具有切割边缘的玻璃元件及其制造方法与流程

一般地，本发明涉及平板玻璃元件的加工。特别地，本发明涉及通过刻划断裂进行这种玻璃元件的切割。此外，本发明涉及借助于所述方法切割的玻璃基板，特别是薄玻璃基板。

背景技术：

如今，在大多数情况下，玻璃板或平板玻璃元件是在连续工艺中制造的，其中，从熔体或软化的玻璃中拉出玻璃带。然后由该玻璃带分离出玻璃元件。用于制造玻璃带的常见工艺是浮法工艺、各种上拉和下拉工艺、溢流熔融工艺以及再拉工艺，其中，将预成型坯体局部加热并在加热部位将其拉制成玻璃带。所有这些工艺的共同之处在于，玻璃带在其两个边缘处形成加厚区域形式的带边。为了能够更好地引导和继续加工玻璃带，合乎期望的是，在切割之前将玻璃带分离成单个的玻璃元件。

根据当今的现有技术，通常通过激光来切割薄玻璃带的带边。然而，已经表明，激光加工过程，如特别是激光引起的应力裂纹分离，可能变得不稳定，从而在切割长带时会导致裂纹的扩展。

一般地，在切割玻璃时的另一个要点是玻璃元件的强度。玻璃元件抵抗弯曲应力的强度主要由玻璃边缘决定。玻璃边缘的断裂强度通常明显低于玻璃表面的断裂强度。因此，玻璃板的断裂主要是从板的边缘开始。因此，合乎期望的是，实现玻璃边缘的尽可能高的抗拉伸、剪切、扭转和弯曲载荷的强度。在通常用于描述脆性材料的强度的断裂应力的双参数威布尔分布中，高特征值和高模量都是重要的，以实现切割的玻璃元件的高的预期寿命。

技术实现要素：

因此，本发明基于的目的是，使薄玻璃的切割更可靠并且提高边缘强度。该目的通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中给出。

与此相应地，提供了一种用于刻划玻璃、优选具有至多0.5mm厚度的薄玻璃的方法，以用于加工玻璃元件(1)的分离，其中，借助于刚性的刻划工具，沿着规定的分离线，在对玻璃表面施加压力下，在玻璃中产生深裂纹，其中，刻划工具通过在引入深裂纹期间施加到玻璃表面上的压力和进给力在玻璃中产生弹性应变的区域，该弹性应变具有平行于玻璃表面并垂直于分离线的弹性应变的方向分量，所述区域在由垂直于玻璃表面(2)的分离线(11)所确定的面(17)内以弧形(152)方式延伸，使得弧形的一个臂位于刻划工具的接触点的区域内的玻璃表面上，而另一个臂位于玻璃的内部中，其中，弧形朝刻划工具的进给方向开口。

因此，该方法确保直接在刻划工具的下方在玻璃中建立拉应力，该拉应力导致形成深裂纹形式的裂纹，该深裂纹适合用作刻划断裂的预裂纹。

为此，一种被相应地设计用于实施该方法的用于刻划玻璃的设备包括：

-刚性的刻划工具和用于将刻划工具压到待刻划的玻璃元件的玻璃表面上的装置，

-进给装置，其用于将玻璃元件和刻划工具沿着分离线彼此移动通过，以便通过刻划工具施加到玻璃表面上的压力和进给力在玻璃元件中产生深裂纹，其中，刻划工具被如此地设计，即在引入深裂纹期间所施加的压力和的进给力下，在玻璃中产生弹性应变的区域，该弹性应变具有平行于玻璃表面并垂直于分离线的方向分量，该区域在由垂直于玻璃表面的分离线所确定的面内以弧形方式延伸，使得弧形的一个臂位于刻划工具的接触点的区域内的玻璃表面上，而另一个臂位于玻璃的内部中，其中，弧形朝刻划工具的进给方向开口。

除了上面所述的在沿着玻璃表面并垂直于分离线，即简言之横向于分离线的方向上的弹性应变之外，还发生了沿着分离线和沿着表面的弹性应变。沿着分离线的拉应力的该分量较小，并且因此对于所产生的深裂纹的方向不太重要。

