glas- oder Glaskeramikelements einzuleiten bzw. fortzusetzen. Das heißt es wird über den Hauptteil
feinverteiltes amorphes Material kristallisiert. Mit anderen Worten wird der Hauptteil zumindest teilweise keramisiert. Insbesondere wird Material, welches
gleichmäßig über den gesamten Hauptteil verteilt ist, kristallisiert, d.h. es wird der gesamte Hauptteil
keramisiert. Eine Keramisierung des Hauptteils kann
insbesondere erwünscht sein, wenn vor allem der Hauptteil als Endprodukt, z.B. als Kochfläche, von Interesse ist und als Glaskeramik mit bestimmten Eigenschaften, insbesondere mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgebildet sein soll. Auch wenn das flächige Ausgangselement, von welchem erfindungsgemäß ein Teilstück abgelöst wurde, bereits eine Glaskeramik ist, kann eine Fortsetzung der Keramisierung im Bereich des Hauptteils erwünscht sein, um ein bestimmtes erwünschtes Mengenverhältnis von Glasphase zu Kristallphase zu erreichen.
Die Keramisierung des Hauptteils kann auf dieselbe Weise wie bei dem Teilstück erfolgen, z.B. durch Beaufschlagen mit elektromagnetischer Strahlung (insbesondere
Laserstrahlung) , um das Material auf eine
Phasenübergangstemperatur zu erwärmen. Wenn im Bereich des Teilstücks zuvor eine Keramisierung durchgeführt wurde, kann insbesondere erwünscht sein, den Hauptteil in
derselben Weise zu keramisieren, insbesondere dieselben Prozessparameter zu verwenden. Es können demnach beide Teile, der Hauptteil und das Teilstück gleichartig
keramisiert sein. Dadurch können das abgelöste Teilstück und der Hauptteil die gleichen Eigenschaften erlangen. Dies kann dann erwünscht sein, wenn beide Teile als Endprodukt von Interesse sind. In einer Weiterbildung der Erfindung wird das Glas- oder Glaskeramikelement, insbesondere im Bereich des Hauptteils und/oder des Teilstücks, auf einer Oberflächentemperatur oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb der
Phasenübergangstemperatur gehalten .
Vorzugsweise wird eine Oberflächentemperatur von mindestens 100 Grad Celsius, besonders bevorzugt von mindestens 200 Grad Celsius, noch bevorzugter von mindestens 300 Grad Celsius und höchst bevorzugt von mindestens 400 Grad
Celsius eingestellt, wobei die Oberflächentemperatur vorzugsweise höchstens 800 Grad Celsius, besonders
bevorzugt höchstens 700 Grad Celsius und noch bevorzugter höchstens 600 Grad Celsius beträgt. Insbesondere kann die Oberflächentemperatur durch Erwärmen des Glas- oder
Glaskeramikelements in einem Ofen erzielt werden und das Glas- oder Glaskeramikelement während die
Oberflächentemperatur gehalten wird z.B. lokal keramisiert werden. Es ist dabei zweckmäßig vorgesehen, zumindest diejenigen Bereiche des Glas- oder Glaskeramikelements auf erhöhter Oberflächentemperatur zu halten, in denen Material phasenumgewandelt wird. Das Glas- oder Glaskeramikelement kann auf eine
entsprechende Oberflächentemperatur erwärmt werden, bevor Material des Glas- oder Glaskeramikelements einem
Phasenübergang unterzogen wird. Dann kann das Glas- oder Glaskeramikelement auf der Oberflächentemperatur gehalten werden, während Material des Glas- oder Glaskeramikelements einem Phasenübergang unterzogen wird. Das Halten auf einer Oberflächentemperatur hat eine Durchwärmung des Materials und damit eine erhöhte Temperatur im gesamten Volumen zur Folge, wobei allerdings typischerweise die laserbestrahlten Volumenanteile des Materials eine nochmals erhöhte
Temperatur erfahren.
Indem das Glas- oder Glaskeramikelement zumindest
bereichsweise auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, kann in vorteilhafter Weise eine mitunter mögliche
Beschädigungsgefahr des Hauptteils vermindert werden.
Insbesondere wenn die folgenden Voraussetzungen vorliegen, kann der Hauptteil durch ein Warmhalten des Glas- oder Glaskeramikelements geschützt werden: (1) Das
phasenumzuwandelnde Material im Bereich des Teilstücks wird erwärmt, um den Phasenübergang herbeizuführen. (2) Diese Erwärmung führt zu einer thermischen Ausdehnung des
Teilstücks. (3) Die Trennlinie teilt das Glas- oder
Glaskeramikelement so ein, dass das Teilstück zumindest teilweise innenliegend ist und infolge seiner thermischen Ausdehnung Druckspannungen auf den Hauptteil ausübt.
Derartige Druckspannungen können in vorteilhafter Weise vermindert werden, wenn das Glas- oder Glaskeramikelement auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, so dass dieses sich insgesamt thermisch ausdehnt.
Indem das Glas- oder Glaskeramikelement zumindest
bereichsweise auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, können außerdem in vorteilhafter Weise Zugspannungen, welche zunächst lokal dort entstehen, wo Material sich z.B. infolge eines Phasenübergangs zusammenzieht, sich besser über größere Bereiche des Glas- oder Glaskeramikelements verteilen. Dadurch kann insbesondere eine gleichmäßigere makroskopische Kontraktion des Teilstücks infolge eines Zusammenziehens von Material in mikroskopischen
Volumenelementen des Teilstücks begünstigt werden. Zudem kann verhindert werden, dass stark lokalisierte hohe
Zugspannungen zu unerwünschter Rissbildung abseits der filamentierten Trennlinie und somit zu Ausschuss führen.
Bei der für die Erfindung eingesetzten Mikroperforation wird - von winzigen Mengen abgesehen - kein Material aus der Trennfuge abgetragen. Beide zu trennenden Teile sind nach dem Einfügen der filamentartigen Schädigungen im
Wesentlichen noch miteinander verbunden. Nachdem das
Mikroperforieren durchgeführt wurde, befindet sich demnach entlang der vorgesehenen Trennlinie eine Sollbruchlinie in dem Material, entlang derer das Material sich auftrennen kann, sobald geeignete Spannungen im Material hervorgerufen werden .
Geeignet sind insbesondere Zugspannungen, die durch ein Zusammenziehen des Teilstücks an der Sollbruchlinie
hervorgerufen werden können. Wie oben beschrieben, kann dies bereits im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens infolge eines Zusammenziehens von Material im Bereich des Teilstücks, insbesondere durch Phasenübergang, erfolgen. Es kann aber auch ein zusätzlicher Cleaving-Schritt , vorzugsweise nach dem Mikroperforieren und vor dem Ablösen des Teilstücks, durchgeführt werden. Bei einem Cleaving- Schritt wird, nachdem die nebeneinander entlang der
Trennlinie angeordneten filamentförmigen Schädigungen erzeugt wurden, ein Auftreffpunkt einer Laserstrahlung, vorzugsweise eines Kohlendioxidlasers, auf dem Glas- oder Glaskeramikelement über dessen Oberfläche entlang der Trennlinie bewegt, so dass entlang der Trennlinie lokale Zugspannungen im Material des Glas- oder
Glaskeramikelements hervorgerufen werden, um eine
Rissbildung zwischen benachbarten filamentförmigen
Schädigungen zu bewirken.
Dadurch kann die Perforation zu einer zumindest
abschnittsweisen Trennfuge vervollständigt werden, d.h. es kann eine zumindest teilweise Abtrennung oder Abspaltung des Teilstücks von dem Hauptteil erreicht werden. Kommt es durch den Cleaving-Schritt zu einer vollständigen
Trennfuge, bewirkt das nachfolgende erfindungsgemäße
Zusammenziehen nur noch ein Ablösen des Teilstücks von dem Hauptteil. Ein solches Schrumpfen ermöglicht dann
insbesondere ein leichtes Entnehmen innenliegender oder mit dem Hauptteil verkanteter Teilstücke.
Ein Cleaving-Schritt dient somit der Vortrennung. Das Glaselement wird dabei entlang der Trennlinie vorzugsweise mit einem C02~Laser bestrahlt, um thermomechanische
Spannungen in dem Glaselement an der Trennlinie zu
erzeugen. Dadurch kann eine die filamentförmigen
Schädigungen verbindende Rissbildung entlang der Trennlinie erzeugt werden, allerdings in der Regel ohne dass sich das Teilstück von dem Hauptteil ablöst.
Sowohl die Filamentstrukturen an sich, als durch einen Cleaving-Schritt hervorgerufene zusätzliche Risse im
Material stellen Vorschädigungen im Material dar, die entlang der Trennlinie verlaufen. Der Verfahrensschritt des Cleavens kann auch durch eine nach dem Erwärmen durchgeführte lokale Abkühlung
unterstützt werden, um die erzeugten Zugspannungen im
Material zu erhöhen.
Geeignete Zugspannungen, um ein Auftrennen entlang der Sollbruchlinie zu bewirken, können in einer anderen
Ausführungsform auch durch Temperaturdifferenzen zwischen dem Hauptteil und dem Teilstück hervorgerufen werden.
Zwischen der durchschnittlichen Temperatur des Hauptteils und der durchschnittlichen Temperatur des Teilstücks wird dabei vorzugsweise eine Temperaturdifferenz hervorgerufen, welche von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Glas- oder Glaskeramikelements und den Maßen des Teilstücks abhängt und gemäß einem Beispiel mindestens 150 Grad Celsius, gemäß einem anderen Beispiel mindestens 200 Grad Celsius und gemäß noch einem Beispiel mindestens 300 Grad Celsius beträgt. Zweckmäßig ist dabei die Durchschnittstemperatur im Hauptteil höher, als die Durchschnittstemperatur im Teilstück. In Frage kommen insbesondere folgende drei
Möglichkeiten .
Eine erste Möglichkeit ist es, durch Erwärmen des Elements ausschließlich im Bereich des Hauptteils den Hauptteil zur Ausdehnung zu bringen während das Element im Bereich des Teilstücks nicht aufgewärmt wird. Dadurch dehnt sich das Element im Bereich des Hauptteils stärker aus, als im
Bereich des Teilstücks. Es kann dadurch eine Zugspannung im Glaselement entstehen, durch die sich das Teilstück entlang der Trennlinie von dem Hauptteil abtrennt. Sollen
innenliegende Teilstücke von dem Element abgetrennt werden, kann also das Substrat aufgeheizt werden, wobei dabei die Innengeometrien ausgespart werden, z.B. indem das Substrat mit einer Seitenfläche mit einer Heizplatte in Kontakt steht, die bei den Innengeometrien ausgespart ist. Die Heizplatte kann demnach über ein an die Form des Hauptteils angepasstes Heizfeld verfügen.
