DE10045373A1

DE10045373A1 - Verfahren zum Erwärmen von Glas-Halbzeugen über die Klebetemperatur

Info

Publication number: DE10045373A1
Application number: DE10045373A
Authority: DE
Inventors: Andreas Langsdorf; Hildegard Roemer
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2000-09-14
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2020-09-15
Also published as: JP2002179432A; US6829909B2; US20020029589A1; DE10045373B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufheizen und Ausformen eines Vorformlings aus Glas oder Glaskeramik. DOLLAR A Gemäß der Erfindung umfaßt ein solches Verfahren die folgenden Verfahrensschritte: DOLLAR A - der Vorformling wird auf konventionelle Weise hergestellt; DOLLAR A - der Vorformling wird in einer ersten Aufheizphase auf eine Temperatur aufgeheizt, die unterhalb der Klebetemperatur des Gases bzw. unterhalb der kritischen Viskosität liegt; DOLLAR A - der Vorformling wird während einer zweiten Aufheizphase in einer Levitationsform durch Zufuhr von Levitationsgas in einen Schwebezustand versetzt; DOLLAR A - der Vorformling wird in seinem Schwebezustand durch eine Mikrowellen-Heizeinrichtung auf eine Temperatur aufgeheizt, die seine Verformung zuläßt; DOLLAR A - der Vorformling wird an eine Formstation abgegeben.

Description

Die Erfindung betrifft das Herstellen eines Formlings aus Glas oder Glaskeramik.

Es ist bekannt, daß beim Ausformen eines Formlings aus Glas in einem bestimmten Temperaturbereich bzw. Viskositätsbereich ein Kleben des Glases eintritt. Das Glas klebt somit an der Form fest. Die kritische Viskosität liegt bei ca. 10⁸ dPa.s.

EP 070 760 A1 zeigt und beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Herstellen eines Formlings aus Glas. Dabei wird ein Posten der heißen Schmelze in eine Form überführt. Die Wände der Form sind porös. Die Poren sind mit Gasanschlüssen leitend verbunden. Wird Gas in die Anschlüsse eingeleitet, so tritt dies aus den Poren aus und verhindert einen Kontakt zwischen dem Glas und den Innenflächen der Formwände.

Die genannte Form, eine sogenannte Levitationsform, hat eine Temperatur, die im allgemeinen unter der kritischen Klebetemperatur des Glases liegt. Dabei kann aufgrund des Wärmeinhalts im Glasposten eine gewisse Temperaturdifferenz zwischen der Levitationsform und den Glasposten toleriert werden.

Nicht immer ist es erwünscht, die heiße Schmelze unmittelbar in eine Levitationsform zu überführen. Häufig möchte man stattdessen zunächst Vorformlinge aus Glas herstellen und diese sodann in einer Levitationsform aufheizen, um sie dort endgültig auszuformen. Dies bedeutet, daß der Vorformling in der Levitationsform selbst erwärmt werden muß. Siehe zum Beispiel JP 61/14146. Der Vorformling wird somit im kalten Zustand in die Levitationsform eingebracht. Dort muß er auf Verformungstemperatur erhitzt werden, was erhebliche Wärmemengen und relativ lange Zeiträume erfordert. Beim Erhitzen durchläuft die Temperatur des Vorformlings die kritische Zone. Dabei besteht die Gefahr eines Verklebens des Glases an den Wänden des Formbehälters, ungeachtet dessen, daß der Vorformling durch das Gas in der Schwebe gehalten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vorformling, der in kaltem Zustand vorliegt, auf Verformungstemperatur zu bringen und in einer Formgebungsmaschine auszuformen, ohne daß die Gefahr des Verklebens besteht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der selbständigen Ansprüche gelöst.

Die Erfinder sind dabei einen ebenso einfachen wie richtigen Lösungsweg gegangen. Sie schlagen demgemäß vor, den Vorformling zunächst auf konventionelle Weise herzustellen, in eine Levitationsform zu überführen, ihn in der Levitationsform vorzuheizen, und zwar auf eine Temperatur, die unterhalb der Klebetemperatur des Glases liegt, sodann einen Wärmestoß auf den Vorformling aufzubringen, und zwar mittels Mikrowellen-Einwirkung, bei gleichzeitiger Gaszufuhr, so daß sich der Vorformling in der Schwebe befindet, und schließlich - nach Überschreiten der kritischen Klebetemperatur und Erreichen der erwünschten Formgebungstemperatur - den Vorformling in einer Formgebungsmaschine zu überführen.

Das Aufheizen des Vorformlings erfolgt somit in zwei Phasen. In der ersten Aufheizphase wird der Vorformling auf eine Temperatur aufgeheizt, die unterhalb der kritischen Klebetemperatur liegt. In der zweiten Aufheizphase wird die Klebetemperatur durchschritten und erreicht den für die Formgebung notwendigen, hohen Temperaturwert.

