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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Glasrohkomponenten gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, insbesondere von Glasrohkomponenten aus Borosilikatglas, weiter insbesondere von Glasrohkomponenten aus Borosilikatglas 3.3 von DN15 bis DN1000 mit Wandstärken von ca. 2,2 mm bis ca. 16 mm.
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Dem Fachmann sind Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Glasrohkomponenten aus Borosilikatglas bekannt. Dazu werden Glasrohteile als Nachfolge-Arbeitsschritt einer Schmelzwanne mittels Einblasen, Schleudern oder Pressen hergestellt.
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Des Weiteren ist es bekannt, zylindrische Glasrohkomponenten aus Borosilikatglas mittels einer Rundschmelznaht miteinander zu verbinden, um beispielsweise lange zylindrische Glasrohkomponenten herzustellen. Dabei werden zumindest zwei zylindrische Glasrohkomponenten mittels einer Rundschmelznaht an gegenüberliegenden Stoßkanten der beiden Glasrohkomponenten miteinander verbunden.
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Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung einer Rundschmelznaht müssen beim Fügen die beiden zu verbindenden Glasrohkomponenten grundsätzlich rotieren, damit durch die entstehenden Fliehkräfte ein Zusammenfallen des weichen Glases nach innen während des Schmelzvorgangs verhindert wird.
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Bei den bekannten Verfahren werden somit die zu fügenden Glasrohkomponenten in einer Gleichlaufmaschine eingespannt und mit einer Schmelznaht verbunden. Die zum Schmelzen erforderliche Energie wird in der Regel mit einem Brenner eingebracht.
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Bei Glasrohkomponenten mit kleineren und mittleren Nennweiten wird der Brenner mit Erdgas und Sauerstoff betrieben. Bei Glasrohkomponenten mit großen Nennweiten wird der Brenner mit Erdgas bzw. Sauerstoff und Wasserstoff betrieben. Bei Glasrohkomponenten mit mittleren und großen Nennweiten kann das Erdgas-Sauerstoff-Gemisch auch mit Hochfrequenz kombiniert werden.
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Die bekannten Verfahren zur Herstellung einer Rundschmelznaht haben den Nachteil, dass sie nur für Glasrohkomponenten bis zu einer bestimmten maximalen Nennweite geeignet sind, weil die Glasrohkomponenten nur mit einer bestimmten maximalen Drehzahl rotiert werden können und ein gleichmäßiges Erhitzen bei großen Nennweiten eine Rotation mit einer höheren als dieser maximalen Drehzahl erfordert.
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Die bekannten industriell eingesetzten Verfahren zur Herstellung einer Rundschmelznaht haben insbesondere die folgenden Nachteile:
- – schlechte Energieausnutzung durch offene Flamme
- – hierdurch lange bis sehr lange Prozesszeit erforderlich
- – erhöhtes Bruchrisiko durch nicht exakt reproduzierbare Auf- und Abwärmphase
- – mittlere hohe Hitzebelastung für Mensch, Maschine und Umwelt
- – Gesundheitsbelastungen durch W-/IR-Strahlungen
- – Qualitätseinbußen durch Bildung einer ”Wasserhaut” durch Kondensation in der Aufwärnmphase, wodurch ein erhöhtes Bruchrisiko entsteht
- – Qualitätseinbußen in der Schmelznaht durch ungleichmäßige Wärmeeinbringung im Glas
- – hohe thermische Spannungen im Glas durch die Wärmeeinwirkung
- – Verschleiß an Maschine, Vorrichtungen und Brennern durch die hohe und lange Hitzebelastung und mechanische Belastung durch Strömungsgeschwindigkeit der Gase
- – Verunreinigungen in der Schmelznaht durch Metallabtrag aus Leitung und Brenner sowie Kondenswasser
- – Energieeintrag mittels Hochfrequenz-Verschmelzung auf Grund des schlechter werdenden Energienutzungsgrades bislang nur für kleine bis mittlere Wandstärken geeignet.