Eine zweite Möglichkeit ist es, durch Erwärmen des Elements im Bereich des Hauptteils den Hauptteil zur Ausdehnung zu bringen und das Element durch Abkühlen im Bereich des
Teilstücks zum Zusammenziehen zu bringen. Auf diese Weise kann die Zugspannung im Material noch erhöht werden. So kann z.B. das Element im Bereich des Teilstücks mit Luft oder anderen Fluiden gekühlt werden, so dass dieses
zusätzlich im Bereich der Innengeometrie gekühlt wird.
Eine dritte Möglichkeit ist es, durch Abkühlen des Elements ausschließlich im Bereich des Teilstücks das Teilstück zum Zusammenziehen zu bringen, während das Element im Bereich des Hauptteils nicht abgekühlt wird.
Die genannten drei Möglichkeiten rufen einen
Temperaturgradienten im Glas - oder Glaskeramikelement hervor, der insbesondere über die durch die Trennlinie beschriebene Sollbruchstelle verläuft. Entsprechende
Zugspannungen können bewirken, dass sich das Teilstück entlang der Trennlinie an den nebeneinander liegenden filamentförmigen Schädigungen von dem Hauptteil abtrennt.
Wenn das Glaselement im Bereich des Hauptteils aufgewärmt wird, kann dieser Schritt in einen sich gegebenenfalls anschließenden Vorspannprozess oder Keramisierungsprozess des Hauptteils integriert werden. Es kann vorgesehen sein, nachdem sich das Teilstück entlang der Trennlinie an den nebeneinander liegenden
filamentförmigen Schädigungen von dem Hauptteil abgelöst hat, den Hauptteil unter Ausnutzung der erfolgten Erwärmung thermisch vorzuspannen. Dadurch kann der Hauptteil auf energieeffiziente Weise thermisch vorgespannt werden, d.h. es können Energiekosten gespart werden.
Die thermische Vorspannung, beziehungsweise die thermische Härtung, basiert darauf, dass das zu härtende Glaselement abgeschreckt wird. Dabei kühlt zunächst die Oberfläche des Elements ab, während sich im Inneren noch eine wärmere oder weichere Phase befindet. Die Temperaturdifferenz zur
Umgebung ist dann innen größer als außen. Das Innere des Glaselements würde sich im Folgenden mehr zusammenziehen, was allerdings durch die bereits feste Oberfläche
verhindert wird. Dadurch kommt es im Inneren zu einer
Zugspannung, während sich an der Oberfläche eine
Druckspannung ausbildet.
Ein Vorteil des thermischen Vorspannens ist es, dass es sich um eine vergleichsweise preisgünstige Methode zur Erhöhung der Festigkeit handelt. Auf diese Weise wird also ein effizientes Verfahren zum Ablösen und anschließenden Vorspannen bereitgestellt. So wird der wirtschaftliche Nutzen erhöht. Andererseits können thermisch vorgespannte Glaselemente in der Regel nicht mehr gut geschnitten und getrennt werden. Das Mikroperforieren, Schneiden und
Ablösen ist jedoch in dieser Ausführungsform der Erfindung nach dem Vorspannen nicht mehr unbedingt notwendig, da alle erforderlichen Ablöseschritte bereits zuvor im noch ungespannten Glaselement durchgeführt werden können.
Ein sich einem Ablösen unmittelbar anschließendes
Vorspannen erwärmter Teile wird insbesondere durch das eingesetzte Präzisionstrennverfahren mittels Filamentieren ermöglicht, wodurch eine hohe Kantenqualität entsteht. Dadurch ist es insbesondere nicht zwingend, die durch das Abtrennen des Teilstücks von dem Hauptteil erzeugte Kante zu schleifen oder anderweitig zu bearbeiten.
Ferner ist es auch möglich, eine erfolgte Erwärmung des Hauptteils auszunutzen, um eine sich dem Ablösen eines Teilstücks anschließende Keramisierung des Hauptteils zu unterstützen. Wie oben beschrieben kann eine erhöhte
Substrattemperatur bei der Keramisierung zur räumlichen Verteilung lokal entstehender Zugspannungen und somit zur Verhinderung unerwünschter Rissbildung beitragen. Diese Vorteile können somit zugleich auf energieeffiziente Weise erzielt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist das Glas- oder Glaskeramikelement eine Dicke von mindestens 0.5
Millimetern, vorzugsweise von mindestens 2 Millimetern, besonders bevorzugt von mindestens 3 Millimetern, noch bevorzugter von mindestens 4 Millimetern auf. Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere für flächige Elemente mit den vorgenannten Dicken, aber auch Dicken von über 6 oder sogar über 8 Millimetern können bewältigt werden. Demgegenüber ist das Trennen von Glas- oder Glaskeramik entlang allgemein gebogener, abschnittweise gewinkelter oder sogar in sich geschlossener Sollbruchlinien mittels herkömmlicher Trennverfahren, beispielsweise dem Ausüben eines Biegemoments, mit steigender Dicke des Glases immer schwieriger. Das liegt darin begründet, dass bei
herkömmlichen Trennverfahren mit zunehmender Susbtratdicke das Risiko der Verkantung zwischen den noch in Kontakt stehenden Teilen immer größer wird. Daher kann eine sichere Trennung auf herkömmliche Weise bei dickeren Elementen schwierig oder sogar unmöglich werden. Auch das in der EP 2 781 296 AI beschriebene Verfahren kommt, wie oben beschrieben, bei dicken Substraten an seine Grenzen.
Das Glas- oder Glaskeramikelement weist weiterhin
vorzugsweise eine Dicke von höchstens 20 Millimeter, noch bevorzugter von höchstens 15 Millimeter und besonders bevorzugt von höchstens 10 Millimetern auf. Glas- oder Glaskeramikelemente mit diesen Maximaldicken eignen sich noch gut zum Zerteilen und sicheren Trennen der Teile durch das erfindungsgemäße Verfahren.
Bei dickeren Glaselementen ist es oft nicht mehr möglich oder zumindest ungünstig, die Mikroperforation über die gesamte Dicke in einem Bearbeitungsschritt, beziehungsweise mit einmaligem Entlangbewegen des Auftreffpunkts des
Laserstrahls entlang der Trennlinie durchzuführen. Um eine einfache und sichere Abtrennung des Teilstücks zu
ermöglichen, ist es vielmehr günstig, zwei oder mehr
Überfahrten in unterschiedlichen Fokustiefen durchzuführen. Mit der Erfindung ist ein Ablösen in vorteilhafter Weise insbesondere auch dann möglich, wenn das flächige Glas¬ oder Glaskeramikelement durch die Trennlinie so eingeteilt wird, dass das Teilstück in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements eine zweidimensionale Form
annimmt, deren größte Abmessung kleiner als 100 Millimeter ist. Ein Ablösen ist insbesondere auch möglich, wenn die größte Abmessung kleiner als 80 Millimeter ist. Auch insbesondere noch möglich ist ein Ablösen, wenn die größte Abmessung kleiner als 60 Millimeter ist. In besonders vorteilhafter Weise ist ein Ablösen sogar dann noch
möglich, wenn die größte Abmessung kleiner als 60 und größer als 15 Millimeter ist. Ferner kann in ganz besonders vorteilhafter Weise auch dann noch ein Ablösen erreicht werden, wenn die größte Abmessung kleiner als 15 Millimeter und größer als 10 Millimeter ist.
Die Erfindung ermöglicht somit insbesondere ein Auslösen von (sehr) kleinen Innenausschnitten und das auch aus Glas- oder Glaskeramikelementen mit großen Dicken und/oder niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Demgegenüber können bei niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
Auslöseverfahren, die lediglich mit Temperaturdifferenzen zwischen Hauptteil und Teilstück arbeiten, bei kleinen Innenausschnitten Schwierigkeiten bekommen, weil die erforderlichen Temperaturdifferenzen so hoch sind, dass sie nicht mehr oder nur noch schwierig realisiert werden können . Es kann jedoch vorteilhaft sein, wenn das abzutrennende Teilstück in der Ebene des flächigen Glas- oder
Glaskeramikelements eine zweidimensionale Form annimmt, deren kleinste Abmessung größer als 5 Millimeter,
vorzugsweise größer als 10 Millimetern, besonders bevorzugt größer als 20 Millimeter ist. Unter der kleinsten Abmessung ist dabei das kleinste kennzeichnende Längenmaß in der Ebene zu verstehen.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das flächige Glas- oder Glaskeramikelement durch die Trennlinie so eingeteilt, dass der Hauptteil in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements eine zweidimensionale Form annimmt, die nicht sternförmig im mathematisch- topologischen Sinne ist.
Ein Ablösen von Teilstücken entlang allgemein gebogener oder abschnittweise gewinkelter Sollbruchlinien wird bei herkömmlichen Trennverfahren umso schwieriger, je stärker die Trennlinie in sich gebogen oder entsprechend gewinkelt ist. Besonders schwierig wird das Ablösen eines Teilstücks, wenn das Teilstück teilweise oder fast innenliegend ist, die Trennlinie also fast geschlossen ist.
Ein nützliches Kriterium hierfür ist, dass das
zweidimensionale Gebiet, das dem Hauptteil des Glas- oder Glaskeramikelements entspricht, mathematisch gesprochen kein Sterngebiet mehr ist. Das bedeutet, dass es innerhalb dieses zweidimensionalen Gebietes keinen Punkt gibt, von dem aus jeder beliebige andere Punkt des Gebietes mit einer geraden Verbindungsstrecke, die vollständig in dem Gebiet liegt, erreicht werden kann.
Viele Trennverfahren laufen in besondere Schwierigkeiten, wenn der Hauptteil des Glas- oder Glaskeramikelements nicht sternförmig ist. Die Ursache ist, dass ein herkömmliches Aufbringen von Biegemomenten in der Regel nicht mehr zu einem erfolgreichen Abrennen oder Ablösen führt. Auch wird bei der eingesetzten Mikroperforation typischerweise kaum oder kein Material durch die Laserpulse entfernt, so dass eine Entnahme des Teilstücks von einem nicht-sternförmigen Hauptteil unmittelbar nach dem Filamentieren in der Regel nicht möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht eine solche Entnahme und gewährleistet
gleichzeitig eine sehr hohe Kantenqualität.
Die zuvor beschriebene Schwierigkeit, Teilstücke entlang fast geschlossener Trennlinien abzulösen, trifft natürlich erst recht auf Situationen vollständig geschlossener
Trennlinien zu. Dies entspricht dem Herauslösen von
innenliegenden Teilstücken, d.h. dem Herstellen von Löchern oder Ausschnitten in einem flächigen Glas- oder
Glaskeramikelement, wobei der herausgelöste Teil erhalten bleibt .
In einer Weiterbildung der Erfindung wird das flächige Glas- oder Glaskeramikelement demnach durch die Trennlinie so eingeteilt, dass der Hauptteil das Teilstück in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements
vollständig umschließt.
