ES2278302T3 - Acristalamiento que comprende lineas de ruptura. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para producir zonas de ruptura intencionadamente previstas en un cristal, en el que se provocan sobrecalentamientos locales de la estructura del vidrio con la ayuda de un haz energético que penetra en el vidrio en el que se producen zonas de ruptura intencionalmente previstas (5) guiando secuencialmente el haz según un trazado predeterminado (linea 3) siguiendo el trazado preferido de la ruptura del cristal (1) así como enfocando secuencialmente el haz tanto a lo largo de ese trazado (línea 3) como a diferentes profundidades con relación a la superficie del cristal (1), caracterizado porque el enfoque secuencial a diferentes profundidades de penetración sigue una línea inclinada y/o curva con relación a la normal a la superficie del vidrio de tal manera que se crea en el cristal una estructura de debilitación, con el fin de obtener un comportamiento de ruptura del cristal (1) diferente en función de la dirección de acción de la solicitación que conduce a la ruptura.

Description

Acristalamiento que comprende líneas de ruptura.

La invención se refiere a un procedimiento para producir zonas de ruptura intencionadamente previstas en cristales, que presenta las características del preámbulo de la reivindicación 1.

En la solicitud de patente alemana anterior 102 25 555.5-21 se describen cristales laminares con zonas de ruptura intencionadamente previstas de utilizar en vehículos (como parabrisas o cristales de techo). En caso de golpe de un peatón, de un ciclista, ... implicado en una colisión con el vehículo, el cristal laminar a causa del choque cede claramente más fácilmente que los cristales laminares convencionales, de manera que la intensidad del choque se atenúa intensamente y se minimizan los riesgos de herida.

En la solicitud de la patente citada anteriormente se discuten numerosas posibilidades muy conocidas para producir tales zonas de ruptura intencionadamente previstas; se hace referencia aquí a estas consideraciones.

Según la solicitud anterior, un debilitamiento del cristal se produce preferentemente por la creación de un gradiente de cohesión limitado localmente, es decir, de un estado de cohesión heterogénea en el vidrio que reduce de manera dirigida y localmente limitada la resistencia a la ruptura del vidrio. El gradiente de cohesión se presenta tanto sobre el espesor del vidrio como sobre la superficie del vidrio. Bajo una carga, debida por ejemplo a una curvatura del cristal, y excediendo una medida determinada, se sobrepasa la resistencia en la zona del gradiente de cohesión y el cristal se rompe.

Un gradiente de cohesión localmente limitado se puede crear por un calentamiento local del cristal por encima de su temperatura de transformación seguido de un enfriamiento rápido. Este procedimiento de pre-cohesión térmica está muy difundido, pero en los procedimientos conocidos se calienta el cristal entero y se templa de manera homogénea. El calentamiento local se puede efectuar por ejemplo con la ayuda de un láser o de una llama de gas.

Bajo el enlace de internet "http://www.vitro.de" se describe un procedimiento con el que se realizan estructuras espaciales visibles, por ejemplo retratos de personas, en material de vidrio mediante un dispositivo de láser dirigido por un ordenador y un robot. Evidentemente una modificación de la estructura se provoca por sobrecalentamiento por un enfoque apropiado de la radiación láser a profundidades de penetración determinadas.

El documento DE 199 57 317 enseña líneas de ruptura perpendiculares con relación al encristalado, el cual no puede presentar un comportamiento diferente según la cara solicitada por un choque.

El problema en la base de la invención es proponer otro procedimiento con el que se puede crear en un cristal modificaciones locales de la estructura que favorecen la ruptura de ésta en caso de sobrecarga, con un comportamiento diferente según la cara solicitada del cristal.

De acuerdo con la invención, este problema se resuelve con las características de la reivindicación 1. Las características de las reivindicaciones dependientes indican perfeccionamientos ventajosos de la invención.

