DE102005042229A1 - Glasmaterial und Verfahren zur Erwärmung eines Glasmaterials - Google Patents

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Abstract

Offenbart sind ein Glasmaterial, das für die Weiterverarbeitung zur Erwärmung durch Bestrahlung mit einem Laser vorgesehen ist, und ein Verfahren zur Erwärmung eines Glasmaterials. Erfindungsgemäß ist das Glasmaterial zur Steigerung der Absorption von Laserstrahlung mit einer Dotierung versehen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Glasmaterial gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Erwärmung eines Glasmaterials nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
  • Das erfindungsgemäße Glasmaterial und Verfahren zur Glaserwärmung kann prinzipiell bei einer Vielzahl von Anwendungen in der Glastechnik Verwendung finden. Das Hauptanwendungsgebiet des Glasmaterials und Glaserwärmungsverfahrens dürfte jedoch im Lampenbau, beispielsweise zur Herstellung von Lampengefäßen für Halogenglühlampen, Entladungslampen und dergleichen liegen.
  • Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, die zur Erwärmung von Gläsern auf Umformtemperatur notwendige Wärmemenge durch Oberflächenbestrahlung des herkömmlichen Glasmaterials mit einem CO2-Laser in das Glasmaterial einzubringen. Hierbei wird der CO2-Laser aufgrund seiner hohen Wellenlänge von etwa 10600 nm bereits auf der Glasoberfläche absorbiert und führt dadurch zu einer Oberflächenerwärmung des Glasmaterials. Die zur Umformung des Glasmaterials notwendige Durchwärmung erfolgt im Folgenden durch Wärmeleitung innerhalb des Glases. Bei ausreichend hoher Laserleistung und Durchwärmzeit kann die auf diese Weise eingebrachte Wärmemenge zur Bearbeitung des Glasmaterials genutzt werden. Nachteilig bei derartigen Glasmaterialien und Verfahren zur Glaserwärmung ist zum Einen, dass die Strahlleistung des Laserstrahls bereits von der Glasoberfläche des Glasmaterials absorbiert wird, so dass die Laserstrahlung lediglich in die oberflächennahe Glasschicht eindringen kann. Dadurch wird durch die Laserbestrahlung lediglich eine oberflächliche Erwärmung des Glasmaterials erreicht. wobei die zum Umformen erforderliche Durchwärmung der Gläser durch zeitintensive Wärmeleitung im Glasmaterial erfolgt, so dass eine homogene Erwärmung im Volumen der Gläser, insbesondere bei dickeren Gläsern, verhindert und lediglich ein Temperaturgradientenverlauf erreicht wird, oder eine Durchwärmung erst durch zeitaufwendige Wärmeleitung innerhalb des Glases eintritt. Des Weiteren kann es aufgrund der Oberflächenabsorption der Laserstrahlung zu einer ungewünschten Überhitzung der oberflächennahen Glasschicht und dadurch zu einer Beeinträchtigung der Glasqualität, beispielsweise durch Verdampfen der Glasoberfläche, in diesem Bereich kommen.
    •
  • Darstellung der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Glasmaterial sowie ein Verfahren zur Erwärmung eines Glasmaterials zu schaffen, bei denen gegenüber herkömmlichen Lösungen eine homogene Erwärmung des Glasmaterials bei minimalem Verarbeitungsaufwand ermöglicht sind.
  • Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Glasmaterials durch die Merkmalskombination des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Verfahrens zur Erwärmung eines Glasmaterials durch die Merkmale des Anspruchs 6 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Das erfindungsgemäße Glasmaterial ist zur Weiterverarbeitung mittels Erwärmung durch Bestrahlung mit einem Laser vorgesehen. Erfindungsgemäß ist das Glasmaterial zur Steigerung der Absorption von Laserstrahlung mit einer Dotierung versehen. Durch die Dotierung wird eine definiert einstellbare Absorption der Laserstrahlung im Volumen des Glasmaterials und dadurch eine homogene Erwärmung des Glases erreicht, wobei ein Laser Verwendung findet, der die Glasoberfläche durchdringt, so dass die Strahlleistung des Lasers gegenüber dem allgemeinen Stand der Technik nicht von der oberflächennahen Schicht des Glasmaterials absorbiert wird. Mit anderen Worten, bei der Bestrahlung des erfindungsgemäßen Glasmaterials mit einem Laser wird durch Absorption der Laserstrahlung innerhalb des dotierten Glasmaterials eine homogene Erwärmung erreicht. Dadurch wird die über den Laser eingebrachte Wärmemenge ohne zeitliche Verzögerung zur homogenen Erwärmung des Glasmaterials genutzt, so dass hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten möglich sind. Weiterhin wird durch das Eindringen der Laserstrahlung in das Glasmaterial eine Beschädigung der Oberfläche der Gläser durch örtliche Überhitzung verhindert und eine hervorragende Oberflächenqualität erreicht.
  • Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Dotierung des Glasmaterials zumindest ein Metall oder metallisches Oxid auf.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Dotierstoff Eisen oder Eisenoxid (Fe2O3) ist.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel enthält das Glasmaterial Dotierzusätze im Bereich von etwa 0,01 bis 1 Gew.-% des Glasmaterials. Die Einbringung von Dotierstoffen in dieser Menge in das Glasgrundmaterial ermöglicht eine homogene Erwärmung des Glasmaterials durch Absorption der Laserstrahlung bei guten Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften des Glasmaterials.
  • Vorzugsweise findet als Glasgrundmaterial zur Herstellung des erfindungsgemäßen Glasmaterials Quarzglas (SiO2), Borsilikatglas oder ein Mischglas Verwendung.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Erwärmung eines Glasmaterials, das zur Steigerung der Laserabsorption mit einer Dotierung versehen ist, erfolgt die Glaserwärmung durch Bestrahlung mit einem Laser. Durch die Dotierung wird eine definiert einstellbare Absorption der Laserstrahlung im Volumen des Glasmaterials und dadurch eine homogene Erwärmung des Glases erreicht.
  • Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Dotierstoffe bereits bei der Glasherstellung in das Glasgrundmaterial eingebracht. Auf diese Weise wird eine hohe Glasqualität bei verringertem Aufwand in der Weiterverarbeitung erreicht.
  • Der verwendete Laser emittiert vorzugsweise eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge, für die undotiertes Glas transparent ist. Aufgrund der definierten Transparenz des Glases dringt die Laserstrahlung in die Glasoberfläche ein, so dass die Strahlleistung des Lasers gegenüber dem allgemeinen Stand der Technik nicht von der oberflächennahen Schicht des Glasmaterials absorbiert, sondern eine homogene Erwärmung durch Absorption innerhalb des Glasmaterials erreicht wird. Weiterhin kann durch das Eindringen der Laserstrahlung in das Glasmaterial eine Beschädigung der Oberfläche der Gläser durch örtliche Überhitzung wirkungsvoll verhindert und dadurch eine hervorragende Glasqualität erreicht werden.
  • Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Glaserwärmung durch Bestrahlung des Glases mit einem Festkörperlaser erfolgt. Hierzu findet vorzugsweise ein Nd:YAG-Laser (Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) Verwendung. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die von dem Laser emittierte Strahlung eine Wellenlänge von etwa 1064 nm. Der Nd:YAG-Laser ermöglicht aufgrund seiner Wellenlänge, gegenüber dem im allgemeinen Stand der Technik verwendeten CO2-Laser zum Einen ein Durchdringen der Glasoberfläche und eine homogene Erwärmung des Glasvolumens und zum anderen die Verwendung flexibler Lichtwellenleiter zur Stahlführung, so dass auf bei CO2-Lasern benötigte, aufwendige Spiegelsysteme zur Strahleinkopplung in das Glasmaterial verzichtet werden kann.
  • Die Einkopplung des Laserstrahls in das Glasmaterial erfolgt bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel über ein Laserstrahlführungssystem, das beispielsweise aus einer Einkoppeloptik zum Einkoppeln des Laserstrahls in ein flexibles Lichtleitkabel und einem Bearbeitungskopf zum Einbringen des Laserstrahls in das Glasmaterial besteht. Dadurch wird eine gute Fokussier- und leichte Manipulierbarkeit des Laserstrahls bei hohen Wirkungsgraden des Laserprozesses erreicht.
  • Bei einer alternativen Variante der Erfindung erfolgt die Glaserwärmung durch Bestrahlung des Glases mit einem Gaslaser. Vorzugsweise wird bei diesem Ausführungsbeispiel ein Excimer-Laser, beispielsweise ein KrF (Wellenlänge 248 nm), XeF (Wellenlänge 351-353 nm), ArF (Wellenlänge 193 nm), XeCl (Wellenlänge 308 nm), F2 (Wellenlänge 157 nm) oder ein XeBr (Wellenlänge 282 nm), d.h. ein im ultravioletten Spektralbereich emittierender, chemischer Laser verwendet, der in rasch aufeinander folgenden Impulsen Laserstrahlung emittiert.
    •
  • Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines im Lampenbau verwendeten Glasmaterials näher erläutert. Wie bereits eingangs erwähnt, ist das erfindungsgemäße Glasmaterial und Verfahren zur Glaserwärmung jedoch keinesfalls auf derartige Lampengläser und Anwendungen im Lampenbau beschränkt.