Die Erfindung bringt die folgenden Vorteile mit sich:

- Die erste Aufheizphase des Vorformlings verursacht keinerlei technische Probleme. Art und Dauer der ersten Aufheizphase sind unerheblich und daher unproblematisch. Während der ersten Aufheizphase bedarf es keiner Gaslevitation.
- Die zweite Aufheizphase erfolgt durch Wahl des Aufheizmittels - nämlich eines Mikrowellen-Resonators - äußerst schnell. Diese zweite Aufheizphase bedarf nur weniger Sekunden. Somit sind keine langen Haltezeiten auf der Gaslevitationsmembran notwendig. Etwaige Kontakte zwischen Vorformling und Wandung der Form sind derart minimal, falls überhaupt vorhanden, daß Verklebungen nicht oder nur im geringsten Maße auftreten.
- Die zur Levitation notwendige Gasmenge ist wegen der geringen Zeitspanne der zweiten Aufheizung gering.
- Der Energieverlust zufolge des Überganges von Wärme von dem nunmehr sehr heißen Vorformling auf die relativ kalte Umgebung (Membran) ist wegen der kurzen Zeitspanne der zweiten Aufheizphase ebenfalls gering.
- Im Gegensatz zu dem Stand der Technik wird ausschließlich der Vorformling aufgeheizt, nicht aber die Umgebung, und somit auch nicht die Membran der Form, so daß sich eine weitere Energieeinsparung gegenüber konventionellen Verfahren und Vorrichtungen ergibt.
- Die Levitationsform kann unterhalb der Klebetemperatur gehalten werden, so daß auch Kurzzeitkontakte zwischen Form und Glas unkritisch sind.

Die beiden erfindungsgemäßen Elemente - Levitation einerseits und Anwendung der Mikrowellen-Aufheizung andererseits - sind in ihrer Kombination entscheidend wichtig. Würde man das Aufheizen nur mit Mikrowellenerwärmung auf einer normalen Form (ohne Levitation) durchführen, so hätte man die Klebeproblematik, da in diesem Fall die Form über Wärmeleitung die Temperatur des zu erwärmenden Gutes annimmt. Da die Klebeviskosität (10⁸ dPa.s) deutlich über der für größere Umformung notwendigen Verarbeitungs-Viskosität (10⁴ dPa.s) liegt, ist das Problem der Erwärmung im Formkontakt nicht lösbar.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen erläutert. Darin sind drei entscheidende Phasen des erfindungsgemäßen Aufheizprozesses veranschaulicht.

Fig. 1 veranschaulicht die erste Aufheizphase eines Vorformlings in einer Levitationsform bei Kontakt von Glas und Form.

Fig. 2 veranschaulicht die zweite Aufheizphase des Vorformlings bei Gaszufuhr und Einwirkung einer Mikrowellen-Strahlung.

Fig. 3 veranschaulicht die Abgabe des auf hohe Temperatur aufgeheizten Vorformlings von der Levitationsform an eine Formgebungsmaschine.

In den drei Figuren erkennt man eine Levitationsform 1. Diese weist einen Gasanschluß 1.1 auf, ferner eine Membran 1.2. Die Membran ist im vorliegenden Fall eine konkave, poröse Wandung. Die Poren der Wandung 1.2 stehen mit dem Gasanschluß 1.1 in leitender Verbindung. Der Gasanschluß 1.1 ist mit einem Ventil versehen, das hier nicht dargestellt ist.

Die Levitationsform 1 ist von einem Gehäuse 2 umgeben.

Auf der Membran 1.2 befindet sich ein Vorformling 3 aus Glas. Der Vorformling 3 hat die Gestalt eines Rotationsellipsoids.

Die Pfeile A in Fig. 1 veranschaulichen die Zufuhr von Wärme. Dabei wird dieser Vorformling 3 (Glas-Halbzeug) auf jegliche konventionelle Weise auf eine Temperatur erwärmt, die einer Viskosität von ca. 10¹⁰ Pa.s entspricht. Diese Viskosität liegt unterhalb der Klebetemperatur.

Gemäß Fig. 2 befindet sich der Vorformling 3 nunmehr wiederum auf der Membran 1.2 einer Levitationsform 1. Dabei kann die Levitationsform 1 gemäß Fig. 1 identisch mit der Levitationsform 1 gemäß Fig. 2 sein. Es kann somit der Vorformling 3 nach der ersten Aufheizphase, so wie in Fig. 1 dargestellt, auf derselben Levitationsform 1 verbleiben. Es wäre aber auch ein Überführen auf eine zweite Levitationsform denkbar. In diesem Falle könnte die erste Form 1 auch eine gewöhnliche Form ohne die Möglichkeit einer Levitation sein.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Phase des Prozesses findet die zweite Aufheizung statt. Der Vorformling wird der Einwirkung einer Mikrowellen- Strahlung ausgesetzt - siehe Pfeil B.