Un procedimiento tal como el procedimiento mencionado anteriormente, adaptado para decoraciones y reproducciones, con el objetivo de la desestructuración local de material de vidrio con la ayuda de una radiación energética enfocable a diferentes profundidades de penetración bajo la dirección de un programa, en particular una radiación láser, se puede utilizar de acuerdo con la invención para la fabricación de zonas de ruptura intencionadamente previstas en cristales. De manera particularmente conveniente la evolución de la ruptura se puede predeterminar en este caso de manera muy precisa formando microfisuras en la masa del vidrio, de una manera un poco comparable a una perforación. Si embargo, esta desestructuración no debe afectar necesariamente a la superficie del cristal, como sería el caso por ejemplo con rozaduras muy conocidas. Por el contrario, el procedimiento de acuerdo con la invención permite provocar una debilitación interna del o de los cristal(es) a una distancia adecuada, más o menos corta, de las dos superficies.

Un método usual para producir microfisuras es el enfoque de pulsos láser en la materia transparente. Sin embargo, se podría imaginar también un sobrecalentamiento únicamente por una irradiación continua (funcionamiento del láser de onda continua), que produce fisuras de cohesión. En la región del foco, o bien se produce un sobrecalentamiento debido a la absorción residual del vidrio a la longitud de onda del láser utilizado, o bien los enlaces en el vidrio se rompen por efecto fotoquímico por la absorción de varios fotones de una vez (absorción multifotónica), respectivamente partes de la matriz del vidrio se ionizan y se fragmentan después.

Por el enfoque de un láser que tiene una longitud de onda de por ejemplo 1064 nm o 532 nm (típicas en el espectro infrarrojo [láser de Nd:YAG] y en el espectro visible), el vidrio se destruye bruscamente localmente en una zona de algunos micrómetros a menos de cien micrómetros, de tal manera que en el vidrio quedan microfisuras a lo largo de las cuales el vidrio se rompe durante un choque ulterior.

Si ahora se hace correr sobre el vidrio un haz láser enfocado con una velocidad tal que los focos de los pulsos individuales se posicionen separadamente en el vidrio, entonces se puede describir como sigue el aspecto de un punto de microdaño individual:

Dado que la estructura aproximada de un punto de fisura es en general análoga a una imagen de distribución de la intensidad en el foco (la materia se ha desplazado, destruído o transformado allí en donde la intensidad del láser era aún suficientemente grande), se puede representar ese punto de microdaño mediante una forma análoga a una hipérbola que gira alrededor del eje de ordenadas (análogo a un reloj de arena). Este aspecto proviene del hecho de que un haz láser homogéneo enfocado posee en general un espesor estricto mínimo (el diámetro de una haz láser enfocado en el punto más estrecho es siempre definido), parecido al conducto estrecho entre las dos ampollas de un reloj de arena.

La disposición espacial de las zonas de debilitación o de menor resistencia en la solidez del vidrio y su tamaño y/o sus dimensiones pueden definirse así de manera muy precisa. Además, también es posible regular de manera dirigida un trazado en la zona de debilitación sobre el espesor del cristal. Evidentemente la zona de debilitación o de menor resistencia puede penetrar en profundidad perpendicularmente a la superficie. Sin embargo esto no es absolutamente necesario. Por el contrario, la aplicación de las tecnologías y de los dispositivos conocidos permite en sí realizar un trazado completo de la debilitación a través del espesor del cristal. En particular es posible crear una especie de estructura de debilitación de forma general de cono (o de cuña) con la que el comportamiento en la ruptura es diferente según la dirección de acción de la solicitación que conduce a la ruptura. El término cono no debe considerarse en su sentido de forma geométrica exacta (aunque eso no sea excluido). Significa que las líneas de debilitación a través de la lámina del cristal son divergentes cuando se recorre el perímetro del encristalado. En particular, como el encristalado comprende generalmente cuatro lados principales, se puede decir que las líneas son esencialmente divergentes dos a dos, es decir, que existen dos grupos de dos líneas de debilitación, estando situada cada línea de cada grupo en el otro lado del encristalado con relación a la otra línea del mismo grupo y siendo divergente con relación a ella en la lámina del encristalado. El hecho de que las líneas de debilitación sean oblicuas (o inclinadas) con respecto a la normal perpendicular al encristalado confiere al encristalado un comportamiento al choque diferente según que el choque golpee sobre una cara o sobre la otra cara del encristalado (generalmente ya sea la cara cóncava o la cara convexa). Este efecto comienza de hecho incluso desde que una línea de debilitación es al menos parcialmente oblicua (o inclinada) con relación a la lámina del encristalado. Por tanto no es indispensable que la integridad de la línea de debilitación sea oblíca sobre la totalidad del perímetro del encristalado.

