DE10154049B4

DE10154049B4 - Verfahren zur Erkennung einer bevorstehenden Grenzflächenhaftung zwischen einem zu formenden Glaskörper und einem formgebenden Werkzeug

Info

Publication number: DE10154049B4
Application number: DE2001154049
Authority: DE
Inventors: Ulrike Dr. Stöhr; Olaf Dr. Claußen; Daniela Seiler; Sylvia Biedenbender; Gernot Röth
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2001-11-02
Filing date: 2001-11-02
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2021-11-03
Also published as: DE10154049A1

Abstract

Verfahren zur Erkennung einer bevorstehenden Grenzflächenhaftung während eines Formgebungsprozesses zwischen einem zu formenden Glaskörper und beidseitig daran anliegenden, elektrisch leitenden Werkzeugen mittels einer Impedanzspektroskopie, bei der eine Wechselspannung an den Werkzeugen angelegt wird und zwischen den beiden Grenzschichten des Glaskörpers und den Werkzeugen die elektrischen Impedanzen und Phasenverschiebungen bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselspannung variiert wird, daß die Impedanzen und Phasenverschiebungen für unterschiedliche Frequenzen bestimmt werden und daß aus dem Verlauf der Impedanzen und Phasenverschiebungen über der Frequenz auf eine bevorstehende Grenzflächenhaftung geschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung einer bevorstehenden Grenzflächenhaftung während eines Formgebungsprozesses zwischen einem zu formenden Glaskörper und beidseitig daran anliegenden, elektrisch leitenden Werkzeugen mittels Impedanzspektroskopie, bei der eine Wechselspannung an den Werkzeugen angelegt wird und zwischen den beiden Grenzschichten des Glaskörpers und den Werkzeugen die elektrischen Impedanzen und Phasenverschiebungen bestimmt werden.

Bei der industriellen Fertigung von Glaskörpern ist es schwierig, den Werkzeugzustand im laufenden Produktionsprozeß zu überwachen, so daß häufig ein rechtzeitiges Auswechseln der Werkzeuge versäumt wird. Hierdurch kommt es zu einer hohen Ausschußrate von fehlerhaften Glaskörpern, da eine Qualitätskontrolle in der Regel erst zeitverzögert am Ende des Kühlbandes durchgeführt und defekte Glaskörper ausgesondert werden. In der Zwischenzeit werden jedoch eine Vielzahl weiterer defekter Glaskörper mit dem auszuwechselnden Werkzeug produziert. Eine häufige Ursache für die Produktion fehlerhafter Glaskörper stellt die Grenzflächenhaftung zwischen dem Werkzeug und dem zu formenden Glaskörper dar. Dabei wird unter dem Begriff "Grenzflächenhaftung" auch das Kleben angesprochen. Eine weitere Schwierigkeit besteht bei der großtechnischen Serienfertigung von Glaskörpern mit mehreren parallel oder seriell arbeitenden Werkzeugen darin, den am Glaskörper festgestellten Fehler dem entsprechenden Werkzeug zuzuordnen.

Aus der GB 2234970 A ist ein Messverfahren bekannt, wobei in den zu formenden Glaskörper ein leitfähiger Presskolben eingedrückt wird, während der Glaskörper mit seiner Außenumfangsfläche gleichzeitig von einer ebenfalls leitfähigen Pressform gehalten ist, so daß während eines Pressvorganges beispielsweise ein elektrischer Stromfluss von der Pressform durch das Glas zu dem Presskolben möglich ist. Im normalen Produktionsbetrieb, also ohne anhaften des Glaskörpers an dem Presskolben, kommt es unmittelbar mit der Trennung des Presskolbens von dem Glaskörper zu einem abrupten Signalabfall. Bei Vorliegen eines Verklebens dagegen fließt zum Beispiel noch ein Strom durch die zwischenzeitlich ausgebildete Glasspitze und es kommt nach Abriss der Glasspitze von dem Kolben zu abruptem Signalabfall, das heißt der Signalabfall findet zu einem deutlich späteren Zeitpunkt statt. Wesentlicher Nachteil dieses bekannten Verfahrens ist, daß es zunächst zur Ausbildung einer Glasspitze durch eine Grenzflächenhaftung des Körpers an den Werkzeugen kommen muss, bis eine Signaländerung erkennbar ist.

Aus der Praktikumsanleitung „Impedanzspektroskopie", Institut für Physikalische Chemie Münster vom 03. Mai 2000 sind die Grundlagen der Impedanzspektroskopie entsprechend der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale sowie ein Messaufbau zur Versuchsdurchführung und ein Aufbau eines Impedanzgerätes beschrieben. Es wird betont, daß die Impedanzspektroskopie eine der am häufigsten verwendeten Methoden zur Untersuchung von Ionen-Transportvorgängen in Festkörpern ist. Moderne Impedanzanalysatoren bieten die Möglichkeit, die frequenzabhängige Leitfähigkeit und die frequenzabhängige Dielektrizitätsfunktion einer Probe im Frequenzbereich von einigen mHz zu einigen MHz zu bestimmen.