在本公开的意义上，刚性的刻划工具的术语是指，该刻划工具不是像在刻划轮的情况下那样在玻璃表面上滚动，而是在玻璃表面上滑动，但是在此期间还通过支承力在小的程度上进入玻璃中。

进给方向可以理解为仅仅是相对于玻璃表面。在玻璃表面上的进给可以通过刻划工具在被固定的玻璃元件上的运动来实现，以及也可以反过来在被固定的刻划工具的情况下通过使玻璃元件运动来实现。刻划工具和玻璃元件的组合的运动也是可想到的和可实现的。

为了沿着这样产生的深裂纹分离，则稍后可以将弯曲应力、拉伸应力或剪切应力在分离线处施加到玻璃上。因此，本发明还提供了一种用于切割玻璃元件的方法，其中，通过上面描述的方法，在玻璃中产生深裂纹，并且为了沿着深裂纹分离，随后将弯曲应力、拉伸应力或剪切应力在分离线处施加到玻璃上，从而玻璃由于由深裂纹引入的薄弱部而在分离线处断裂。

通过本发明也可以制造预刻划的薄玻璃元件作为用于小的薄玻璃板的半成品，如它们被有用地应用在消费性电子产品的各种领域中那样。这种刻划断裂之后获得的小的薄玻璃板适合用作显示设备、触摸屏、太阳能电池、半导体模块或led光源的玻璃罩。但是小的薄玻璃板也可以用作电容器、薄膜电池、柔性印刷电路板、柔性oled、柔性光伏模块或甚至电子纸的组成部分。薄玻璃的类型可以根据预期的应用领域特定地进行选择，以满足耐化学性、抗热震性、耐热性，气密性、高电绝缘能力、适应膨胀系数、柔韧性、高光学质量和在高表面质量下的透光性的相应要求。根据上述的制造方法制造的薄玻璃一般地在两个薄玻璃侧面上都具有火法抛光的表面，并且因此具有非常低的粗糙度。

刻划金刚石的刻划工具特别适合于对在玻璃中的弹性应变的预期特定形状的区域进行刻划。

附图说明

下面参考附图更详细地解释本发明。在附图中，相同的附图标记指示相同或相应的元件。

图1示意性地示出了用于制造薄玻璃的设备。

图2示出了用于刻划玻璃的设备的部件。

图3示出了作为刻划工具的金刚石。

图4示出了与刻划金刚石的倾斜角度相关的用于实现预定的裂纹深度的力的两个示意图。

图5和图6示出了针对刻划工具的不同的倾斜角度，通过刻划工具施加的横向于和沿着分离线的弹性应变的有限元模拟。

图7示出了薄玻璃的断裂边缘的两个光学显微照片。

具体实施方式

在图1中示出了一种设备，在该设备中可以应用刻划玻璃的方法。该设备包括示意性示出的玻璃带成型装置8，借助于该玻璃带成型装置，通过热成型来制造玻璃带3形式的玻璃元件1。该热成型可以例如以下拉工艺或溢流熔融工艺来进行，其中，如所示的那样，将玻璃带3向下拉出。玻璃带3经由一个或多个辊子23引导并偏转到水平方向上。特别是，也可以驱动辊子23并因此用作用于刻划玻璃的设备4的进给装置。

通过热成型工艺，在玻璃带3的边缘处形成了加厚的带边5、7。将这些带边分离以便继续加工。除了其他方面以外，该加工可以包括将薄玻璃带3卷绕成卷。在此，加厚的带边很麻烦，它们由于其刚性而给卷绕造成困难。

为了分离这些带边5、7，沿着平行于薄玻璃3的边缘在其纵向方向上延伸的两个分离线11刻划玻璃。在刻划时，借助于刚性的刻划工具9沿着位于薄玻璃带3的带边和质量区域之间的预定分离线11产生深裂纹13，该深裂纹延伸到玻璃里面。为此，薄玻璃带3被引导从刻划工具9通过，同时刻划工具被压紧到玻璃表面2上。如从图中可以看出的那样，在该布置中，刻划工具9在玻璃表面上的进给方向21与薄玻璃带3的运动方向相反。