  • Das erfindungsgemäße Glasmaterial ist zur Weiterverarbeitung mittels Erwärmung durch Bestrahltung mit einem Laser vorgesehen. Erfindungsgemäß ist das Glasmaterial zur Steigerung der Absorption von Laserstrahlung mit einer Dotierung versehen, die eine definierte Absorption der Laserstrahlung im Volumen des Glasmaterials und dadurch eine homogene Erwärmung des Glasmaterials ermöglicht. Als Dotierstoff ist bei dem beschriebenen Glasmaterial Eisenoxid (Fe2O3) in ein Glasgrundmaterial aus Quarzglas (SiO2) eingebracht worden. Hierbei hat sich ein Zusatz von Eisenoxid im Bereich von etwa 0,02 bis 0,2 Gew.-% des Glasmaterials für eine homogene Erwärmung des Glasmaterials bei guten Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften als vorteilhaft erwiesen. Die Erwärmung des Glasmaterials erfolgt durch Bestrahlung mit einem Laser. Hierbei wird ein Laser verwendet, der Laserstrahlung mit einer Wellenlänge emittiert, für die undotiertes Glas transparent ist, so dass die Strahlleistung des Lasers nicht von der oberflächennahen Schicht des Glasmaterials absorbiert und ein homogenes Erwärmen des Glasmaterials erreicht wird. Dadurch wird eine Beschädigung der Oberfläche der Gläser durch örtliche Überhitzung verhindert und eine hervorragende Glasqualität erreicht.
  • Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt die Bestrahlung des Glases über einen Nd:YAG-Laser der aufgrund seiner Wellenlänge im Bereich von etwa 1064 nm zum Einen die Glasoberfläche größtenteils durchdringt, so dass eine homogene Erwärmung des Glasvolumens erreicht wird und zum anderen die Verwendung flexibler Lichtwellenleiter zur Stahlführung ermöglicht, so dass keine aufwendigen Spiegelsysteme zur Strahleinkopplung in das Glasmaterial notwendig sind und ein kompakter Lasersystemaufbau mit hohen Gesamtwirktungsgraden erreicht wird. Die Einkopplung des Laserstrahls in das Glasmaterial erfolgt über ein Laserstrahlführungssystem, das im Wesentlichen aus dem Laser, einer Einkoppeloptik zum Einkoppeln des Laserstrahls in ein flexibles Lichtleitkabel und einem Bearbeitungskopf (Strahlführungskopf) zur Strahlführung, Fokussierung und Einbringung des Laserstrahls in das Glasmaterial besteht. Durch den Bearbeitungskopf wird eine gute Fokussier- und Manipulierbarkeit des Laserstrahls bei hohen Laserwirkungsgraden erreicht.
  • Das erfindungsgemäße Glasmaterial ist nicht auf die beschriebene Dotierung mit Eisenoxid sowie das Glasgrundmaterialien Quarzglas beschränkt. vielmehr können unterschiedliche aus dem Stand der Technik bekannte Dotierstoffe und Glassorten Verwendung finden. Weiterhin sind andere Lasertypen und Wellenlängen der Laserstrahlung in Anpassung an die, beispielsweise von der Dotierung und Struktur der Gläser abhängigen Absorptionseigenschaften möglich. Erfindungswesentlich ist, dass das für die Weiterverarbeitung zur Erwärmung durch Bestrahlung mit einem Laser vorgesehene Glasmaterial zur Steigerung der Absorption von Laserstrahlung mit einer Dotierung versehen ist.
  • Offenbart sind ein Glasmaterial das für die Weiterverarbeitung zur Erwärmung durch Bestrahlung mit einem Laser vorgesehen ist und ein Verfahren zur Erwärmung eines Glasmaterials. Erfindungsgemäß ist das Glasmaterial zur Steigerung der Absorption von Laserstrahlung mit einer Dotierung versehen.

Claims (14)

  1. Glasmaterial, insbesondere für den Lampenbau, das für die Weiterverarbeitung zur Erwärmung durch Bestrahlung mit einem Laser vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasmaterial zur Steigerung der Absorption von Laserstrahlung mit einer Dotierung versehen ist.
  2. Glasmaterial nach Anspruch 1, wobei die Dotierung zumindest ein Metall oder metallisches Oxid aufweist.
  3. Glasmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dotierung Eisen oder Eisenoxid (Fe2O3) aufweist.
  4. Glasmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glasmaterial etwa 0,01 – 1 Gew.-% Dotierstoffe enthält.
  5. Glasmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glasgrundmaterial Quarzglas (SiO2), Borsilikatglas oder ein Mischglas ist.
  6. Verfahren zur Erwärmung eines Glasmaterials, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Glasmaterial zur Steigerung der Laserabsorption mit einer Dotierung versehen ist und die Glaserwärmung durch Bestrahlung mit einem Laser erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Dotierung bei der Glasherstellung in das Glasgrundmaterial eingebracht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Laser eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge emittiert für die undotiertes Glas im Wesentlichen transparent ist.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Glaserwärmung durch Bestrahlung des Glasmaterials mit einem Festkörperlaser erfolgt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei zur Glaserwärmung ein Nd:YAG-Laser verwendet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die von dem Laser emittierte Strahlung eine Wellenlänge von etwa 1064 nm aufweist.
  12. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Glaserwärmung durch Bestrahlung des Glasmaterials mit einem Gaslaser erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zur Glaserwärmung ein Excimer-Laser eingesetzt wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei die Einkopplung des Laserstrahls in das Glasmaterial über ein Laserstrahlführungssystem erfolgt.
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