DE102013110803A1

DE102013110803A1 - Verfahren zur Weiterverarbeitung von Dünnglas und verfahrensgemäß hergestelltes Dünnglas

Info

Publication number: DE102013110803A1
Application number: DE102013110803.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Ortner; Clemens Otterman; Kurt Nattermann; Markus Heiss; Rainer Liebald
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-02
Also published as: KR20160064211A; DE112014003264B4; JP6246342B2; TW201529297A; KR101728649B1; CN105636887A; TWI556955B; DE112014003264A5; US9908730B2; JP2017500258A; WO2015044430A1; US20160207726A1; CN105636887B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Weiterverarbeitung eines Dünnglases (1), bei welchem das Dünnglas (2) durch die Weiterverarbeitung unter eine Zugspannung σapp gesetzt wird, welche kleiner ist alsund σ e Mittelwerte der Zugspannung beim Bruch von Proben (10) des Dünnglases (1) unter Biegebeanspruchung sind, wobei Lref die Kantenlänge und Aref die Fläche der Proben (10) bezeichnen, wobei σ a der Mittelwert der Zugspannung beim Bruch in der Fläche der Probe (10) und σ e der Mittelwert der Zugspannung bei einem von der Kante der Probe (10) ausgehenden Bruch sind, und wobei ∆e und ∆a die Standardabweichungen der Mittelwerte σ e , beziehungsweise σ a bezeichnen, und wobei Aapp die Fläche des Dünnglases (1) und Lapp die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten (22, 23) des Dünnglases (1) und Φ eine vorgegebene maximale Bruchquote innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Dünngläser, insbesondere Gläser mit Dicken unterhalb von einem Millimeter. Insbesondere betrifft die Erfindung die Konfektionierung von Dünnglas-Bändern durch Aufwickeln.
Dünngläser werden in vielen Bereichen der Technik verwendet. Genannt seien beispielsweise Displays, Fenster für optoelektronische Komponenten, Verkapselungen und elektrische Isolationsschichten.
Um Dünngläser für die Weiterverarbeitung handhaben zu können, ist es günstig, ein Dünnglasband aufzurollen. Das Glas kann so bei der Weiterverarbeitung direkt von der Rolle abgewickelt und bearbeitet werden. Ein Problem dabei liegt allerdings nun darin, dass beim Aufwickeln Biegespannungen im Glas erzeugt werden. Diese Biegespannungen können zum Bruch des aufgewickelten Glasbands führen. Bereits ein einzelner Bruch kann dabei ein erhebliches Problem verursachen, da an der Bruchstelle beim Abwickeln des Bandes ein Weiterverarbeitungsprozess unterbrochen werden muss.
Die US 2013/0196 163 A1 beschreibt ein Verfahren zum Biegen von Glas, bei dem eine Glasbahn so auf eine Verstärkungsfolie laminiert wird, daß bei der Biegung die neutrale Ebene der Biegelinie in der Verstärkungsfolie liegt und die Glasbahn komplett in der biegungsinduzierten Druckspannungszone liegt. Das erfordert Verstärkungsfolien, deren Dicke eine Mehrfaches der Glasdicke beträgt, und für das Laminat muss wenig kriechender und damit spröd-aushärtender Kleber mit hoher Festigkeit verwendet werden. Mit der hohen Festigkeit können aber Probleme auftreten, wenn der Kleber sich nur schlecht lösen oder nicht restlos entfernen lässt. Jedenfalls stellt die Entfernung des Klebstoffs einen zusätzlichen, vor dem Zuschnitt notwendigen Verfahrensschritt dar. Außerdem ist der Wicklungssinn festgelegt. Hinsichtlich der Bruchfestigkeit des gewickelten Glases ist das Kriechen in der Verklebung und eine Spannungsrelaxation in der Verstärkungsfolie zu berücksichtigen. Wandert durch Spannungsrelaxation die neutrale Ebene in die Glasbahn, gerät das Glas unter Zugspannung, die sich beim Abwickeln sogar verstärken kann.
Die US 824 1751 B2 beschreibt eine Glasrolle mit niedriger instantaner Bruchwahrscheinlichkeit, wenn für die Biegungen ein minimaler Biegeradius eingehalten wird. Die Schrift lässt aber den Aspekt verzögert auftretender Brüche unberücksichtigt. Insbesondere werden auch Brüche, die an den Kanten des Glasbandes entstehen, vernachlässigt. Für die in der Schrift beschriebenen Bemaßungsregeln ist nach sehr kurzer Zeit Glasbruch zu erwarten.