Während demnach der Hauptteil ohne Weiteres eine Form annehmen kann, die nicht sternförmig ist, ist es von
Vorteil, wenn das abzulösende Teilstück eine Form annimmt, die sternförmig ist. Insbesondere, wenn sich das Teilstück infolge von Phasenumwandlung formerhaltend kontrahiert, z.B. bei vollständiger und gleichmäßiger Keramisierung des Teilstücks, kann dadurch eine verhakungsfreie Kontraktion erfolgen .
Einige beispielhafte sternförmige zweidimensionale Formen, die das Teilstück in der Ebene des Glas- oder
Glaskeramikelements annehmen kann, sind die eines
regelmäßiges Vielecks, eines regelmäßiges Vielecks mit abgerundeten Ecken, eines Ovals oder eines Kreises. Es kann vorgesehen sein, mehrere Überfahrten mit dem Laser entlang der vorgesehenen Trennlinie durchzuführen, wobei jeweils unterschiedlichen Fokustiefen verwendet werden, um Filamente in unterschiedlichen Tiefen des Materials zu erzeugen. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn die Länge der durch die Laserbearbeitung gebildeten Filamente nicht ausreicht, um das Glas in seiner gesamten Dicke zu
durchqueren .
Es kann allerdings in der Praxis bei einer weiteren
Überfahrt entlang derselben Trennlinie ein unerwünschter minimaler Versatz in der Ebene des flächigen Elements der filamentförmigen Schädigungen gegenüber denjenigen aus dem vorherigen Durchgang entstehen. Ein solcher zufälliger Versatz entspricht einer Stufe in der Trennfläche, die ein Auslösen erschweren kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist demnach
vorgesehen, nebeneinander entlang einer von der Trennlinie um mindestens 5 und höchstens 50, vorzugsweise höchstens 40, besonders bevorzugt höchstens 30 Mikrometer
beabstandeten Versatzlinie filamentförmige Schädigungen im Volumen des Glas- oder Glaskeramikelement zu erzeugen, deren Projektion auf die Längsrichtung der entlang der Trennlinie angeordneten filamentförmigen Schädigungen eine Überlappung mit den entlang der Trennlinie angeordneten filamentförmigen Schädigungen von weniger als 200,
vorzugsweise weniger als 100, besonders bevorzugt weniger als 50 Mikrometer aufweisen.
Auf diese Weise wird ein definierter Versatz herbeigeführt, welcher derart ausgebildet ist, dass er ein Ablösen von insbesondere zumindest teilweise innenliegenden Teilstücken unterstützt .
Ferner können in analoger Weise entlang einer zweiten
Versatzlinie, welche von der ersten Versatzlinie
beabstandet ist, filamentförmige Schädigungen im Volumen des Glaselements erzeugt werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung werden die Laserpulse schräg auf die Oberfläche des Glas- oder
Glaskeramikelements gerichtet, so dass die
Lichtausbreitungsrichtung der Laserpulse und damit auch die Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen schräg zur Oberfläche verlaufen und außerdem die Trennlinie schräg, vorzugsweise senkrecht zur Lichteinfallsebene verläuft. Die Lichteinfallsebene wird durch die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls und die Oberflächennormale aufgespannt.
Mit anderen Worten werden also die Schädigungskanäle so eingefügt, dass deren Längsrichtung von der
Normalenrichtung der Oberfläche des Glas- oder
Glaskeramikelements abweicht. Es ergibt sich mithin eine schräge Schnitt- oder Trennfläche zwischen den zu
trennenden Teilen.
Das Erzeugen schräg verlaufender filamentförmiger
Schädigungen, oder anders ausgedrückt, das winklige
Anstellen der Perforierung in das Material kann das
Herauslösen eines Teilstücks erleichtern, weil dadurch anstelle einer Passung ein gewisser Öffnungswinkel
existiert, durch den das Verkantungsrisiko weiter
verringert wird.
Werden Glas- oder Glaskeramikelemente mit mehreren Laser- Überfahrten bei unterschiedlichen Fokustiefen bearbeitet, kann es insbesondere bei größeren Fokustiefen, das heißt je weiter die Schädigungskanäle von der Eintrittsseite im Glas entfernt sind, dazu kommen, dass die Längen der
filamentförmigen Schädigungen kürzer werden. Ursächlich dafür ist, dass Teile der Laserstrahlung durch das
Verwenden eines Anstellwinkels von der Substratoberfläche reflektiert werden. Unter einem Anstellwinkel ist dabei ein von Null verschiedener Winkel zwischen der
Oberflächennormalen des Glas- oder Glaskeramikelements und der Einfallsrichtung der Laserpulse zu verstehen. Bei dickeren Elementen ist es demnach oft vorteilhaft, den Anstellwinkel klein zu halten. Auch bei kleinen
Anstellwinkeln ist ein Herauslösen ohne Verkantungsrisiko in der Regel möglich.
Ein Anwendungsbeispiel des Herauslösens von Innengeometrien ist das Erzeugen von Hob-Tops aus Glas (bspw.
Kalknatronglas) als Hauptteil. Hierbei wird zudem das
Kalknatronglas vorgespannt. Ferner ist erfindungsgemäß eine Kochfläche vorgesehen, welche ein flächiges Glas- oder Glaskeramikelement umfasst, welches als Hauptteil mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar oder hergestellt ist.
Das flächige Glas- oder Glaskeramikelement umfasst demnach insbesondere zwei gegenüberliegende Seitenflächen, sowie eine diese beiden Seitenflächen verbindende Kantenfläche, wobei in der Kantenfläche nebeneinander verlaufende
filamentförmige Schädigungen vorhanden sind, die
Vertiefungen in der Kantenfläche bilden, wobei die
Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen in Richtung von einer zur anderen Kante, welche den Übergang zwischen der Kantenfläche und den Seitenflächen bilden, verläuft.
Das flächige Glas- oder Glaskeramikelement kann ferner in der Fläche eine zweidimensionale Form aufweisen, die nicht sternförmig ist. Bevorzugt ist eine Form eines Rechtecks, insbesondere mit abgerundeten Ecken, welches zumindest einen einem abgelösten Teilstück entsprechenden Fehlbereich in Form eines Innenausschnitts aufweist. Insbesondere sind in der umlaufende Kantenfläche des zumindest einen
Innenausschnitts filamentförmige Schädigungen vorhanden, die Vertiefungen in der Kantenfläche bilden.
Der zumindest eine Fehlbereich weist insbesondere die Form eines Kreises, Rechtecks oder abgerundeten Rechtecks auf. Der zumindest eine Fehlbereich ist vorzugsweise im
mittleren Drittel bezüglich einer und/oder beiden
Längsrichtungen des flächigen Glas- oder
Glaskeramikelements angeordnet. Es können ferner eine Mehrzahl oder Vielzahl rasterartig angeordneter Fehlbereiche vorgesehen sein.
In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kochfläche ist eine rohrförmige Kochdunst-Aufnahmeeinrichtung umfasst, welche an das flächige Glas- oder Glaskeramikelement angeschlossen ist, so dass der zumindest eine dem
abgelösten Teilstück entsprechende Fehlbereich mit dem Inneren der rohrförmigen Kochdunst-Aufnahmeeinrichtung kommuniziert .
Die Kochdunst-Aufnahmeeinrichtung kann als nach unten führendes Rohr oder Schacht ausgebildet sein, welcher an die untere Seitenfläche des flächigen Glaselement luftdicht angeschlossen ist oder an eine Kantenfläche eines
Fehlbereichs angrenzend in einen Fehlbereich eingelassen ist, so dass Dünste, Gerüche und/oder Dämpfe in eine
Richtung nach unten abgesaugt werden können. Die Kochdunst- Aufnahmeeinrichtung ist ein passives Element, an welches eine Saugeinrichtung angeschlossen sein kann.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand der
beigeschlossenen Figuren erläutert. In den Figuren
bezeichnen gleiche Bezugszeichen dabei gleiche oder
entsprechende Elemente.
Es zeigen:
Fig.l schematisch in perspektivischer Ansicht eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Erzeugung
filamentförmiger Schädigungen entlang verschiedener geschlossener Trennlinien im Volumen eines Glas- oder Glaskeramikelements ,
Fig.2 schematisch in Aufsicht verschiedene Formen von Trennlinien und entsprechender Hauptteile und
Teilstücke,
Fig.3 schematisch in Aufsicht Keramisierung im
Bereich des Teilstücks in einer Randzone und im gesamten Teilstück sowie dadurch erzeugte Zugspannung an der Trennlinie,
Fig.4 schematisch in perspektivischer Ansicht ein filamentiertes Glas- oder Glaskeramikelement, das im Bereich des Teilstücks zum Zusammenziehen gebracht wurde, so dass das Teilstück entnommen werden kann,
Fig.5 schematisch in perspektivischer Ansicht
alternative Laserbearbeitungsvorrichtung zur
Erzeugung schräg verlaufender filamentförmige
Schädigungen,
Fig.6 schematisch in Seitenansicht Glaselemente nach mehrmaliger Laserbearbeitung,
Fig.7 schematisch in perspektivischer Ansicht Glasoder Glaskeramikelemente nach mehrmaliger
Laserbearbeitung entlang einer Trennlinie sowie zusätzlicher Versatzlinien,
Fig.8 schematisch in perspektivischer Ansicht Sätze aus jeweils zwei flächigen Glaselementen, Fig.9 schematisch in perspektivischer Ansicht flächige Glaselemente mit Versatz/Versätzen in der Kantenfläche,
Fig.10 eine Fotografie einer Glasscheibe mit einem kreisförmigen Innenausschnitt, welcher durch
Keramisierung ausgelöst wurde,
Fig.11 Graphen gemessener Temperaturverläufe am Rand auszulösender Teilstücke für vier verschiedene Proben ähnlich Fig .10,
Fig.12 schematisch einen Graphen der relativen
Verlagerung zweier an der Trennlinie
gegenüberliegender Punkte im Verlauf eines
beispielhaften Ablöseprozesses mit Ofenerwärmung,
Fig.13 schematisch einen Graphen der relativen
Verlagerung zweier an der Trennlinie
gegenüberliegender Punkte im Verlauf eines
beispielhaften Ablöseprozesses ohne Ofenerwärmung.
Fig.l zeigt eine Laserbearbeitungsvorrichtung 1, mit welcher ein Glas- oder Glaskeramikelement 2 durch
Einbringen von filamentförmigen Schädigungen 20 entlang einer definierten Trennlinie 21 mikroperforiert und damit für eine nachfolgende Abtrennung vorbereitet wird.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 1 umfasst einen
Ultrakurzpulslaser 10, dessen Laserpulse 12 auf das Glasoder Glaskeramikelement 2 gerichtet werden. Die Laserpuls 12 werden dazu mittels einer Fokussiereinrichtung 11 auf das Glas- oder Glaskeramikelement 2 fokussiert. Die
Wellenlänge des Ultrakurzpulslasers 10 wird so gewählt, dass die Laserpulse 12 in das Glas- oder
Glaskeramikelement 2 eindringen können.
