DE10157258B4

DE10157258B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Ausformen eines rohrförmigen Gegenstandes aus thermoplastischen Materialien

Info

Publication number: DE10157258B4
Application number: DE10157258A
Authority: DE
Inventors: Christian Kunert; Friedrich Lampart; Jürgen Thürk; Michael Plapp; Roman Oberhänsli
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: US20030106339A1; US20080282740A1; DE10157258A1; US7392667B2

Abstract

Verfahren zum Ausformen eines rohrförmigen Gegenstandes (5) aus Glas oder Glaskeramik oder aus einem anderen thermoplastischen Werkstoff, mit den folgenden Verfahrensschritten:
1.1 der Gegenstand (5) wird bis zum Erweichen erwärmt;
1.2 zum Ausformen der äußeren und der inneren Mantelfläche des Gegenstandes (5) werden ein inneres Formwerkzeug (1) und ein äußeres Formwerkzeug (2) bereitgestellt, von denen wenigstens das innere Formwerkzeug (1) zumindest im Bereich seiner Formfläche (1.1) aus offenporigem Material mit einer Permeabilität zwischen 10^–11 und 10^–16 m² besteht, gemessen an einer 5 mm dicken Materialprobe;
1.3 durch das offenporige Material wird ein unter Druck stehendes fließfähiges Medium (4) gegen die auszuformende Fläche des Gegenstandes (5) geleitet;
1.4 das innere Formwerkzeug (1) wird in den Gegenstand (5) eingeführt;
1.5 das äußere Formwerkzeug (2) wird auf den Gegenstand aufgebracht, um diesen auszuformen.

Description

Die Erfindung betrifft das Ausformen rohrförmiger Gegenstände aus Glas oder Glaskeramik, aber auch andere thermoplastische Materialien.
Man kennt zahlreiche Glasgegenstände, die in einem Umformprozeß aus Rohren hergestellt werden. Hier sind insbesondere Glasfläschchen zu nennen, die beispielsweise für pharmazeutische Anwendungen dienen. Ähnlich werden Normschliffteile für chemische Apparaturen oder Gewindehülsen aus Glas hergestellt.

Bei der Herstellung einer Vielzahl von Glasprodukten wird von Glasrohren als Halbzeug ausgegangen. Üblicherweise wird ein Ende eines Glasrohres auf Temperaturen erhitzt, bei denen das Glas verformt werden kann. Alternativ kann ein kurzes Rohrstück an beiden Enden erhitzt werden, so daß in einem Arbeitsschritt zwei Produkte gleichzeitig hergestellt werden können. Nach dem Erhitzen des oder der Rohrenden wird an jedem Ende ein Dorn in das Glasrohr eingebracht, der als inneres Formwerkzeug wirkt und der den inneren Durchmesser des gewünschten Glasteils sicherstellt und die Innengeometrie definiert. Die eigentliche Umformung wird über von außen wirkende Werkzeuge wie Formbacken oder Rollen erzielt, die als äußere Formwerkzeuge wirken, und die das weiche Glas gegen den Dorn drücken, während sich beispielsweise das Glasrohr und/oder die äußeren Formwerkzeuge drehen. Die Kontur der äußeren Werkzeuge wird dadurch auf die äußere Seite des herzustellenden Glasteils übertragen, während gleichzeitig die Geometrie des Dorns die Innenseite des Glasteils ausformt. Der Kontakt zwischen den äußeren Formwerkzeugen, dem Glas und dem Dorn wird üblicherweise so lange aufrecht erhalten, bis das Glasteil durch Abkühlung hinreichend fest geworden ist und sich während der weiteren Verarbeitung nicht mehr selbständig verformt.

Der in das heiße Glasrohr eingeführte Dorn ist sehr hohen Belastungen unterworfen. Aufgrund der hohen Temperaturen kommen üblicherweise nur temperaturbeständige Stähle zum Einsatz. Gleichzeitig wird durch den Einsatz eines Schmiermittel, beispielsweise eines Öls, einer Paste oder einer Emulsion, verhindert, dass das Glas an der Innenseite des zu formenden Endes durch die hohe Reibung beschädigt wird.

