Werkstücken

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur

spannungsarmen Herstellung von gelochten Werkstücken aus Glas, Glaskeramik oder Halbleitern.

Folien oder dünne Platten aus dielektrischen Materialien, beispielsweise aus Kunststoffen, Halbleitern oder Gläsern, können dadurch perforiert werden, dass Löcher in dem

Dielektrikum durch lokale elektrothermische Aufheizung bis zum Verdampfen des Materials entstehen. An den

Perforationsstellen erfolgt eine lokale Aufheizung des Materials, um die Durchschlagfeldstärke lokal abzusenken. Wenn dann an dem Material ein elektrisches

Hochspannungsfeld mit geeigneter Frequenz oder Impulsform angelegt wird, erfolgt ein Durchschlag, und es fließt ein elektrischer Strom durch das Material. Falls das Material eine ausreichend starke Zunahme der elektrischen

Leitfähigkeit von der Temperatur aufweist, wie es bei

Halbleitern, Gläsern, Glaskeramiken und vielen Kunststoffen der Fall ist, entsteht in dem Material eine

„elektrothermische Selbstfokussierung" des

Durchschlagkanals: Wo das Material heißer ist, nimmt auch die Stromdichte zu und heizt das Material lokal weiter, bis es verdampft und der Dampf gewissermaßen die Perforation „freibläst" . Die Dokumente WO 2009/059768 AI und WO 2009/074338 AI beschreiben die Herstellung von Perforationen durch

elektrisch isolierende Substrate, indem der prospektierten Lochungsstelle gezielt Wärmeenergie zugeführt wird und ein

BESTÄTIGUNGSKOPIE elektrisches Feld angelegt wird, um einen Stromfluss zu bewirken, der durch ein ström- und leistungsmodellierendes Element bestimmt wird. Eine Erwärmung des Werkstückes insgesamt erfolgt nicht.

Aus DE 10 2007 062 979 AI ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glasgegenstandes mit verbesserter

Thermoschockfestigkeit bekannt, nämlich einer Glasscheibe als Innenscheibe eines Gargerätes. Eine solche wannenförmig ausgebildete Glasscheibe wird direkt im Anschluss an ihre Formgebung oberflächlich auf ihrer Außenseite auf eine Temperatur im Bereich des Erweichungspunktes oder darüber hinaus rasch erwärmt, indem die betreffende Oberfläche mittels einer lokalen Heizquelle überstrichen wird. Zur Nachbehandlung der aufgeheizten Glasscheibe wird diese einem langsamen Abkühlungs- und Nachwärmeprozess in einem Kühlofen unterworfen.

Wenn Werkstücke aus Glas oder glasähnlichen Materialien elektrothermisch perforiert werden, können sehr hohe

Spannungszustände im Bereich der Lochränder auftreten.

Abhängig von der Geometrie des Werkstückes (Größe und

Muster der Löcher, Dicke und Ausdehnung des Werkstückes) sowie der Art des Glases können schädliche Zugspannungen von 50 MPa und mehr entstehen, gern auch vergesellschaftet mit schädlichen tangentialen Zugspannungen. Wenn im

Werkstück der Abstand der Löcher sehr klein sein muss, ist die Gefahr der Verformung, des Splitterns oder des Reißens solcher Werkstücke besonders groß, vor allem, wenn weitere Bearbeitungsschritte nachfolgen, beispielsweise die

Werkstücke beschichtet werden sollen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur spannungsarmen Herstellung von gelochten Werkstücken aus Glas, Glaskeramik oder Halbleitern

anzugeben, die elektrothermisch perforiert werden.

Gemäß Erfindung wird das zu lochende Werkstück in einen Bereich nahe der Transformationstemperatur erwärmt, bei de das Material des Werkstücks weich wird, jedoch nicht so lange in diesem Temperaturbereich gehalten wird, dass die Gefahr der Formveränderung des Werkstücks auftreten würde. Basierend auf einem elektrischen Hochspannungsfeld

geeigneter Frequenz oder Impulsform wird das Werkstück perforiert. Bei diesem Vorgang fließt zunehmend ein elektrischer Strom, der das Lochmaterial erhitzt und verdampfen lässt. Das gelochte Werkstück, welches im

Randbereich der Perforationen eine höhere Temperatur als i sonstigen Bereichen aufweist, wird nunmehr so langsam abkühlen lassen, dass die durch den Perforationsprozess bedingten mechanischen Spannungen relaxieren.