Die Laserpulse 12 erzeugen im Volumen des Glas- oder
Glaskeramikelements 2 ein Plasma, welches die
filamentförmigen Schädigungen 20 hervorruft. Die
Auftreffpunkte 13 der Laserpulse 12 auf dem Glas- oder Glaskeramikelement 2 werden sukzessive über die
Oberfläche 22 entlang der vordefinierten Trennlinie 21 bewegt . Die Trennlinie 21 ist dabei so definiert, dass sie das
Glas- oder Glaskeramikelement 2 vollständig einteilt in ein abzutrennendes Teilstück 4 und einen verbleibenden
Hauptteil 3. Bezugnehmend auf die Fig.la bis Fig.ld können geschlossene Trennlinien 21 beispielsweise oval, regelmäßig polygonal, oder regelmäßig polygonal mit abgerundeten Ecken sein.
Fig.2 zeigt durch Trennlinien 21 auf der Oberfläche einer Seitenfläche definierte Teilstücke 4 und Hauptteile 3, wobei letztere schraffiert dargestellt sind.
Bezugnehmend auf Fig. 2a und Fig. 2b ist ein
beschädigungsfreies Ablösen des Teilstücks 4 von dem
Hauptteil 3 - also das Ablösen in einer Weise, dass sowohl der Hauptteil 3 als auch das Teilstück 4 bis auf die
Mikroperforation an der Trennungsfläche keinen weiteren Schaden nimmt - insbesondere dann leicht möglich, wenn die Trennlinie 21 geradlinig oder lediglich leicht gebogen ist. Ein Ablösen kann in solchen Fällen mitunter sogar allein durch Aufbringen eines hinreichenden Biegemoments erreicht werden, auch wenn dies zum Erzielen einer sauberen
Trennkante nachteilig sein kann.
Zu Schwierigkeiten kommt es bei herkömmlichen
Trennverfahren aber insbesondere bei stark gebogenen oder geschlossenen Trennlinien, wie in den beispielhaften Fällen der Fig.2c bis Fig.2e. Das Teilstück 4 ist in der Ebene des Glas- oder Glaskeramikelements 2 dann überwiegend
innenliegend oder vollständig innenliegend, wobei im letzten Fall auch von einem Innenausschnitt gesprochen wird. Diese Fälle können zusammenfassend dadurch
charakterisiert werden, dass die zweidimensionale Form des Hauptteils 3 in der Ebene des Glas- oder
Glaskeramikelements 2 nicht sternförmig im mathematisch- topologischen Sinne ist. Bei einem Innenausschnitt ist das Gebiet des Hauptteils darüber hinaus nicht einfach
zusammenhängend. In all diesen Fällen ist das
erfindungsgemäße Ablöseverfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren hervorragend geeignet. Bezugnehmend auf Fig.2a bis Fig.2e kann es für das
erfindungsgemäße Verfahren mitunter vorteilhaft sein, wenn die zweidimensionale Form eines Teilstücks 4 in der Ebene des Glas- oder Glaskeramikelements 2 sternförmig ist, das heißt, wenn es mindestens einen Sternpunkt in dem einem Teilstück 4 entsprechenden zweidimensionalen Gebiet gibt. Das liegt daran, dass ein solcher Sternpunkt als
Kontraktionszentrum beim Ablösen durch Zusammenziehen des Teilstücks 4 dienen kann, so dass sich das Teilstück 4 bei einem formerhaltenden Zusammenziehen (auf einen Sternpunkt) nicht mit dem Hauptteil 3 verhakt. In den Beispielen der Fig.2a bis Fig.2e sind die Gebiete der Teilstücke 4 sogar konvex. Demnach sind alle Punkte dieser Gebiete Sternpunkte, oder anders ausgedrückt sind die Gebiete Sterngebiete. Es kann für das Ablösen mitunter vorteilhaft sein, wenn Teilstücke 4 in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements 2 konvexe Gebiete darstellen. Daher ist es allgemein, ohne Beschränkung auf die gezeigten Beispiele, in einer Weiterbildung der
Erfindung vorgesehen, dass Teilstücke abgelöst werden, die in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements eine zweidimensionale Form eines konvexen Gebiets
aufweisen .
Es ist allerdings nicht notwendig für ein verhakungsfreies Zusammenziehen, dass die Form des Teilstücks in der Fläche des Glases sternförmig oder sogar konvex ist. Es kann z.B. durch ein lediglich partielles Zusammenziehen des
Teilstücks 4 ein (insbesondere formänderndes)
Zusammenziehen bewirkt werden, so dass auch nicht
sternförmige Teilstücke 4 ausgelöst werden können.
Bezugnehmend auf Fig.2f kann es ferner Situationen geben, in denen auch nicht-sternförmige Teilstücke 4 mittels formerhaltender Kontraktion ausgelöst werden können. In diesem Fall weist das Glas- oder Glaskeramikelement 2 bereits einen Innenausschnitt auf, welcher durch Ablösen eines ringförmigen Teils vergrößert wird. Fig.3 zeigt beispielhafte Vorgehensweisen, um ein
Zusammenziehen des Teilstücks 4 hervorzurufen, damit sich das Teilstück 4 von dem Hauptteil 3 abtrennt und ablöst. Bezugnehmend auf Fig.3a wurde das Glas- oder
Glaskeramikelement 2 im gesamten Bereich des Teilstücks 4 mittels einer Laserstrahlung, dessen Auftreffpunkt auf der Oberfläche des Elements über das gesamte Teilstück bewegt wurde, bestrahlt und auf eine Keramisierungstemperatur erwärmt. Der Keramisierungsbereich 5 entspricht somit hier dem Teilstück 4. Im gesamten Bereich des Teilstücks 4 wurde somit eine Keramisierung eingeleitet.
Durch die Erwärmung des Teilstücks 4 ist in der Regel zunächst eine thermische Ausdehnung des Teilstücks 4 zu erwarten. Weil das Teilstück 4 ein innenliegendes Teilstück ist und somit durch eine Ausdehnung des Teilstücks 4
Druckspannungen auf den Hauptteil 3 zu erwarten sind, kann vorzugsweise vorgesehen sein, das Glas- oder
Glaskeramikelement 2 auf einer erhöhten
Oberflächentemperatur zu halten während es im Bereich des Teilstücks 4 mittels einer Laserstrahlung bestrahlt und erwärmt wird. Durch Einleiten der Keramisierung im Bereich des Teilstücks 4 wurde amorphes Material des Glas- oder
Glaskeramikelements 2 im Bereich des Teilstücks 4
kristallisiert. Im Falle eines ursprünglich vollständig amorphen
Glaselements 2 wird die Keramisierung begonnen. Aber auch im Falle bereits Kristallite umfassender Glaskeramikelemente 2 kann eine Keramisierung fortgesetzt werden. Glaskeramikelemente 2 können insbesondere CERAN®, ROBAX® und/oder ZERODUR® umfassen. Durch die Keramisierung geht über den
Keramisierungsbereich 5 feinverteiltes Material von einer amorphen in eine kristalline Phase über. Das heißt, es werden eine Vielzahl von Kristallkeimen gebildet aus denen Kristallite heranwachsen oder bereits bestehende
Kristallite wachsen zu größeren Strukturen an. Das Material weist somit nach der Keramisierung zumindest zwei
koexistierende Phasen auf: eine amorphe und eine
kristalline Phase. Die kristalline Phase hat gegenüber der amorphen Phase eine höhere Packungsdichte. Dadurch verringert das
phasenumgewandelte, kristallisierte Material sein Volumen, d.h. es zieht sich zusammen. Es entstehen somit eine
Vielzahl lokaler feinverteilter Kontraktionszentren und somit Zugspannungen im gesamten Keramisierungsbereich 5. Weil die kristalline Phase und somit die
Kontraktionszentren über den gesamten
Keramisierungsbereich 5 gleichmäßig verteilt sind, ergeben sich daraus Nettozugspannungen, die von außen in den
Keramisierungsbereich 5 hinein gerichtet sind. Im Beispiel der Fig.3a entspricht der Keramisierungsbereich 5 dem
Teilstück 4, so dass die Nettozugspannungen vom Hauptteil 3 in das Teilstück 4 hinein gerichtet sind. Diese
Nettozugspannungen sind in Fig.3b als Pfeile dargestellt.
Bezugnehmend auf Fig.3c wurde das Teilstück 4 lediglich partiell in dem ringförmigen Keramisierungsbereich 6 keramisiert, während der dazu komplementäre Bereich 7 des Teilstücks 4 nicht keramisiert wurde. Der
Keramisierungsbereich 6 entspricht hierbei einer an die Trennlinie 21 angrenzenden Randzone des Teilstücks 4. Es entstehen somit im Randbereich des Teilstücks 4
feinverteilte phasenübergangsbedingte Kontraktionszentren, die zu Nettozugspannungen führen, welche wiederum vom
Hauptteil 3 in das Teilstück 4 hinein gerichtet sind.
Dieses Vorgehen bietet sich insbesondere für große
Teilstücke 4 an. Denn bei großen Teilstücken 4 kann der somit erzeugte Schrumpf bereits ausreichend sein. Somit kann auf diese Weise der Prozess optimiert werden, wenn nicht erwünscht ist, das Teilstück 4 in eine homogene Glaskeramik zu überführen.
Vorzugsweise wird das randseitige Phasenumwandeln ab
Teilstücken mit einer gewissen Mindest-Fläche angewendet. Es kann ausreichend sein mit dem für die Erwärmung auf Keramisierungstemperatur bestimmten Laserstrahl das
Teilstück in einem gewissen Abstand zur filamentierten Trennlinie parallel abzufahren und so den notwendigen Materialschrumpf lokal zu erzeugen. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Minimalabstand zwischen der filamentierten Trennlinie und einer Laserabfahrlinie bzw. Keramisierungslinie größer als 1 Millimeter, vorzugsweise größer als 2 Millimeter und besonders bevorzugt größer als 3 Millimeter ist.
Da das Glas- oder Glaskeramikelement 2 der Fig.3a bzw. 3b entlang der Trennlinie 21 perforiert ist, können die sich über die Trennlinie 21 erstreckenden Zugspannungen zu einem Abreißen des Teilstücks 4 von dem Hauptteil 3 entlang der Trennlinie 21 führen („Cleaving" ) , sofern die Zugspannungen hoch genug sind und die filamentförmigen Schädigungen der Perforation dicht genug beieinander liegen. Die Höhe der Zugspannungen kann insbesondere durch das Volumenverhältnis von kristalliner zu amorpher Phase beeinflusst werden.
Dieses Volumenverhältnis wiederum hängt von der Dauer, während derer der Keramisierungsbereich 5, 6 auf der
Keramisierungstemperatur gehalten wird, ab. Je länger diese Zeit ist, umso mehr Material wird phasenumgewandelt.