EP 189 997 B1 beschreibt ein Verfahren zum Ausformen eines Glastropfens zu einem Hohlkörper. Der Hohlkörper wird als Vorform für weitere Verarbeitungsschritte eingesetzt. Bei diesem bekannten Verfahren wird das innere Formwerkzeug in den geschmolzenen Glastropfen hineinbewegt, so dass das Glas in einen Formhohlraum gepresst wird. Formwerkzeug und Glasoberfläche haben während des gesamten Abformprozesses einander entsprechende Konturen, die durch einen Gasfilm voneinander getrennt sind. Jedoch bildet sich ein Gaspolster nur an einigen kleineren Flächen zwischen Formstempel und Glas aus, somit nicht ganzflächig.

Zur Kühlung und Schmierung werden üblicherweise auch die äußeren Formwerkzeuge geölt. Die Schmiermittel verursachen verschiedenste Probleme: Oftmals verbrennt das Schmiermittel unvollständig, was insbesondere auf dem Dorn zu Rückständen führt und regelmäßige Reinigungen erforderlich macht, während derer die Produktion unterbrochen werden muss. Die gasförmigen, in der Regel gesundheitsschädlichen Verbrennungsprodukte erfordern einen hohen Aufwand an Absaugung und damit verbundene Kosten. Auch ist der Auftrag des Schmiermittels während der Produktion eine mögliche Fehlerquelle, da überschüssiges Schmiermittel die genannten Probleme verschärft, mangelnde Schmierung aber zu fehlerhaften Produkten führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen die Innengeometrie und die Außengeometrie des rohrförmigen Teiles eines Glasgegenstandes in definierter Weise hergestellt werden können, und zwar im kontinuierlichen Betrieb und ohne Verwendung von Schmiermitteln wie Ölen oder Pasten.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Anwendung eines neuartigen Dornes. Bei diesem Dorn sind sämtliche Flächen, die bei konventionellen Dornen die Formung des Glases bewirken, aus einem gasdurchlässigen, vorzugsweise porösen Material ausgeführt. Über eine integrierte Gaszuführung werden die Flächen von den jeweils glasabgewandten Seiten mit einem Gas unter Überdruck beaufschlagt, so daß aus den formgebenden Flächen Gas austritt.

Zusätzlich können die äußeren Formwerkzeuge ebenfalls mit formgebenden Flächen, auf denen sich ein Gasfilm bildet, ausgestattet sein.

Weicht die über den Dorn zu fertigende Innenkontur des Bauteils von einem Zylinder ab, indem beispielsweise Innenrillen oder Hinterschnitte auf der Innenkontur vorhanden sind, können Teile des Dorns derart beweglich gestaltet werden, daß sie nach dem Einfahren des Dorns in das erweichte Glasrohrende in ihre eigentliche Formposition gebracht werden, dort die Formung durchführen und vor dem Entfernen aus dem geformten Rohrende wieder in eine Position gefahren werden, die ein Entfernen des Dorns aus dem fertigen Teil erlaubt. Beispielsweise kann der Dorn geteilt und klappbar oder in Teilen drehbar gestaltet sein. Auch hier können alle Formgebungsflächen so gestaltet werden, daß sich bei der Formung ein Gasfilm ausbildet und keine Schmiermittel notwendig sind.

Bei der Verwendung von sehr feinporösen Materialien bildet sich so ein sehr dünner, aber dennoch tragfähiger Gasfilm, welcher den Kontakt zwischen dem Glas und den formgebenden Flächen verhindert. Öle oder sonstige Pasten zum Schmieren der Dorne sind damit nicht mehr notwendig.