Oft wird aber ein Dünnglas nicht direkt weiterverarbeitet. Vielmehr ist zu erwarten, dass eine Dünnglas-Rolle für eine gewisse Zeit gelagert wird. Auch benötigt der Transport zu einer weiterverarbeitenden Betriebsstätte Zeit und verursacht zusätzliche dynamische Lasten.
Auch bei weiterverarbeiteten Dünngläsern, etwa bei aufgeklebten Dünnglas-Scheiben oder Dünngläsern in Materialverbünden besteht der Bedarf, ein Versagen des Glaselements durch einen Glasbruch aufgrund von durch die Weiterverarbeitung bedingten Zugspannungen im Material zu vermeiden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Dünnglas so bereitzustellen oder weiterzuverarbeiten, dass eventuell auftretende Glasbrüche vermieden oder zumindest zahlenmäßig verringert werden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Demgemäß sieht die Erfindung ein Verfahren zur Weiterverarbeitung eines Dünnglases, insbesondere zur Weiterverarbeitung eines Dünnglasbands vor, bei welchem das Dünnglas durch die Weiterverarbeitung unter eine Zugspannung σ_app gesetzt wird, welche kleiner ist, als folgender Term:
wobei σ _a und σ _e Mittelwerte der Zugspannung beim Bruch von Proben des Dünnglases 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 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 Dünnglases und L_app die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten des Dünnglases und Φ eine vorgegebene maximale Bruchquote innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.
Vorzugsweise werden Dünngläser weiterverarbeitet, welche eine Dicke von weniger als 500µm, besonders bevorzugt höchstens 350 µm aufweisen. Die Mindestdicke beträgt vorzugsweise 5 µm. Ein besonders bevorzugter Dickenbereich liegt zwischen 20 µm und 200 µm
Mit dem Verfahren wird ein erfindungsgemäßer Dünnglasartikel erhalten, bei welchem das Dünnglas unter eine Zugspannung σ_app gesetzt ist, welche kleiner ist als der oben genannte Term (1).
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Brüche an den Kanten und in der Fläche des Glases auf verschiedenartige Fehler im Glas zurückgehen und die Bruchwahrscheinlichkeiten statistisch unabhängig voneinander sind. Daher werden die Glasfestigkeiten bezüglich der Bruchfestigkeit an den Kanten und in der Fläche unabhängig voneinander betrachtet. Die tatsächliche Bruchfestigkeit wird gemäß dem oben angegebenen Term durch das Minimum der Zugspannungen bei Brüchen in der Fläche und an den Kanten berechnet. Auf diese Weise werden insbesondere auch die typischerweise verschiedene Lebensdauern des Dünnglases bezüglich unter Biegung auftretenden Brüchen an den Kanten und in der Fläche berücksichtigt. Die Erfindung erlaubt es damit nun, unter Vorgabe einer Lebensdauer, beziehungsweise einer Bruchwahrscheinlichkeit innerhalb eines vorgegebenen Zeitraums die Zugspannung des Glasartikels anzupassen.
Die vorgegebene maximale Bruchquote Φ beträgt bevorzugt 0,1 oder weniger (also höchstens 10%), besonders bevorzugt weniger als 0,05 (weniger als 5%).
Um eine niedrige Bruchwahrscheinlichkeit innerhalb von längeren Zeiträumen, beispielsweise bis zu zehn Jahren, zu erzielen, wird bevorzugt, dass das Dünnglas durch die Weiterverarbeitung, beziehungsweise der durch die Weiterverarbeitung erhaltene Glasartikel 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.
Vorzugsweise ist das Dünnglas eines erfindungsgemäßen Glasartikels durch die Weiterverarbeitung unter eine maximale Zugspannung gesetzt, die mindestens 21 MPa beträgt. Dies ermöglicht eine hohe Belastung bei dennoch sehr langer Lebensdauer, beziehungsweise entsprechend niedriger Bruchwahrscheinlichkeit für lange Zeiträume größer als einem halben Jahr.
Für eine niedrige Bruchwahrscheinlichkeit, insbesondere mit einer wie vorstehend angegebenen Mindest-Zugspannung von 21 MPa eignen sich Borosilikat-Gläser als Dünngläser gut. Besonders bevorzugt werden Borosilikat-Gläser mit einer Zusammensetzung mit folgenden Komponenten in Gewichtsprozent auf Oxidbasis:

