DE102011100376A1

DE102011100376A1 - Verfahren zur Herstellung von Glasfasern

Info

Publication number: DE102011100376A1
Application number: DE102011100376A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Faidel; Wilfried Behr; Uwe Reisgen
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH; Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2011-05-03
Filing date: 2011-05-03
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein alternatives Verfahren zur Herstellung einer Glasfaser aus einer Glasschmelze, bei dem die Faser unmittelbar aus der Oberfläche der Glasschmelze gezogen wird, und wobei die Temperatur im Inneren der Glasschmelze eine höhere Temperatur aufweist, als die Oberfläche. Dabei wird jedoch die Glasschmelze durch Aufschmelzen von Glasmaterial mit Hilfe eines Lasers erzeugt. Das Verfahren ist apparativ weniger aufwändig als bisherige Verfahren und kann vorteilhaft auch für kleinste Mengen eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung einer Faser, insbesondere die Herstellung einer Glasfaser aus einer Glasschmelze.
Stand der Technik
Glasfasern werden heutzutage vielfältig eingesetzt. So werden sie in der Medizin verwendet, beispielsweise bei der Endoskopie oder bei Herz- und Magensonden. Die Übermittlung von Daten durch Glasfaserkabel ist ein weiterer wichtiger Einsatzort. Moderne Telefonnetze bestehen nur noch aus Glasfaserkabel, bei denen die akustischen Signale kurzzeitig in optische umgewandelt und weitergeleitet werden. Für Hochleistungsschleif- und Trennscheiben dienen Glasfasern als Verstärkung, ebenso wie für Kunststoffe und Harze. Man findet sie beim Automobilbau oder Bootsbau. Auch in Textilien haben Glasfasern mittlerweile Einzug gefunden, wie beispielsweise in Schutzanzügen für Feuerwehrleute.
Der Begriff Glas beschreibt alle Produkte, die sich in einem glasartigen Zustand befinden. Ein solcher glasartiger Zustand tritt dann ein, wenn ein geschmolzenes Produkt fest wird, bzw. erstarrt, ohne jedoch zu kristallisieren. Im Rahmen dieser Erfindung sollen jedoch unter dem Begriff nur eingefrorene Schmelzen von Quarz, mit verschiedenen Oxidzusätzen, zu verstehen sein.
Zur Herstellung von Glasfasern sind bereits verschiedene Verfahren bekannt. Welches Verfahren eingesetzt wird, hängt unter anderem vom Zweck ab, für den die Glasfasern später verwendet werden sollen. Häufig findet die Glasfaser Verwendung als Dämmstoff und für Isolierzwecke. Auch in der Telekommunikation und Datenübertragung findet die Glasfaserherstellung ihren Einsatz. Es gibt verschiedene Glasfasertypen. Die Glasfasern werden nach bestimmten Normen eingestuft und müssen entsprechend gekennzeichnet werden.
Die bekannten Herstellverfahren differieren in der Regel nicht in der Zusammensetzung der zugrunde liegenden Glasschmelzen. Man unterscheidet zunächst die Herstellung von kurzen Glasfasern mit einer Maximallänge von ca. 20 bis 40 cm und sogenannte Endlosfasern.
Zur ersten Gruppe gehört beispielsweise das Schleuderverfahren ( DE 122 58 10 ). Damit können Kurzfasern unbestimmter Länge für den Einsatz als Dämmstoffe und Isolierzwecke hergestellt werden. Beim Schleuderverfahren kann der Faserdurchmesser nicht exakt bestimmt werden. Ferner gehören zur ersten Gruppe Verfahren, bei denen beispielsweise ein Glasstab an einem Ende mit Hilfe von Hochgeschwindigkeitsbrennern in an sich bekannter Weise zerfasert wird.
Zur zweiten Gruppe gehören Verfahren, bei denen die Faser entweder aus einem Glasstab (Stabziehverfahren) oder aus einer Glasschmelze gezogen werden, insbesondere das (Düsen-) Ziehverfahren und das (Düsen-) Blasverfahren.
