DE102015104802A1

DE102015104802A1 - Verfahren zum Trennen von Glas mittels eines Lasers, sowie verfahrensgemäß hergestelltes Glaserzeugnis

Info

Publication number: DE102015104802A1
Application number: DE102015104802.7A
Authority: DE
Inventors: Dirk Förtsch; Stephan Behle; Peter Thomas
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-09-29
Also published as: DE112016000195A5; JP2018512367A; WO2016156235A1; CN107428588B; JP6726206B2; US20180022631A1; US10538453B2; CN107428588A

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft allgemein das Zerteilen von Glas. Insbesondere betrifft die Erfindung das Zerteilen von Glas durch laserinduziertes Spannungsrisstrennen.
Ein gängiges Verfahren, um Glas zu zerteilen, ist das Ritzbrechen. Dabei wird mechanisch, typischerweise mit einem Ritzrad eine linienförmige Schädigungszone in das Glas eingebracht. Durch Anwenden einer mechanischen Spannung kann dann das Glas entlang dieser Schädigungszone leicht zerteilt werden. Nachteilig ist hieran allerdings, dass die Glaskante eines derart gewonnenen Glaselements noch Schädigungen der zuvor erzeugten Schädigungszone aufweisen kann. Da gerade die Kanten besonders kritisch in Bezug auf eine mechanische Beanspruchung des Glases mit Zugspannungen sind, kann ein Zerteilen eines Glases durch Ritzbrechen zu einer deutlichen Herabsetzung der Festigkeit, insbesondere bei einer Biegebelastung führen.
Flachgläser, insbesondere Dünn- und Dünnstgläser mit Dicken unter 1,2 Millimeter, vorzugsweise unter 200 Mikrometer werden heutzutage vielfach in Form langer Bänder hergestellt. Herstellungsbedingt, beispielsweise beim Wiederziehen eines Glasbands aus einer Vorform oder dem Ziehen aus einer Schmelze bilden sich typischerweise am Rand des Glasbands verdickte Randbereiche, sogenannte Borten aus. Es ist günstig, diese Borten nach der Herstellung des Glasbands abzutrennen, unter anderem, um bei Dünngläsern das Aufwickeln auf eine Rolle oder allgemein die Weiterverarbeitung zu erleichtern. Dadurch können Probleme vermieden werden wie beispielsweise das durch die dickeren Borten bedingte Entstehen mechanischer Spannungen, die eine Verwindung oder Verwölbung (sogenannter „Warp“) des Dünnglases mit sich bringen.
Aus der US 2013/0126576 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur kontinuierlichen Kantenabtrennung eines dünnen Glasbands bekannt. Bei dieser Vorrichtung werden mit einer Ritzeinrichtung Anfangsschädigungen in das Glasband eingefügt. Während das Glasband entlang seiner Längsrichtung über eine gebogene Levitationsunterlage geführt wird, wird es mittels eines Laserstrahls erhitzt und durch einen Fluid abgekühlt, so dass innerhalb des Glasbands thermische Spannungen induziert werden. Dadurch reißt das Glasband ausgehend von einer Anfangsschädigung entlang seiner Längsrichtung.
Die WO 2011/026074 A1 beschreibt ein Verfahren zum Einfügen eines Schlitzes in ein Glassubstrat. Bei diesem Verfahren wird ein Laserstrahl auf eine Schädigung gerichtet und über die Glasoberfläche weiterbewegt. Darüber hinaus wird ein Fluidstrahl direkt auf den Laserspot auf der Glasoberfläche gerichtet, so dass das Glas abgekühlt wird, noch bevor die durch den Laserstrahl erzeugte Temperatur vollständig durch die Dicke des Glassubstrats äquilibriert ist. Dadurch ist die thermische Spannung auf einen Teil der Dicke des Glassubstrats begrenzt und der entstehende Schlitz erstreckt sich nur teilweise durch die Dicke des Glassubstrats.
Die US 6,327,875 B1 beschreibt ein Verfahren, bei welchem ebenfalls das Glas nicht vollständig getrennt wird, wobei eine Ritzung mit einem Laserstrahl eingefügt wird. Die Auftrennung des Glases erfolgt dann durch Ausüben eines Biegemoments. Es wird vorgeschlagen, einen Laserstrahl mit einem länglichen elliptischen Strahlprofil zu verwenden und an zumindest einem Ende einen Teil des Strahls zu blocken.
Beim Versuch, das Verfahren auf dünnere Gläser, insbesondere mit Dicken unter 250 µm anzuwenden, ergibt sich das Problem, das diese Gläser so schnell (typischerweise innerhalb von Millisekunden) durchwärmt sind, dass bis zum Auftreffen des Kühlstrahls kein hinreichend hoher Temperaturgradient aufrechterhalten werden kann. Probleme beim Trennen sehr dünner Gläser bereiten dann eine teilweise nicht ausreichende Prozessstabilität, sowie auch die Festigkeit der mit dem Trennverfahren hergestellten Glaskanten. Letzteres ist insofern überraschend, da diese Kanten an sich nur wenige bis gar keine Defekte aufweisen. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Prozessstabilität und damit auch die Festigkeit und den definierten Verlauf von Glaskanten sehr dünner Gläser, die mit laserinduziertem Spannungsrisstrennen hergestellt wurden, zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dementsprechend sieht die Erfindung ein Verfahren zum Trennen von Dünnglas mit einer Dicke kleiner als 250 µm vor, bei welchem das Dünnglas entlang eines eine Trennlinie bildenden Pfades entlang einer Vorschubrichtung fortschreitend mit einem Laserstrahl erwärmt wird, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied des erwärmten Glases zum umgebenden Glas eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie fortpflanzt und das Dünnglas durchtrennt, wobei der Laserstrahl mittels einer Strahlformumgsoptik so geformt wird, dass dessen Strahlprofil eine langgestreckte Form aufweist, und wobei der Laserstrahl so auf die Oberfläche des Dünnglases gerichtet wird, dass dessen Längsrichtung in Vorschubrichtung liegt, und wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden des Strahlprofils unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas zuerst überstreichenden vorderen Ende steiler ist, als der Abfall der Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes. Insbesondere kann das vordere Ende, welches beim Vorschub das Glas zuerst überstreicht, durch eine quer zur Vorschubrichtung verlaufende Kante gebildet werden, so dass die Intensität beim Überstreichen des Strahles sprunghaft ansteigt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird der Erwärmung nachfolgend das Dünnglas mittels eines Kühlstrahls abgekühlt. Mit dem erfindungsgemäßen Strahlprofil kann eine Rissfortpflanzung und dadurch eine Auftrennung des Glases auch ohne einen Kühlstrahl erfolgen. Dies gelingt insbesondere bei dünneren Gläsern mit einer Dicke von 100µm oder weniger. Der Kühlstrahl kann aber auch hier vorteilhaft sein, um durch ein Zusammenziehen des Glases einen Kontakt der Glaskanten zu vermeiden. Ein solcher Kontakt kann eine Festigkeitsminderung nach sich ziehen.
Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst demgemäß

– einen Laser zur Bestrahlung eines Dünnglases mit einem Laserstrahl, welcher im Dünnglas absorbiert wird und somit das Dünnglas erwärmt,
– eine Strahlformungsoptik zur Formung des Strahlprofils des vom Laser erzeugbaren Laserstrahls,
– eine Vorschubeinrichtung, um das Dünnglas relativ zum Auftreffort des Laserstrahls entlang einer vorgesehenen Trennlinie zu bewegen, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie fortpflanzt und das Dünnglas durchtrennt, wobei die Strahlformungsoptik ausgebildet ist, den Laserstrahl so zu formen, dass dessen Strahlprofil eine langgestreckte Form aufweist und den Laserstrahl so auf die Oberfläche des Dünnglases zu richten, dass dessen Längsrichtung in Vorschubrichtung liegt, wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden des Strahlprofils unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas zuerst überstreichenden vorderen Ende steiler ist, als der Abfall der Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes.

