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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasrohres,
indem ein Quarzglas-Ausgangszylinder um seine Längsachse rotierend
kontinuierlich einer Heizzone zugeführt, darin bereichsweise
erweicht, und der erweichte Bereich sukzessive zu dem Quarzglasrohr
umgeformt wird.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglasrohres
durch Umformen eines Quarzglas-Ausgangszylinders.
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Stand der Technik
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Mittels
derartiger Verfahren werden Zylinder (Vollzylinder oder Hohlzylinder)
aus thermoplastischem Werkstoff zu Rohren mit beliebigem Querschnittsprofil
umgeformt.
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Ein
Verfahren und einer Vorrichtung dieser Gattung sind aus der
EP 1 186 576 A1 bekannt.
Bei dem darin beschriebenen Verfahren wird ein Quarzglas-Vollzylinder
in einen Quarzglas-Hohlzylinder umgeformt, indem der Quarzglas-Vollzylinder
unter Rotation um seine Längsachse kontinuierlich einem Ofen
mit ringförmigem Heizelement zugeführt, darin zonenweise
erweicht und der erweichte Bereich gegen einen in der Rotationsachse
angeordneten feststehenden Dorn gedrückt und über
diesen mittels einer stirnseitig angeschmolzenen Pfeife abgezogen wird.
Der Dorn weist einen kugelförmig geformten Bohrkopf auf,
der an einem langen Schaft in der Zylinder-Längsachse gehalten
wird. Zur Formung des Außendurchmessers des so erhaltenen
Rohres ist ein zusätzliches Formelement vorgesehen.
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Bei
einem anderen Umformverfahren gemäß der
DE 41 21 611 C1 wird
ein Quarzglas-Hohlzylinder kontinuierlich und unter Rotation durch
einen Heizofen geschoben, in dem mit radialem Abstand zur Rohr-Längsachse
wassergekühlte Grafitplatten angeordnet sind. Durch Überdruck
in der Innenbohrung wird die weiche Hohlzylinderwandung gegen die
Grafitplatten geblasen. Der radiale Abstand der Grafitplatten von
der Rohr-Längsachse gibt den Außendurchmesser
des so erhaltenen Quarzglasrohres vor, das kontinuierlich aus dem
Ofen abgezogen wird.
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Bedingt
durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit von Quarzglas
und das Gewicht der erweichten Quarzglasmasse sind bei den bekannten
Verfahren die Abmessungen sowohl der zu verarbeitenden Ausgangs-Zylinder
als auch die der daraus herzustellenden Quarzglasrohre limitiert.
Eine geringe Flexibilität erweist sich im Zuge wachsender
Anforderungen an die Produktivität als nachteilig.
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hoch produktives
Verfahren zum Umformen eines Quarzglaszylinders in ein Quarzglasrohr anzugeben,
das eine größere Variabilität in den
Abmessungen der herstellbaren Quarzglasrohr erlaubt, und eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten
Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass das Umformen einen ersten Umformschritt umfasst, bei dem der
Ausgangszylinder unter Ausbildung einer einen inneren Hohlraum aufweisenden,
temporären Stauchform mit vorgegebener Wandstärke
kontinuierlich über einen koaxial zur Längsachse
angeordneten Dorn gestaucht wird, sowie einen zweiten Umformschritt,
in dem die Stauchform durch Anlegen eines Innen-Überdrucks
im Hohlraum gegen ein Formwerkzeug geblasen, und unter Bildung des
Quarzglasrohres kontinuierlich in Richtung der Längsachse abgezogen
wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren umfasst mindestens
zwei Umformschritte. Der erste Umformschritt wird im Folgenden auch
als „Stauchen" bezeichnet. Ausgangsprodukt des Stauchens
ist entweder ein Vollzylinder oder ein Hohlzylinder aus Quarzglas.
Der Quarzglaszylinder wird mit einer Innenbohrung versehen, beziehungsweise
eine vorhandene Innenbohrung wird vergrößert.
Hierzu wird der Quarzglaszylinder bereichsweise erweicht und über einen
in der Zylinder- Längsachse feststehenden Dorn in der Literatur
auch als „Bohrkörper" bezeichnet – gestaucht.
Dabei rotiert der Ausgangs-Zylinder um seine Längsachse.