Die Teile des Dorns und gegebenenfalls der äußeren Formwerkzeuge, auf denen sich im Betrieb das Gaspolster bildet, sind aus porösen Materialien, beispielsweise porösen Keramiken wie beispielsweise SiC, Al₂O₃, Mullit oder porösen Metallen, beispielsweise CrNi-Stähle, Bronzen oder Ni- Basislegierungen hergestelt. Es können auch mit Schutz-, Antihaft- oder Gleitschichten überzogene Keramiken oder Metalle verwendet werden. Diese kommen zum Einsatz, wenn höhere Einsatztemperaturen als 600° C und/oder höhere mechanische Festigkeiten gefordert werden. Wird im Betrieb für die Ausbildung des Gaspolsters ein weitgestgehend sauerstofffreies Gas verwendet, können auch poröse Kohlenstoffmaterialien wie Graphit verwendet werden. Wichtig ist die Gasdurchlässigkeit bei ausreichend feiner Porosität, bevorzugt <50 μm, besonders bevorzugt < 20 μm Porendurchmesser. Als günstige Meßgröße zur Charakterisierung der porösen Materialien hat sich deren Permeabilität erwiesen. Für die Fertigung der gasdurchlässigen Teile des Dorns haben sich Materialien als besonders geeignet erwiesen, die gemessen an einer 5 mm dicken Materialprobe, eine Permeabilität zwischen 10^–11 und 10^–16 m² besitzen. Gröbere Poren oder höhere Permeabilitäten führen dazu, daß der Gasfilm lokal durchbrochen werden kann, wodurch lokal Kontakt zwischen dem Glas und den Formgebungsflächen entsteht und es zu einer Beschädigung des zu formenden Glasteils und eventuell auch der Vorrichtung kommt. Niedrigere Permeabilitäten bedingen sehr hohe Versogungsgasdrücke und führen so zu unnötig hohem Aufwand.

Als besonders geeignetes Material hat sich ein gasdurchlässiger Graphit erwiesen, der eine Porengröße < 20 μm und eine Permeabilität zwischen 10^–14 und 10^–16 m² besitzt.

Es können beliebige Gase eingesetzt werden. Aus Kostengründen empfiehlt sich Druckluft, insbesondere wenn sich die Materialien des Dornes bei den Einsatztemperaturen nicht oxidativ verändern. Im Fall von Kohlenstoffmaterialien, die bei Temperaturen oberhalb 400° C vom Luftsauerstoff angegriffen werden, wird vorzugsweise Stickstoff eingesetzt. Dieses Gas steht zu vertretbaren Kosten zur Verfügung.

Bei der Verwendung von Druckluft, Stickstoff oder anderen Schutzgasen treten keine unerwünschten Veränderungen der Oberfläche des Glases auf. Wenn jedoch bewußt Reaktionen zwischen dem Gas und der Glasoberfläche hervorgerufen werden sollen, können auch reaktive Gase eingesetzt werden. Beispielsweise ist der Einsatz von SO₂ möglich, wenn auf der Oberfläche ein Belag aus NaSO₄ erzeugt werden soll. Dieses Gas kann zur lokalen Erhöhung der chemischen Beständigkeit der Glasoberfläche genutzt werden, da die Oberflächenschichten des Glases an Alkalien verarmen. Ebenfalls möglich ist der Einsatz von CO₂ und NH₃, um nur einige Beispiele zu nennen.

Wenn mit dem erfindungsgemäßen Verfahren größere Glasteile geformt werden, kommen entsprechend größere Vorrichtungen zum Einsatz. Wenn die Flächen auf denen sich während der Formgebung das Gaspolster ausbildet, eine zusammenhängende Fläche von größer als 1 cm² bilden, kann es vorteilhaft sein, in diese Flächen Rillen oder Kanäle einzubringen, in denen das aus der Formfläche ausgetretene Gas kontrolliert abgeführt werden kann. Diese Strukturen sind so anzuordnen, daß sie bei der Formgebung keine unerwünschten Spuren im Glasteil hinterlassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich ohne weiteres auch auf die Herstellung von Teilen aus Rohrenden aus anderen thermoplastischen Materialien als Glas anwenden.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

1 zeigt schematisch in einer Schnittansicht eine Innenform aus porösem Material sowie eine Außenform.

2 zeigt eine Vorrichtung von einem Aufbau ähnlich jener gemäß 1, jedoch mit etwas abgewandelter Innenform.

3 zeigt eine Vorrichtung ähnlich jener gemäß 2, jedoch mit einer Außenform, die teilweise aus porösem Material aufgebaut ist.

4 zeigt den Gegenstand von 3 beim Ausformen eines Rohrendes.