Bezugnehmend auf Fig.4 kann sich das Teilstück 4,
insbesondere nach dem Abreißen von dem Hauptteil 3, infolge der ins Innere des Teilstücks gerichteten Zugspannungen kontrahieren, so dass zwischen dem Teilstück 4 und dem Hauptteil 3 ein Spalt 24 entsteht. Das Teilstück 4 kann sich somit nach dem Abtrennen entlang der filamentförmigen Schädigungen entlang der Trennlinie 21 von dem Hauptteil ablösen, insbesondere den Kontakt zu dem Hauptteil 3 verlieren. Der somit entstandene Spalt 24 stellt einen gewissen Spielraum zur Verfügung, wodurch es ermöglicht wird, das Teilstück 4 ohne Verkanten von dem Hauptteil 3 zu separieren. Der Schrumpf des Teilstücks 4 ermöglicht somit seine Entnahme entlang der Seitenflächennormalen (durch einen Pfeil gekennzeichnet) insbesondere aus nicht
sternförmigen Haupteilen 3, wo eine seitliche Entnahme nicht möglich ist. Die Keramisierung und Kontraktion des Teilstücks 4 ermöglicht demnach insbesondere das
Herauslösen von Innenausschnitten. Bei einem ausreichenden Schrumpf des Teilstücks 4 kann die Entnahme insbesondere ohne Reibung möglich sein. Das Verfahren ermöglicht aber in vorteilhafter Weise auch, unabhängig von der Form der
Trennlinie 21, ein Ablösen von Teilstücken 4 bei Glas- oder Glaskeramikelementen 2 mit großen Dicken 23, insbesondere über 3, vorzugsweise über 5, noch bevorzugter über 7 Millimeter . Die Spaltbreite des Spalts 24 beträgt vorzugsweise
mindestens R9/2, wobei R die mittlere Rauheit der
Schnittkante (Kantenfläche) bezeichnet und Θ einen Wert annimmt, der insbesondere 1 sein kann oder mit dem Winkel zwischen der Trennfläche und der Oberfläche des Glas- oder Glaskeramikelements 2 zusammenhängen kann, wie vorstehend beschrieben ist.
Um den Schrumpf des Teilstücks 4 und die Spaltbreite des Spalts 24 zu erhöhen, kann vorgesehen sein, das Glas- oder Glaskeramikelement 2 im Bereich des Teilstücks 4 zu kühlen und/oder im Bereich des Hauptteils 3 zu erwärmen. Ein Kühlen des Teilstücks 4 wird vorzugsweise durchgeführt, nachdem das Teilstück 4 zumindest teilweise keramisiert wurde. Dies liegt daran, dass es während der Keramisierung vorteilhaft ist, das Teilstück 4 als Teil des gesamten Glas- oder Glaskeramikelements 2 auf einer erhöhten
Temperatur zu halten, wie vorstehend beschrieben wurde.
Wie anhand der Fig.5a ersichtlich ist, können in einer Weiterbildung der Erfindung die Laserpulse 12 auch schräg auf die Oberfläche 22 des Glas- oder Glaskeramikelements 2 gerichtet werden, so dass zwischen der
Oberflächennormalen 14 und der Richtung der Laserpulse 12 ein Winkel besteht. Damit verläuft auch die Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen 20 schräg zur
Oberfläche 22. Zu beachten ist darüber hinaus der Einfluss der Brechung des Laserlichts an der Oberfläche 22 des Glaselements 2.
Der Winkel zwischen der Lichteinfallsrichtung und der
Oberflächennormalen 14 kann, um das Abtrennen des
Teilstücks zu erleichtern, im Bereich wenige Grade bis deutlich über 10° liegen. Vorzugsweise wird dabei zwischen der Lichteinfallsrichtung der Laserpulse 12 und der
Oberflächennormalen 14 der Oberfläche 22 des Glaselements 2 ein Winkel im Bereich von 3° bis 30°, besonders bevorzugt 3° bis 15°, noch bevorzugter mindestens 5° eingestellt.
Wie anhand von Fig.5a zu erkennen ist, werden die
Laserpulse 12 weiterhin schräg so auf die Oberfläche 22 gerichtet, dass die Lichteinfallsebene 15 quer, bevorzugt senkrecht zur Trennlinie 21 liegt. Dementsprechend liegt auch die Fortbewegungsrichtung, entlang welcher der
Auftreffpunkt 13 über die Oberfläche 22 bewegt wird, quer, vorzugsweise senkrecht zur Lichteinfallsebene 15. Die
Lichteinfallsebene 15 wird durch die Lichteinfallsrichtung und die Oberflächennormale 14 aufgespannt. Ist die
Trennlinie 21, wie auch im gezeigten Beispiel gekrümmt, beispielsweise kreisförmig, so ist die Orientierung der Trennlinie 21 quer zur Lichteinfallsebene 15 dahingehend zu verstehen, dass die Tangente an die Trennlinie 21 quer, vorzugsweise senkrecht zur Lichteinfallsebene 15 steht.
Fig.5b zeigt eine der Fig.5a entsprechende Schnittansicht des Glas- oder Glaskeramikelements 2. Durch den Winkel, der zwischen der Längsrichtung der filamentförmigen
Schädigungen 20 und der Normalen auf der Oberfläche 22 besteht, ergibt sich eine durch den Pfeil gekennzeichnete Vorzugsrichtung, entlang derer das Teilstück 4 von dem Hauptteil 3 separiert werden kann.
Fig.6 illustriert Glas- oder Glaskeramikelemente 2 in einer zu Fig.5b analogen Schnittansicht nach mehrfacher
Laserbearbeitung in unterschiedlichen Fokustiefen. Das bedeutet, nach einem Bearbeitungsschritt in welchem
Schädigungen 20 durch Laserpulse 12 eines
Ultrakurzpulslasers im Volumen des Glas- oder
Glaskeramikelements 2 erzeugt werden indem die
Auftreffpunkte 13 der Laserpulse 12 auf dem Glas- oder Glaskeramikelement 2 über dessen Oberfläche 22 entlang der Trennlinie 21 bewegt werden gibt es weitere
Bearbeitungsschritte in welchen in analoger Weise,
allerdings mit anderen Fokustiefen der Laserpulse 12,
Schädigungen 20', 20'', etc. in anderen Tiefen im Volumen des Glas- oder Glaskeramikelements 2 erzeugt werden.
Eine solche mehrfache Laserbearbeitung bietet sich
insbesondere bei dickeren Glas- oder Glaskeramikelementen 2 an, bei denen es oft nicht mehr möglich oder zumindest ungünstig ist, die Mikroperforation über die gesamte
Dicke 23 in einem einzelnen Bearbeitungsschritt,
beziehungsweise mit einmaligem Entlangbewegen des
Auftreffpunkts 13 des Laserstrahls 12 entlang der
Trennlinie 21 durchzuführen.
Ein Problem, dass sich bei mehrmaligem Überfahren mit dem Laserstrahl in unterschiedlichen Fokustiefen ergeben kann ist, dass die Schädigungen in unterschiedlichen Tiefen im Volumen des Glas- oder Glaskeramikelements 2 nicht ideal fluchten . Fig.6a veranschaulicht beispielhaft und schematisch ein Glas- oder Glaskeramikelement 2 nach zweimaliger
Laserbearbeitung über dessen Oberfläche 22. In einem ersten Bearbeitungsschritt wurden die Schädigungen 20' erzeugt, während in einem zweiten Schritt die darüber liegenden Schädigungen 20 erzeugt wurden. Die Schädigungen 20 und 20' haben einen gewissen Versatz zueinander, welcher
typischerweise infolge der finiten Positioniergenauigkeit statistische Schwankungen aufweist. Dieser Versatz
erschwert es, das Teilstück 4 von dem Hauptteil 3 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abzutrennen. Durch den Versatz entsteht eine gegenüber der infolge der Filamentierung an sich bedingten Rauheit R erhöhte Rauheit R' der
Kantenfläche.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, den Versatz zwischen Schädigungen 20' und 20 so herbeizuführen, dass für eine Abtrennung des Teilstücks 4 von dem
Hauptteil 3 nur die durch die Filamentierung an sich bedingte Rauheit R, nicht aber die den Versatz
berücksichtigende Rauheit R' der Kantenfläche maßgeblich ist . Wie in Fig.6b dargestellt, sind die Schädigungen 20', die sich tiefer bezüglich der Oberfläche 22 im Volumen des Glaselements 2 befinden, so erzeugt, dass das Teilstück 4 auf der der Oberfläche 22 gegenüberliegenden Seite etwas größer ist, als auf der Seite der Oberfläche 22. Dadurch ergibt sich eine durch den Pfeil gekennzeichnete
Vorzugsrichtung, entlang derer das Teilstück 4 von dem Hauptteil 3 separiert werden kann. Entlang dieser Vorzugsrichtung ist die Rauheit R, welche nur durch das Filamentieren bedingt ist, für das Abtrennen maßgeblich, während entgegen der Vorzugsrichtung die Rauheit R' , die sich auch aus dem Versatz zwischen den Schädigungen 20' und 20 ergibt, für das Abtrennen maßgeblich ist. Bei dem
Teilstück 4 muss es sich nicht um ein vollständig
innenliegendes Teilstück handeln, vielmehr kommen alle bereits benannten Formen in Betracht. Für den Fall, dass das Teilstück 4 ein kreisförmiges Innenstück ist, hat es infolge des Versatzes zwischen den Schädigungen 20' und 20 bildlich gesprochen eine Tortenform.
Während die Schädigungen 20 gemäß Fig.l dadurch erzeugt werden, dass die Auftreffpunkte 13 der Laserpulse 12 auf dem Glas- oder Glaskeramikelement 2 über dessen
Oberfläche 22 entlang der Trennlinie 21 bewegt werden, werden die Schädigungen 20' gemäß Fig.7a dadurch erzeugt, dass die Auftreffpunkte 13 der Laserpulse 12 auf dem Glas¬ oder Glaskeramikelement 2 über dessen Oberfläche 22 entlang einer von der Trennlinie 21 leicht beabstandeten
Versatzlinie 21' bewegt werden. Die Versatzlinie verläuft vorteilhaft vollständig auf einer Seite der Trennlinie 21. Es ist nicht notwendig aber vorteilhaft, wenn der Abstand, den die Versatzlinie 21' von der Trennlinie 21 aufweist, entlang der Linien konstant ist.
Die beschriebene Weiterbildung der Erfindung beschränkt sich nicht nur auf zweimalige Laserbearbeitung. Es können auch drei oder noch mehr Überfahrten mit dem Laser
durchgeführt werden. Fig.6c zeigt beispielhaft und
schematisch den Schnitt durch ein Glas- oder
Glaskeramikelement 2 nach dreimaliger Laserbearbeitung, die zu den Schädigungen 20'', 20' und 20 geführt haben. Fig.6d zeigt wiederum, wie die Versätze zwischen den Schädigungen 20'' und 20' sowie zwischen den Schädigungen 20' und 20 in dieser Weiterbildung der Erfindung so erzeugt werden können, dass sich eine durch den Pfeil gekennzeichnete Vorzugsrichtung zum Ablösen des Teilstücks 4 von dem
Hauptteil 3 ergibt.