Así, la invención se refiere en primer lugar a un procedimiento para producir zonas de ruptura intencionadamente previstas en un cristal, en el que se provocan sobrecalentamientos locales de la estructura del vidrio con la ayuda de un haz energético que penetra en el vidrio, en el que se producen las zonas de ruptura intencionadamente previstas (5) guiando secuencialmente el haz según un trazado predeterminado (línea 3) siguiendo el trazado preferido de la ruptura del cristal (1) así como enfocando secuencialmente el haz tanto a lo largo de ese trazado (línea 3) como a diferentes profundidades con respecto a la superficie del cristal (1) siguiendo el enfoque secuencial a diferentes profundidades una línea inclinada y/o curva con relación a la normal a la superficie del vidrio de tal manera que se crea en el cristal una estructura de debilitación, con el fin de obtener un comportamiento de ruptura del cristal (1) diferente en función de la dirección de acción de la solicitación que conduce a la ruptura. La definición de la invención que se acaba de dar abarca el hecho de que la línea de debilitación puede no ser más curva o inclinada que al menos parcialmente.

Las zonas de debilitación pueden además realizarse no solamente de manera continua, sino también en forma de líneas interrumpidas o punteadas con interrupciones a modo de perforación, respecto de una distribución de puntos en tres dimensiones. Del mismo modo se pueden imaginar microfisuras solamente a una profundidad determinada del cristal. Esas medidas favorecen la realización de la condición según la cual un cristal "debilitado" de esta manera no se rompe en todos los casos más que durante la aplicación de una sobrecarga sensible.

Para influir en la evolución ulterior de la ruptura, se puede además adaptar la inclinación de un haz láser incidente con respecto a la forma del cristal (es decir, una inclinación determinada con respecto a la normal al cristal en el punto de ejecución), de tal manera que una dirección de fisura aparecida preferentemente en un tal punto de microdaño obtenido por el enfoque de un láser se superpone al trazado ulterior deseado de la fisura de tal manera que esas fisuras se propagan de la manera deseada durante una ruptura ulterior del cristal.

El procedimiento se puede aplicar también sin dificultad en el caso de cristales laminados, es decir, antes o después del ensamble de los cristales en un producto acabado. La capa de goma entre los cristales rígidos de tal producto compuesto puede en este caso disociarse de la debilitación. Así, se conserva una resistencia a la penetración suficiente contra una tentativa de fractura, a pesar de la debilitación del
cristal.

Se puede asegurar por ejemplo que este mismo cristal, por ejemplo un parabrisas de un vehículo, sea relativamente flexible en caso de ruptura después del choque de un cuerpo procedente del lado exterior y capte ese cuerpo en el sentido de la invención anterior, pero que al mismo tiempo un pasajero del vehículo chocando desde el lado interior del vehículo sea protegido de manera segura contra el riesgo de ser expulsado fuera del vehículo.

Las zonas de ruptura intencionadamente previstas en el vidrio, respecto de su trazado, pueden ser visibles o invisibles, según la energía o la potencia del haz energético. Sin embargo, en el caso de zonas de ruptura visibles se les puede enmascarar a la vista, si fuese necesario, en las zonas próximas al borde de los cristales tratados, por marcos coloreados opacos que son de uso generalizado en los cristales de
vehículos.

Los daños causados en el vidrio por el láser se pueden repartir en daños visibles y daños invisibles.