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Im
Unterschied zum bekannten Verfahren wird beim erfindungsgemäßen
Verfahren jedoch kein Rohr aus festem, abgekühltem Quarzglas
abgezogen, sondern es wird lediglich ein hohles Zwischenprodukt
aus weichem Quarzglas erzeugt, das hier als „Stauchform"
bezeichnet wird. Der Dorn gibt den Innendurchmesser der Stauchform
vor. Der Außendurchmesser wird durch Anlage des um die
Längsachse rotierenden und erweichten Quarzglases an einem
Formteil bestimmt, das in einem vorgegebenen Abstand zum Dorn angeordnet
ist. Der Spalt zwischen Dorn und Formteil definiert somit die Soll-Wandstärke
der Stauchform.
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Die
hohle Stauchform aus noch heißem Quarzglas ist anschließend
Ausgangsprodukt des zweiten Umformschritts, der im Folgenden auch
als „Aufblasen" bezeichnet wird und das durch Erzeugen und
Aufrechterhalten eines Innendrucks im Hohlraum der Stauchform bewirkt
wird.
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Dieser
Umformprozess setzt aber erst ein, wenn die Stauchform ihre Soll-Wandstärke
erreicht hat und eine gewisse – wenn auch temporäre – Formstabilität
des heißen Quarzglases gewährleistet ist. Vor
dem zweiten Umformschritt wird daher die Viskosität des
Quarzglases erhöht und danach – beim zweiten Umformschritt – wieder
soweit verringert, dass ein Aufblasen der Stauchform gegen ein Formwerkzeug
ermöglicht wird. Gleichzeitig wird das Quarzglasrohr in
Richtung der Rohr-Längsachse abgezogen, wobei sich das „Abziehen"
des Quarzglasrohres in einer axialen Stabilisierung des Quarzglasrohres
erschöpfen kann, ohne dass eine effektive – das
Quarzglasrohr elongierende – Zugkraft an dem Quarzglasrohr
anliegt.
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Die
Innenwandung des so erhaltenen Quarzglasrohres ist werkzeugfrei
geformt. Der Außendurchmesser des Quarzglasrohres wird
durch den radialen Abstand des Formwerkzeugs von der Längsachse
(= Ziehachse) bestimmt, und die Wandstärke durch das Verhältnis
der Zufuhrgeschwindigkeit der Stauchform und der Abzugsgeschwindigkeit des
Quarzglasrohres.
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Durch
Einsatz von Stauchwerkzeugen mit unterschiedlichen Abmessungen ergibt
sich im ersten Umformschritt eine gewisse Flexibilität
im Außendurchmesser und in der Wandstärke der
Stauchform, und damit dem Ausgangsprodukt für das Aufblasen. In
Verbindung mit weiteren einstellbaren Parametern beim Aufblasen,
wie dem Außendurchmesser des Quarzglasrohres und der Abzugsgeschwindigkeit,
ergibt sich insgesamt eine hohe Variabilität des Prozesses
und der radialen Abmessungen des gewünschten Quarzglasrohres.
Da das Stauchen und Aufblasen in einem Arbeitsgang erfolgen, ergibt
sich darüber hinaus auch eine beträchtliche Zeit-
und Energieeinsparung.
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Vorzugsweise
wird das Stauchen so geführt, dass die temporäre
Stauchform einen im Wesentlichen zylinderförmigen Abschnitt
mit vorgegebener Wandstärke aufweist.
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Die
temporäre Stauchform weist hierbei über eine gewisse
Länge Zylinderform und eine vorgegebene Wandstärke
auf. Die definierte Geometrie der Ausgangsform erleichtert die reproduzierbare
Herstellung eines Rohres mit hoher Maßhaltigkeit im zweiten
Umformschritt durch Aufblasen. Die definierte Geometrie wird durch
eine höhere Viskosität in diesem Bereich erreicht.
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In
dem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die Heizzone
einen vorderen Heizzonenabschnitt mit einer ersten Heizzonentemperatur
aufweist, sowie einen hinteren Heizzonenabschnitt mit einer zweiten
Heizzonentemperatur, wobei zwischen erstem und zweitem Heizzonenabschnitt
ein Bereich mit relativ niedrigerer Temperatur vorgesehen ist.