SiO₂ 40–75

Al₂O₃ 1–25

B₂O₃ 0–16

Erdalkalioxide 1–30

Alkalioxide 0–1.
Besonders bevorzugt werden dabei Gläser mit einer Zusammensetzung mit folgenden Komponenten in Gewichtsprozent auf Oxidbasis:

SiO₂ 45–70

Al₂O₃ 5–25

B₂O₃ 1–16

Erdalkalioxide 1–30

Alkalioxide 0–1.
Die Erfindung wird nachfolgend weiter beschrieben, wobei auch auf die beigeschlossenen Figuren Bezug genommen wird. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente.
Es zeigen:
1 einen Glasartikel in Form eines aufgerollten Dünnglasbandes,
2 ein Diagramm von Bruchwahrscheinlichkeiten als Funktion der Zugspannung,
3 die Bruchwahrscheinlichkeit von Dünngläsern als Funktion der Zeit,
4 einen Aufbau zur Ermittlung des Mittelwerts der Zugspannung beim Bruch in der Fläche von Dünnglas-Proben und dessen Standardabweichung,
5 einen Aufbau zur Ermittlung des Mittelwerts der Zugspannung bei vom Rand eines Dünnglases ausgehenden Brüchen und dessen Standardabweichung,
1 zeigt eine bevorzugte Anwendung der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung erfolgt ein Weiterverarbeiten eines Dünnglases 1 durch Aufwickeln des Dünnglases 1 in Form eines Dünnglasbands 2 zu einer Rolle 3. Die beiden Kanten 22, 23, beziehungsweise genauer die Längskanten des Dünnglasbandes 2 bilden dabei die Stirnflächen der Rolle 3. Gegebenenfalls kann die Rolle 3 auf einer Spindel aufgewickelt sein, so dass die Innenseite der Rolle 3 am Außenmantel der Spindel anliegt.
Das Dünnglas 1, beziehungsweise das Dünnglasband 2 kann in dieser Form für nachfolgende Verarbeitungsschritte wieder von der Rolle 3 abgewickelt werden. Diese Form der Konfektionierung von Dünnglas 1 ist besonders gut für automatisierte Fertigungsprozesse wie etwa das Auflaminieren auf elektronische Bauteile oder die Herstellung von Displays geeignet.
Um die Glasoberflächen zu schützen, kann wie bei dem in 1 gezeigten Beispiel noch ein Bahnmaterial 7 mit eingewickelt werden. Dieses Bahnmaterial trennt dann in der Rolle die aufeinanderfolgenden Glaslagen. Vorzugsweise wird Papier oder Kunststoff als Bahnmaterial 7 verwendet.
Wird der Fertigungsprozess automatisiert, ist es wichtig, dass das gesamte aufgewickelte Dünnglasband 2 keinen Bruch aufweist und beim automatisierten Abwickeln sich das Dünnglasband 2 auftrennt. Allerdings wird das Dünnglas 1 beim Aufwickeln gebogen. Mit dem Verbiegen geht eine Zugspannung einher, unter die eine der Seiten des Dünnglases 1 gesetzt wird. Die Zugspannung ist um so größer, je kleiner der Biegeradius ist. Der kleinste Biegeradius tritt beim aufgewickelten Dünnglasband 2 an der Innenseite 31 der Rolle 3 auf.
Nun kann zwischen der Weiterverarbeitung des Dünnglases 1 durch Aufwickeln zu einer Rolle 3 und dem Abwickeln in einem weiteren Fertigungsprozess einige Zeit vergehen. Typischerweise wird die Rolle 3 nach deren Herstellung für einige Zeit gelagert. Auch nimmt der Transport Zeit in Anspruch. Es zeigt sich nun, dass solche nachteiligen Glasbrüche bedingt durch die beim Biegen entstehende einseitige Zugspannung trotz der geringen Glasdicke auch zeitverzögert nach dem Aufwickeln auftreten können.
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 Dünnglas 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. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Weiterverarbeiten des Dünnglases 1 also ein Biegen des Dünnglases 1. 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.
Die Dicke t beträgt vorzugsweise weniger als 500µm, besonders bevorzugt höchstens 350 µm. Es wird weiterhin allgemein bevorzugt, dass die Glasdicke mindestens 5 µm beträgt.
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
Als Ausführungsbeispiel eines für Dünnglas geeigneten Glastyps sei ein alkalifreies Borosilikatglas genannt, welche folgende Komponenten in Gewichtsprozent aufweist:

SiO₂ 61

Al₂O₃ 18

B₂O₃ 10

CaO 5

BaO 3

MgO 3
Dieses Glas weist einen an Silizium angeglichenen Temperaturausdehnungskoeffizienten von 3,2·10^–6 1/K auf. Das Elastizitätsmodul, beziehungsweise der Young-Modulus hat einen Wert von E = 74,8 GPa. Die Poissonzahl liegt bei ν = 0,238.
Für einen Glasartikel in Form eines wie in 1 dargestellt, zu einer Rolle 3 aufgewickelten Dünnglasbandes 2, liegt der minimale Biegeradius R des Dünnglasbandes 2, aus dem gemäß Beziehung (3) die maximale Zugspannung σ_app resultiert, an der Innenseite 31 der Rolle 3 vor. Um die Rolle handhabbar und klein halten zu können, werden Biegeradien bevorzugt, bei welchen die maximale Zugspannung, die an der Innenseite 31 auftritt, aber mindestens 21 MPa beträgt.
Möglich sind allerdings auch anwendungsbedingte Fälle, bei denen auf das Dünnglas 1 Zugkräfte entlang der Seiten, beziehungsweise entlang der Oberflächen ausgeübt werden. In diesem Fall treten dann an beiden Seiten und im Volumen des Dünnglases Zugspannungen auf.
Unabbhängig davon, in welcher Form die Zugspannungen nach der Weiterverarbeitung auftreten, wird in Weiterbildung der Erfindung eine maximale Bruchquote Φ von 0,1 oder weniger, vorzugsweise weniger als 0,05 angestrebt. Mit der vorgegebenen Bruchquote kann dann nach den oben angegebenen Termen (1) oder (2) die zu dieser Bruchquote korrespondierende maximale Zugspannung σ_app und mit diesem Wert dann im Falle einer durch Biegung verursachten Zugspannung anhand von Beziehung (3) der minimale Biegeradius ermittelt werden.
In die Terme (1) oder (2), welche die zu einer vorgegebenen Bruchwahrscheinlichkeit innerhalb mindestens eines halben Jahres (Term (1)) oder länger (Term (2)) korrespondierende maximale Zugspannung angeben, geht auch die Fläche des Dünnglases und dessen Kantenlänge ein. Die Bruchwahrscheinlichkeit skaliert also mit der Größe und Form des Dünnglasartikels. Dies ist bedeutsam, da Dünngläser, insbesondere bei einem Zwischenprodukt wie einer Rolle 3 auch erhebliche Flächen aufweisen können. So wird es im Falle der Rolle 3 bevorzugt, dass ein Dünnglasband 2 mit einer Länge von mindestens 100 Metern aufgewickelt wird. Vorzugsweise liegt die Breite des Dünnglasbandes 2, beziehungsweise entsprechend der Rolle 3 bei 20 Zentimetern oder mehr. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird eine Dünnglasrolle 3 aus einem 20 Zentimeter breiten und 100 m langem Dünnglasband 2 mit einer Dicke von 50 µm hergestellt.
Anhand von 2 wird der Effekt der Skalierung der Bruchwahrscheinlichkeit verdeutlicht. 2 zeigt dabei ein Diagramm von Bruchwahrscheinlichkeiten, die anhand von Bruchtests ermittelt wurden, als Funktion der Zugspannung. Die gefüllt dargestellten Messwerte und die mit „A“ bezeichnete zugehörige Regressionsgerade wurden dabei durch Bruchtests an Proben ermittelt, welche eine Fläche von 80 mm2 aufwiesen. Die als offene Symbole dargestellten Werte mit zugehöriger Regressionsgerade „B“ ergeben sich durch Skalierung der Messwerte auf eine Fläche von 625 mm², die unter gleicher Last steht wie die Proben. Wie beispielsweise anhand der Schnittpunkte der beiden Regressionsgeraden mit der eingezeichneten Linie bei 66 MPa Zugspannung ersichtlich ist, steigt die Bruchwahrscheinlichkeit aufgrund der größeren Fläche um etwa eine Größenordnung an. Obwohl die Messungen zur Bruchfestigkeit mit dynamischer, insbesondere ansteigender Last durchgeführt werden, kann anhand dieser Bruchtests die Bruchwahrscheinlichkeit innerhalb eines vorbestimmten Zeitraums, insbesondere auch für lange Zeiträume von mindestens ½ Jahr unter einer statischen Last ermittelt werden.