为了沿着深裂纹13进行分离，随后经由另一个辊子23将弯曲力矩、拉伸力矩或剪切力矩在分离线11处施加到玻璃上，从而玻璃由于由深裂纹引入的薄弱部而在分离线11处或在深裂纹13处断裂，由此带边5、7与玻璃带3分离。然后例如，带边5、7可以被收集在碎料仓中并从那里被再次输入到玻璃熔体中，由该玻璃熔体成型出薄玻璃带3。

一般地，在不限于所示的具体示例的情况下，通过弹性应变的弧形区域的预定刻划导致通过分离产生的边缘具有特别高的抗弯曲载荷能力。在上述示例中，除了其它方面以外，这使得薄玻璃带3在进一步加工之前能够长期稳定地卷绕成卷和暂时储存。

在不限于所示的具体实施例的情况下，通常特别有利的是，将玻璃在分离线11处的断开在空间上和/或在时间上与刻划分开。如果玻璃直接在刻划工具9的接触点处断裂开，则是不利的，因为以这种方式断裂可能超出接触点的位置不受控制地传播。这可能导致边缘走向与规定的分离线偏离。因此，根据优选的实施方式规定，弯曲应力、拉伸应力或剪切应力在时间或空间的间隔下被如此地在分离线11处施加到玻璃上，即玻璃的断裂不会传播至刻划工具9的接触点。

如上所述，刻划工具仅在这样的意义上是刚性的，即刻划工具不是在接触点处的玻璃表面上滚动，而是滑动并且同时通常也略微侵入到玻璃中地在玻璃上运动。但是，为了实现恒定的压力，完全可以设置可运动的支架。图2示出了这种支架的一个实施例。

用于刻划玻璃，特别是薄玻璃的设备4的一个优选实施例的原理在于，将刻划工具9固定在刻划工具架91中，其中，刻划工具架91由平行摇杆93引导。平行摇杆包括至少两个平行布置的板簧92，通过板簧92可以以固定的力将刻划工具9压紧到玻璃表面2上，同时刻划工具9在玻璃表面2上滑动地运动。压力例如可以通过进给滑座94的运动来调节，平行摇杆93被悬挂在该进给滑座上。更一般地来说，压力可以通过调节弹簧(在这里是板簧92)的变形来调节。在de102014117641.3中描述了一种用于刻划薄玻璃的设备，该设备能够调节限定的压力，其关于用于刻划薄玻璃的设备的构造的公开内容也完全成为本申请的主题。

与采用板簧不同地，平行摇杆93作为可运动的支架也可以例如通过可旋转安装在其端部上的平行引导的支架元件来实现，其中，压力此时通过作用在刻划工具架上的单独的弹簧来产生。

因此，一般地，在不限于所示的具体示例的情况下，在本发明的一个实施例中，将刻划工具9固定在刻划工具架91中，其中，刻划工具架用平行摇杆进行引导，并且其中，设有至少一个弹簧元件，该弹簧元件将可调节的弹簧力施加到刻划工具架91上，从而用由弹簧力确定的压力将刻划工具9压到待刻划的玻璃元件1的玻璃表面2上。

图3示出了作为刻划工具9的具有晶体面100、101、110和111的金刚石。如根据所示出的晶体形状可以看出的那样，存在非常多的可能性来放置金刚石。已经表明，在玻璃中的弹性应变的区域的形状(该形状稍后还要更详细地解释)可以特别简单地通过金刚石相对于接触点19和进给方向21的特定的定向来实现。为此在图3中绘制出了接触点19和进给方向21的被认为是有利的组合。