Zur weiteren Beheizung wird das Gut mit Mikrowelle beheizt. Hierzu kann entweder ein Monomode- oder Multimode-Resonator verwendet werden. Für kleinere Geometrien mit bis zu 10 cm Maximalabmessungen erscheint ein Monomode-Resonator günstiger, da hiermit höhere Wirkungsgrade erzielt werden können. Für größere Glas-Halbzeuge erscheint ein Multimode-Resonator günstiger aufgrund der besseren Feldhomogenität.

Bei der zweiten Aufheizphase wird nunmehr der Vorformling 3 mittels Mikrowelle bis zur geforderten Viskosität von 10⁴ dPa.s aufgeheizt. Er hat aufgrund des Gaspolsters keinen Formenkontakt. Bei Verwendung eines Monomode-Resonators und einer Halbzeugmenge von 200 g kann die geforderte Temperatur in weniger als 20 Sekunden bei Verwendung von Mikrowellenleistungen im Bereich von 2 bis 3 kW erreicht werden.

Wie man sieht, ist dem Gehäuse 2 ein Pyrometer 5 zugeordnet.

Fig. 3 veranschaulicht die letzte Phase des Prozesses. Hierbei wird nunmehr der auf seine Endtemperatur aufgeheizte Vorformling 3 von der Levitationsform 1 an eine Formgebungsmaschine 4 abgegeben, wo er seine endgültige Gestalt erhält.

Das poröse Material der Levitationsform ist vorzugsweise SiC oder C. Beide Materialien zeichen sich dadurch aus, daß sie Mikrowelle schwächer absorbieren als das Glas in dem interessierenden Temperaturbereich und daß sie eine eher feldhomogenisierende bzw. feldfokussierende Wirkung für die Mikrowelle haben und die Heizung positiv begünstigen, bezüglich Temperaturhomogenität und Feldintensität. Auch poröse Materialien, die die Mikrowellenstrahlung schwächer als das Glas selbst absorbieren, entsprechen dem Gedanken der Erfindung.

Die erwähnte konkave oder muldenartige Form der Membran 1.2 erlaubt es, das Glas in weitgehend flüssigem oder teigigem Zustand in Gestalt eines Tropfens zu erhalten und ein Auslaufen zu verhindern.

Es ist ein Verdienst der Erfinder, erkannt zu haben, daß die in Fig. 2 veranschaulichte Mikrowellen-Einwirkung den Vorformling voll und ganz erfaßt, ungeachtet der genannten Muldenform der Membran. Es besteht somit kein Problem bezüglich einer mangelnden Konzentration der Mikrowellen-Energie im Muldenbereich.

Als Levitationsgas kommt ein inertes Gas in Betracht, das sich gegenüber dem Material des Glases sowie auch gegenüber dem Material der Levitationsform, insbesondere gegenüber dem Material der Membran, unauffällig verhält.

Bezüglich der Möglichkeiten der Gestaltung von Mikrowellen- Heizeinrichtungen wird auf die folgenden Schriften verwiesen: EP 761 612 A1, EP 761 613 A1, EP 761 614 A1, US 5 656 053.

Claims

1. Verfahren zum Aufheizen und Ausformen eines Vorformlings (3) aus Glas;

1. 1.1 der Vorformling (3) wird auf konventionelle Weise hergestellt;
2. 1.2 der Vorformling (3) wird in einer ersten Aufheizphase auf eine Temperatur aufgeheizt, die unterhalb der Klebetemperatur des Gases bzw. unterhalb der kritischen Viskosität liegt;
3. 1.3 der Vorformling (3) wird während einer zweiten Aufheizphase in einer Levitationsform (1) durch Zufuhr von Levitationsgas in einen Schwebezustand versetzt;
4. 1.4 der Vorformling (3) wird in seinem Schwebezustand durch eine Mikrowellen-Heizeinrichtung auf eine Temperatur aufgeheizt, die seine Verformung zuläßt;
5. 1.5 der Vorformling (3) wird an eine Formstation (4) abgegeben.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorformling bereits während der ersten Aufheizphase in der Levitationsform (1) aufgeheizt wird.

3. Vorrichtung zum Aufheizen und Ausformen eines Vorformlings (3), umfassend:

1. 3.1 eine erste Form zum Aufnehmen des Vorformlings (3);
2. 3.2 eine Heizeinrichtung (A) zum Aufheizen des Vorformlings auf eine erste Temperatur unterhalb der Klebetemperatur bzw. der kritischen Viskosität;
3. 3.3 eine Levitationsform (1) zum Aufnehmen des in der ersten Aufheizphase vorgeheizten Vorformlings (3);
4. 3.4 eine der Levitationsform (1) zugeordnete Mikrowellen-Heizeinrichtung;
5. 3.5 eine der Levitationsform (1) mit Mikrowellen-Heizeinrichtung (B) nachgeschaltete Formgebungseinrichtung (4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Form zum Aufnehmen des Vorformlings die Levitationsform (1) ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß diejenige Wandung der Form (1), die den Vorformling (3) aufnimmt, konkav gestaltet ist.