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Im
vorderen Heizzonenabschnitt wird das Quarzglas des Ausgangs-Zylinders,
der als Vollzylinder oder als dickwandiger Hohlzylinder vorliegt,
erweicht und zu der Stauchform umgeformt. Daraus ergibt sich ein
vergleichsweise hoher Energiebedarf. Dem hinteren Heizzonenabschnitt
wird eine heiße Quarzglasmasse in Form der relativ dünnwandigen Stauchform übergeben,
so dass hier der Energiebedarf zum Umformen des Quarzglases geringer
ist. Die erste Heizzonentemperatur und die zweite Heizzonentemperatur
sollen die Maximaltemperaturen in den jeweiligen Heizzonenabschnitten
repräsentieren. Durch eine demgegenüber relativ
niedrigere Temperatur im Bereich zwischen den Heizzonenabschnitten wird
eine Abküh lung des Quarzglases bei der Übergabe
der Stauchform zum Aufblasen erreicht, die eine höhere
Viskosität und damit eine definierte geometrische Ausgangsform
bewirkt, was die reproduzierbare Herstellung eines Rohres mit hoher
Maßhaltigkeit erleichtert.
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Die
relativ niedrigere Temperatur wird im einfachsten Fall durch einen
Abstand zwischen den Heizzonenabschnitten erreicht. Es hat sich
aber dennoch bewährt, wenn der vordere Heizzonenabschnitt und
der hintere Heizzonenabschnitt in einer gemeinsamen Heizeinrichtung
ausgebildet sind.
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Die
Heizeinrichtung besteht zum Beispiel in einem gemeinsamen Ofen,
was aus den konstruktiven Aufwand und den Energieverbrauch gering
hält.
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Unterschiedliche
Temperaturen in den Heizzonen können mit einem gemeinsamen
ringförmigen Widerstandsheizelement beispielsweise realisiert werden,
indem das Widerstandsheizelement in den jeweiligen Heizzonen eine
spezifische Wandstärke aufweist, infolge der sich bei gegebenem
Stromfluss die gewünschte Temperatur einstellt. Diese Ausführungsform
hat aber den Nachteil, dass das Verhältnis der Temperaturen
in den Heizzonen nicht beliebig veränderbar ist. Daher
sind die erste Heizzonentemperatur und die zweite Heizzonentemperatur
vorzugsweise getrennt voneinander einstellbar.
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Die
getrennte Einstellbarkeit der Heizzonentemperaturen erweitert die
Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens
zusätzlich.
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Der über
die Stauchform zugeführte Massenfluss entspricht grundsätzlich
dem über das Quarzglasrohr abgeführten Massenfluss.
Im Hinblick auf eine hohe Variabilität des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist aber die Abzugsgeschwindigkeit des Quarzglasrohres als frei
einstellbarer Parameter zu beachten.
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Im
einfachsten und besonders bevorzugten Fall wird das Quarzglasrohr
beim Abziehen nicht elongiert.
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Das
Aufbringen einer Ziehkraft zum Abziehen des Quarzglasrohres ist
hierbei nicht erforderlich; die Stauchform wird im Wesentlichen
nur aufgeblasen. Ein zusätzliches Elongieren findet nicht
statt. Hierbei wird die radiale Geometrie des Quarzglasrohres unmittelbar
durch die radiale Geometrie der Stauchform vorgegeben. Die Ziehgeschwindigkeit, mit
der das Quarzglasrohr abgezogen wird, und die Stauchgeschwindigkeit,
mit der Quarzglas-Zylinder dem Dorn zugeführt wird, sind
dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Wandstärke des
Quarzglasrohres – bei gegebenem Außendurchmesser
des Quarzglasrohres – durch die Wandstärke der
Stauchform bestimmt wird.
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Bei
einer alternativen und in Bezug auf eine höhere Variabilität
bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass das Quarzglasrohr
beim Abziehen elongiert wird.
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Im
Gegensatz zur oben beschriebenen Verfahrensweise wird die radiale
Geometrie des Quarzglasrohres nicht allein durch diejenige der Stauchform
bestimmt (bei vorgegebenem Außendurchmesser des Quarzglasrohres),
sondern auch durch die Ziehgeschwindigkeit, mit der das Quarzglasrohr
abgezogen wird. Hierbei ist es erforderlich, dass zum Abziehen des
Quarzglasrohres eine zusätzliche Zugkraft am Quarzglasrohr
anliegt. Bei dieser Verfahrensvariante kann somit die Wandstärke
des Quarzglasrohres an einen gewünschten Wert angepasst werden.
Durch das Aufblasen und Elongieren ergibt sich ein dünnwandigeres
Quarzglasrohr als beim reinen Aufblasen.