Optional ist ein Kühlstrahlerzeuger zur Erzeugung eines Kühlstrahls vorgesehen, welcher entlang der Trennlinie versetzt zum Laserstrahl auf das Dünnglas auftrifft, so dass bei Vorschub ein auf der Trennlinie liegender Punkt des Dünnglases zuerst den Auftreffort des Laserstrahls und dann den Auftreffort des Kühlstrahls durchläuft. Insbesondere bei dünnen Gläsern mit Dicken von höchstens 100 µm kann der Kühlstrahlerzeuger auch entfallen oder ausgeschaltet werden.
Um ein asymmetrisches Strahlprofil, insbesondere auch mit einer Kante am vorderen Ende zu erzeugen, kann in einfacher Weise das Strahlprofil an dessen vorderen Ende mittels eines geeigneten Abschattungselements abgeschattet werden. Zunächst einmal geht durch eine solche Abschattung allerdings ein Teil der Strahlenergie verloren.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Kante durch Strahlformung mittels eines diffraktiv optischen Elements zu erzeugen. Mit einem geeigneten diffraktiv optischen Element kann dann die gesamte Strahlenergie ausgenutzt werden.
Noch eine Möglichkeit ist eine Weiterbildung der oben genannten Abschattung, bei welcher die Abschattung mittels eines reflektierenden optischen Elements vorgenommen wird, wobei der reflektierte Teilstrahl auf das Dünnglas 1 gelenkt und das Strahlprofil aus dem reflektierten und dem am reflektierenden optischen Element vorbeigestrahlten Teilstrahl gebildet wird.
Schließlich ist es auch möglich, ein solches asymmetrisches Strahlprofil mittels einer Zylinderlinse als Bestandteil der Strahlformungseinrichtung zu erzeugen, welche gegenüber der Strahlrichtung verkippt ist. Dabei steht die optische Achse der Zylinderlinse dann nicht parallel zur Strahlrichtung des Laserstrahls, sondern schräg, vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 25° bis 75° zur Strahlrichtung.
Es zeigt sich, dass mit dem Strahlprofil wie oben beschrieben sehr dünne Gläser mit Dicken unter 250 µm, sogar unter 100 µm zuverlässig und ohne seitliches Verlaufen der Kante durchtrennt werden können. Überdies zeigt sich, dass die so hergestellten Kanten überraschend auch eine höhere Festigkeit aufweisen, als Kanten, die mit einem normalen, an beiden Enden auslaufenden Strahlprofil hergestellt wurden. Hierbei zeigt sich eine erhöhte Festigkeit sowohl hinsichtlich des höheren Mittelwerts der Biegespannung beim Bruch, als auch insbesondere am höheren Weibull-Modul. Ist das Weibull-Modul hoch, so ist für nicht zu hohe Biegespannungen ein Bruch auszuschließen oder zumindest sehr unwahrscheinlich. Dies ermöglicht auch, Glaselemente, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zugeschnitten wurden, dauerhaft unter Spannung zu setzen und dennoch eine lange Lebensdauer dieses Glaselements zu erzielen. Demgemäß ist erfindungsgemäß ein Dünnglaselement mit einer Dicke von höchstens 250 µm, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder der erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellbar ist, vorgesehen, welche zumindest eine mittels Laser-Spannungsrisstrennen geschnittene Kante aufweist, wobei das Dünnglaselement für von der Kante ausgehende Brüche unter Biegebelastung eine Weibullverteilung mit einem Weibullmodul von mindestens m = 4,5, vorzugsweise mindestens m = 5, besonders bevorzugs mindestens m = 6 aufweist.
Der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch des Dünnglaselements ist wie gesagt im Allgemeinen ebenfalls höher. So ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Dünnglaselement eine Weibullverteilung für Brüche unter Biegebelastung aufweist, bei welcher der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch der Probe mehr als 200 MPa beträgt. Die vorgenannten Werte für das Weibullmodul und den Mittelwert gelten für nicht vorgespanntes Glas. Dieses nicht vorgespannte Glaselement kann nun langzeitstabil in gebogener Form verwendet und/oder aufbewahrt werden, da aufgrund des hohen Weibullmoduls ein Bruch sehr unwahrscheinlich ist. Die oben genannten Weibullmodule und Mittelwerte der Biegespannung können insbesondere bei Gläsern mit Dicken im Bereich von 30 µm bis 150 µm erreicht werden.
Es zeigt sich weiter, dass die Kantenfestigkeit des Dünnglaselements auch von der Vorschubgeschwindigkeit abhängt. Hierbei sind schnelle Vorschubgeschwindigkeiten günstiger für eine hohe Kantenfestigkeit. Allerdings muß die Geschwindigkeit noch ausreichen, um das Glas hinreichend zu erwärmen. Bevorzugt wird, dass der Laserstrahl das Dünnglas mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 Metern pro Minute, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 3 bis 20 Metern pro Minute überstreicht.
Eine Ausführungsform eines dauerhaft unter Biegespannung stehenden Glaselements ist ein zu einer Rolle aufgewickeltes Dünnglasband. Das Dünnglasband kann so nach der Herstellung und nach Abtrennen von randseitigen Borten mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Rolle aufgewickelt und auf diese Weise platzsparend bis zu seiner Weiterverarbeitung gelagert werden. Das Dünnglasband hat dabei vorzugsweise eine Länge von mindestens 10 Metern, besonders bevorzugt mindestens 100 Metern.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigeschlossenen Figuren näher erläutert.
1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 zeigt ein asymmetrisches Strahlprofil gemäß der Erfindung.
3 zeigt zum Vergleich ein symmetrisches Strahlprofil.
4 bis 7 zeigen Ausführungsformen für Strahlformungsoptiken.
8 bis 10 zeigen Diagramme der Temperaturen als Funktion der Zeit an Ober- und Unterseite von Gläsern verschiedener Dicke bei Überstreichen des Glases mit einem Laserstrahl mit symmetrischem, elliptischen Strahlprofil.
11 zeigt ein Diagramm des örtlichen Verlaufs der Temperaturdifferenz entlang der Trennlinie bei symmetrischem Strahlprofil und
12 den örtlichen Verlauf entlang der Trennlinie bei asymmetrischem Strahlprofil.
13 zeigt den Temperaturverlauf des symmetrischen und 14 den Temperaturverlauf des erfindungsgemäßen asymmetrischen Strahlprofils auf der Trennlinie.
15 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Laser-Spannungsrisstrennen hergestellten Dünnglaselements.
16 zeigt zum Vergleich eine mikroskopische Aufnahme eines durch Laser-Filamentierung geschnittenen Dünnglaselements.
Die 17 und 18 zeigen Weibull-Diagramme zur Bruchfestigkeit von Dünnglas-Proben.
19 zeigt eine Dünnglas-Rolle als Anwendungsbeispiel für erfindungsgemäß bearbeitete Dünngläser.
1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Spannungsrisstrennen von Dünngläsern 1. Im dargestellten Beispiel ist die Vorrichtung 2 gemäß einer bevorzugten Anwendung der Erfindung zum Abtrennen von Borten 110, 111 eines Dünnglases 1 in Form eines Dünnglasbands ausgebildet.