3 zeigt die Bruchwahrscheinlichkeit F (entsprechend der Bruchquote Φ in den Termen (1) oder (2)) als Funktion der Lebensdauer t_lifetime in Jahren für Glasartikel mit einer skalierten Fläche von 625 mm² und einer statisch wirkenden Zugspannung von 66 MPa. Lebensdauern von ½ Jahr und mehr entsprechen den vorgegebenen Zeiträumen, für welche die Terme (1) oder (2) gültig sind.
4 zeigt schematisch einen Aufbau zur Ermittlung der Parameter σ _a und ∆_a, also dem Mittelwert der Zugspannung beim Bruch in der Fläche von Dünnglas-Proben und dessen Standardabweichung. Neben diesem im Folgenden erläuterten Aufbau sind auch alternative Meßanordnungen möglich.
Die Messung basiert darauf, dass die Parameter σ _a und ∆_a durch einen Bruchtest ermittelt werden, bei welchem eine Dünnglasprobe 10 ringförmig fixiert und mit einem Stempel 12 mit gewölbter, vorzugsweise kugelflächenförmiger Stempelfläche 120 bis zum Bruch belastet wird. Die Dünnglasprobe 10 wird, wie in 4 gezeigt, dazu auf einer ringförmigen, bevorzugt kreisringförmigen Auflagefläche 13 aufgelegt und festgehalten. Der Stempel 12 drückt mit einer Kraft F vorzugsweise mittig auf die Fläche der Dünnglasprobe 10 innerhalb der ringförmigen Auflagefläche 13. Die Kraft wird gesteigert, bis die Dünnglasprobe 10 bricht. Typischerweise wird bei der in 4 gezeigten Anordnung ein Bruch in der Fläche der Dünnglasprobe bewirkt, da die induzierten Zugspannung im Bereich der Auflagefläche des Stempels 12 auf der Fläche der Dünnglasprobe am größten ist.
Der Bruchtest wird mehrfach wiederholt. Anhand der beim Bruch vorliegenden Kraft kann dann die Zugspannung an der Oberfläche der Dünnglasprobe berechnet werden. Aus den Messwerten werden die mittlere Zugspannung beim Bruch σ _a , sowie deren Standardabweichung ∆_a ermittelt. Hierbei besteht die Möglichkeit, die einzelnen Kraftwerte in Zugspannungen umzurechnen und dann Mittelwert und Standardabweichung zu errechnen.
Für vom Rand des Dünnglases ausgehende Brüche sind andere Meßanordnungen, z.B. die nachfolgend in 5 dargestellte Meßanordnung geeignet. Mit dieser Meßanordnung werden dann analog die Parameter σ _e und ∆_e ermittelt.
Um eine ausreichend vertrauenswürdige Statistik für eine zuverlässige Festlegung der maximalen Zugspannung eines Glasartikels zu erhalten, werden gemäß einer Weiterbildung der Erfindung jeweils mindestens zwanzig, vorzugsweise mindestens 50 Proben 10 des Dünnglases 1 bis zum Bruch mit einer Zugspannung belastet, um die Parameter σ _a und ∆_a, sowie σ _e und ∆_e zu ermitteln. Bezogen auf die in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele werden demgemäß mindestens 20, vorzugsweise mindestens 50 gültige Bruchtests mit der in 4 dargestellten Anordnung und ebenfalls mindestens 20, vorzugsweise mindestens 50 Bruchtests mit der nachfolgend beschriebenen Anordnung gemäß 5 durchgeführt.