Hierbei sind die Schädigungen 20' gemäß Fig.7b dadurch erzeugt, dass die Auftreffpunkte 13 der Laserpulse 12 auf dem Glas- oder Glaskeramikelement 2 über dessen
Oberfläche 22 entlang einer von der Trennlinie 21 leicht beabstandeten ersten Versatzlinie 21' bewegt werden. Die Schädigungen 20'' sind ferner dadurch erzeugt, dass die Auftreffpunkte 13 der Laserpulse 12 auf dem Glas- oder Glaskeramikelement 2 über dessen Oberfläche 22 entlang einer von der Trennlinie 21 etwas weiter als die erste Versatzlinie 21' beabstandeten zweiten Versatzlinie 21'' bewegt werden. Die zweite Versatzlinie 21'' verläuft vorteilhaft vollständig auf einer Seite der ersten
Versatzlinie 21'. Es ist nicht notwendig aber vorteilhaft, wenn der Abstand, den die zweite Versatzlinie 21'' von der ersten Versatzlinie 21' aufweist, entlang der Linien konstant ist.
Es können auch mehr als zwei Schritte der Laserbearbeitung durchgeführt werden. Dazu können weitere, wiederum etwas weiter von der Trennlinie 21 beabstandete Versatzlinien definiert werden, entlang derer die Auftreffpunkte 13 der Laserpulse 12 auf dem Glas- oder Glaskeramikelement 2 über dessen Oberfläche 22 bewegt werden. Das gezielte Kontrollieren eines Versatzes oder mehrerer Versätze zwischen Schädigungen, die durch mehrfache
Laserbearbeitung mit unterschiedlichen Fokustiefen erzeugt werden, kann kombiniert werden mit der in Fig.5
dargestellten Laserbearbeitung, bei der die Laserpulse 12 schräg auf die Oberfläche 22 des Glas- oder
Glaskeramikelements 2 gerichtet werden. In der Praxis kann der Winkel, der zwischen der Lichteinfallsrichtung und der Oberflächennormalen 14 besteht, in der Regel nicht exakt auf Null Grad eingestellt werden. Insofern besteht
genaugenommen regelmäßig ein (noch so) kleiner Winkel, so dass auch die Längsrichtungen der Schädigungskanäle
regelmäßig einen gewissen Winkel gegenüber der
Oberflächennormalen 14 des Glas- oder Glaskeramikelements 2 aufweisen. Wie bei der Positionierung ist auch hier von einer statistischen Abweichung kleiner der
Ausrichtgenauigkeit auszugehen.
Fig.6e zeigt schräge Schädigungen 20' und 20 durch
zweimalige Laserbearbeitung eines Glaselements 2. Wiederum sind die Schädigungen 20' und 20 nicht genau auf einer Linie (bzw. genau in einer Fläche) sondern weisen einen gewissen Versatz zueinander auf. Dieser erschwert es wiederum, das Teilstück 4 von dem Hauptteil 3 mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abzulösen.
Wie Fig.6f zeigt, kann der Versatz vorteilhaft derart eingestellt werden, dass sich eine Vorzugsrichtung zum Ablösen ergibt (durch den Pfeil gekennzeichnet) . Entlang der Vorzugsrichtung kann das Teilstück 4 von dem
Hauptteil 3 abgelöst werden, ohne dass die Kanten, die durch den Versatz entstehen, störend wirken. Die beschriebene Weiterbildung der Erfindung beschränkt sich nicht nur auf zweimalige Laserbearbeitung mit schräg auf die Oberfläche 22 treffenden Laserpulsen 12. Es können auch drei oder noch mehr Laserbearbeitungsschritte in unterschiedlichen Fokustiefen durchgeführt werden. Fig.6g zeigt beispielhaft und schematisch den Schnitt durch ein Glaselement 2 nach dreimaliger Laserbearbeitung mit schräg auf die Oberfläche gerichteten Laserpulsen 12, die zu den Schädigungen 20'', 20' und 20 führen. Fig.6h zeigt
wiederum, wie die Versätze zwischen den Schädigungen 20'' und 20' sowie zwischen den Schädigungen 20' und 20 in dieser Weiterbildung der Erfindung derart angeordnet werden können, dass sich eine Vorzugsrichtung zum Ablösen des Teilstücks 4 von dem Hauptteil 3 ergibt (durch den Pfeil gekennzeichnet) . Die Versätze müssen in der Praxis nicht gleich groß sein.
Bezugnehmend auf Fig.8 kann mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren ein erfindungsgemäßes Erzeugnis in Form eines Satzes aus zwei flächigen, das heißt platten- oder
scheibenförmigen, Elementen 2, 2' hergestellt werden.
Fig.8a und 8b zeigen jeweils einen Satz. Ein erfindungsgemäßer Satz zeichnet sich dadurch aus, dass die zweidimensionale Form, die das eine der flächigen
Elemente 2 in seiner Ebene aufweist, komplementär ist zu der zweidimensionalen Form, die das andere der flächigen Elemente 2' in seiner Ebene aufweist.
Ferner weisen zwei Kanten 27, 28 des einen Elements 2, welche den Übergang zwischen den Seitenflächen 29, 30 und einer diese Seitenflächen verbindenden Kantenfläche 25 bilden, jeweils eine gleiche Form aufweisen, wie zwei
Kanten 27', 28' des anderen Elements 2', welche den
Übergang zwischen den Seitenflächen 29', 30' und einer diese Seitenflächen verbindenden Kantenfläche 25' bilden.
In diesen Kantenflächen 25, 25' der zwei flächigen
Elemente 2, 2' sind jeweils nebeneinander verlaufende filamentförmige Schädigungen 26, 26' vorhanden, die
Vertiefungen in diesen Kantenflächen 25, 25' bilden, wobei die Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen 26, 26' jeweils in Richtung von einer Kante 27, 27' zur anderen Kante 28, 28' verläuft. Diese filamentförmigen Schädigungen 26, 26' können aus einer mikroperforierenden Laserbearbeitung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hervorgehen. Wenn ein Element 2 (oder 2') eines Satzes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellt wird, entspricht diese Längsrichtung der
filamentförmigen Schädigungen 26 (oder 26') der
Lichtausbreitungsrichtung der Laserpulse 12.
Der in Fig.8b gezeigte Satz aus zwei flächigen Elementen ist so ausgebildet, dass die zweidimensionale Form, die das eine der flächigen Elemente 2 in seiner Ebene aufweist, die zweidimensionalen Form, die das andere der flächigen
Elemente 2' in seiner Ebene aufweist, vollständig
umschließt. Bezugnehmend auf Fig.8b ist das Element 2' ein zu dem Element 2 passendes Innenstück. Bezugnehmend auf Fig.8a ist das Element 2' ein zu dem Element 2 passendes
Teilstück, das hier als vorwiegend innenliegend bezeichnet werden kann. Für beide gezeigten Sätze (Fig.8a und Fig.8b) gilt
vorzugsweise, dass das eine flächige Element 2 passgenau mit dem anderen flächigen Element 2' zusammengefügt werden kann. Ein solcher Satz aus zwei flächigen Elementen, die passgenau zusammengefügt werden können, kann so präzise zusammenpassen, dass er flüssigkeitsdicht ist. Dies kann man sich zunutze machen, beispielsweise zur Herstellung flüssigkeitsdichter Verschlüsse aus Glas.
Würde man die beiden flächigen Elemente 2 und 2' eines Satzes passgenau zusammenfügen, würden sich die Elemente 2 und 2' an ihren Kantenflächen 25 und 25' berühren oder einander sehr nahe kommen. Es würden sich auch die Kanten 27 und 21' berühren oder sehr nahe kommen und außerdem die Kanten 28 und 28' berühren oder sehr nahe kommen. Die zweidimensionalen Flächen in den Ebenen der flächigen Elemente 2 und 2' würden beim Zusammenfügen der beiden Elemente 2 und 2' wie zwei Puzzleteile zusammenpassen.
Es ist vorgesehen, dass eines oder beide der flächigen Elemente 2, 2' zumindest teilweise, vorzugsweise
vollständig, keramisiert ist. Es kann demnach eines der flächigen Elemente 2, 2' ein Glaskeramikelement und das andere ein Glaselement sein. Es können auch beide Elemente Glaskeramikelemente sein. Die Keramisierung kann dabei vorteilhaft mit einem Schrumpf eines innenliegenden
Elements 2' einhergehen, so dass die beiden Elemente 2, 2' passgenau ohne Reibungs- oder Verkantungsprobleme
zusammengefügt werden können. Es kann insbesondere aus diesem Grund beispielsweise auch vorgesehen sein, dass eines, insbesondere ein innenliegendes Element 2', derart keramisiert ist, dass es eine HQMK-Hauptkristallphase umfasst, während das andere Element 2 eine KMK- Hauptkristallphase umfasst, denn die Erzeugung einer HQMK- Glaskeramik geht typischerweise mit einem stärkeren
Schrumpf einher als die Erzeugung einer KMK-Glaskeramik.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass eines der flächigen Elemente 2, 2 thermisch vorgespannt ist. Das vorgespannte Element kann durch das thermische Vorspannen in einem
Zustand leicht vergrößerter Ausdehnung verbleiben. Demgemäß können ggf. Reibungs- und Verkantungsprobleme beim
Zusammenfügen vermieden werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass eines oder beide der Elemente an der Kantenfläche, die über filamentförmige Schädigungen verfügt, geschliffen wird. Auch dadurch kö ggf. Probleme beim Zusammenfügen vermieden werden.
Vorzugsweise stammen die beiden flächigen Elemente eines Satzes aus demselben Ablöseprozess . Das heißt, durch
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde ein ursprüngliches flächiges Glas- oder Glaskeramikelement zerteilt in einen Hauptteil und ein Teilstück, welche zusammengenommen einen Satz flächiger Elemente bilden. Wenn die beiden flächigen Elemente eines Satzes aus demselben Prozess stammen, ist eine ganz besonders hohe
Passgenauigkeit gewährleistet, welche nochmals höher ist, als wenn aus mehreren äquivalenten Ablöseprozessen eine Teilstückreihe von untereinander äquivalenten Teilstücken und eine Hauptteilreihe von untereinander äquivalenten Hauptteilen erzeugt werden und aus einem beliebigen
Teilstück aus der Teilstückreihe und einem beliebigen Hauptteil aus der Hauptteilreihe ein Satz flächiger
Elemente hervorgeht.