Das mit der Vorrichtung 2 ausführbare erfindungsgemäße Verfahren zum Trennen von Glas, speziell hier zum Abtrennen von Borten 110, 111 eines Dünnglasbands basiert darauf, dass ein Dünnglasband 1 mit einer Dicke von höchstens 250 µm entlang einer Vorschubrichtung 103 mittels einer Transporteinrichtung 20 über eine Levitationsunterlage 21 geführt wird, wobei Laser 9 vorgesehen sind, welche im Bereich der Levitationsunterlage 21 Laserstrahlen 8 auf das Dünnglasband richten, welcher das Dünnglas 1 lokal aufheizen, während das Dünnglasband in Längsrichtung 103 vorbeibewegt wird. Besonders bevorzugt wird ein CO₂-Laser oder ein Laserstrahl in einem Wellenlängenbereich, der ebenfalls wie bei einem CO₂-Laser in einer oberflächennahen Schicht vollständig oder zumindest fast vollständig absorbiert wird. Auf diese Weise können auch dünne Gläser mit einer Dicke unter 250 µm effektiv aufgeheizt werden.
Die Vorschubrichtung 103 liegt zweckmäßig in Längsrichtung des Dünnglasbands. Mittels Kühlstrahlerzeuger 51 wird ein Kühlstrahl 5 auf die erwärmte Spur geblasen, so dass der erwärmte Bereich wieder abgekühlt wird und eine mechanische Spannung erzeugt wird, welche zur Fortpflanzung eines das Dünnglas 1 in Längsrichtung 103 entlang der erwärmten Spur durchtrennenden Spannungsrisses 7 führt und so die Borten 110, 111 entlang der vorgesehenen Trennlinie 3 abtrennt.
Das Dünnglas 1 wird also entlang eines eine Trennlinie 3 bildenden Pfades entlang einer Vorschubrichtung 103 fortschreitend mit einem Laserstrahl 8 erwärmt und mittels eines Kühlstrahls 5 nachfolgend abgekühlt, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss 7 sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie 3 fortpflanzt und das Dünnglas 1 durchtrennt.
Für den Kühlstrahl 5 kann ein Gasstrahl, wie insbesondere ein Luftstrahl verwendet werden. Besonders bevorzugt werden allerdings Aerosolstrahlen als Kühlstrahlen. Durch die flüssige Phase des Aerosols wird eine höhere Kühlleistung erwirkt und damit auch der Spannungsgradient erhöht.
Die Ausführungsform mit der Trennung des Dünnglases 1 auf einer Levitationsunterlage 21 ist selbstverständlich nicht auf das dargestellte spezielle Beispiel beschränkt. Allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte Beispiel ist gemäß einer Ausführungsform vielmehr vorgesehen, dass das Dünnglas 1 auf einem mit einer Levitationsunterlage erzeugten Gaspolster gelagert oder über das Gaspolster geführt wird, wobei die Auftrefforte von Laserstrahl 8 und Kühlstrahl 5 im vom Gaspolster unterstützten Bereich des Dünnglases 1 liegen. Eine levitierende Lagerung ist vorteilhaft, allerdings nicht zwingend, um das Dünnglas mittels der Erfindung zu zerteilen. Anstelle einer Levitationsunterlage 21 kann also auch eine andere geeignete Auflage verwendet werden.
Um die Entstehung eines Risses zu Beginn des Trennverfahrens zu untersützen, wird in einer Weiterbildung der Erfindung mittels einer Ritzeinrichtung 89 am Anfang des Dünnglasbands vor dem Auftreffen der Laserstrahlen eine Schädigung, beziehungsweise ein Initialdefekt eingefügt, welcher durch das von den Laserstrahlen 8 erwärmte Gebiet läuft, um den Spannungsriss zu initiieren.
Nach dem Initiieren des Spannungsrisses während der Rissfortpflanzung wird dann vorzugsweise die Ritzeinrichtung von der Oberfläche des Dünnglasbands 1 entfernt und damit die Schädigung beendet. Die entsprechende Vorrichtung 2 weist daher vorzugsweise eine Einrichtung auf, um nach dem Initiieren des Spannungsrisses während der Rissfortpflanzung die Ritzeinrichtung von der Oberfläche des Dünnglasbands 1 zu entfernen. Anders als in der US 2013/0126576 A1 vorgesehen, wird also vorzugsweise nur anfänglich geritzt. Es hat sich dabei gezeigt, dass eine Rissfortpflanzung nach Initiierung auch alleine aufgrund des Temperaturgradienten, der durch das Aufheizen mit dem Laserstrahl 7 und dem darauffolgenden Abkühlen mit dem Kühlfluid, erfolgen kann.
Als Ritzeinrichtung 89 wird bevorzugt ein Ritzrad, insbesondere bevorzugt ein Rädchen mit strukturierter Ritzfläche verwendet. 1 zeigt dabei das Dünnglasband nach dem Einfügen der Initialschädigung in Form eines Anrisses. Demgemäß sind hier die Ritzrädchen angehoben und berühren die Glasoberfläche nicht mehr.
Der Levitationsunterlage 21 wird mittels einer Druckquelle, wie etwa einer Pumpe 33 ein komprimiertes Fluid, vorzugsweise Luft zugeführt. Das komprimierte Fluid entweicht durch Öffnungen an dessen dem Dünnglasband 1 zugewandten Oberfläche, so dass sich ein Gaspolster zwischen dem Dünnglas 1 und der Oberfläche der Levitationsunterlage 21 bildet, welches das Dünnglas 1 trägt und lagert. Anstelle einer Pumpe 33 ist beispielsweise ein Reservoir mit komprimiertem Fluid denkbar. Weiterhin kann auch ein Reservoir und/oder eine Drossel der Pumpe 33 und der Levitationsunterlage 21 zwischengeschaltet sein, um einen gleichmäßigen Ausgangsdruck bereitzustellen. Das Dünnglas 1 wird also in der Umgebung des Schneidprozesses durch Gaslevitation schwebend transportiert, so dass die Umgebungsluft als thermischer Isolator wirkt.
Die Transporteinrichtung 20 umfasst gemäß einer Ausführungsform, wie auch in 1 dargestellt, ein oder mehrere Transportbänder 54, 55. Im Beispiel der 1 sind zwei Transportbänder vorgesehen, wobei das Transportband 54 in Transportrichtung vor und das Transportband 55 in Transportrichtung hinter der Levitationsunterlage 21 angeordnet sind. Besonders günstig ist es, wenn ein Transportband, welches in Transportrichtung vor der Levitationsunterlage 21 angeordnet ist (im Beispiel der 1 also das Transportband 54), eine Unterdruckansaugung 53 aufweist, um das Dünnglasband am Transportband festzusaugen. Dies ermöglicht die Ausübung hinreichend hoher Zugkräfte, ohne dass diese sich gegebenenfalls auf vorgelagerte Prozessschritte, wie beispielsweise einem Ziehprozess aus einer Schmelze oder einem Vorkörper, oder auch einem Abwickeln des Dünnglasbands von einer Rolle auswirken.
Vorzugsweise wird das Dünnglas 1 schnell an den Laserstrahlen 8 vorbeibewegt, so dass der jeweilige Laserstrahl 8 das Dünnglas 1 mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 Metern pro Minute, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 3 bis 20 Metern pro Minute überstreicht.
Erfindungsgemäß ist eine Strahlformungsoptik 6 für den jeweiligen Laserstrahl 8 vorgesehen, mit welcher das Strahlprofil nun so geändert wird, dass dieses nach der Strahlformung eine langgestreckte Form aufweist und dessen Längsrichtung in Vorschubrichtung 103 liegt. 2 zeigt ein solches Strahlprofil 80 zusammen mit der Vorschubrichtung 103 des Glases. Die langgestreckte Form des Strahlprofils ist asymmetrisch wobei sich die Enden 82, 83 des Strahlprofils unterscheiden, wobei das vordere Ende 82, welches beim Vorschub das Glas zuerst überstreicht, durch eine quer zur Vorschubrichtung 103 verlaufende Kante 84 gebildet wird. Weiterhin weist das hintere Ende 83 des Strahlprofils 80 eine stetig zum Ende hin abfallende Intensität auf. Das Strahlprofil weist damit auch eine zum hinteren Ende 83 hin zulaufende Form auf. Beispielsweise kann das Strahlprofil 80 zum Ende 83 hin elliptisch oder spitz zulaufen.