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Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Glasrohkomponenten durch Verschmelzen von in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufenden Rändern sind nicht bekannt. Das erklärt sich daraus, dass bei Herstellung von Längsschmelznähten die herzustellende zylindrische Glasrohkomponente im Gegensatz zu der Herstellung von Rundschmelznähten nicht in Rotation versetzt werden kann. Daher kann das Absinken des erhitzten Glases nicht verhindert werden. Bei der Herstellung von Rundschmelznähten wird dies durch die Rotation der Glasrohteile und gegebenenfalls durch Einlasen von Luft verhindert. Außerdem weiß der Fachmann, dass die oben genannten Nachteile der bekannten industriell eingesetzten Verfahren zur Herstellung einer Rundschmelznaht genauso für die Herstellung von Längsschmelznähten gelten werden. Daher wird der Fachmann nicht in Erwägung ziehen, zylindrische Glasrohkomponenten mit Hilfe von Längsschmelznähten herzustellen. Das gilt insbesondere für die Herstellung von zylindrischen Glasrohkomponenten mit großen Nennweiten und Wandstärken.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Glasrohkomponenten anzugeben, das einfach ist und mit dem auch zylindrische Glasrohkomponenten mit großen Nennweiten und Wandstärken hergestellt werden können.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einer Ausführung der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von zylindrischen Glasrohkomponenten aus Borosilikatglas für Chemie-Anlagen und Laboratorien aus zumindest einem ersten Glasrohteil angegeben, das zumindest zwei in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufende Ränder aufweist, wobei zumindest einer der beiden in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufenden Ränder des ersten Glasrohteils mit einem Rand eines weiteren Glasrohteils, das ebenfalls zumindest zwei in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufende Ränder aufweist, oder dem anderen Rand der zumindest zwei in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufenden Ränder des ersten Glasrohteils mittels des Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen wird.
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Erfindungsgemäß können das erste Glasrohteil eine Glasrohteilschale und das weitere Glasrohteil jeweils eine Glasrohteilschale sein. Erfindungsgemäß können das erste Glasrohteil und das zweite Glasrohteil jeweils eine Glasrohteilhalbschale sein.
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Erfindungsgemäß kann das erste Glasrohteil eine Glasrohhülse sein.
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Erfindungsgemäß können mehrere Glasrohteilschalen an ihren in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufende Rändern mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen werden.
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Dabei können vorzugsweise die mehrere Glasrohteilschalen zwei Glashalbschalen sein, die an ihren jeweils beiden in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufenden Rändern mit dem jeweils anderen Rand der anderen Glashalbschale mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen werden.
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Erfindungsgemäß können die Glasrohteilschalen oder die Glasrohteilhülse aus Flachglasplatten oder einer Flachglasplatte biegegeformt werden.
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Dabei können die Flachglasplatten oder die Flachglasplatte oder zumindest eine der Flachglasplatten aus mehreren Flachglasplatten zusammengesetzt werden bzw. wird, die an zwei aneinander stoßenden Rändern vorzugsweise mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen werden.
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Alternativ oder zusätzlich können dabei die Flachglasplatten zu Glasrohteilschalen biegegeformt werden, bevor die so biegegeformten Glasrohteilschalen an ihren in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufenden Rändern mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen werden.
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Alternativ oder zusätzlich können dabei Flachglasplatten an gegenüberliegenden Rändern vorzugsweise mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen werden, bevor die so entstandenen größeren Flachglasplatten zu Glasrohteilschalen biegegeformt werden und die so entstandenen Glasrohteilschalen anschließend an ihren in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente verlaufenden Rändern mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen werden.
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Alternativ oder zusätzlich können dabei Flachglasplatten an gegenüberliegenden Rändern vorzugsweise mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen werden, bevor die so entstandenen größere Flachglasplatte zu einer Glasrohteilhülse biegegeformt wird und die so entstandene Glasrohteilhülse anschließend an ihren in Längsrichtung der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente (100) verlaufenden Rändern mittels Eintrags von Laserenergie miteinander verschmolzen wird.
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Erfindungsgemäß kann die Laserenergie bezogen auf die zu verschmelzenden Glasrohteilschalen bzw. bezogen die zu verschmelzende Glasrohteilhülse von außen eingebracht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Laserenergie bezogen auf die zu verschmelzenden Glasrohteilschalen bzw. bezogen die zu verschmelzende Glasrohteilhülse von innen aufgebracht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Laserenergie dabei in mehrere Richtungen zur gleichzeitigen bzw. im Wesentlichen gleichzeitigen oder aufeinander folgenden Erzeugung von Schmelznähten gelenkt werden.
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Erfindungsgemäß kann das durch einen Laser mit einer entsprechenden Optik und/oder einem geeigneten Laserstrahlprofil und/oder durch mehrere Laser erfolgen.
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Erfindungemäß kann der Laserstrahl bzw. können die Laserstrahlen wiederkehrend entlang der auszubildenden Schmelznaht derart wiederkehrend gelenkt werden, dass die gesamten aneinander stoßenden Ränder in einem Arbeitsgang erwärmt und miteinander verschmolzen werden. Alternativ kann der Laserstrahl auch in einem Weg entlang der Nut bewegt werden.