Folglich ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem eine bevorstehende Grenzflächenhaftung bereits vor Eintritt der ersten Grenzflächenhaftung unmittelbar an dem betroffenen Werkzeug erkannt werden kann.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem die Frequenz der Wechselspannung variiert wird, bei dem die Impedanzen und Phasenverschiebungen für unterschiedliche Frequenzen bestimmt werden, und bei dem im Verlauf der Impedanzen und Phasenverschiebungen über der Frequenz auf eine bevorstehende Grenzflächenhaftung geschlossen wird.

Für den Fall, daß der Glaskörper an den Werkzeugen zu kleben beginnt, laufen an der Werkzeugoberfläche und dem Glaskörper chemische Reaktionen ab, wobei sich die Impedanzen und die daraus resultierende Phasenverschiebung auf charakteristische Art und Weise verändern. Ein wesentliches Kriterium ist hierbei, daß die Veränderungen bereits vor dem Erreichen der Grenzflächenhaftung einsetzen.

Das neue Verfahren ermöglicht eine kontinuierliche Überwachung der am Formgebungsprozeß beteiligten Werkzeuge im laufenden Betrieb und ermöglicht eine Erkennung des verschlissenen Werkzeugs noch bevor schadhafte Glaskörper produziert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei Anwendung des Verfahrens das betroffene Werkzeug selektiv erkannt wird und es daher nicht mehr notwendig ist, präventiv alle Werkzeuge parallel und seriell laufender Fertigungsstraßen zu erneuern.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird in Vorversuchen zunächst eine Eichkurve aus Admittanzen σ in Abhängigkeit der Formgebungstemperatur erstellt und der Grenzwert beidseitig der Eichkurve bestimmt, bei dem es nicht zu einer Grenzflächenhaftung kommt, wobei die Admittanz σ bei einer ersten Frequenz F₁ und einer zweiten Frequenz F₂ bestimmt wird, und die erste Frequenz F₁ größer als die zweite Frequenz F₂ ist, gemäß der Gleichung σ = θ (F₁)/(θ (F₂) × Z (F₁)), wobei Z der Impedanzwert bei der Frequenz F₁ ist und θ die Phasenverschiebungen bei F₁ bzw. F₂ sind. Anschließend wird kontinuierlich die Admittanz σ bestimmt, mit den Grenzwerten der Eichkurve verglichen und bei außerhalb der Grenzwerte der Eichkurve liegenden Admittanzen σ vor einer bevorstehenden Grenzflächenhaftung gewarnt.

Der Vorteil der oben beschriebenen Vorgehensweise liegt darin, daß die Größe θ mit lediglich zwei Frequenzen ermittelt wird und dadurch das Verfahren aufgrund des vergleichsweise kurzen Zeitbedarfs im Laufe des Produktionsprozesses eingesetzt werden kann.

Vorteilhafterweise wird eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 1-1000 mV angelegt.

In einer günstigen Ausführungsform werden die Impedanzen mittels eines Potentiostats in Kombination mit Frequenzganganalysatoren oder alternativ durch Meßbrücken bestimmt.