如可以看出的那样，将晶体定向，从而玻璃表面2上的接触点由在晶体面101、110和111之间的角给出。在这种情况下，将晶体相对于进给方向定向，从而面111先行在前。该定向原理不一定限于接触点19和进给方向21的特定位置。相反，根据一个实施例，刻划工具9在彼此接触的三个面之间具有角，其中，将刻划工具定向和放置，从而使该角形成接触点19并且在进给方向21上所述三个面之一先行在前。严格地讲，在这种情况下，刻划工具9不仅点状地放置在接触点19处，而且通过压力稍微压入玻璃中，从而形成小的接触面。但是，在这种情况下，此时进入到玻璃中的最远的点，或者说在放置方向上刻划工具9的表面的最突出的点被看作是接触点19。该改进方案与是否将金刚石用作刻划工具9无关。对于具有刀尖(werkzeugspitze)的这种几何形状的其他硬质材料工具，也将在玻璃中产生应力区域的类似的表现。然而，由于金刚石的硬度，金刚石是该实施例的优选的改进方案，因此，在该实施例的改进方案中，刻划工具9包括刻划金刚石，其中，将刻划金刚石定向，从而在晶体面101、110和111之间的角形成接触点19并且晶体面111先行在前。因此，在该改进方案中，在面101和110之间的边缘95跟随在接触点19之后。

以下讨论用于刻划玻璃元件的有限元模拟的结果。为了计算，假设刻划过程相对于由玻璃表面2的法线(＝z)和刻划方向(＝y)所确定的平面是对称的。忽略刻划工具9的边缘的可能的倒圆。所有计算均以摩擦系数0.0进行。所用的玻璃类型是由schottag公司以商品名d263销售的玻璃。该玻璃具有以下的机械性能：

密度：2.51g/cm³，

弹性模量e：72.9kn/mm²，

泊松比μ：0.208，

扭转模量g：30.1kn/mm²，

努氏硬度hk100：590。

可以通过先行在前的面产生特别坚固的边缘的结果是令人惊讶的，因为对于预定的刻划深度，与在先行在前的边缘的情况相比，在此处需要更大的力。为此，图4示出两个示意图，该示意图示出了由有限元计算所计算出的进给力和法向力，该进给力和法向力是用于引入深度为4.5μm的深裂纹所需的。绘制出了进给力fy和法向力fz作为刻划金刚石的倾斜角的函数。0°的倾斜角对应于面100的垂直于玻璃表面2定向的法线。

在20°和30°之间的小倾斜角下，在金刚石的两个面110之间或者说在图3中在用110和101表示的面之间的边缘95先行地进入玻璃中。计算出的力在分图(a)中或者说在图4的左侧的示意图中示出。

与此相对地，在40°和50°之间的大的倾斜角下，刻划金刚石的面111进入玻璃中。在这种情况下，进给方向21如图3所示的那样定向。计算出的力在图4的分图(b)的示意图中示出。

在有限元计算中恒定地设定的4.5μm的刻划深度下，通过先行在前的边缘(图4的分图(a))产生比通过先行在前的面111(分图(b))明显更小的法向力fz。这可以归因于这样的情况，即对于先行在前的面111，必须在负z方向上挤压更大的玻璃表面。

但是，根据图4的分图(b)，即使对于先行在前的面111，用于产生深裂纹所需的压力也是很小的。一般地，刻划工具9在玻璃表面2上的压力在0.2n至5n的范围内是有利的，这与刻划工具的类型无关。此外，通常有利的是如果刻划时在深裂纹下方在玻璃中形成塑性变形区域，该区域延伸到在2μm至8μm的范围内的深度。该塑性变形区域可以通过断裂结构进行识别。此外有利的是，不要太快地进行刻划，尤其是为了避免在刻划工具的压力上的波动。反过来，进给也不应太慢，以避免滑粘效应。因此，在另一个实施例中规定，进给速度处在0.025m/s至5m/s的范围内。

具有平行于玻璃表面2且垂直于分离线11的弹性应变的方向分量的弹性应变以下也被表示为εxx。在沿着分离线方向上的另一个弹性应变用符号εyy命名。在图5中，针对在分图中标示的三个不同的倾斜角，示出了在玻璃中的应变εxx、εyy的模拟。分图a1、a2、b1、b2、c1、c2分别示出了在刻划过程中沿着由垂直于玻璃表面2的分离线11所确定的面17切开玻璃元件1的剖面图。在图示的透视图中，由于由刻划工具9的压力引起的变形，分离线11不是直线延伸的。所有模拟均基于深裂纹的4.5μm的深度。