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Erfindungsgemäß kann die herzustellende Glasrohkomponente eine Nennweite von zumindest 150 mm, vorzugsweise zumindest 200 mm, weiter vorzugsweise zumindest 225 mm, weiter vorzugsweise zumindest 300 mm, weiter vorzugsweise zumindest 400 mm, weiter vorzugsweise zumindest 450 mm, weiter vorzugsweise zumindest 600 mm, weiter vorzugsweise zumindest 800 mm und bevorzugt von ungefähr 1000 mm aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann die herzustellende Glasrohkomponente eine Wandstärke von zumindest 1,5 mm, vorzugsweise von zumindest 1,8 mm, weiter vorzugsweise von zumindest 2,0 mm, weiter vorzugsweise von zumindest 2,2 mm und bevorzugt von ungefähr 2,2 mm bis 16 mm aufweisen.
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Erfindungsgemäß kann die herzustellende Glasrohkomponente eine Wandstärke von höchstens 25 mm, vorzugsweise von höchstens 22 mm, weiter vorzugsweise von höchstens 20 mm, weiter vorzugsweise von höchstens 18 mm und bevorzugt von höchstens 16 mm aufweisen.
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Erfindungemäß kann ein CO2 Laser zum Verschmelzen der Ränder verwendet werden.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung von gemäß den oben genannten erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Glasrohkomponenten für den Bau chemischer Anlagen.
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Die erfindungsgemäß herzustellenden bzw. zu verarbeitenden Glasrohkomponenten bzw. Glasrohteile sind insbesondere Glasrohkomponenten, vorzugsweise aus Borosilikatglas, insbesondere vorzugsweise Borosilikatglas 3.3 von DN15 bis DN1000.
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Die erfindungsgemäß herzustellenden bzw. zu verarbeitenden Glasrohkomponenten bzw. Glasrohteile weisen typischerweise Wandstärken im Bereich von ca. 2,2 mm bis ca. 18 mm auf. Es ist klar dass die erfindungsgemäß zu verarbeitenden Glasrohkomponenten bzw. Rohteile in der Regel größere Wandstärken bei größeren Nennweiten und geringere Wandstärken bei kleineren Nennweiten aufweisen.
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Erfindungsgemäß sind auch Wandstärken außerhalb des bevorzugten Bereichs möglich.
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Erfindungsgemäß können Glasrohkomponenten auch mit sehr großen Nennweiten, beispielsweise Nennweiten in dem Bereich von 150 bis 1500 mm verarbeitet werden. In Abhängigkeit von der Kapazität der verwendeten Haltevorrichtung können auch Glasrohkomponenten mit größeren Nennweiten verarbeitet werden.
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Die untere Grenze der Nennweite hängt von der Art der eingesetzten Vorrichtung zur Verarbeitung von Glasrohkomponenten ab. Bei Ausführungen mit einer innerhalb zumindest einer Glasrohkomponente angeordneten Lichtleitvorrichtung muss die Nennweite zumindest geringfügig größer als der Außendurchmesser der Lichtleitvorrichtung sein.
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Erfindungsgemäß kann das Verfahren auch für die Herstellung von Apparateflanschen aus Flachglasscheiben eingesetzt werden. Ebenso ist erfindungsgemäß die Herstellung von anderen Glasformprodukten denkbar, wie beispielsweise die Herstellung von Glasrinnen für Rinnenverteiler.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher beschrieben:
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1 zeigt schematisch die Schritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer zylindrischen Glasrohkomponente aus zwei Flachglasscheiben.
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2 zeigt schematisch eine Variante des in 1 gezeigten Verfahrens mit den alternativen Schritten a1) und a2), die Schritt a) des Verfahrens von 1 ersetzen.
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3 zeigt schematisch eine Variante des in 1 gezeigten Verfahrens mit den alternativen Schritten b1) und b2), die Schritt b) des Verfahrens von 1 ersetzen, wobei Schritt a1) von 2 anstelle von Schritt a) der 1 tritt.