3 zeigt zum Vergleich ein symmetrisches Strahlprofil, wie es bisher üblicherweise beim Spannungsrisstrennen verwendet wird. Das Strahlprofil 80 dieses Beispiels hat eine elliptische Form. Ein Strahlprofil 80 gemäß der Erfindung, wie es 2 zeigt, kann aus einem herkömmlichen Strahlprofil einfach dadurch geformt werden, indem ein Teil des Laserstrahls geblockt oder ausgeblendet wird. Demgemäß wird die Kante durch Abschattung des Strahlprofils 80 an dessen vorderem Ende erzeugt.
Überstreicht der Laserstrahl 8 mit einem solchen Strahlprofil 80 nun das Dünnglas 1, so ergibt sich zu Beginn der Aufheizphase verursacht durch die Kante ein sprunghafter Anstieg der Laserintensität und damit der Heizleistung. Bevorzugt wird ein Laser, dessen Laserstrahl bereits in der Oberfläche des Glases möglichst vollständig absorbiert wird. Geeignet hierzu ist insbesondere ein CO₂-Laser. Mit dieser oberflächennahen Absorption kann mit dem erfindungsgemäßen Strahlprofil nun auch ein Temperaturunterschied zwischen der bestrahlten Seite des Dünnglases 1 und der gegenüberliegenden Seite hergestellt werden.
Anhand der 4 bis 6 werden Ausführungsformen für Strahlformungsoptiken 6 beschrieben, wie sie zur Erzeugung eines asymmetrischen Strahlprofils 80 verwendet werden können. Gemäß einer ersten Ausführungsform umfasst die Strahlformungsoptik ein Abschattungselement 60, mit welchem ein Teil des langgestreckten Strahlprofil 80 abgeschattet wird, so dass sich im Strahlprofil auf dem Dünnglas 1 eine Kante 84 ausbildet. Vor der Abschattung kann ein längliches Strahlprofil des Laserstrahls 8 mittels einer Zylinderlinse 61 erzeugt werden.
5 zeigt eine Variante des in 4 dargestellten Beispiels. Diese Variante basiert darauf, dass das Abschattungselement 60 reflektierend ausgebildet ist. Der abgeschattete Teilstrahl kann auf diese Weise durch Reflexion auf das Dünnglas 1 gerichtet werden, so dass dieser zur Intensitätsverteilung des Strahlprofils 80 auf dem Dünnglas 1 beiträgt, beziehungsweise so dass das Strahlprofil 80 auf dem Dünnglas 1 sich aus dem nicht abgeschatteten Teilstrahl und dem abgeschatteten und reflektierten Teilstrahl zusammensetzt.
Bei der Ausführungsform der 6 wird anstelle einer Zylinderlinse 61 und eines Abschattungselements 60 ein diffraktiv-optisches Element 62 verwendet, um das asymmetrische Strahlprofil 80 zu formen. Das diffraktiv-optische Element ist als transmittierendes Element dargestellt. Selbstverständlich kann das Element aber auch für eine Strahlformung in Reflexion ausgebildet sein.
7 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher das asymmetrische Strahlprofil 80 mittels einer Zylinderlinse 61 erzeugt wird, deren optische Achse 610 zur Strahlrichtung des Laserstrahls 8 verkippt ist. Die Asymmetrie des Strahlprofils 80 ergibt sich hier durch die Kaustik aufgrund der Schiefstellung der Zylinderlinse 61.
Es zeigt sich, dass mit der erfindungsgemäßen asymmetrischen Ausbildung des Strahlprofils ein größerer Temperaturunterschied hergestellt werden kann, verglichen mit einem symmetrischen, beispielsweise elliptischen Profil. Dies trifft im Speziellen auf dünne Gläser zu, bei denen ein schneller Temperaturausgleich zwischen bestrahlter Seite und gegenüberliegender Seite erfolgt.
Die 8 bis 10 zeigen zur Verdeutlichung Diagramme der Temperaturen als Funktion der Zeit an Ober- und Unterseite von Gläsern verschiedener Dicke bei Überstreichen des Glases mit einem Laserstrahl mit symmetrischem, elliptischen Strahlprofil, also etwa ein Strahlprofil gemäß 3.
In 8 sind die Temperaturverläufe für ein 1 mm dickes Glas dargestellt. Temperaturverlauf (i) ist der Verlauf an der bestrahlten Seite, Temperaturverlauf (ii) der Verlauf in der Mitte des Glases und Temperaturverlauf (iii) der Verlauf an der gegenüberliegenden Seite. Wie zu erkennen ist, ergibt sich eine erhebliche Temperaturdifferenz zwischen bestrahlter Seite und Rückseite. Entsprechend hoch sind die Differenzen der mechanischen Spannung, so dass eine Rissfortpflanzung sicher erzwungen wird und das Glas sich leicht durch trennen lässt.
9 zeigt nun ein entsprechendes Diagramm an einem dünneren, nämlich nur noch 200 µm dicken Glas. Im dargestellten Maßstab sind Temperaturunterschiede zwischen bestrahlter und gegenüberliegender Seite praktisch nicht zu erkennen. Die Kurven liegen aufeinander. Vergrößert man wie in 10 gezeigt den Ausschnitt um das Temperaturmaximum, sind noch kleine Temperaturunterschiede zu erkennen. Die Temperaturunterschiede sind aber von mehreren hundert Grad Celsius auf wenige Grade abgesunken. Entsprechend klein ist die Differenz der mechanischen Spannung zwischen bestrahlter Seite und gegenüberliegender Seite des Dünnglases.
Hier kann mit einem erfindungsgemäßen Strahlprofil eine deutlich höhere Temperaturdifferenz erzielt werden, wie die Beispiele der 11 und 12 zeigen. 11 zeigt ein Diagramm des örtlichen Verlaufs der Temperaturdifferenz entlang der Trennlinie bei symmetrischem Strahlprofil, 12 den entsprechenden Verlauf bei erfindungsgemäßem asymmetrischen Strahlprofil. Als asymmetrisches Strahlprofil wurde das gleiche elliptische Strahlprofil angenommen, welches auch dem Verlauf der 11 zugrunde liegt, wobei die Abschattung ab der Mittenachse erfolgt. Das asymmetrische Strahlprofil stellt damit also nur die Hälfte der Gesamtintensität des symmetrischen Strahlprofils bereit. Dennoch ist der maximale Temperaturunterschied zwischen bestrahlter und gegenüberliegender Seite des Dünnglases mit über 35 °C mehr als doppelt so hoch wie bei dem symmetrischen Strahlprofil, die Temperaturdifferenz gemäß 11 bleibt unter 15°C.
Allgemein, ohne Beschränkung auf das dargestellte Ausführungsbeispiel kann beim Überstreichen des erfindungsgemäßen asymmetrischen Strahlprofils 80 ein Temperaturunterschied von mindestens 20 °C zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des Dünnglases 1 aufgebaut werden, wie auch das Beispiel der 12 zeigt.
Nun ist nicht nur die Temperaturdifferenz selbst größer, sondern auch der Gradient des Temperaturunterschieds. Allgemein, ohne Beschränkung auf die Ausführungsbeispiele ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass beim Überstreichen des Strahlprofils 80 ein maximaler Temperaturunterschied zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des Dünnglases 1 innerhalb einer Wegstrecke von weniger als 5 Millimetern aufgebaut wird. Beim dargestellten Beispiel ist diese Wegstrecke noch kleiner und liegt im Bereich eines Millimeters. Demgegenüber baut sich gemäß dem Vergleichsbeispiel der 11 beim symmetrischen Strahlprofile der Temperaturunterschied deutlich langsamer über eine Wegstrecke von etwa 10 Millimetern auf.