Es kann vorgesehen sein, dass jedes flächige Element 2 (oder 2') eines Satzes mit zwei flächigen Elementen über eine Kantenfläche 25 (oder 25' ) verfügt, in welcher
zumindest ein Versatz 32 (oder 32') , das heißt eine Stufe, vorhanden ist, welche quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht, zu der Längsrichtung der nebeneinander
verlaufende filamentförmige Schädigungen 26 (oder 26') verläuft. Eine Illustration solcher flächigen Elemente 2 zeigt Fig .9.
Der zumindest eine Versatz 32 (oder 32') kann zu einer Rauheit R' der Kantenfläche 25 (oder 25' ) führen, die gegenüber der durch die filamentförmigen Schädigungen 26 (oder 26') bedingten Rauheit R erhöht ist.
Der zumindest eine Versatz stellt eine Stufe dar, die mit dem bloßen Auge nicht wahrnehmbar ist, so dass weiterhin von einer einzelnen Kantenfläche 25 (oder 25' ) gesprochen werden kann. Vorzugsweise stellt der zumindest eine Versatz eine Stufe von mindestens 5 Mikrometern und höchstens 50 Mikrometern dar.
Fig.9a zeigt ein erfindungsgemäßes flächiges Element 2, welches sich dadurch auszeichnet, dass in einer
Kantenfläche 25 nebeneinander verlaufende filamentförmige Schädigungen 26 vorhanden sind, die Vertiefungen in der Kantenfläche 25 bilden, wobei die Längsrichtung der
filamentförmigen Schädigungen 26 in Richtung von einer Kante 27 zur anderen Kante 28 verläuft, welche den Übergang zwischen der Kantenfläche 25 und den Seitenflächen 30 des flächigen Elements 2 bilden, und wobei die Kantenfläche 25 einen entlang der gesamten Kantenfläche 25 verlaufenden Versatz 32 aufweist, welcher im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen 26 verläuft. Der Versatz stellt dabei eine Stufe von
mindestens 2 Mikrometer und höchstens 30 Mikrometern dar und verläuft vorzugsweise mit einer Abweichung von 20 Prozent in der Mitte der Kantenfläche, das heißt mit einer Abweichung von 20 Prozent mittig zwischen den Kanten 27 und 28.
Allgemein, ohne Beschränkung auf dieses
Ausführungsbeispiel, betrifft die Erfindung demnach auch ein flächiges, zumindest teilweise keramisiertes
Glaselement oder Glaskeramikelement, wobei in einer
Kantenfläche des zumindest teilweise keramisierten
Glaselements oder Glaskeramikelements nebeneinander verlaufende filamentförmige Schädigungen vorhanden sind, welche Vertiefungen in der Kantenfläche bilden, und wobei die Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen in Richtung von einer Kante zur anderen Kante, welche den Übergang zwischen der Kantenfläche und den Seitenflächen des zumindest teilweise keramisierten Glaselements oder Glaskeramikelements bilden, verläuft, und wobei die
Kantenfläche zumindest einen entlang der Kantenfläche, vorzugsweise entlang der gesamten Kantenfläche,
verlaufenden Versatz aufweist, welcher quer, vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der
filamentförmigen Schädigungen verläuft. Fig.9b zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes flächiges
Element 2, welches sich dadurch auszeichnet, dass die
Kantenfläche 25 zwei entlang der gesamten Kantenfläche 25 verlaufende Versätze 32 aufweist, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der filamentförmigen
Schädigungen 26 verläuft. Die beiden Versätze verlaufen vorzugsweise mit einer Abweichung von 20 Prozent mit einem Abstand von einem Drittel bzw. zwei Dritteln der Breite 23 der Kantenfläche 25 von der Oberfläche 30 des Elements 2.
Die erfindungsgemäßen flächigen Elemente 2 sind jeweils zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, keramisiert.
Fig.10 zeigt eine Fotografie eines 4 Millimeter dicken Glaselements 2 (hier ein LAS-Glas) mit einem (hier
kreisförmigen) Fehlbereich, welcher einem abgelösten
Teilstück 4 entspricht, wobei das Glaselement 2 hergestellt wurde als Hauptteil 3 mit dem nachfolgend genauer
beschriebenen Ablöseprozess .
Zunächst wurde das Glaselement 2 mit einem UKP-Laser entlang einer (hier kreisförmigen) Trennlinie filamentiert . Dabei wurde eine Laserfrequenz von 100 kHz mit 6 Bursts und einer Verfahrgeschwindigkeit von 400 Millimeter pro Sekunde verwendet. Benachbarte Filamente weisen demnach einen
Abstand von etwa 4 Mikrometer zueinander auf. Es wurden 5 Überfahrten durchgeführt, wobei die Filamente bei jeder Überfahrt jeweils mit einem Höhenunterschied im Glas von 0,5 Millimeter gegenüber der vorherigen Überfahrt erzeugt wurden.
Anschließend wurde die filamentierte Vorschädigung mittels eines C02~Lasers bei 120 Watt mittlerer Laserleistung und einer Scangeschwindigkeit von 30 Millimeter pro Sekunde abgefahren, um eine Rissbildung zwischen benachbarten
Filamenten zu bewirken („Cleaving" ) . Mit anderen Worten wurde das Innenteil 4 von dem Hauptteil 3 abgetrennt, derart dass die beiden Teile noch „press" aneinander lagen.
Dann wurde das Glaselement 2 in einem Ofen auf ca. 500 bis 600 Grad Celsius vorgeheizt. Danach wurde das Innenteil 4 mit einem C02-Laserprozess (400 W) über eine Dauer von 45 Sekunden entlang zweier konzentrischer Kreisbahnen (2 x 8mm) keramisiert (Probe GC_9) . Die Stelle 70 auf dem
Teilstück 4 zeigt hier den Umschaltpunkt des Laserscanners zwischen den zwei Kreisen.
Schließlich wurden die Samples heruntergekühlt auf
Raumtemperatur und das keramisierte Innenteil 4 aus dem Hauptteil 3 herausgenommen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel wurde das Innenteil mit einem C02~Laser (300 W) über eine Dauer von 40 Sekunden entlang lediglich einer Kreisbahn (8 mm) keramisiert
(Probe GC_7) . Bezugnehmend auf Fig. 11 wurde (nachdem eine Filamentierung und ein Cleaving bereits durchgeführt wurde) die
Oberflächentemperatur des Teilstücks 4 während vierer
Auslöseprozesse (u.a. Probe GC_9, Probe GC_7) gemessen. Während eines ersten Zeitraums 72 wird eine Temperatur erreicht, die durch ein Vorheizen des Glas- oder
Glaskeramikelements 2 in einem Ofen erzeugt wird und in diesen Beispielen zwischen 500 und 550 Grad Celsius
beträgt .
Während eines zweiten Zeitraums 74 wird das Teilstück 4 zumindest teilweise keramisiert, indem es mit einem Laser bestrahlt wird. Die Temperatur steigt dabei auf bis zu ca. 1000 Grad Celsius an.
Während eines dritten Zeitraums 76 wird die
Laserbestrahlung beendet, so dass sich die Temperatur des Teilstücks wieder der Ofentemperatur nähert.
Während eines vierten Zeitraums 78, 80 wird die
Ofentemperatur auf etwa 300 Grad Celsius abgesenkt, so dass eine weitere Abkühlung des Substrats bis auf diese
Temperatur einsetzt.
Fig.12 zeigt schematisch Graphen 40, 42 (durchgezogene, gestrichelte Linie) der relativen Verlagerung ε zweier an einer Trennlinie 21 gegenüberliegender Punkte 40P, 42P im zeitlichen Verlauf t eines beispielhaften Ablöseprozesses eines kreisförmigen innenliegenden Teilstücks 4 von einem Hauptteil 3. Die relativen Verlagerungen 40, 42 sind jeweils angegeben in Bezug auf den Mittelpunkt des
Teilstücks 4. Demnach entsprechen die relativen
Verlagerungen 40, 42 der Ausdehnung des Teilstücks 4 bzw. des Hauptteils 3 während des Ablöseprozesses.
In einem ersten Zeitraum 50 wird das Glaselement 2 in einem Ofen auf eine Ofentemperatur (und damit auf eine im
Wesentlichen über die gesamte Oberfläche gleiche
Oberflächentemperatur) aufgeheizt. Dabei dehnt sich das Glaselement 2 insgesamt aus; entsprechend steigen die beiden Kurven 40, 42 in diesem Zeitraum 50 gleichartig an.
In einem zweiten Zeitraum 52 wird nun (lediglich) Material im Bereich des Teilstücks 4 mittels eines Lasers weiter aufgeheizt. Hierbei dehnt sich in erster Linie das Material im Bereich des Teilstücks 4 aus. Es erfolgt allerdings auch eine gewisse Ausdehnung des Hauptteils 3, zum einen als direkte Folge der Ausdehnung des Teilstücks 4 und zum anderen aufgrund einer (zeitlich verzögerten) Erwärmung des Hauptteils 3 durch die Wärmeausbreitung ausgehend vom
Teilstück 4. Entsprechend steigen beide Kurven 40, 42 an, wobei die Kurve 40 wesentlich stärker ansteigt, als die Kurve 42. Innerhalb eines Keimbildungs-Regimes 60 beginnt Material im Bereich des Teilstücks zu kristallisieren und innerhalb eines HQMK-Regimes 62 entsteht Hochquarz- Mischkristall. (Ein bei noch höherer Temperatur
erreichbares KMK-Regime 64 wird in diesem Beispiel nicht erreicht.) Das Teilstück 4 wird durch diese
Gefügeumwandlung 44 keramisiert. Infolge der Keramisierung dehnt sich das Teilstück 4 allerdings weniger stark aus, als ohne eine Keramisierung zu erwarten wäre (Kurve 40') . Die Kurve 40 weist demnach gegenüber der Kurve 40' einen Knick auf, welcher ein typisches Charakteristikum für einen Phasenübergang ist. Die Kurve 41 zeigt ferner eine
Prozessvariante mit unterschiedlichem Keramisierungsverlauf und -grad.
In einem dritten Zeitraum 54 wird die Laser-Bestrahlung des Teilstücks 4 abgeschaltet und das Teilstück 4 wieder auf
Ofentemperatur abgekühlt, wobei auch der indirekt erwärmte Hauptteil 3 wieder auf Ofentemperatur abkühlt. In einem vierten Zeitraum 56 wird ferner der Ofen
abgeschaltet so dass eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgt. Hierbei findet eine Spaltbildung 48 entlang der Trennlinie 21 statt, so dass das innenliegende Teilstück 4 entnommen werden kann.
In Fig.13 sind, ähnlich wie in Fig.12, die relativen
Verlagerungen ε zweier Punkte 40P, 42P während eines
Standard-Ablöseprozesses ohne Ofenerwärmung gezeigt.