Bei dem so genannten Stapelverfahren wird ein Glasstab meist vertikal angebracht und am unteren Ende bis auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher viskoses Fließen einsetzt. Daraus wird dann ein Faden gezogen und anschließend auf eine rotierende Trommel aufgebracht Das Stabziehverfahren eignet sich nicht für Gläser, die eine relativ hohe Kristallisationstendenz aufweisen. Ein solches Stapelziehverfahren ist beispielsweise aus DE 697 01 953 T2 bekannt.
Beim (Düsen-) Ziehverfahren werden Glasfäden mittels mechanischer Kräfte zu dünnen Elementarfäden (Filamenten) aus dem Wannenboden eines Tiegels mit geschmolzenem Glas ausgezogen. Dieser Wannenboden besteht aus einem Platinblech mit vielen, kleinen Öffnungen, die als Düsen bezeichnet werden. Der typische Innendurchmesser der Öffnungen beträgt ca. 1 mm. Durch die Geschwindigkeit der Aufwicklung der Filamente auf die Spule kann die Ausziehgeschwindigkeit, 25 bis 150 m/s, und somit die Dicke der einzelnen Filamente, geregelt werden. Daneben beeinflussen die Düsenbohrung und die eingestellte Düsentemperatur die Dicke der Filamente. Die Filamente weisen beispielsweise eine Dicke zwischen 5–24 μm auf. Im Anschluss werden die Filamente abgekühlt, und je nach weiterer Verwendung mit einer Schlichte (Imprägnierflüssigkeit) beaufschlagt und zu einem Glasspinnfaden zusammengeführt. Dieses Verfahren eignet sich nur zur Herstellung von Endlosfasern. Diese können sowohl direkt gezogen als auch assembliert sein. Kurzfasern können mit diesem Verfahren nur hergestellt werden, indem die aufgewickelten Glasspinnfäden nachträglich geschnitten werden. Das (Düsen-) Ziehverfahren wird häufig zur Herstellung von Textilglasfasern eingesetzt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass es nur für Fasern aus relativ kristallisationsstabilen Glaszusammensetzungen geeignet ist. Bei Glasschmelzen, bei denen die Keimbildungsrate in dem Temperaturbereich des Faserziehens relativ hoch ist, tritt bei diesem Verfahrenschritt unterhalb der Liquidustemperatur bereits nachteilig Kristallisation ein.
Beim (Düsen-) Blasverfahren wird die Schleppkraft von strömendem Gas als faserbildende Komponente ausgenutzt. Glasstapelfasern, die hierdurch hergestellt werden, haben keine bestimmte Anzahl von Fasern. Es handelt sich um endliche Einzelfasern, die miteinander verdrillt und weitestgehend parallel ausgerichtet sind. Bei dem Blasverfahren werden Glastropfen mit Pressluft aus einer Platinwanne zu Fasern verzogen, über eine Lochtrommel in Längsrichtung zu 5–30 cm langen Fasern orientiert und zu einem fortlaufenden Band geformt, das verdichtet und aufgewickelt wird. Auch hier werden die Fasern mit einer Schlichte besprüht.
Ferner ist das Trommelziehverfahren bekannt, durch welches Stapelfasern, vorzugsweise aus Alkali-Kalk-Glas (C-Glas), mit unbestimmter Länge (ca. 2–100 cm) erzeugt werden. Bei diesem Verfahren werden Glasstapelfaser-Vorgarne nach dem Zwei-Stufen-Prozess erzeugt. In einem ersten Schritt tritt die Glasschmelze in Tropfenform mit einer Temperatur von ca. 1200°C schwerkraftbedingt aus den Bohrungen von Platindüsen aus und wird anschließend in einem Prozess über die Abzugstrommeln zu Glasfilamenten ausgezogen. Um einen regelmäßigen Abzug durch die Abzugstrommel zu gewährleisten, wird unterhalb der Düse häufig ein verdampftes Öl auf die Filamente aufgeblasen. Die Abzugsgeschwindigkeit regelt dabei den Filamentdurchmesser. Die abgekühlten Glasfilamente werden anschließend mechanisch mittels Schaber oder Messer von der Trommel abgehoben und dem Spinntrichter zugeführt. Es entstehen Glasstapelfasern mit undefinierter Stapellänge (2 cm bis 1 m). Nachfolgend werden die gesammelten Fasern im Spinntrichter verwirbelt und zu einem Faserband zusammengefasst und seitlich abgezogen. Vor dem Spulprozess erhält das Vorgarn den zur Weiterverarbeitung notwendigen Schutzdrall. Glasstapelfaser-Vorgarn ist in dieser klassischen Aufmachungsform das Ausgangsprodukt für nachfolgende textile Weiterverarbeitungen.