Die geringere Gesamtintensität bei dem durch teilweise Abschattung gebildeten Strahlprofil äußert sich auch in der geringeren Maximaltemperatur. 13 zeigt hierzu einen Temperaturverlauf des symmetrischen und 14 den Temperaturverlauf des erfindungsgemäßen asymmetrischen Strahlprofils auf der Trennlinie, wobei das elliptische Profil wieder zur Hälfte abgeschattet wurde. Während mit dem symmetrischen Strahlprofil eine Spitzentemperatur von etwa 600 °C erreicht wird, beträgt diese beim asymmetrischen Profil nur etwas weniger als 350 °C. Dennoch führt der höhere Temperaturunterschied, wie er mit dem erfindungsgemäß geformten Laserstrahl erreicht wird, zu einer verbesserten Prozess-Stabilität.
15 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch Laser-Spannungsrisstrennen zugeschnittenen Dünnglaselements 100. Zum Vergleich ist in 16 eine mikroskopische Aufnahme eines durch Laser-Filamentierung zugeschnittenen Dünnglaselements 100 mit gegenüberliegenden Seitenflächen 102, 103 gezeigt. Die Dünngläser weisen in beiden Fällen eine Dicke von 50 µm auf. Die Aufnahmen wurden in Aufsicht auf die mit dem jeweiligen Trennverfahren hergestellte Kante 101 gemacht.
Anhand eines Vergleichs der 15 und 16 ist ersichtlich, dass sich eine mit Laser-Spannungsrisstrennen hergestellte Kante 101 von Kanten, die mit anderen Verfahren geschnitten wurden, gut unterscheiden lässt. Die erfindungsgemäß hergestellte Kante 101 ist wesentlich glatter, als eine mit Laser-Filamentierung vorgeritzte Kante. Auch bei einer mit herkömmlichem Ritzbrechen hergestellten Kante entstehen Schädigungen zumindest am Übergang von der Kante 101 in die angeritzte Seitenfläche 102, beziehungsweise 103.
Nun ist allerdings eine allgemein mit Laser-Spannungsrisstrennen hergestellte Kante überraschenderweise nicht notwendigerweise stabiler, obwohl diese auf den ersten Blick absolut eben und defektfrei erscheint. Allgemein ist die Kante für die Bruchstabilität besonders maßgeblich, da von der Kante ausgehende Brüche deutlich wahrscheinlicher sind, als Brüche, die in einer Seitenfläche entstehen. Für die Stabilität, insbesondere auch für die Lebensdauer im Falle einer dauerhaften Biegebelastung ist weiterhin nicht nur die mittlere Bruchfestigkeit entscheidend, sondern auch der Formparameter der das Bruchverhalten beschreibenden Weibull-Verteilung. Ist der Formparameter klein, so können mit einer gewissen verbleibenden Wahrscheinlichkeit auch Brüche bei nur verhältnismäßig kleinen Spannungen auftreten, selbst wenn das Glas eine hohe mittlere Bruchfestigkeit aufweist.
Es zeigt sich, dass mit der höheren Prozess-Stabilität, die durch das asymmetrische Strahlprofil erreicht wird, auch die Festigkeit, insbesondere im Hinblick auf den Formparameter erhöht wird. Im Speziellen sieht die Erfindung daher ein Dünnglaselement 100 mit einer Dicke von höchstens 250 µm, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 30 µm bis 150 µm vor, welches mit dem Verfahren oder der Vorrichtung gemäß der Erfindung herstellbar ist, welche zumindest eine mittels Laser-Spannungsrisstrennen geschnittene Kante 101 aufweist, wobei das Dünnglaselement 100 für von der Kante ausgehende Brüche unter Biegebelastung eine Weibullverteilung mit einem Weibullmodul von mindestens m = 4,5, vorzugsweise mindestens m = 5, aufweist.
Die 17 und 18 zeigen dazu zwei Weibull-Diagramme, also doppellogarithmische Diagramme der Bruchwahrscheinlichkeit als Funktion der Biegespannung der Dünnglas-Proben. 17 ist dabei das Weibull-Diagramm der Messwerte an Proben, die mit einem symmetrischen, elliptischen Strahlprofil des Laserstrahls (also etwa wie in 3 dargestellt) geschnitten wurden. 18 zeigt die Messwerte an erfindungsgemäß getrennten Dünngläsern. Außerdem angegeben sind jeweils der Skalenparameter der Weibull-Verteilung, entsprechend der mittleren Bruchspannung, sowie der Formparameter m. Der Formparameter entspricht der Steigung der Messwerte im Weibull-Diagramm.
Die mittlere Bruchspannung beträgt bei der mit symmetrischem Strahlprofil hergestellten Kante 175 MPa. Demgegenüber ist die mittlere Bruchspannung mit 222 MPa für erfindungsgemäß hergestellte Kanten um etwa 27%, also signifikant höher. Noch deutlicher ist der Anstieg des Formparameters. Dieser steigt von einem Wert von 3,7 auf einen Wert von 6,95 an. Dies entspricht einem Anstieg um knapp 88%. Die Festigkeit der Kante wird dabei auch durch andere Parameter, wie die Vorschubgeschwindigkeit beeinflusst. Ein Wert des Weibull-Moduls von mindestens m = 4,5 wird aber typischerweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht.
Auch wird im Allgemeinen eine Weibullverteilung für Brüche unter Biegebelastung erreicht, bei welcher der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch der Probe, wie auch bei dem in 18 gezeigten Beispiel, mehr als 200 MPa beträgt.
Mit diesen Parametern ist es nun möglich, ein Dünnglaselement 100 langzeitstabil unter höhere mechanische Spannung zu setzen, als dies mit Elementen mit auf andere Weise hergestellten Glaskanten möglich ist. Durch die hohe Kantenfestigkeit wird eine hohe Lebensdauer für ein solches unter Biegespannung stehendes Dünnglaselement erreicht.
Ein Anwendungsbeispiel zeigt 19. Hier ist das Dünnglaselement 100 ein zu einer Rolle aufgewickeltes Dünnglasband. Dabei bilden die erfindungsgemäß geschnittenen und aufgerollten Kanten 101, welche wie in 1 dargestellt durch Abtrennen der Borten aus dem Heißformprozess erzeugt wurden, die Stirnflächen der Rolle. Um die einzelnen Lagen der Rolle gegeneinander zu schützen, kann ein Bahnmaterial 11 mit eingewickelt werden.
In dieser Form kann das Dünnglasband dann platzsparend bis zur Weiterverarbeitung aufbewahrt werden. Immerhin ist beim Dünnglasband an Abmessungen von mindestens 10 Metern, vorzugsweise mindestens 100 Metern gedacht. Die auf das Dünnglasband ausgeübte Biegespannung wird maßgeblich durch den Innendurchmesser 13 der Rolle bestimmt. Durch die hohe Kantenstabilität kann das Dünnglasband nun mit einem kleineren Innendurchmesser 13 aufgerollt und dennoch langzeitstabil gelagert werden.
Für die mechanische Spannung σ, die beim Trennen durch die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Temperaturdifferenz hervorgerufen wird, gilt Dabei bezeichnet α den thermischen Ausdehnungskoeffizienten, E das Elastizitätsmodul und µ die Poisson-Zahl des Glases.