5 zeigt dazu einen Aufbau zur Ermittlung des Mittelwerts der Zugfestigkeit bei vom Rand eines Dünnglases ausgehenden Brüchen und deren Standardabweichung. Das mit der Anordnung durchgeführte Verfahren basiert darauf, dass die Parameter σ _e und ∆_e durch einen Biegetest ermittelt werden, bei welchem eine Dünnglasprobe 10 uniaxial bis zum Bruch gebogen wird. Bei der in 5 gezeigten Anordnung wird die Dünnglasprobe 10 zwischen zwei Backen 15, 16 geklemmt. Die Backen 15, 16 werden aufeinander zu bewegt, so dass sich die Dünnglasprobe 10 immer weiter verbiegt. Die Biegung erfolgt im Gegensatz zu der in 4 gezeigten Anordnung nur in einer Richtung. Der minimale Krümmungsradius R_min liegt dabei in der Mitte zwischen den beiden Backen. Stehen die Backen beispielsweise leicht schräg zueinander, so wird die Kante, bei welcher die Backen 15, 16 näher zueinander stehen, stärker belastet, als die gegenüberliegende Kante. Dementsprechend findet sich auch der minimale Krümmungsradius an dieser Kante. Es können aber auch beide Kanten 22, 23 gleichmäßig belastet werden.
Um beim Bruch die vorliegende Zugspannung an den Kanten und daraus nach Test mehrerer Dünnglasproben deren Mittelwert σ _e und Standardabweichung ∆_e zu ermitteln, gibt es mehrere Möglichkeiten. Gemäß einer Ausführungsform kann die auf den Backen 15, 16 lastende Kraft F gemessen und daraus die Spannung in der Dünnglasprobe 10 ermittelt werden.
Die Bruchspannung kann noch einfacher bestimmt werden, indem der beim Bruch vorliegende minimale Biegeradius R_min bestimmt und anhand dieses Wertes die korrespondierende Zugspannung an der Kante ermittelt wird. Dabei ist die Zugspannung σ umgekehrt proportional zum Biegeradius.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für das Herstellen einer Rolle aus aufgewickeltem Dünnglas beschrieben.
Es soll eine 100 m lange und 20 cm breite Glasbahn aus 0,05 mm dickem Dünnglas in Form eines Borosilikatglases der oben angegebenen Zusammensetzung mit einem Elastizitätsmodul E = 74.8 GPa und einer Poissonzahl ν = 0.238 auf eine Rolle gewickelt werden. Die Bruchwahrscheinlichkeit soll 1% (Φ = 0,01) während einer Lagerdauer von einem Jahr nicht übersteigen. Der Kernradius des Wickelkörpers wird nach Gleichung (3) gewählt. Mit Festigkeitsmessungen werden an Stichproben für die Flächenfestigkeit auf Basis von Normalverteilungen die Werte σ _a = 421 MPa (Mittelwert) und ∆_a = 35 MPa (Standardabweichung) für eine Referenzfläche von 121 mm² und für die Kantenfestigkeit die Werte σ _e = 171 MPa (Mittelwert) und ∆_e = 16.9 MPa (Standardabweichung) für eine Referenzlänge von 2 mm gemessen. Dabei können die anhand der 4 und 5 beschriebenen Anordnungen verwendet werden. Methoden zur Auswertung von Festigkeitsmessungen findet man beispielsweise auch in: K. Nattermann: "Fracture Statistics" in "Strength of Glass-Basics and Test Procedures", advanced course of the International Commission on Glass and Research Association of the German Glass Industry, Frankfurt (2006), ISBN 3-9210-8947-6).
Mit A_app = 0.2m × 100m = 20m² und L_app = 2 × 200m = 200m folgt dann
Die Kantenfestigkeit ist also hier der bestimmende Festigkeitsparameter bei der Auslegung des Rollenkerns.
Für die zulässige Biegespannung folgt hier nach Term (2) oder Gleichung (5): 0.93·Min(175MPa, 55MPa) = 0.93·55MPa = 51MPa .
Mit
und t = 0.05 mm kann dann der minimale Biegeradius der Dünnglasbahn nach Gleichung (3) zu R ≥ 1 / 2 79300MPa / 51MPa0.05mm = 39mm berechnet werden. Es kann nun nach oben auf einen nächstgrößeren Standard-Rollenkerndurchmesser, also beispielsweise D = 80 mm aufgerundet werden. Mit diesem Biegeradius, beziehungsweise Durchmesser wird auch der erfindungsgemäß bevorzugte Mindestwert der Zugspannung von 21 MPa überschritten, so dass einerseits eine kompakte Rolle erhalten wird, die andererseits aber dennoch eine niedrige Bruchwahrscheinlichkeit aufweist.
Bezugszeichenliste