Aus DE 10 2006 022 050 A1 ist ein Herstellungsverfahren für Glasfasern, insbesondere von Endlosfasern bekannt, welches für leicht kristallisierbare Glaszusammensetzungen geeignet ist, die in der Regel nicht mit Hilfe der üblichen Düsenziehverfahren hergestellt werden können. Dabei wird eine Glasfaser unmittelbar aus der Oberfläche einer in einem Schmelztiegel befindlichen Glasschmelze ohne Anwendung gefäßverengender Mittel, wie beispielsweise Düsen, vertikal aufwärts gezogen. In der Glasschmelze wird ein Temperaturgradient eingestellt, bei dem die Oberfläche der Glasschmelze eine niedrigere Temperatur aufweist als deren Inneres. Zur Einstellung des erforderlichen Temperaturgradienten wird dazu entweder eine spezielle Kühlung der Oberfläche oder eine Mehrzonenheizung eingesetzt.
Aufgabe und Lösung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines faserförmigen Glaswerkstoffs zur Verfügung zu stellen, der beispielsweise als Zusatzwerkstoff bei der Fügung metallischer und/oder keramischer Bauteile eingesetzt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Herstellungsverfahren für eine Glasfaser gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens finden sich in den darauf rückbezogenen, abhängigen Ansprüchen.
Gegenstand der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde herausgefunden, dass eine Glasfaser aus einer Schmelze gezogen werden kann, die durch einfaches Aufschmelzen von Glasmaterial auf der Oberfläche einer geeigneten Unterlage mit Hilfe eines Lasers erzeugt wird. Damit unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren von bekannten Anwendungen, bei denen gefäßverengende Mittel wie Düsen oder Löcher eingesetzt werden.
Eine Glasfaser ist der Sammelbegriff für zu Fasern verarbeitetes Faserglas, mit einem Durchmesser in der Regel kleiner als 40 μm. Die spezifischen Eigenschaften der einzelnen Glasfaser können nicht auf die daraus gewonnenen Produkte direkt übertragen werden. Als Beispiel kann die hohe Zugfestigkeit der Einzelfaser genannt werden, die bei daraus gefertigten Garnen durch die Art der Faserverbindung beeinflusst wird.
Der Transformationsbereich, das ist der Übergangsbereich zwischen Schmelze und Feststoff, liegt bei vielen Glasarten um 600°C. Zur Charakterisierung der Gläser wird häufig die Glasübergangs- oder Erweichungstemperatur (T_G) herangezogen. Das ist die Temperatur, bei der ein Glas die größte Änderung der Verformungsfähigkeit aufweist.
Ermöglicht wird die erfindungsgemäße Herstellung der Glasfaser, durch einen Temperaturgradienten innerhalb des aufgeschmolzenen Glasmaterials. Durch den Energieeintrag des Lasers wird auf einer Unterlage befindliches Glasmaterial aufgeschmolzen und bildet auf Grund der Oberflächenspannung in der Regel auf der Unterlage eine tropfenartige Kugel aus geschmolzenem Glas. Das Glasmaterial kann dabei sowohl als Pulver als auch in anderer Form vorgelegt werden. Für den Einsatz der erfindungsgemäß hergestellten Glasfaser als Fügematerial wird insbesondere Glaslot als Ausgangsmaterial eingesetzt, wobei die Erfindung aber nicht darauf beschränkt ist.