倾斜角βtilt对于分图a1、a2为40°，对于分图b1、b2为44°，和对于分图c1、c2为46°。如上所述，在这种倾斜角下，刻划金刚石的面111先行在前，而边缘95在刻划时在进给方向21上位于接触点19的后面。

左侧的分图a1、b1、c1分别示出了在沿着玻璃表面2并且垂直于分离线11的方向上或在面17中的弹性应变εxx的区域15。该区域分别被标记为明亮区域。在右侧上的分图a2、b2、c2示出了在分离线11的方向上的弹性应变εyy的区域，该区域也被标记为明亮区域。如根据分图a1、b1、c1可以看出，区域15具有弧形的特征形状，该弧形朝着刻划工具(9)的进给方向21开口。该弧形15或者说u形区域具有两个臂150、151，其中的一个区域150位于玻璃表面2上并且包括接触点19。弧形15的另一个臂151位于玻璃2的内部中。

根据分图a2、b2、c2还可以看出，弹性应变εyy或沿着分离线11的弹性应变的区域16具有不同的形状，并且具有孤立地位于玻璃的内部中的部分，并且弹性应变的该分量整体上比弹性应变εxx薄弱。沿着分离线11方向上的弹性应变的孤立地位于玻璃的内部中的区域16可以被视为刻划方法的另一个替代的或附加的特征，与所示的具体实施例无关。相应地，在本发明的另一方面中，针对在玻璃中在沿着玻璃表面2且垂直于分离线11的方向上的弹性应变的区域15，该区域在面17中以弧形152方式延伸，可替代地或附加地，弹性应变的区域16孤立地位于玻璃元件1的内部中。

因此，本发明还涉及一种用于刻划玻璃，优选具有至多0.5mm厚度的薄玻璃的方法，以用于加工玻璃元件的分离，其中，借助于刚性的刻划工具9，沿着预定的分离线11，在对玻璃表面2施加压力下，在玻璃中产生深裂纹13，其中，刻划工具9通过在引入深裂纹13期间施加到玻璃表面上的压力和进给力在玻璃中在沿着分离线11的方向上产生弹性应变的区域16，该区域在刻划工具9的接触点19的下方孤立地位于在玻璃元件1的玻璃中。

图6示出了具有22°(分图d1、d2)、24°(分图e1、e2)和26°(分图f1、f2)的较小倾斜角的其他的模拟。在这些倾斜角下，如上所述，边缘95先行在前于刻划金刚石并且面111在进给方向21上位于接触点10之后。区域15、16再次被标记为明亮，其中，大的应变分级地再次以较暗的阴影示出。与图5相比，可以看出，在这里不存在弹性应变εxx的区域15的弧形的形状。相反，应变εxx从接触点19开始在径向方向上减小(分图d1、e1、f1)。但是反过来，在此，应变εyy的区域具有近似弧形的形状(分图d2、e2、f2)。应变εxx和εyy的形状，如其由图6所示出的那样，在可达到的边缘强度和边缘轮廓的形状保持性方面，被证明是较差的。

从这些示例可以看出，刻划工具9的定向中的很小变化就已经可以对在玻璃中的应力区域的走向，特别是对弹性应变εxx和εyy的空间分布产生明显的影响。因此，为了确保实现预定的弧形的应变区域，刻划工具的精确定向是有利的。如果该定向是光学控制的，则是特别有利的。为此目的，在本发明的改进方案中，设置一种用于检测由刻划工具9反射的光束的方向的装置。通常还提供光源，以将光束从限定的方向指向刻划工具9。在图1中，示意性地画出了具有光源26和用于检测刻划工具9之一的光束27的方向的装置25的系统。因此，在改进方案中，借助于用于检测光束27的方向的装置25，基于在刻划工具9处反射的光束27的所检测的方向来检测刻划工具9的定向并且据此调整或修正刻划工具9的定向。在此，如果刻划工具9如在图3的示例中那样包括晶体并且检测在晶体面上反射的光束27的方向，则是特别有利的。从de102016101766a1中也已知一种用于借助于光学控制来定向刻划工具的装置，其关于刻划工具的装置的结构设计、光学检测以及用于定向刻划工具的装置的公开内容也完全成为本申请的主题。