In Durchführung des Verfahrens werden die Frequenzen der Wechselspannung vorzugsweise zwischen 10⁶ – 10^–1 Hz variiert.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der nachfolgenden drei Figuren näher erläutert. Dabei zeigt die
1 Impedanzen und Phasenverschiebungen einer nicht klebenden Glasprobe über der Frequenz der angelegten Wechselspannung,
2 Impedanzen und Phasenverschiebungen einer klebenden Glasprobe über der Frequenz der angelegten Wechselspannung, und
3 die Admittanz σ als Funktion der Grenzflächentemperatur.
Die 1 zeigt in Diagrammform vor einer Grenzflächenhaftung die Impedanzen und Phasenverschiebungen einer nicht klebenden Glasprobe über den Frequenzen einer Wechselspannung zwischen 10⁶ und 10^–1 Hz.
Der Kurvenverlauf der Impedanz ausgehend von einer Frequenz von 10^–1 Hz beginnt bei ca. 2400 Ω und fällt zunächst steil ab bis in den Bereich von ca. 1 Hz. Hier liegt die Impedanz bei ca. 1700 Ω. Anschließend folgt ein Kurvenabschnitt, in dem die Impedanz bis zu einem Frequenzbereich von 10⁵ Hz nur geringfügig auf ca. 1400 Ω sinkt. In dem Frequenzbereich > 10⁵ Hz fällt die Impedanzkurve erneut stark ab. Bei 10⁶ Hz beträgt die Impedanz ca. 1000 Ω.
Ebenfalls in dem Frequenzbereich von 10^–1 bis 10⁶ Hz ist die Phasenverschiebung dargestellt. Im Frequenzbereich von 10^–1 bis 0,3 Hz verschiebt sich die Phase von minus 8 Grad auf minus 11 Grad. Im weiteren Verlauf nimmt die Kurve eine Parabelform ein, wobei der ansteigende Ast der Parabel bei 10⁶ Hz eine Verschiebung der Phase auf minus 27° Grad erreicht.
Die 2 stellt den Zustand nach einer Grenzflächenhaftung dar. Die Impedanzkurve liegt ausgehend von einer Frequenz von 10^–1 Hz bei ca. 600 Ω, fällt bis in den Bereich von 1 Hz steil ab auf ca. 350 Ω, um sich dann nahezu asymptotisch der Abszisse anzunähern. In einem Frequenzbereich > 102 Hz bleiben die Impedanzen bei vorliegender Grenzflächenhaftung annähernd konstant.
Der Verlauf der Phasenverschiebung entspricht qualitativ bis zu einem Frequenzbereich von 10⁴ Hz dem Kurvenverlauf der Impedanzen. Bei höheren Frequenzen nimmt die Phasenverschiebung jedoch von 0 auf minus 3 Grad zu.
Darüber hinaus liegt in der 2 die Kurve der Phasenverschiebung durchgehend über der Impedanzkurve.
Neben dem qualitativ veränderten Kurvenverlauf durch das Einsetzen der Grenzflächenhaftung haben sich auch die absoluten Werte der Impedanzkurve massiv geändert. Vor der Grenzflächenhaftung verläuft die Kurve in dem betrachteten Frequenzbereich von 10^–1 bis 10⁶ Hz zwischen ca. 2400 und ca. 1000 Ω, während nach der Grenzflächenhaftung die Werte der Impedanzen zwischen ca. 600 und ca. 270 Ω liegen.
Aus diesen charakteristischen Änderungen ist bereits das Bevorstehen einer Grenzflächenhaftung abzuleiten. Dieses kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform durch Ermittlung von Admittanzen σ erfolgen. Einen derartigen Verlauf, dargestellt über der Grenzflächentemperatur des Glaskörpers, zeigt die 3.
Die Admittanzen σ steigen ausgehend von einer Temperatur von ca. 597° C, entsprechend einer Admittanz σ von 0,0002/Ω, bis auf 660° C, entsprechend einer Admittanz σ von ca. 0,00105/Ω, an. Bei höheren Temperaturen sinken die Admittanzen σ wieder. In dem dargestellten Beispiel ist es bei 670° C zu einer Grenzflächenhaftung zwischen den Werkzeugen und dem zu formenden Glaskörper gekommen. Wie zu erkennen ist, wird bereits bei 660° C, also 10° C unterhalb der Temperatur der Grenzflächenhaftung, das Maximum der Admittanz σ erreicht. Legt man den Wert auf 0,0008/Ω als kritische Obergrenze fest, so kann mit dieser Methode frühzeitig, d.h. ca. 30° C unterhalb der Temperatur der Grenzflächenhaftung eine bevorstehende Grenzflächenhaftung erkannt werden.

Claims

Verfahren zur Erkennung einer bevorstehenden Grenzflächenhaftung während eines Formgebungsprozesses zwischen einem zu formenden Glaskörper und beidseitig daran anliegenden, elektrisch leitenden Werkzeugen mittels einer Impedanzspektroskopie, bei der eine Wechselspannung an den Werkzeugen angelegt wird und zwischen den beiden Grenzschichten des Glaskörpers und den Werkzeugen die elektrischen Impedanzen und Phasenverschiebungen bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselspannung variiert wird, daß die Impedanzen und Phasenverschiebungen für unterschiedliche Frequenzen bestimmt werden und daß aus dem Verlauf der Impedanzen und Phasenverschiebungen über der Frequenz auf eine bevorstehende Grenzflächenhaftung geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – daß in Vorversuchen zunächst eine Eichkurve aus Admittanzen σ in Abhängigkeit der Formgebungstemperaturen erstellt und Grenzwerte beidseitig der Eichkurve bestimmt werden, bei denen es nicht zu einer Grenzflächenhaftung kommt, wobei die Admittanz σ bei einer ersten Frequenz F₁ und einer zweiten Frequenz F₂ bestimmt wird, und die erste Frequenz F₁ größer als die zweite Frequenz F₂ ist, gemäß der Gleichung σ = θ (F₁) / (θ (F₂) × Z (F₁)), wobei Z der Impedanzwert bei der Frequenz F₁ ist und θ die Phasenverschiebungen bei F₁ bzw. F₂ sind, – daß kontinuierlich die Admittanz σ bestimmt und mit den Grenzwerten der Eichkurve verglichen wird, und, – daß bei außerhalb der Grenzwerte der Eichkurve liegenden Admittanzen σ vor einer bevorstehenden Grenzflächenhaftung gewarnt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselspannung von 1 bis 1000 mV angelegt wird.
Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen mittels eines Potentiostats in Kombination mit Frequenzganganalysatoren bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzen durch Meßbrücken bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen der Wechselspannung zwischen 10⁶ bis 10^–1 Hz variiert werden.