Ein Glaslot ist üblicherweise ein Glas mit besonders niedriger Erweichungstemperatur (z. B. 400°C), das zum thermischen Verbinden oder Abdichten von Gegenständen aus Glas verwendet wird. Das Verfahren ist dem Löten mit Metallen ähnlich. Glaslot wird je nach Art bei einer Temperatur zwischen 350°C und 700°C verarbeitet, bei einer Viskosität von η = 10⁴ bis 10⁶ dPa·s. Da Glas eine typische Erweichungstemperatur von ca. 600°C hat, ist es bei dieser Temperatur noch fest, während das Glaslot schon flüssig ist. Inzwischen sind aber auch für den Hochtemperaturbereich Glaslote erhältlich, die eine deutlich höhere Erweichungstemperatur zwischen 650 und 800°C aufweisen und somit bei deutlich höheren Temperaturen bis 1100°C eingesetzt werden können.
Der Lasereintrag wird derart gewählt, dass das Innere der Glasschmelze auf einer hinreichend hohen Temperatur gehalten wird, bei welcher noch keinerlei Keimbildung für eine Kristallisierung der Glasschmelze auftritt. Typische Temperaturen im Inneren der Glasschmelze liegen dabei im Bereich zwischen 900°C und 1000°C, insbesondere zwischen 950°C und 980°C. Gezogen wird die Glasfaser aus der Oberfläche der Glasschmelze, wobei diese eine für den Ziehprozess niedrigere Temperatur als die Temperatur im Innern der Glasschmelze aufweist. Somit ist die Temperatur am Ort des Energieeintrags entsprechend höher und die Temperatur am Ort des Faserziehens entsprechend geringer als die Temperatur im Inneren der Glasschmelze.
Sofern die Menge an Glasmaterial nicht zu gering gewählt wird, kommt es durch den gezielten Energieeintrag des eingesetzten Lasers 1, 2 innerhalb des aufgeschmolzenen Glastropfens 3 in der Regel zu einer Temperaturinhomogenität, wie sie skizzenhaft in 1 dargestellt ist. Der Bereich der Glasschmelze 6, der einen direkten Kontakt mit der Unterlage aufweiset, ist regelmäßig am kältesten, da die Unterlage selbst einen Wärmeabfluss bewirkt. Gleichzeitig weist der Bereich der Glasschmelze 5, der im Fokus des Lasers liegt, regelmäßig die höchste Temperatur auf. Sofern die Herstellung der Glasfasern 4 bei moderaten Umgebungstemperaturen durchgeführt wird, entwickelt sich zudem immer ein Temperaturgradient vom Inneren des Glastropfens zur Oberfläche hin.
Geeignete Temperaturdifferenzen zwischen dem Ort des Lasereintrags und der Stelle, an der die Glasfaser aus der Oberfläche gezogen wird, liegen dabei im Bereich von 200 K bis 350 K, insbesondere im Bereich von 250 K bis 300 K, wobei die größeren Differenzen regelmäßig nur bei größeren Glasschmelzen zu erreichen sind, da die Temperaturdifferenz unter anderem auch von dem Abstand zwischen dem Lasereintrag und dem Ort des Glasfaserziehens abhängt.
Da die Temperatur einen direkten Einfluss auf die Viskosität des geschmolzenen Glasmaterials hat, zeigt der Oberflächenbereich, der weiter entfernt zum Einkopplungspunkt des Lasers liegt und somit geringfügig kalter ist als das Innere des Glastropfens, eine höhere Viskosität und somit eine erhöhte Zähigkeit. Die höhere Viskosität ist dabei notwendig, um der entstehenden Faser eine Anfangsfestigkeit zu verleihen. Würde die gesamte Masse gleichmäßig erhitzt, würde die Faser sofort abreißen, da die Oberflächenspannung des heißen Glases gering ist.