In der nachfolgenden Tabelle sind spezifische Kennwerte einiger für die Erfindung gut geeigneter Gläser aufgelistet. Der Parameter Tg bezeichnet dabei die Transformationstemperatur.

	Tg	α 20–300	E	µ
AF32 eco (8266)	715°C	3,2 ppm/K	74,8 kN/mm²	0,238
AF37 (8264)	711°C	3,77 ppm/K	78 kN/mm²	0,240
AF45	662°C	4,50 ppm/K	66 kN/mm²	0,235
D263 T eco	557°C	7,2 ppm/K	72,9 kN/mm²	0,208
BF33 (MEMpax)	525°C	3,25 ppm/K	64 kN/mm²	0,2
B270	533°C	9,4 ppm/K	71,5 kN/mm²	0,219
As87 (8787)	615°C	8,8 ppm/K	74 kN/mm²	0,215

Eine geeignete Gruppe von Gläsern für die Erfindung sind alkalifreie Borosilikatgläser. Hier wird folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent bevorzugt:

Komponente Gew%

SiO₂ 58–65

Al₂O₃ 14–25

B₂O₃ 6–10,5

MgO 0–3

CaO 0–9

BaO 3–8

ZnO 0–2
Diese Gläser werden auch in der US 2002/0032117 A1 beschrieben, deren Inhalt bezüglich der Glaszusammensetzungen und Glaseigenschaften vollständig auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird. Ein Glas dieser Klasse ist das in der Tabelle bereits aufgeführte Glas AF32.
Noch eine weitere Klasse bevorzugter Glastypen sind Borosilikatgläser mit den folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent:

Komponente Gew%

SiO₂ 30–85

B₂O₃ 3–20

Al₂O₃ 0–15

Na₂O 3–15

K₂O 3–15

ZnO 0–12

TiO₂ 0,5–10

CaO 0–0,1
Ein Glas dieser Klasse von Gläsern ist das in der Tabelle bereits genannte Schott-Glas D263. Die Gläser mit genaueren Zusammensetzungen werden auch in der US 2013/207058 A1 beschrieben, deren Inhalt bezüglich der Zusammensetzungen der Gläser und deren Eigenschaften vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht wird.
Wie oben dargelegt, kann eine hohe Lebensdauer erfindungsgemäß zugeschnittener Dünnglaselemente 100 erreicht werden, auch wenn diese unter dauerhafter Biegebelastung oder Allgemeiner einer oberflächlichen Zugbelastung stehen. Um eine niedrige Bruchquote innerhalb einer langen Lebensdauer zu gewährleisten, wird ein Dünnglaselement 100 vorgesehen, welches in Weiterbildung der Erfindung unter Zugspannung, insbesondere aufgrund einer Biegebelastung steht, wobei die Zugspannung kleiner ist, als folgender Term:
wobei σ _a und σ _e Mittelwerte der Zugspannung beim Bruch von Proben des Glaselements unter Biegebeanspruchung sind, wobei L_ref die Kantenlänge und A_ref die Fläche der Proben bezeichnen, wobei σ _a der Mittelwert der Zugspannung beim Bruch in der Fläche der Probe und σ _e der Mittelwert der Zugspannung bei einem von der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kante der Probe ausgehenden Bruch sind, und wobei ∆_e und ∆_a die Standardabweichungen der Mittelwerte σ _e , beziehungsweise σ _a bezeichnen, und wobei A_app die Fläche des Dünnglaselements und L_app die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten des Glaselement und Φ eine vorgegebene maximale Bruchquote innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.
Die vorgegebene maximale Bruchquote Φ beträgt bevorzugt 0,1 oder weniger (also höchstens 10%), besonders bevorzugt weniger als 0,05 (weniger als 5%).
Mit der Weiterbildung der Erfindung wird also ein Dünnglaselement 100 bereitgestellt, welches unter eine Zugspannung σ_app gesetzt ist, welche kleiner ist als der oben genannte Term (1). Die Zugspannung kann beispielsweise durch ein Aufrollen oder auch eine Befestigung auf einem Träger unter erzwungener Biegung verursacht werden.
Um eine niedrige Bruchwahrscheinlichkeit des Dünnglaselements innerhalb von längeren Zeiträumen, beispielsweise bis zu zehn Jahren, zu erzielen, wird bevorzugt, dass das Glaselement unter eine Zugspannung σ_app gesetzt wird, welche kleiner ist als
Bereits diese vergleichsweise kleine Verringerung der maximalen Zugspannung um einen Faktor 1,15/0,93 = 1,236 führt zu einer erheblichen Steigerung der Lebensdauer des mit der Zugspannung beaufschlagten Glasartikels.
Mit der Erfindung wird nun ermöglicht, Dünnglasbänder zu Rollen 3 aufzuwickeln, die hinsichtlich des Innenradius so bemessen sind, dass sie einen vorgegebenen Zeitraum, beispielsweise einen durchschnittlichen oder maximalen Lagerungszeitraum mit hoher Wahrscheinlichkeit unbeschadet überstehen. Dies gilt allgemein auch für andere Formen der Weiterverarbeitung des Dünnglases, bei denen das hergestellte Glaselement unter Zugspannung steht. Wie auch bei der Ausführungsform der Rolle sind die am häufigsten in Anwendungen, beziehungsweise bei einem weiterverarbeiteten Glasartikel auftretenden Zugspannungen durch Biegung des Dünnglases verursacht. Dabei steht der minimale Biegeradius R mit der Zugspannung σ_app in folgender Beziehung:
In dieser Beziehung bezeichnet E den Elastizitätsmodul, t die Dicke des Dünnglases und ν die Poissonzahl des Glases. Bevorzugte Glasdicken sind oben in der Beschreibung angegeben.
Für den Biegeradius, welcher die Bedingung einer gemäß Term (1) berechneten maximalen Zugspannung σ_app erfüllt, ergibt sich durch Kombination mit Gleichung (3) folgender Zusammenhang zwischen Biegeradius und Zugspannung:
Entsprechend folgt aus der Kombination von Gleichung (3) mit Term (2) für den Biegeradius, mit welchem eine niedrige Bruchwahrscheinlichkeit bei längeren Zeiträumen erhalten wird, die Beziehung
Für ein Dünnglaselement 100 in Form eines wie in 10 dargestellt, zu einer Rolle aufgewickelten Dünnglasbandes liegt der minimale Biegeradius R des Dünnglasbandes, aus dem gemäß Beziehung (3) die maximale Zugspannung σ_app resultiert, an der Innenseite 17 der Rolle vor. Um die Rolle handhabbar und klein halten zu können, werden Biegeradien bevorzugt, bei welchen die maximale Zugspannung, die an der Innenseite am Innendurchmesser 13 auftritt, aber mindestens 21 MPa beträgt. Die Kanten 101 des Dünnglasbandes, welche in der Rolle an deren Stirnseiten liegen, sind dabei wie bereits anhand von 1 beschrieben, durch Abtrennen von Borten 110, 111 erzeugt worden. Das Verfahren, mit welchem die Parameter der obigen Gleichungen bestimmt werden, ist eingehend auch in der PCT/EP2014/070826 beschrieben, deren Inhalt diesbezüglich vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurden Gleichungen für jeweils fixe Mindest-Lebensdauern von mehr als 6 Monaten, beziehungsweise mehr als einem Jahr angegeben. Gegebenenfalls ist es aber sinnvoll, eine andere bestimmte Lebensdauer vorzugeben. Auch folgen aus den Termen (1), (2) zwar Mindest-Radien, jedoch kann es auch wünschenswert sein, einen Bereich zulässiger Radien, mit dem eine bestimmte Lebensdauer erzielt wird, anzugeben. Schließlich ist es weiterhin auch gegebenenfalls schwierig, zu diskriminieren, ob bei den Bruchtests ein Bruch von einer Kante ausgegangen oder innerhalb der Fläche entstanden ist. Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass Bruchtests durchgeführt werden, bei denen die Bruchspannung, beziehungsweise die korrespondierenden Biegeradien beim Bruch aufgezeichnet werden und anhand dieser Daten statistische Parameter ermittelt und anhand dieser Parameter ein Bereich für einen Biegeradius festgelegt wird, welcher eine bestimmte, insbesondere lange Lebensdauer des unter mechanische Spannung gesetzten Glasartikels garantiert.
Die Erfindung sieht nun ein Dünnglaselement 100 mit erfindungsgemäß durch Laser-Spannungsrisstrennen hergestellten Kanten 101, beispielsweise in Form einer Dünnglasrolle mit einem aufgerollten Dünnglas 1 in Form eines Dünnglasbands mit einer Länge von vorzugsweise mindestens 10 Metern vor, wobei der Innenradius des aufgerollten Dünnglases oder allgemeiner der Biegeradius des gebogenen Dünnglaselements im Bereich von R_min = <R>·{[0,7 + exp( s / <R>·0,053 – 2,3)]·(2 – e^–t)} (8) R_max = <R>·{[3,4 + exp( s / <R>·0,05 – 2,1)]·(2 – e^–t)} (9) liegt, wobei <R> den Mittelwert und
die Varianz der Biegeradien R_i beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial des Dünnglaselements sind, wobei R_i die Biegeradien sind, bei welchen die Proben jeweils brechen, und t eine vorzugsweise vorgegebene Mindest-Dauer in Tagen ist, welche das Dünnglaselement ohne Bruch übersteht. Solche zeitverzögerten Brüche werden dabei insbesondere durch Spannungsrisskorrosion verursacht.
Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung eines Dünnglaselements 100 in Form einer Rolle 3 mit einem aufgerollten Dünnglas 1 mit einer Länge von vorzugsweise mindestens 10 Metern basiert dementsprechend darauf,