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Hinsichtlich
der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die
oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß durch
eine Vorrichtung gelöst, die umfasst:
- • eine
Zufuhr- und Rotationseinrichtung für die kontinuierliche
Zufuhr eines um seine Längsachse rotierbaren Quarzglas-Ausgangszylinders
zu einem vorderen Heizabschnitt einer Heizeinrichtung,
- • einen innerhalb des vorderen Heizabschnitts und koaxial
zur Längsachse angeordneten Dorn, zum Stauchen des Ausgangszylinders
unter Bildung einer einen inneren Hohlraum aufweisenden Stauchform,
- • einen hinteren Heizabschnitt der Heizeinrichtung zum
bereichsweisen Erweichen der Stauchform,
- • eine Druckerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines
Innen-Überdrucks im Hohlraum der Stauchform,
- • ein im hinteren Heizabschnitt angeordnetes Formwerkzeug,
gegen das die Stauchform unter Bildung des Quarzglasrohres aufgeblasen
wird, sowie
- • eine Abzugseinrichtung zum kontinuierlichen Abziehen
des Quarzglasrohres in Richtung seiner Längsachse.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch
eine Heizeinrichtung aus, die mindestens zwei Bereiche aufweist,
die hier als „vorderer Heizabschnitt" und als „hinterer
Heizabschnitt" bezeichnet werden.
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Im
vorderen Heizabschnitt erfolgt das „Stauchen" des Ausgangs-Zylinders
zu der so genannten „Stauchform". Hierzu ist innerhalb
des vorderen Heizabschnitts und in der Zylinder-Längsachse
ein feststehender Dorn angeordnet, gegen den der um seine Längsachse
rotierende und erweichte Ausgangs-Zylinder mittels der Zufuhr- und
Rotationseinrichtung geschoben und darüber gestülpt
(gestaucht) wird.
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Der
Dorn gibt den Innendurchmesser der Stauchform vor. Zusammen mit
einem weiteren Formelement im vorderen Heizabschnitt, das beabstandet
zum Dorn angeordnet ist, ergibt sich eine Spaltweite, die die Wandstärke
der Stauchform bestimmt.
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Im
hinteren Heizabschnitt erfolgt das „Aufblasen" der Stauchform
zu dem Quarzglasrohr. Das Quarzglas der Stauchform wird dabei wieder
soweit erweicht, dass es gegen ein innerhalb dieses Heizabschnitts
angeordnetes Formwerkzeug aufgeblasen werden kann. Hierzu wird mittels
der Druckerzeugungseinrichtung im Hohlraum der Stauchform ein Innen-Überdruck
erzeugt und aufrechterhalten. Gleichzeitig greift am freien Ende
des Quarzglasrohres – vorzugsweise über ein an
diesem Ende angeschweißte Abzugspfeife in Form eines Quarzglasrohres – die
Abzugseinrichtung an, mittels der das Quarzglasrohr in Richtung
seiner Längsachse abgezogen wird.
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Die
Druckerzeugungseinrichtung weist dabei vorzugsweise eine Gaszufuhr
durch die Innenbohrung der Abzugspfeife auf, die ansonsten stirnseitig verschließbar
ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen
angegebene Ausgestaltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen
zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen
nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung
auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen
verwiesen.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und
einer Patentzeichnung näher erläutert. In der
Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
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1 ein
axiales Temperaturprofil über einer Heizzone,
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2 eine
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in einer Seitensicht, und eine erste Phase bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
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3 die
Vorrichtung aus 1, und eine zweite Phase bei
der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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In 2 ist
schematisch eine Vorrichtung zum Umformen eines Quarzglas-Vollzylinders 1 mit einem
Außendurchmesser von 100 mm in ein dünnwandiges
Quarzglasrohr 2 (siehe 3) mit einem Außendurchmesser
von 305 mm (12'') gemäß der Erfindung dargestellt.
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Ein
wichtiger Teil der Vorrichtung wird von einem Widerstandsofen 3 gebildet,
in dem eine vordere Heizzone 4 und eine hintere Heizzone 5 vorgesehen sind.
Die Heizzonen 4 und 5 liegen in Richtung einer Ziehachse 6 gesehen
unmittelbar hintereinander, sind jedoch getrennt voneinander einstellbar
und unterscheiden sich in ihren jeweilig erreichbaren Maximal-Temperaturen.