1: Dünnglas
2: Dünnglasband
3: Rolle
7: Bahnmaterial
10: Dünnglasprobe
12: Stempel
13: ringförmige Auflagefläche
15, 16: Backen
31: Innenseite von 3
22, 23: Kanten
120: Stempelfläche

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 2013/0196163 A1 [0004]
US 8241751 B2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Nattermann: “Fracture Statistics” in “Strength of Glass-Basics and Test Procedures”, advanced course of the International Commission on Glass and Research Association of the German Glass Industry, Frankfurt (2006), ISBN 3-9210-8947-6) [0054]

Claims

Verfahren zur Weiterverarbeitung eines Dünnglases (1), insbesondere zur Weiterverarbeitung eines Dünnglasbands (2), bei welchem das Dünnglas (2) durch die Weiterverarbeitung unter eine Zugspannung σ_app gesetzt wird, welche kleiner ist als
σ _a und σ _e Mittelwerte der Zugspannung beim Bruch von Proben (10) des Dünnglases (1) unter Biegebeanspruchung sind, wobei L_ref die Kantenlänge und A_ref die Fläche der Proben (10) bezeichnen, wobei σ _a der Mittelwert der Zugspannung beim Bruch in der Fläche der Probe (10) und σ _e der Mittelwert der Zugspannung bei einem von der Kante der Probe (10) 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 Dünnglases (1) und L_app die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten (22, 23) des Dünnglases (1) und Φ eine vorgegebene maximale Bruchquote innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die vorgegebene maximale Bruchquote Φ 0,1 oder weniger, vorzugsweise weniger als 0,05 beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglas (2) durch die Weiterverarbeitung unter eine Zugspannung σ_app gesetzt wird, welche kleiner ist als
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Weiterverarbeiten des Dünnglases (1) ein Biegen des Dünnglases (1) umfasst, wobei der minimale Biegeradius R mit der Zugspannung σ_app in folgender Beziehung steht:
wobei E den Elastizitätsmodul, t die Dicke des Dünnglases und ν die Poissonzahl des Glases bezeichnen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Weiterverarbeiten des Dünnglases (1) das Aufwickeln eines Dünnglases (1) in Form eines Dünnglasbands (2) zu einer Rolle (3) umfasst.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, wobei der minimale Biegeradius R des Dünnglasbandes (2), aus dem die maximale Zugspannung σ_app resultiert, an der Innenseite (31) der Rolle (3) vorliegt.