Im einzelnen erkennt man in 1 folgendes:
Die Vorrichtung weist ein inneres Formwerkzeug 1 und ein äußeres Formwerkzeug 2 auf.
Das innere Formwerkzeug 1 hat die Form einer Zylinderhülse. Es besteht aus einem offenporigen Werkstoff wie beispielsweise Graphit. Auch andere Materialien kommen in Betracht, wie etwa Sintermetall.
Das äußere Formwerkzeug 2 ist in einem gewissen radialen Abstand vom inneren Formwerkzeug 1 angeordnet. Es besteht aus mindestens einem, vorzugsweise zwei oder mehreren Einzelteilen, die jeweils radial auf das innere Formwerkzeug 1 zubewegt werden können. Im zusammengefahrenen Zustand wird deren Kontur, die dem zu formenden Teil zugewandt ist, auf die äußere Seite des herzustellenden Glasteils übertragen.
Das äußere Formwerkzeug ist im vorliegenden Falle aus einem gasundurchlässigen Material, vorzugsweise Stahl, hergestellt. Es hat eine innere Formfläche 2.1. Die zugewandte Formfläche 1.1. des inneren Formwerkzeuges hingegen ist aufgrund der Wahl des offenporigen Materiales gasdurchlässig. Die innere Formfläche 2.1 ist mit einer Kontur versehen, die bei der Formung auf das zu formende Teil übertragen wird. Obwohl in der Zeichnung eine gerade Formfläche dargestellt ist, können auf der Formfläche Erhebungen und/oder Vertiefungen vorhanden sein.
Dem inneren Formwerkzeug 1 ist eine Halterung 3 zugeordnet. Die Halterung 3 kann mit dem inneren Formwerkzeug 1 verbunden sein, so daß eine axiale Schiebebewegung dieser beiden Teile, nämlich inneres Formwerkzeug 1 und Halterung 3, möglich ist. Man beachte die Fixierungskappe 3.2, die Bestandteil der Halterung 3 ist und die an der gesamten rechtsseitigen Stirnfläche des inneren Formwerkzeuges 1 anliegt und das innere Formwerkzeug 1 druckdicht abschließt. Durch Lösen der Fixierungskappe 3.2 kann bei Verschleiß das innere Formwerkzeug 1 einfach ausgetauscht werden.
Die Halterung bildet mit einer Längsbohrung einen Führungskanal 3.1 zum Einleiten und Führen von Druckgas. Siehe Pfeil 4, der einen Druckgasstrom veranschaulicht. Der Druckgasstrom gelangt im Betrieb zur inneren Mantelfläche des inneren Formwerkzeuges 1, tritt durch dessen offenporiges Material hindurch, und gelangt zu dessen Formfläche 1.1, durch welche er hindurchtreten kann.
Die gezeigte Gestaltung und Zuordnung von Halterung 3 und innerem Formwerkzeug 1 ist derart gewählt, daß ein rascher Austausch des inneren Formwerkzeuges 1 bei Verschleiß vorgenommen werden kann.
Die Vorrichtung gemäß 1 arbeitet wie folgt:
Ein hier nicht dargestellter Gegenstand (aus Glas, aus Glaskeramik oder aus einem anderen thermoplastischen Material), der ein im wesentlichen rohrförmiges Ende aufweist, wird an dessen rohrförmigem Ende durch Wärmezufuhr erweicht, so daß er plastisch verformbar ist. Die Einzelteile des äußeren Formwerkzeugs 3 sind in radialer Richtung vom inneren Formwerkzeug entfernt.
Sodann wird das innere Formwerkzeug 1 in das erweichte Rohrende eingeschoben, und das äußere Formwerkzeug 3 wird auf die äußere Mantelfläche des Rohrendes aufgebracht, indem die Einzelteile des äußeren Formwerkzeuges in Richtung auf das innere Formwerkzeug zubewegt werden.
Vor dem Einschieben des inneren Formwerkzeuges 1 oder während dessen Einschiebens in das Rohrende wird ein Druckgasstrom in beschriebener Weise aufgebracht. Dieser Druckgasstrom tritt durch das poröse Material des inneren Formwerkzeuges 1 hindurch, tritt an dessen Formfläche 1.1 aus, und bildet ein Gaspolster zwischen der inneren Formfläche 1.1 und der anliegenden Innenfläche des Rohrendes. Es bildet sich ein sehr dünner, aber dennoch tragfähiger Gasfilm, der den Kontakt zwischen dem Glas und der Formfläche 1.1 verhindert.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 weist das innere Formwerkzeug 1 einen hülsenförmigen Abschnitt 1.2 und einen Bund 1.3 auf. Durch eine entsprechende Gestaltung der Halterung 3 wird der Bund 1.3 im Betrieb ebenfalls mit Druckgas beaufschlagt. Die Formfläche 1.1 ist in diesem Falle nicht nur aus der Hülse 1.2, sondern auch aus dem Bund 1.3 gebildet. Damit läßt sich bei dem zu bearbeitenden Rohrende auch eine definierte Stirnfläche anformen.
Bei der Ausführungsform gemäß der 3 und 4 liegen die folgenden Verhältnisse vor:
In beiden Fällen ist das innere Formwerkzeug 1 gleich oder ähnlich aufgebaut, wie bei der Vorrichtung gemäß 2. Das innere Formwerkzeug 1 weist somit wiederum einen hülsenförmigen Abschnitt 1.2 und einen Bund 1.3 auf. Es besteht außerdem voll und ganz aus offenporigem Material – genauso wie bei der Vorrichtung gemäß 2.
Außerdem ist jedoch auch das äußere Formwerkzeug im Bereich seiner Formfläche 2.1 aus offenporigem Material hergestellt. Es weist ebenfalls einen Druckgasanschluß (oder mehrere Druckgasanschlüsse) auf. Siehe wieder die Pfeile 4, die Druckgasströme veranschaulichen.
4 läßt einen Glasgegenstand 5 erkennen. Dieser ist rohrförmig gestaltet. Sein zwischen den Formwerkzeugen 1 und 2 dargestellter Endbereich 5.1 bildet den zu formenden Bereich des herzustellenden Glasteiles.