Ausgehend von z.B. Raumtemperatur wird hierbei in einem Zeitraum 52 ' wiederum Material im Bereich des Teilstücks 4 mittels eines Lasers aufgeheizt und zur Gefügeumwandlung 44 (Keramisierung) gebracht. Analog zu dem in Fig.12
beschriebenen Beispiel entsteht durch die Keramisierung ein Knick in der Kurve 40, d.h. die Ausdehnung ist geringer als ohne Keramisierung zu erwarten wäre (Kurve 40') . In den Zeiträumen 54' und 56' findet keine Laser- Bestrahlung des Teilstücks 4 mehr statt, so dass eine
Abkühlung des Teilstücks 4 sowie des Hauptteils 3 auf die Ausgangstemperatur erfolgt. Hierbei findet wiederum eine Spaltbildung 48 entlang der Trennlinie 21 statt, so dass das innenliegende Teilstück 4 entnommen werden kann.
In Bezug auf die Längenänderung und insbesondere des dabei entstehenden Schrumpfes des Materials während eines
typischen Keramisierungsprozesses wird hiermit auch
verwiesen auf Bach, Krause (Hrsg.) : Low Thermal Expansion Glass Ceramics, Springer-Verlag, See. Ed., 2005, Seite 43. Die gezeigte Figur 2.22 und die Figur 2.23 (Length Variation of Robax® base glass during ceramization with a heating rate of 5K/min) werden hiermit durch Referenz inkorporiert. Anzumerken ist, dass die Heizrate dort lediglich 5 K/min beträgt und damit wesentlich geringer ist als bei einem Laserkeramisierungsprozess .
Entsprechend der vorstehend beschriebenen Diagramme kann allgemein, in Bezug auf sämtliche Ausführungsbeispiele, das Teilstück gezielt in einen für die Keramisierung relevanten Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und
Schmelztemperatur, vorzugsweise zwischen 300°C und
Schmelztemperatur, besonders bevorzugt zwischen 500 °C und Schmelztemperatur erwärmt werden. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Temperatur in diesem Bereich für ein Zeitintervall von mindestens 10 Sekunden, vorzugsweise mindestens 25 Sekunden, noch bevorzugter mindestens 50 Sekunden zu halten. Vorzugsweise sind, wie oben
beschrieben, ferner Keimbildner vorhanden, um bei einer beschriebenen, geeigneten Temperaturführung eine
Keramisierung zu beschleunigen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Ablösen eines Teilstücks (4) von einem flächigen Glas- oder Glaskeramikelement (2) entlang einer vorgesehenen Trennlinie (21), welche das Glas¬ oder Glaskeramikelement (2) in das abzulösende
Teilstück (4) und einen zu verbleibenden Hauptteil (3) einteilt, wobei
- nebeneinander entlang der Trennlinie (21) filamentförmige Schädigungen (20) im Volumen des Glas¬ oder Glaskeramikelements (2) erzeugt werden, und
- die filamentförmigen Schädigungen (20) durch Laserpulse (12) eines Lasers (10) erzeugt werden, wobei das Material des Glas- oder
Glaskeramikelements (2) für die Laserpulse (12) transparent ist, und
- die Auftreffpunkte (13) der Laserpulse (12) auf dem Glas- oder Glaskeramikelement (2) über dessen Oberfläche (22) entlang der Trennlinie (21) bewegt werden, und
- nachdem die nebeneinander entlang der Trennlinie (21) angeordneten filamentförmigen
Schädigungen (20) erzeugt wurden, Material des Glas¬ oder Glaskeramikelements (2), welches sich im Bereich des Teilstücks (4) befindet, einem Phasenübergang unterzogen und zum Zusammenziehen gebracht wird, so dass sich das Teilstück (4) entlang der Trennlinie
(21) an den nebeneinander angeordneten
filamentförmigen Schädigungen (20) von dem Hauptteil
(3) ablöst, wobei zumindest der Hauptteil (3) als Ganzes erhalten bleibt.
2. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, wobei das Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2), welches einem Phasenübergang unterzogen wird, in eine Phase übergeht, welche gegenüber der Ausgangsphase eine höhere Raumerfüllung aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2), welches einem Phasenübergang unterzogen wird, in eine Kristallphase übergeht.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2), welches einem Phasenübergang unterzogen wird, auf eine Phasenübergangstemperatur erwärmt wird, insbesondere mittels einer Laserstrahlung, um den Phasenübergang einzuleiten .
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2), welches sich feinverteilt über einen neben der
Trennlinie (21) verlaufenden Randbereich des
Teilstücks (4) befindet, einem Phasenübergang
unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas- oder Glaskeramikelement (2) in einem neben der Trennlinie (21) verlaufenden Randbereich des
Teilstücks (4) keramisiert wird .
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2), welches sich feinverteilt über das gesamte
Teilstück (4) befindet, einem Phasenübergang
unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas- oder Glaskeramikelement (2) in dem gesamten Teilstück (4) keramisiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei nachdem sich das Teilstück (4) entlang der
Trennlinie (21) an den nebeneinander angeordneten filamentförmigen Schädigungen (20) von dem
Hauptteil (3) abgelöst hat, Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2), welches sich im Bereich des Hauptteils (3) befindet, einem Phasenübergang in eine Kristallphase unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Glas- oder Glaskeramikelement (2), insbesondere im Bereich des Hauptteils (3) und/oder des
Teilstücks (4), auf eine Oberflächentemperatur
oberhalb der Raumtemperatur und unterhalb der
Phasenübergangstemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei nachdem die nebeneinander entlang der Trennlinie (21) angeordneten filamentförmigen Schädigungen (20) erzeugt wurden, ein Auftreffpunkt einer
Laserstrahlung, vorzugsweise eines
Kohlendioxidlasers, auf dem Glas- oder
Glaskeramikelement (2) über dessen Oberfläche (22) entlang der Trennlinie (21) bewegt wird, so dass entlang der Trennlinie (21) lokale Zugspannungen im Material des Glas- oder Glaskeramikelements (2) hervorgerufen werden, um eine Rissbildung zwischen benachbarten filamentförmigen Schädigungen zu
bewirken .
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobe das Glas- oder Glaskeramikelement (2) eine Dicke (23) von mindestens 0,5 Millimetern, vorzugsweise von mindestens 2 Millimetern, besonders bevorzugt von mindestens 3 Millimetern, noch bevorzugter von mindestens 4 Millimetern aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobe das flächige Glas- oder Glaskeramikelement (2) durch die Trennlinie (21) so eingeteilt wird, dass das Teilstück (4) in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements (2) eine zweidimensionale Form annimmt, deren größte Abmessung (41) kleiner als 100 Millimeter, vorzugsweise kleiner als 80 Millimeter, besonders bevorzugt kleiner als 60 Millimeter ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobe das flächige Glas- oder Glaskeramikelement (2) durch die Trennlinie (21) so eingeteilt wird, dass der Hauptteil (3) in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements (2) eine zweidimensionale Form annimmt, die nicht sternförmig im mathematisch- topologischen Sinne ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobe das flächige Glas- oder Glaskeramikelement (2) durch die Trennlinie (21) so eingeteilt wird, dass der
Hauptteil (3) das Teilstück (4) in der Ebene des flächigen Glas- oder Glaskeramikelements (2)
vollständig umschließt.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei nebeneinander entlang einer von der Trennlinie (21) um mindestens 5 und höchstens 50 Mikrometer beabstandeten Versatzlinie (21') filamentförmige Schädigungen (20') im Volumen des Glas- oder Glaskeramikelement (2) erzeugt werden, deren Projektion auf die Längsrichtung der entlang der Trennlinie (21) angeordneten
filamentförmigen Schädigungen (20) eine Überlappung mit den entlang der Trennlinie (21) angeordneten filamentförmigen Schädigungen (20) von weniger als 200
Mikrometer aufweisen.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Laserpulse (12) schräg auf die Oberfläche (22) des Glas- oder Glaskeramikelement (2) gerichtet werden, so dass die Lichtausbreitungsrichtung der Laserpulse (12) und damit auch die Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen (20) schräg zur Oberfläche (22) verlaufen und außerdem die Trennlinie (21) schräg, vorzugsweise senkrecht zur Lichteinfallsebene (15) verläuft.
18. Satz mit zwei flächigen Elementen (2, 2'), herstellbar mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die zweidimensionale Form, die das eine der flächigen Elemente (2) in seiner Ebene aufweist, komplementär ist zu der zweidimensionalen Form, die das andere der flächigen Elemente (2') in seiner Ebene aufweist, und wobei zwei Kanten (27, 28) des einen flächigen Elements (2), welche den Übergang zwischen den Seitenflächen (29, 30) und einer diese
Seitenflächen (29, 30) verbindenden Kantenfläche (25) bilden, jeweils eine gleiche Form aufweisen, wie zwei Kanten {21' , 28') des anderen flächigen Elements (2'), welche den Übergang zwischen den Seitenflächen (29', 30') und einer diese Seitenflächen (29', 30')
verbindenden Kantenfläche (25' ) bilden, und wobei in diesen Kantenflächen (25, 25' ) der zwei flächigen Elemente (2, 2') jeweils nebeneinander verlaufende filamentförmige Schädigungen (26, 26') vorhanden sind, die Vertiefungen in diesen Kantenflächen (25, 25' ) bilden, wobei die Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen (26, 26') jeweils in Richtung von einer Kante (27, 27') zur anderen Kante (28, 28') verläuft.
Flächiges Glas- oder Glaskeramikelement (2),
herstellbar mit einem Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei in einer Kantenfläche (25) des Glas¬ oder Glaskeramikelements (2) nebeneinander verlaufende filamentförmige Schädigungen (26) vorhanden sind, welche Vertiefungen in der Kantenfläche (25) bilden, und wobei die Längsrichtung der filamentförmigen
Schädigungen (26) in Richtung von einer Kante (27) zur anderen Kante (28), welche den Übergang zwischen der Kantenfläche (25) und den Seitenflächen (30) des Glas¬ oder Glaskeramikelements (2) bilden, verläuft, und wobei die Kantenfläche (25) einen entlang der gesamten Kantenfläche (25) verlaufenden Versatz (32) aufweist, welcher im Wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung der filamentförmigen Schädigungen (26) verläuft.
20. Kochfläche umfassend ein flächiges Glas- oder
Glaskeramikelement (2) herstellbar oder hergestellt als Hauptteil (3) mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
21. Kochfläche nach dem vorstehenden Anspruch, wobei der zumindest eine dem abgelösten Teilstück entsprechende Fehlbereich als Kochdunst-Abzug dient.
22. Kochfläche nach einem der zwei vorstehenden Ansprüche, umfassend eine rohrförmige Kochdunst- Aufnahmeeinrichtung, welche an das flächige Glas- oder Glaskeramikelement angeschlossen ist, so dass der zumindest eine dem abgelösten Teilstück entsprechende Fehlbereich mit dem Inneren der rohrförmigen
Kochdunst-Aufnahmeeinrichtung kommuniziert .
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