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4 zeigt schematisch die Schritte eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer zylindrischen Glasrohkomponente aus einer Flachglasscheibe.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- zylindrische Glasrohkomponente
- 101
- Schmelznaht (in Längsrichtung 109)
- 102
- Schmelznaht (in Längsrichtung 109)
- 103
- Schmelznaht (in Längsrichtung 109)
- 109
- Längsrichtung der zylindrischen Glasrohkomponente
- 110
- erstes Glasrohteil
- 111
- Rand des ersten Glasrohteils 110
- 112
- Rand des ersten Glasrohteils 110
- 113
- Rand eines Glasrohteils 115
- 114
- Rand eines Glasrohteils 116
- 115
- Glasrohteil
- 116
- Glasrohteil
- 119
- Längsrichtung des ersten Glasrohteils 110
- 120
- zweites Glasrohteil
- 121
- Rand des zweiten Glasrohteils 120
- 122
- Rand des zweiten Glasrohteils 120
- 123
- Rand eines Glasrohteils 125
- 124
- Rand eines Glasrohteils 126
- 125
- Glasrohteil
- 126
- Glasrohteil
- 129
- Längsrichtung des zweiten Glasrohteils 120
- 130
- Glasrohteil
- 131
- Rand des Glasrohteils 130
- 132
- Rand des Glasrohteils 130
- 139
- Längsrichtung des zweiten Glasrohteils 130
- 210
- außerhalb angeordnete Laservorrichtung
- 211
- Laserstrahl der außerhalb angeordneten Laservorrichtung
- 220
- innerhalb angeordnete Laservorrichtung
- 221
- Laserstrahl der innerhalb angeordneten Laservorrichtung
- 222
- Laserstrahl der innerhalb angeordneten Laservorrichtung
- 230
- außerhalb angeordnete Laservorrichtung
- 231
- Laserstrahl der außerhalb angeordneten Laservorrichtung
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1 zeigt die Schritte eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer zylindrischen Glasrohkomponente 100 aus zwei Glasrohteilen 110, 120.
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Wie in Abbildung a) der 1 schematisch dargestellt, werden die Glasrohteile 110, 120 zunächst als Flachglasplatten bereitgestellt. Die Glasrohteile 110, 120 weisen jeweils zwei in Längsrichtung 119 bzw. 129 verlaufende Ränder 111, 112 bzw. 121, 122 auf.
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Durch ein dem Fachmann bekanntes Formbiegeverfahren werden die beiden Glasrohteile 110, 120 aus ihrer ebenen Form in Glashalbschalen biegegeformt, die jeweils eine halbzylindrische Form aufweisen, wie in Abbildung b) von 1 gezeigt.
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Anschließend werden die beiden Glashalbschalen in einer geeigneten Haltevorrichtung aufgenommen, derart, dass die beiden in 1 jeweils linken Ränder 111, 121 und die beiden in 1 jeweils rechten Ränder 112, 122 der beiden biegegeformten Glasrohteile 110, 120 aufeinander liegen, wie in Abbildung c) von 1 gezeigt.
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Mittels des Eintrags der Energie eines Laserstrahls 211 eines außerhalb der Glasrohteile 110, 120 angeordneten Lasers 210 und/oder der Energie eines Laserstrahls 221 eines innerhalb der Glasrohteile 110, 120 angeordneten Lasers 220 wird an der Stoßstelle der Ränder 111, 121 eine erste Schmelznaht 101 in Längsrichtung 109 der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente ausgebildet, um die beiden Glasrohteile 110, 120 an ihren Rändern 111, 121 miteinander zu verbinden, wie in Abbildung c) von 1 gezeigt.
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Gleichzeitig kann mittels des Eintrags der Energie eines Laserstrahls 231 eines außerhalb der Glasrohteile 110, 120 angeordneten Lasers 230 und/oder der Energie eines Laserstrahls 222 eines innerhalb der Glasrohteile 110, 120 angeordneten Lasers 220 an der Stoßstelle der Ränder 111, 121 eine weitere Schmelznaht 102 in Längsrichtung 109 der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente ausgebildet werden, um die beiden Glasrohteile 110, 120 an ihren Rändern 112, 122 miteinander zu verbinden, wie in Abbildung c) von 1 gezeigt. Alternativ können die Schmelznähte auch nacheinander ausgebildet werden, wobei die Schmelznähte auch mit nur einem Laserstrahl ausgebildet werden können, der von innen oder von außen zu der Schmelznaht geführt wird.
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In Abbildung d) von 1 ist die zylindrische Glasrohkomponente 100 mit den beiden ausgebildeten Schmelznähten 101 und 102 dargestellt.
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In den 2 und 3 werden Varianten des in 1 gezeigten Verfahrens dargestellt. Bei diesen Varianten wird die zylindrische Glasrohkomponente 100 aus vier Glasrohteilen 115 und 116 sowie 125 und 126 hergestellt, die in Längsrichtung 109 der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente 100 (entspricht der Längsrichtung 119 bzw. der Längsrichtung 129) die Ränder 111 und 113, 114 und 112, 121 und 123 bzw. 124 und 125 aufweisen.