Los daños visibles en el vidrio se producen cuando la energía de la radiación o la potencia de la radiación es tan grande ("radiación superior al umbral") que sobreviene un daño, por ejemplo microfisuras, visible (a simple vista) en el lugar tratado por la radiación. En tal circunstancia, un umbral determinado de la energía y/o de la potencia que es característico del medio tratado por la radiación (y que por otra parte puede depender también de la historia anterior del lugar tratado) se ha sobrepasado y se ha creado una estructura de fisura.

Se habla de daños invisibles en el vidrio cuando la energía de la radiación o la potencia de la radiación no es suficientemente elevada ("radiación inferior al umbral") para provocar un daño visible (no a simple vista, sino al microscopio óptico), pero que se produce un daño visible por una exposición repetida del mismo sitio a una "radiación inferior al umbral" por la acción de una solicitación térmica o mecánica ("fatiga de la materia").. Para la producción de zonas de ruptura invisibles se puede utilizar la técnica descrita en "Statistical study of single and multiple pulse laser-induced damage in glasses", Optics Express, 16 diciembre 2002, vol. 10, n° 25, p. 1465. Los mecanismos que intervienen aquí no se comprenden todavía con exactitud, pero se considera en general que un daño en el vidrio sobreviene en una zona expuesta del vidrio primeramente respecto a "precursores" (cebos del sitio ulteriormente dañado en el vidrio). Estos "precursores" pueden ser defectos, impurezas o centros de color. Sin embargo se debe señalar que en el objetivo de los autores no estaba crear en caso alguno una debilitación cualquiera del soporte sometido a la radiación.

Es evidente que los daños previos que se discuten aquí deben ser visibles al menos al microscopio, porque se trata de características importantes para la seguridad de los cristales correspondientes que deben adecuarse a los procedimientos nacionales de homologación y que deben desde entonces poder verificarse por terceros a un coste aceptable.

Otros detalles y ventajas del objetivo de la invención se desprenderán de los dibujos de algunos ejemplos de realización y de su descripción detallada que sigue.

En esos dibujos en representación simplificada:

la Fig. 1 es una vista de un cristal, a lo largo de cuyo borde se ha producido una zona de debilitación periférica;

la Fig. 2 muestra un corte transversal a través de un cristal provisto de zonas de debilitación;

la Fig. 3 presenta un conjunto de diferentes trazados posibles de zonas de debilitación sobre el espesor de un cristal.

la Fig. 4 muestra una vista de un cristal a lo largo de cuyo borde se ha producido una zona de debilitación no totalmente periférica.

De acuerdo con la Fig. 1, un cristal 1 realizado como parabrisas de vehículo está dotado de una zona de debilitación 3 que se extiende a lo largo de su borde exterior 2 y se indica por una línea interrumpida. En el cristal real 1 esta zona está recubierta por una banda de pintura coloreada opaca 4 de la que no se puede ver aquí más que el borde interior.

Se precisa explícitamente que este procedimiento puede también aplicarse naturalmente para la producción de cristales a usar en edificios.

En la Fig. 2 se ve que se han creado microfisuras 5 en dos grupos dispuestos a la derecha, respecto a la izquierda de dos líneas finas en trazo mixto, en la masa del vidrio de un cristal monolítico 1' representado aquí por un solo fragmento pequeño. En total éstas pueden formar una zona de debilitación periférica 3 del tipo ilustrado en la Fig. 1.

Sin embargo el objetivo de la invención se puede alcanzar también cuando se produce en un cristal solamente al menos 2 zonas de debilitación o líneas de debilitación situadas una frente a la otra, que no están trazadas sobre la totalidad de la periferia del cristal, a diferencia de la representación de la Fig. 1. Pueden estar previstas en la proximidad del borde, por ejemplo únicamente a lo largo de las dos aristas cortas laterales o únicamente a lo largo de las dos aristas largas laterales del cristal 1, y se extienden entonces preferentemente hasta el borde exterior de éste. Encierran entre ellas una región de la superficie del cristal 1. En un corte a través del cristal se obtiene entonces sensiblemente la imagen visible en la Fig. 2.

Se ve que las microfisuras 5 no afectan a las superficies del cristal 1, pero se encuentran exclusivamente en el interior de la masa del vidrio.