Durch den einzustellenden Temperaturgradienten wird auch eine weitere wichtige Voraussetzung zum Faserziehen gewährleistet. Durch die höhere Viskosität der kälteren Schichten und niedrigere Viskosität der heißen Schichten kommt es innerhalb der Glasschmelze zu einer Konvektionsbewegung von „warm nach kalt” (Marangoni-Konvektion). Das flüssige Glas wird der Erwärmungsstelle entzogen und an die Faserziehstelle geleitet. An dieser kühlt das Glas auf die Ziehtemperatur ab und wird durch das sich bereits im Ziehprozess befindliche Glas mitgeführt.
Es wurde festgestellt, dass in der direkten Nähe des Energieeintrags des Lasers die Temperatur am höchsten ist (bis 1150°C), während sie auf der Oberfläche, insbesondere in dem Oberflächebereich des aufgeschmolzenen Tropfens, der weiter entfernt zum Bereich der Energieeintragung liegt, deutlich (bis zu 350 K) geringer ist. Wird daher der Laserstrahl senkrecht zur Unterlage auf das Glaspulver eingestrahlt, würden sich die zur Faserziehung vorteilhaften kälteren Bereiche der Oberfläche in einem Kreis nahe der Unterlage ausbilden, die jedoch das Ausziehen der Glasfaser regelmäßig räumlich erschweren würde (siehe 2a).
Daher sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, den Laserstrahl bezogen auf die Unterlage nicht senkrecht einzustrahlen, was im Rahmen der Erfindung einem Winkel von 90° entspräche, sondern in einem Winkel von kleiner 90°, insbesondere von kleiner als 60°, was bedeutet, dass der Laserstrahl schräg von der Seite auf das Glasmaterial bzw. die Oberfläche der Unterlage einstrahlt. Gleichzeitig sollte ein Winkel von 10° nicht unterschritten werden, da es dann aus räumlichen Gründen das Ausziehen der Glasfaser regelmäßig erschweren würde. Durch das schräge Einstrahlen des Laserstrahls bildet sich auf der dem Laser abgewandten Bereich der Oberfläche des geschmolzenen Glastropfens der zur Faserziehung notwendige kältere Bereich aus, welcher zudem ausreichend Freiraum zum Ausziehen der Faser zulässt (siehe 2b). An der Seite der Glaskugel mit der höheren Zähigkeit (gegenüber der Strahleinkoppelseite) wird die Glasfaser gezogen.
Das erfindungsgemäße Faserziehen selbst erfolgt wie nachfolgend beschrieben: In dem Oberflächenbereich, der relativ zum Inneren des Glastropfens und zu weiteren Oberflächenbereichen etwas kälter ist, wird ein Metallstift oder eine schon vorhandene Glasfaser in das zähflüssige Glas eingeführt und anschließend wieder herausgezogen. Bei der Nutzung eines Metallstifts sollte beachtet werden, dass er sich durch den Kontakt mit dem flüssigen Glas zunächst erwärmt und dadurch vom Glas benetzt wird. Bei einer vorhandenen Glasfaser sollte das Ende, welches in das flüssige Glas eingeführt wird, einen größeren Durchmesser besitzen als die Faser, die gezogen werden soll. Durch die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur des Glases kann dann der Durchmesser der gezogenen Glasfaser beeinflusst werden.
Für die Durchführung des Verfahrens sollte eine gewisse Mindestmenge an aufzuschmelzendem Material eingesetzt werden, die bei ca. 0,05 g liegt, so dass sich ein genügend großer Tropfen mit dem dazu notwendigen Temperaturgradient ausbilden kann. Auf der anderen Seite ist ein zuviel an Glasmasse nicht förderlich, da der Energieeintrag zum Aufrechterhalten der Schmelze entsprechend hoch eingestellt werden müsste, und damit die vorgenannten Temperaturgradienten dadurch nur schwer einstellbar sind. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn bei der erstmaligen Ausbildung einer Glasschmelze auf einer Unterlage nicht mehr als 1,5 g des eingesetzten Materials aufgeschmolzen wird, insbesondere nicht mehr als 1 g und besonders vorteilhaft nicht mehr als 0,6 g. Der Einsatz von Glaspulver erlaubt vorteilhaft eine beliebige Zusammensetzung des Glaswerkstoffs durch entsprechende Pulvermischung und eine exakte Dosierung der Menge.