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Gemäß 2 werden anstelle des Schritts a) die Glasrohteile 115 und 116 an den Rändern 113 und 114 vorzugsweise mittels des Eintrags der Energie eines Laserstrahls 211 eines Lasers 210 miteinander verschmolzen, um das Glasrohteil 110 als große Flachglasplatte herzustellen. Entsprechend wird das Glasrohteil 120 aus den Glasrohteilen 125 und 126 hergestellt. Anschließend werden die Flachglasplatten entsprechend den Schritten b) bis d) von 1 weiterverarbeitet.
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Gemäß 3 werden die Glasrohteile 115 und 116 sowie 125 und 126 vor dem Fügen biegegeformt. Das Verfahren hat somit die Schritte a1) von 2, die Schritte b1) und b2) von 3 sowie die Schritte c) und d) von 1. Alternativ können auch die Schritte b2) von 3 und c) von 1 ausgetauscht oder gleichzeitig ausgeführt werden.
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4 zeigt schematisch die Schritte eines zweiten erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer zylindrischen Glasrohkomponente aus einer Flachglasscheibe. Da das Verfahren im großen und ganzem dem in den 1 bis 3 beschriebenen Verfahren entspricht wird auf deren Beschreibung verwiesen und im Folgenden werden nur die Unterscheide beschreiben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen.
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In Schritt a) von 4 wird ein Glasrohteil 130 als eine große Flachglasplatte bereitgestellt, das gegenüberliegende Ränder 131 und 132 aufweist, die in Längsrichtung 139 des Glasrohteils 130 verlaufen.
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In Schritt b) wird das Glasrohteil 130 biegegeformt, bis die Ränder 131 und 132 aufeinander stoßen. An den Rändern 131, 132 wird eine Schmelznaht 103, wie in den Schritten c) und d) von 4 gezeigt. Es ist klar, dass das Glasrohteil 130 beispielsweise entsprechend der Schritte a1) und a2) von 2 aus mehreren Flachglasplatten ausgebildet werden kann.
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Der oder die Laserstrahlen können bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung bzw. erfindungsgemäß über eine geeignete Optik bzw. einen geeigneten Scanner so wiederkehrend entlang der auszubildenden Schmelznaht gelenkt werden, dass das Glas der zu verbindenden Glasrohteile an den Rändern in einem Arbeitsgang erwärmt und verschmolzen werden kann. Die regelmäßige wiederkehrende Laserstrahlbewegung dient dabei dazu, einen gleichmäßigen Wärmeeintrag im Glas zu erreichen. Beispielsweise kann der Laserstrahl immer von der einen zu der anderen Seite der auszubildenden Schmalznaht mit gleich bleibender Geschwindigkeit geführt werden. Alternativ kann der Laserstrahl auch hin- und herbewegt werden. Alternativ kann der Laserstrahl auch schrittweise geführt werden, z. B., dass bei einer gedachten Abbildung eines Zahlenstrahls auf die auszubildende Schmelznaht die Bereiche 1, 3, 5, 7 usw. und anschließend die Bereiche 2, 4, 6, 8 usw. mit dem Laserstrahl abgetastet werden. Andere geeignete Reihenfolgen sind denkbar, wie beispielsweise 1, 5, 9 usw., 2, 6, 10 usw., 3, 7, 11 usw. etc.. Dieselbe oder eine andere Reihenfolge der Abtastung wird so lange wiederholt, bis durch den Laser in das Glas genügend Energie zur Ausbildung der Schmelznaht eingebracht wurde.
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Sollte bei größeren Wandstärken der herzustellenden zylindrischen Glasrohkomponente die eingebrachte Laserenergie nicht ausreichen, die beiden zu verbindenden Ränder (beispielsweise der beiden Glashalbschalen) in einem Arbeitsgang vollständig miteinander zu verschmelzen, d. h. durch die gesamte Wandstärke, dann wird es bevorzugt, die Laserenergie sowohl von innen als auch von außen in das Glas einzubringen.
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Die Längsrichtung 109 der zylindrischen Glasrohkomponente verläuft in allen Figuren senkrecht zur Zeichnungsebene, wie durch den Pfeil dargestellt ist. Der Pfeil ist entsprechend als Punkt in einem Kreis dargestellt. Das gleiche gilt für die Längsrichtung 119 des ersten Glasrohteils 110, die Längsrichtung 129 des zweiten Glasrohteils 120 und die die Längsrichtung 139 des Glasrohteils 130.
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Es ist klar, dass dem Fachmann beim Studium der Unterlagen naheliegende Alternativen und äquivalente Lösungen auch in den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung fallen sollen.