– mit einem Bruchtest der Mittelwert <R> der Biegeradien R_i beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben 10 unter fortschreitend größer werdender Biegebelastung, sowie die Varianz s ermittelt werden, und
– ein Dünnglasband aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial der Proben 10 bereitgestellt, zumindest dessen Längskanten erfindungsgemäß durch Laser-Spannungsrisstrennen hergestellt und das Dünnglasband zu einer Rolle aufgewickelt wird, wobei der Innenradius der Rolle, welcher der Radius der innersten Lage des Dünnglasbands ist, so gewählt wird, dass dieser im Bereich von R_min gemäß Gleichung (8) bis R_max gemäß Gleichung (9) liegt, wobei t eine vorgegebene Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die Dünnglasrolle ohne Bruch überstehen soll. Eine gewisse Bruchwahrscheinlichkeit ist jedoch im Allgemeinen, selbst bei sehr großen Biegeradien bei Glasbändern typischerweise dennoch vorhanden. Die Parameter der Gleichungen (8) und (9) sind aber so abgestimmt, dass die Bruchquote innerhalb einer vorgegebenen Mindest-Dauer im Allgemeinen bei kleiner als 0,1, vorzugsweise kleiner als 0,05 liegt.

Auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung beeinflusst die erfindungsgemäße Herstellung der Kanten 101 und deren verbesserte Festigkeit die Parameter s und <R>. Durch die erhöhte Kantenfestigkeit wird auch insgesamt der Mittelwert <R> gegenüber Proben mit nicht erfindungsgemäß geschnittenen Kanten erhöht. Je nach Natur der vorhandenen Defekte der Kanten 101 kann die Varianz s gegenüber nicht erfindungsgemäß hergestellten Proben ansteigen oder auch kleiner werden.
Um eine ausreichend vertrauenswürdige Statistik für eine zuverlässige Festlegung des Biegeradius im durch die Gleichungen (8) und (9) definierten Bereich zu erhalten, werden gemäß einer Weiterbildung dieser Ausführungsform mindestens zwanzig, vorzugsweise mindestens 50 Proben des Dünnglases bis zum Bruch mit einer Biegebelastung und damit mit Zugspannung belastet, um den Mittelwert <R> der Biegeradien R_i und deren Varianz zu ermitteln. Die Durchführung des Verfahrens, sowie die Ermittlung der Parameter der Gleichungen (8) bis (10) wird eingehend auch in der DE 10 2014 113 149.5 beschrieben, deren Inhalt diesbezüglich vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemacht wird.
Bezugszeichenliste

1: Dünnglas
2: Vorrichtung zum Spannungsrisstrennen
3: Trennlinie
5: Kühlstrahl
7: Riss
8: Laserstrahl
9: Laser
11: Bahnmaterial
20: Transporteinrichtung
21: Levitationsunterlage
33: Pumpe
50, 51: Transportband
53: Unterdruckansaugung
60: Abschattungselement
61: Zylinderlinse
62: diffraktives optisches Element
80: Strahlprofil
82, 83: Enden von 80
84: Kante von 80
89: Ritzeinrichtung
101: Kante von 100
102, 103: Seitenflächen von 100
110, 111: Borten
610: optische Achse von 61

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2013/0126576 A1 [0004, 0040]
WO 2011/026074 A1 [0005]
US 6327875 B1 [0006]
US 2002/0032117 A1 [0073]
US 2013/207058 A1 [0075]
EP 2014/070826 [0085]
DE 102014113149 [0090]