Además, no están realizadas en continuo, sino como una línea interrumpida con interrupciones a modo de una perforación. Incluso en el trazado longitudinal de la zona de debilitación 3 las microfisuras no deben ser continuas obligatoriamente.

Por último, la Fig. 2 muestra también que las microfisuras 5 siguen en el interior del espesor del cristal un trazado acodillado e inclinado con respecto a la perpendicular o a la normal respectiva sobre la superficie del cristal. Los grupos de microfisuras situados a la derecha y a la izquierda uno frente a otro están en este caso orientados en sentido contrario. En total, se forma así entre los grupos de microfisuras una pieza (un trozo) de ruptura con un contorno de ruptura sensiblemente en forma de cono o de cuña, es decir, que tiene superficies divergentes. Estas superficies divergentes se encuentran dos a dos en una y otra parte de la pieza (la línea de debilitación 5 a la derecha y la línea de debilitación 5 a la izquierda divergente). Bajo la acción de una fuerza que conduce a la ruptura a partir del lado cóncavo del cristal 1', se observa un comportamiento de ruptura diferente del que corresponde a una fuerza que actúa a partir del lado convexo del cristal 1'. En este último caso el cristal será más flexible, mientras que en el primer caso se puede contar con un efecto de sostén que resulta del recubrimiento de las aristas de ruptura de una y otra parte en el sentido de la fuerza. Para el caso de aplicación concreto, los trazados de las microfisuras y de las zonas de debilitación se deben naturalmente optimizar por pruebas; la disposición ilustrada aquí sin escala particular no sirve más que para una ilustración simbólica esquemática.

Una reacción de ruptura diferente según la dirección de acción se puede obtener cuando se conducen las microfisuras hasta en la superficie sobre una de las caras del cristal, cuando sin embargo se les hace terminar más o menos lejos antes de alcanzar la superficie en la otra cara. Manifiestamente esto equivale a una raja (al menos parcial) en la superficie correspondiente y favorece la propagación de la fisura a lo largo y a partir de esta superficie previamente
dañada.

La Fig. 3 muestra aún toda una serie de variantes de configuraciones, en las que se pueden formar microfisuras 5 en cristales; completamente a la izquierda se muestra un trazado rectilíneo que es perpendicular a la superficie del cristal, y a la derecha de éste un trazado rectilíneo inclinado a alrededor de 45º con relación a las superficies (aquí los extremos de las fisuras se extienden hasta la superficie), y después dos trazados curvos diferentes. Finalmente, completamente a la derecha se ha representado un único "punto de microdaño" Una serie de tales puntos aislados, particularmente poco visibles, a formar según el trazado de la línea 3 en la Fig. 1 puede en ciertos casos ser suficiente para alcanzar el efecto deseado. Todas estas configuraciones y otras variantes numerosas se pueden realizar de manera reproducible con el procedimiento de haz láser, de poco coste relativo, de una manera muy mecanizada con máquina y en poco
tiempo.

La Fig. 4 muestra un cristal 1 que constituye un parabrisas de vehículo dotado de dos líneas de debilitación 3 y 3' que se extienden a lo largo de su borde exterior 2 y se indican por una línea punteada. Los dos grupos de líneas 3 y 3' no se juntan de manera que dejen más resistencia al parabrisas en caso de choque. Las líneas de debilitación se recubren por una banda de pintura coloreada opaca 4. El encristalado tiene bien dos grupos de dos líneas de debilitación (el grupo de las dos líneas 3 por una parte y el grupo de las dos líneas 3' por otra parte). En el interior de los dos grupos, cada línea es oblícua a través de la lámina, es decir, con relación a la normal al encristalado en el mismo sitio que la línea.