Der Schritt des Abkühlens kann auch nach Art des

Pendelglühens erfolgen, bei dem das gelochte Werkstück wieder erhitzt wird, bevor es auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Die Wiedererhitzung erfolgt zweckmäßig bis in einen Temperaturbereich um die Transformationstemperatur des Materials des Werkstücks.

Mit der Erfindung wird erreicht, dass die Bildung von thermisch induzierten Spannungszuständen weitgehend umgangen wird bzw. bereits gebildete Spannungszustände verringert oder sogar zum Verschwinden gebracht werden. Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben.

Diese zeigt schematisch den Ablauf der Erzeugung von gelochten Werkstücken. Ein plattenförmiges Werkstück 1 aus Glas, Glaskeramik oder aus einem Halbleiter wird in einen Ofen 2 verbracht, um dort auf eine Temperatur nahe der Transformationstemperatur des Materials des Werkstücks aufgeheizt zu werden. Bei der Transformationstemperatur wird das Material weich, ohne dass jedoch das Werkstück in der Kürze der Verweilzeit bei dieser Temperatur seine Form verliert. Man bewegt sich in einem Viskositätsbereich zwischen 10 ¹² bis 10 ¹⁴

decipascal . s , d.h. in einem Bereich knapp unterhalb bis knapp oberhalb der Transformationstemperatur.

Das so thermisch vorbehandelte Werkstück 1 wird in eine Perforationsapparatur 3 verbracht, die einen

Bearbeitungsraum 30 sowie Elektroden und Gegenelektroden 31, 32 aufweist. Ein Hochspannungsgenerator 33 erregt die Elektroden 31, 32 derart, dass das Werkstück 1 einem elektrischen Hochspannungsfeld mit geeigneter Frequenz oder Impulsform unterliegt. Das Hochspannungsfeld macht sich an einzelnen Stellen bemerkbar, die durch Pfeile 34 markiert sind. An diesen Stellen übersteigt das Hochspannungsfeld die Durchschlagfestigkeit des Materials des Werkstücks 1, so dass ein elektrischer Strom quer durch das Werkstück fließt, der das Material örtlich aufheizt, wodurch sich der Strom verstärkt und die erzeugte Wärme zunimmt, bis das Material an diesen Stellen verdampft. Es werden einzelne Löcher 10 sozusagen freigeblasen. Diese Löcher 10 entstehen im Wesentlichen senkrecht zur Werkstückoberfläche und weisen annähernd zirkuläre Kontur auf. Nach Herstellung der Löcher 10 wird das Werkstück 1 in den Ofen 2 zurück verbracht, der nunmehr als Kühlofen betrieben wird. Die Abkühlungsrate ist derart, dass die mechanischen Spannungen, welche durch den Perforationsprozess erzeugt worden sind, relaxieren. Die Abkühlungsrate kann im Bereich von -0,5 bis -5°C/min liegen, Bei Werkstücken aus Glas wird eine Abkühlungsrate mit etwa -2°C/min im Temperaturbereich nahe der Transformationstemperatur bevorzugt. Im

Temperaturbereich fernab von der Transformationstemperatur kann eine raschere Abkühlung betrieben werden, weil die Spannungsrelaxion bereits eingetreten ist. Im Falle von alkalifreiem oder alkaliarmem Glas liegt die

Transformationstemperatur bei etwa 700°C. Es wird mit einer AufWärmtemperatur in einem Bereich von 650°C bis 730°C gearbeitet .

Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann der Ofen 2 als Pendelglühofen betrieben werden. Dies bedeutet, dass man das gelochte Werkstück erneut bis in einen Bereich nahe der Transformationstemperatur aufheizt und erneut abkühlen lässt, so dass vollständige Relaxion des Werkstücks

erwartet werden kann.