1: inneres Formwerkzeug
1.1: Formfläche
1.2: Hülse
1.3: Bund
2: äußeres Formwerkzeug
2.1: Formfläche
3: Halterung
3.1: Kanal
3.2: Fixierungskappe
4: Druckgasstrom
5: Glasgegenstand
5.1: Endbereich des Gegenstandes

Claims

Verfahren zum Ausformen eines rohrförmigen Gegenstandes (5) aus Glas oder Glaskeramik oder aus einem anderen thermoplastischen Werkstoff, mit den folgenden Verfahrensschritten: 1.1 der Gegenstand (5) wird bis zum Erweichen erwärmt; 1.2 zum Ausformen der äußeren und der inneren Mantelfläche des Gegenstandes (5) werden ein inneres Formwerkzeug (1) und ein äußeres Formwerkzeug (2) bereitgestellt, von denen wenigstens das innere Formwerkzeug (1) zumindest im Bereich seiner Formfläche (1.1) aus offenporigem Material mit einer Permeabilität zwischen 10^–11 und 10^–16 m² besteht, gemessen an einer 5 mm dicken Materialprobe; 1.3 durch das offenporige Material wird ein unter Druck stehendes fließfähiges Medium (4) gegen die auszuformende Fläche des Gegenstandes (5) geleitet; 1.4 das innere Formwerkzeug (1) wird in den Gegenstand (5) eingeführt; 1.5 das äußere Formwerkzeug (2) wird auf den Gegenstand aufgebracht, um diesen auszuformen.
Vorrichtung zum Ausformen eines rohrförmigen Gegenstandes (5) aus Glas oder aus Glaskeramik oder aus einem anderen thermoplastischen Werkstoff; 2.1 mit einer Einrichtung zum Erwärmen des Gegenstandes (5); 2.2 mit einem inneren Formwerkzeug (1) und einem äußeren Formwerkzeug (2) zum Ausformen der inneren und der äußeren Mantelfläche des Gegenstandes; 2.3 wenigstens das innere Formwerkzeug (1) ist im Bereich seiner Formfläche (1.1) aus offenporigem Material mit einer Permeabilität zwischen 10^–11 und 10^–16 m² gebildet, gemessen an einer 5 mm dicken Materialprobe; 2.4 das offenporige Material ist derart an eine Druckgasquelle angeschlossen, dass Druckgas (4) durch die Formfläche (1.1) hindurchgedrückt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere und das innere Formwerkzeug (1, 2) im Bereich von deren Formflächen (1.1, 2.1) aus offenporigem Material gebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das offenporige Material Graphit oder ein Sintermetall ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zum Verdrehen des Gegenstandes (5) relativ zu wenigstens einem der beiden Formwerkzeuge (1, 2) um die Längsachse vorgesehen ist.