Claims (17)

1. Procedimiento para producir zonas de ruptura intencionadamente previstas en un cristal, en el que se provocan sobrecalentamientos locales de la estructura del vidrio con la ayuda de un haz energético que penetra en el vidrio en el que se producen zonas de ruptura intencionalmente previstas (5) guiando secuencialmente el haz según un trazado predeterminado (linea 3) siguiendo el trazado preferido de la ruptura del cristal (1) así como enfocando secuencialmente el haz tanto a lo largo de ese trazado (línea 3) como a diferentes profundidades con relación a la superficie del cristal (1), caracterizado porque el enfoque secuencial a diferentes profundidades de penetración sigue una línea inclinada y/o curva con relación a la normal a la superficie del vidrio de tal manera que se crea en el cristal una estructura de debilitación, con el fin de obtener un comportamiento de ruptura del cristal (1) diferente en función de la dirección de acción de la solicitación que conduce a la ruptura.

2. Procedimiento según la reivindicación precedente, caracterizado porque la estructura de debilitación está en forma de cono o cuña.

3. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque se producen las zonas de ruptura intencionadamente previstas (5) en al menos dos líneas situadas una frente a la otra y encerrando entre ellas una región de la superficie del cristal (1).

4. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque se forma en total una zona de debilitación periférica (3) por las zonas de ruptura intencionadamente previstas.

5. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2 ó 3, caracterizado porque se disponen las zonas de ruptura intencionadamente previstas (5) de manera continua o discontinua a lo largo del trazado (línea 3).

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se proporcionan zonas de ruptura intencionadamente previstas a uno o varios cristales integrados o a integrar en un cristal laminado.

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se crean microfisuras que forman las zonas de ruptura intencionadamente previstas en la masa del vidrio sin degradar una o las dos superficies del vidrio.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes 1 a 5, caracterizado porque se producen microfisuras que salen sobre al menos una superficie del cristal.

9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se oculta a la vista zonas de ruptura intencionadamente previstas o las zonas de debilitación del cristal.

10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se utiliza un láser con una longitud de onda de 1064 nm o de 532 nm.

11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la radiación energética presenta las propiedades siguientes: una energía o una potencia que no es suficiente para producir un daño visible (a simple vista), pero que produce en o sobre el vidrio un daño inicial, que puede evolucionar en una fisura, o también en un daño visible en el vidrio, bajo una nueva exposición a una radiación energética o a una solicitación térmica, química o mecánica.

12. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque una radiación energética o ionizante en o sobre una materia al menos parcialmente transparente para ese tipo de radiación con objeto de crear zonas de ruptura intencionadamente previstas, zonas de debilitación o defectos conduce, por la constitución química o física dirigida del medio local del sitio a tratar, a una radiación enfocada, a una emisión estimulada o a una super-radiación y por ello a una densidad de radiación local aumentada en la región a
tratar.

13. Cristal (1) con al menos una zona de debilitación (3) que favorece una ruptura a lo largo de un trazado de ruptura predeterminada en caso de sobrecarga del cristal, que se ha producido por la creación de microfisuras con la ayuda de una radiación energética, en particular con un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que esta zona de debilitación (3), considerada en corte transversal a través del espesor del cristal (1), tiene un trazado inclinado con respecto a la normal a la superficie del vidrio y/o un trazado curvo.

14. Cristal según la reivindicación precedente, cuya zona de debilitación (3) está formada por al menos dos líneas que encierran entre ellas una región de la superficie del cristal y continuando en particular hasta las aristas del cristal.

15. Cristal según una de las reivindicaciones de cristal precedentes, cuya zona de debilitación (3) describe una línea periférica a distancia del borde exterior, de tal manera que resulta de ello un trozo de ruptura que tiene un contorno de ruptura sensiblemente en forma de cono o cuña.

16. Cristal según una de las reivindicaciones de cristal precedentes, en el que la zona de debilitación (3) consta de microfisuras (5) que salen sobre al menos una cara para producir una reacción de ruptura preferida.

17. Utilización de un cristal de una de las reivindicaciones de cristal precedentes como parabrisas curvo en un vehículo de motor, en el que zonas de debilitación (5) situadas una frente a otra están orientadas en sentido contrario y divergente desde la cara convexa a la cara cóncava del cristal (1), de tal manera que este último sea relativamente flexible en caso de ruptura a continuación del choque de un cuerpo procedente del lado exterior.