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Oberhalb
der Darstellung der Heizzonen 4, 5 zeigt 1 ein
Temperaturprofil 7, das schematisch einen typischen axialen
Temperaturverlauf im Widerstandsofen 3 wiedergibt. Die
Maximaltemperaturen in den beiden Heizzonen 4, 5 liegen
bei etwa 2.100°C und das relative Minimum zwischen den
Heizzonen 4, 5 bei etwa 2.000°C.
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Mittels
einer Vorschubeinrichtung (nicht dargestellt) wird der Vollzylinder 1 unter
Rotation um seine Längsachse (die der Rotationsachse 6 entspricht) in
den Widerstandsofen 1 geschoben, der den Vollzylinder 1 ringförmig
umgibt. In der vorderen Heizzone 4 des Widerstandsofens 1 wird
der Vollzylinder 1 auf eine Temperatur von ca. 2.100°C
erhitzt, so dass dieser in einem Erweichungsbereich 8 eine
so geringe Viskosität aufweist, dass er verformt werden
kann. An die weiche Stirnseite des Vollzylinders 1 wird
eine Rohrpfeife 12 aus Quarzglas angesetzt, die einen Bohrkopf 10 umgibt,
der an einem langen Bohrerschaft 11 so gehalten wird, dass
dessen Längsachse in der Rotationsachse 6 verläuft.
Das dem Vollzylinder abgewandte Ende der Rohrpfeife 12 ist
mit einem Pfeifenverschluss 14 mit regelbarem Druckventil
verschlossen.
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Daraufhin
wird der um seine Längsachse rotierende Vollzylinder 1 kontinuierlich
mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 6 cm/min weiter in den Widerstandsofen 3 und
gegen den Bohrkopf 10 geschoben und gleichzeitig das aus
dem Widerstandsofen 3 herausragende Ende der Rohrpfeife 12,
das in einem bewegbaren Abzugswagen 13 gelagert ist, nach
hinten abgezogen. Die Abziehgeschwindigkeit beträgt etwa
2 cm/min. Das erweichte stirnseitige Ende des Vollzylinders 1 wird
dabei zwischen dem Bohrkopf 10 und einem weiteren Formelement 16 zu
einem zylinderförmigen Rohrabschnitt 9 ausgeformt,
der sich beim weiteren Verfahrensfortschritt in Richtung der hinteren
Heizzone 5 verlängert, wobei sich das Quarzglas
des zylinderförmigen Rohrabschnitts 9 (der weiter
oben als „Stauchform" bezeichnet wird) geringfügig
abkühlt, so dass sich die Zylinderform stabilisiert. Diese
Phase des Umformprozesses zeigt 2.
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Im
weiteren Verlauf des Umformprozesses gelangt der zylinderförmige
Rohrabschnitt 9 in die Heizzone 5, in der eine
hohe Temperatur um 2.100°C herrscht. In die Heizzone 5 ragt
ein Formwerkzeug, das zwei wassergekühlte Formbacken 15 aufweist, die
mit Graphitzungen belegt sind. Das wieder erweichte Quarzglas wird
gegen die Formbacken 15 aufgeblasen. Hierzu wird ein Sauerstoffstrom
durch die eine Drehdurchführung (nicht dargestellt) in
die Rohrpfeife 12 eingeleitet und ein Innen-Überdruck von
20 mbar voreingestellt. Durch den Innen-Überdruck wird
die niedrig-viskose Masse des zylinderförmigen Rohrabschnitts 9 gegen
die feststehenden Formbacken 15 auf den Soll-Außendurchmesser
des Quarzglasrohres 2 von 305 mm geblasen, ohne dass ein
zusätzliches Elongieren stattfindet. Hierzu wird das Quarzglasrohr 2 mittels
des Abzugswagens 13 mit einer Geschwindigkeit von 2 cm/min
abgezogen, wobei sich diese Geschwindigkeit durch den zugeführten
Massenfluss und den Soll-Außendurchmesser des Quarzglasrohres 2 ergibt.
Aus dem so erhaltenen Rohrstrang werden anschließend die
gewünschten Rohrlängen abgelängt.
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Die
Formbacken 15 sind jeweils mittels einer rechnergesteuerten
Formbackennachführung motorisch in Richtung senkrecht zur
Längsachse 6 verfahrbar, so dass – nur
begrenzt durch Außendurchmesser des gestauchten Quarzglas-Zylinders 9 – beliebige
Außendurchmesser eingestellt werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1186576
A1 [0004]
- - DE 4121611 C1 [0005]