Claims

Verfahren zum Trennen von Dünnglas (1) mit einer Dicke kleiner als 250 µm, bei welchem das Dünnglas (1) entlang eines eine Trennlinie (3) bildenden Pfades entlang einer Vorschubrichtung (103) fortschreitend mit einem Laserstrahl (8) erwärmt wird, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied des erwärmten Glases zum umgebenden Glas eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss (7) sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie (3) fortpflanzt und das Dünnglas (1) durchtrennt, wobei der Laserstrahl (8) mittels einer Strahlformumgsoptik (6) so geformt wird, dass dessen Strahlprofil (80) eine langgestreckte Form aufweist, und wobei der Laserstrahl (8) so auf die Oberfläche des Dünnglases (1) gerichtet wird, dass dessen Längsrichtung (81) in Vorschubrichtung liegt, und wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden (82, 83) des Strahlprofils (80) unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas (1) zuerst überstreichenden vorderen Ende (82) steiler ist, als der Abfall der Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes (83).
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Erwärmung nachfolgend das Dünnglas (1) mittels eines Kühlstrahls (5) abgekühlt wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei das vordere Ende (82) des Strahlprofils (80), welches beim Vorschub das Glas zuerst überstreicht, durch eine quer zur Vorschubrichtung verlaufende Kante (84) gebildet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das asymmetrische Strahlprofil – durch Abschattung des Strahlprofils (80) an dessen vorderem Ende (82) oder – durch Strahlformung mittels eines diffraktiv optischen Elements oder – mittels einer Zylinderlinse erzeugt wird, welche gegenüber der Strahlrichtung des Laserstrahls (8) verkippt ist, so dass die optische Achse der Zylinderlinse schräg zur Strahlrichtung, vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 25° bis 75° zur Strahlrichtung steht.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überstreichen des Strahlprofils (80) ein maximaler Temperaturunterschied zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des Dünnglases (1) innerhalb einer Wegstrecke von weniger als 5 Millimetern aufgebaut wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Überstreichen des Strahlprofils (80) ein Temperaturunterschied von mindestens 20 °C zwischen der bestrahlten Seite und der gegenüberliegenden Seite des Dünnglases (1) aufgebaut wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (8) das Dünnglas (1) mit einer Geschwindigkeit von mindestens 3 Metern pro Minute, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit in einem Bereich von 3 bis 20 Metern pro Minute überstreicht.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl so geformt wird, dass das hintere Ende des Strahlprofils eine stetig zum Ende hin abfallende Intensität aufweist.
Vorrichtung (2) zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend – einen Laser (9) zur Bestrahlung eines Dünnglases (1) mit einem Laserstrahl, welcher im Dünnglas (1) absorbiert wird und somit das Dünnglas (1) erwärmt, – eine Strahlformungsoptik (6) zur Formung des Strahlprofils des vom Laser (9) erzeugbaren Laserstrahls (8), – eine Vorschubeinrichtung (20), um das Dünnglas (1) relativ zum Auftreffort des Laserstrahls (8) entlang einer vorgesehenen Trennlinie zu bewegen, so dass durch den so hergestellten Temperaturunterschied des entlang der Trennlinie erwärmten Glases zum umgebenden Glas eine mechanische Spannung im Glas erzeugt wird und ein Riss (7) sich der mechanischen Spannung folgend entlang der Trennlinie (3) fortpflanzt und das Dünnglas (1) durchtrennt, wobei die Strahlformungsoptik (6) ausgebildet ist, den Laserstrahl (8) so zu formen, dass dessen Strahlprofil (80) eine langgestreckte Form aufweist und den Laserstrahl (8) so auf die Oberfläche des Dünnglases (1) zu richten, dass dessen Längsrichtung (81) in Vorschubrichtung liegt, und wobei die langgestreckte Form des Strahlprofils asymmetrisch ist, so dass sich der Intensitätsverlauf an den Enden (82, 83) des Strahlprofils (80) unterscheidet, derart, dass der Anstieg der Intensität an dem das Dünnglas (1) zuerst überstreichenden vorderen Ende (82) steiler ist, als der Abfall der Intensität des gegenüberliegenden hinteren Endes (83).
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch einen Kühlstrahlerzeuger (51) zur Erzeugung eines Kühlstrahls (5), welcher entlang der Trennlinie versetzt zum Laserstrahl auf das Dünnglas (1) auftrifft, so dass bei Vorschub ein auf der Trennlinie (3) liegender Punkt des Dünnglases (1) zuerst den Auftreffort des Laserstrahls und dann den Auftreffort des Kühlstrahls (5) durchläuft.
Vorrichtung gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (9) ein CO₂-Laser ist.
Vorrichtung gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlformungseinrichtung (6) zumindest eines der Element umfasst: – ein Abschattungselement, um das vordere Ende des Strahlprofils abzuschatten, – ein diffraktiv optisches Element – eine Zylinderlinse, welche gegenüber der Strahlrichtung des Laserstrahls verkippt ist, vorzugsweise in einem Winkel im Bereich von 25° bis 75° zur Strahlrichtung.
Dünnglaselement (100) mit einer Dicke von höchstens 250 µm, vorzugsweise mit einer Dicke im Bereich von 30 µm bis 150 µm, herstellbar mit Verfahren oder der Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welche zumindest eine mittels Laser-Spannungsrisstrennen geschnittene Kante (101) aufweist, wobei das Dünnglaselement (100) für von der Kante ausgehende Brüche unter Biegebelastung eine Weibullverteilung mit einem Weibullmodul von mindestens m = 4,5, vorzugsweise mindestens m = 5 aufweist.
Dünnglaselement gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglaselement eine Weibullverteilung für Brüche unter Biegebelastung aufweist, bei welcher der Mittelwert der Biegespannung beim Bruch der Probe mehr als 200 MPa beträgt.
Dünnglaselement (100) nach einem der zwei vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Dünnglaselement (100) unter einer Zugspannung σ_app steht, welche kleiner ist, als
wobei σ _a und σ _e Mittelwerte der Zugspannung beim Bruch von Proben des Dünnglaselements unter Biegebeanspruchung sind, wobei L_ref die Kantenlänge und A_ref die Fläche der Proben bezeichnen, wobei σ _a der Mittelwert der Zugspannung beim Bruch in der Fläche der Probe und σ _e der Mittelwert der Zugspannung bei einem von der mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellten Kante der Probe ausgehenden Bruch sind, und wobei ∆_e und ∆_a die Standardabweichungen der Mittelwerte σ _e , beziehungsweise σ _a bezeichnen, und wobei A_app die Fläche des Dünnglaselements (100) und L_app die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten (101) des Glaselements und Φ eine maximale Bruchquote von höchstens 0,1 innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.
Dünnglaselement (100) gemäß dem vorstehenden Anspruch, bei welchem das Dünnglaselement unter eine Zugspannung σ_app steht, welche kleiner ist als
Dünnglaselement (100) gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglaselement (100) ein zu einer Rolle aufgewickeltes Dünnglasband ist.
Dünnglaselement (100) gemäß dem vorstehenden Anspruch, wobei der Innenradius des aufgerollten Dünnglases (1) im Bereich von R_min = <R>·{[0,7 + exp( s / <R>·0,053 – 2,3)]·(2 – e^–t)} bis R_max = <R>·{[3,4 + exp( s / <R>·0,05 – 2,1)]·(2 – e^–t)} liegt, wobei <R> den Mittelwert und
die Varianz der Biegeradien beim Bruch einer Mehrzahl N von Proben aus dem gleichen Glasmaterial mit gleicher Dicke und gleich beschaffenen Glaskanten wie das Glasmaterial des Dünnglaselements (100) sind, wobei Ri die Biegeradien sind, bei welchen die Proben jeweils brechen, und t eine Mindest-Dauer in Tagen ist, welche die Dünnglasrolle ohne Bruch übersteht.