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dünnglasband (2) mit einer Länge von mindestens 100 Metern zu einer Rolle (3) aufgewickelt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dünnglas (1) weiterverarbeitet wird, welche eine Dicke von weniger als 500µm, vorzugsweise höchstens 350 µm aufweist.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dünnglas (1) durch die Weiterverarbeitung unter eine maximale Zugspannung gesetzt wird, die mindestens 21 MPa beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mindestens zwanzig, vorzugsweise mindestens 50 Proben (10) des Dünnglases (1) bis zum Bruch mit einer Zugspannung belastet werden, um die Parameter σ _a und ∆_a, sowie σ _e und ∆_e zu ermitteln.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter σ _a und ∆_a durch einen Bruchtest ermittelt werden, bei welchem eine Dünnglasprobe (10) ringförmig fixiert und mit einem Stempel (12) mit gewölbter, vorzugsweise kugelflächenförmiger Stempelfläche (120) bis zum Bruch belastet wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter σ _e und ∆_e durch einen Biegetest ermittelt werden, bei welchem eine Dünnglasprobe (10) uniaxial bis zum Bruch gebogen wird.
Dünnglasartikel, bei welchem das Dünnglas (1) unter eine Zugspannung σ_app gesetzt ist, welche kleiner ist als
σ _a und σ _e Mittelwerte der Zugspannung beim Bruch von Proben (10) des Dünnglases (1) unter Biegebeanspruchung sind, wobei L_ref die Kantenlänge und A_ref die Fläche der Proben (10) bezeichnen, wobei σ _a der Mittelwert der Zugspannung beim Bruch in der Fläche der Probe (10) und σ _e der Mittelwert der Zugspannung bei einem von der Kante der Probe (10) 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 Dünnglases (1) und L_app die addierte Kantenlänge gegenüberliegender Kanten (22, 23) des Dünnglases (1) und Φ eine maximale Bruchquote von höchstens 0,1 innerhalb eines Zeitraums von mindestens einem halben Jahr sind.
Dünnglasartikel gemäß dem vorstehenden Anspruch, in Form eines zu einer Rolle (3) aufgewickelten Dünnglasbandes (2), wobei der Radius R an der Innenseite (31) der Rolle (3) mit der Zugspannung σ_app in folgender Beziehung steht:
wobei E den Elastizitätsmodul, t die Dicke des Dünnglases und ν die Poissonzahl des Glases bezeichnen.
Dünnglasartikel gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, bei welchem das Dünnglas (1) unter eine Zugspannung σ_app gesetzt ist, welche kleiner ist als
Dünnglasartikel gemäß einem der drei vorstehenden Ansprüche, bei welchem dass das Dünnglas (1) unter einer maximalen Zugspannung steht, die mindestens 21 MPa beträgt.