通过该方法和提供用于实施该方法的设备所产生的玻璃边缘的区别性特征描述如下。为此目的，图7示出了借助于在此处描述的方法通过刻划和随后断裂产生的边缘的边缘面30的两个显微照片。以这样的方式切割的玻璃元件1具有50μm的厚度。该方法(借此已产生两次图像的边缘)在刻划金刚石形式的刻划工具9的压力方面有所不同。在分图(a)中，刻划金刚石以30g、即约0.3n的压力被压到玻璃表面上，而在分图(b)中所示的样品中以40g的压力被压到玻璃表面上。在这两种情况下，金刚石的倾斜角均为42°，这意味着，在此处，如上所述，面111在刻划时位于先行在前，而边缘95位于后面。

在两种情况下都可以清楚地看到，边缘面具有在边缘面30的纵向方向上延伸的两个不同结构化的条形区段。每个区段终止于边缘线32、34之一处，在该边缘线处，边缘面2结合到玻璃表面2或玻璃元件1的侧面中。在照片中，分别终止于上部边缘线32处的条形边缘区段38由深裂纹产生。另一边缘区段38通过玻璃在分离线11处的断裂产生。可以清楚地看到，边缘区段36的波度小于通过断裂产生的边缘区段38的波度，在两个示例中也可以看出，区段38的波度从边界线39到边缘线34减小。此外，边界线的走向也是非常直线的并且与边缘线32、34相距限定的间距。这表明，刻划过程产生了位于深裂纹13下方的具有恒定深度的塑性变形区域，这可以归因于弹性应变εxx的区域的特殊的弧形形状。

以这种方式形成的边缘被证明是非常耐抗弯曲应力的。可以制造具有约1000mpa的断裂强度的边缘。

因此，根据另一方面，借助于本文所述的方法和相应的设备，提供一种片状的玻璃元件1，其具有至多0.5mm，优选至多250μm，特别优选至多125μm的厚度并具有边缘面30的边缘，该边缘面在两个边缘线32、24处结合到相对的玻璃表面2。边缘面30具有分别与边缘线32、34之一相邻接的条形区段36、38，所述两个条形区段在边缘线32、34之间延伸的边界线39处彼此相遇，其中，第一区段36表示刻划时在深裂纹13下方所形成的塑性变形区域，其具有在2μm至8μm的范围内的宽度并且具有比第二条形区段38(即通过断裂产生的面)更小的波度，并且其中，第二条形区段的波度朝与该区段38邻接的边缘线34减小。

如已描述的那样，边界线以非常恒定的深度延伸并且因此平行于玻璃表面。根据另一个特征，在此，边界线39到玻璃表面或者到第一区段36所邻接的边缘线32的距离的平均波动幅度小于0.5μm，优选小于0.25μm。因此，在示例中，也可以非常准确地给出裂纹深度。在分图(a)的示例中，裂纹深度为3.02μm，而在分图(b)的示例中，为4.04μm。

最后，在分图(a)的示例中特别引人注目的是，第二区段的波度也具有特殊的结构。可以看出，第二区段38具有曲线形或镰刀形延伸的波浪结构40。在这种情况下，曲线相对于在第一区段36和第二区段38之间的边界线39的角度随着与边界线的距离的增加而增加。因此，在此过程中，曲线形的波浪结构从边界线39开始更多地向第二区段所邻接的边缘线34倾斜。至少在大多数情况下，波浪结构终止于边缘线34之前。这种特殊的形状可能导致非常高的边缘强度。

对于本领域技术人员来说，显然的是，本申请的主题不限于这些实施例，而是可以在本公开内容和权利要求书的范围内变化。因此，在实施例中借助于金刚石进行刻划，但是其他硬质材料晶体，如刚玉或碳化硅也是合适的。

附图标记列表