Ohne Materialnachschub würde die auf einer Unterlage (Blech) angeordnete, tropfenartig aufgeschmolzene Glaskugel durch das Faserziehen eine immer flachere Glaskugel ausbilden, bis sie schließlich zu einer Linse würde. Dies würde dazu führen, dass die Faser im Verlauf des Faserziehens immer näher an der relativ zum Tropfen kalten Unterlage gezogen würde, und letztendlich erstarren würde. An diesem Punkt wäre ein Ziehen einer Faser nicht mehr möglich.
Während des Glasziehens ist es daher sinnvoll, den Materialnachschub an Glas, beispielsweise in Form von gesinterten Glasstäben mit derselben Zusammensetzung wie das erstmalig eingesetzte Glas, sicherzustellen. Bislang hat sich eine nahezu konstante Menge an aufgeschmolzenem Material im unteren Gramm-Bereich als geeignet herausgestellt, also eine Menge zwischen 0,1 und maximal 2 g, vorteilhaft jedoch nicht mehr als 1 g. Die absolute Menge ist dabei unter anderem vor dem Durchmesser des eingesetzten Laserstrahls abhängig.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können als Laser vorteilhaft Nd: YAG-Laser eingesetzt werden. Ebenfalls geeignet dafür sind jedoch auch Dioden-, Faser-, Scheiben- und CO₂-Laser.
Zum erfindungsgemäßen Faserziehen aus der Glasschmelze können vielfältige Gläser oder auch Gaslote eingesetzt werden.
Eine weitere wichtige Voraussetzung ist die niedrige Temperatur der Unterlage, damit die Glasmasse sich durch den permanenten, wenn auch gepulsten Laserstrahl nicht zu sehr aufheizt und keine homogene Temperaturverteilung im gesamten Glastropfen annimmt. Eine geeignete Unterlage bildet beispielsweise ein Block oder ein Blech mit wenigstens 2,0 mm Schichtdicke, damit eine zu schnelle Erwärmung der Unterlage vermieden wird.
Zwar könnte, in Anbetracht der in diesem Bereich der Glasschmelze niedrigere Temperatur, durchaus (zumindest bei manchen Glaszusammensetzungen) eine Keimbildung entstehen und damit prinzipiell die Gefahr einer Kristallisierung der Glasschmelze gegeben sein, jedoch ist die Verweilzeit des Glasschmelzmaterials in dieser Temperaturzone verfahrensbedingt so kurz, dass selbst bei leicht kristallisierenden Glaszusammensetzungen keine die Anwendung des Ziehverfahrens an sich und/oder die Qualität der in vorgeschlagener Weise gezogenen Fasern in Frage stehenden Kristallisierung beobachtet werden konnte.
Dennoch wird das Innere der Glasschmelze weitgehend ohne Gefahr einer Keimbildung, bzw. einer daraus resultierenden Kristallisierung weiter erhitzt. Die Faser wird nicht wie bei bekannten Verfahren durch eine sich im Fall einer Kristallisierung schnell zusetzenden Düse gezogen, sondern zu Beginn des Ziehprozesses mit einem ”Fangstück”, beispielsweise aus Keramik oder Edelmetall, aus der Oberfläche der Glasschmelze als Faden gegriffen und aufwärts gezogen, wobei die Glasfaser vorzugsweise nach Durchlaufen einer Kühlstrecke und ggf. über geeignete Umlenkrollen auf einer Trommel aufgewickelt wird. Es ist auch möglich die Glasfaser zwischen der Glasschmelze und der Trommel mit einer an sich bekannten Schlichte zu versehen, welche das Verkleben der Fasern bei der Aufwicklung vermeidet sowie auch die spätere Verarbeitung erleichtern kann. Die schnelle Abkühlung der gezogenen Glasfaser bewirkt, dass das Glas in der Glasfaser überwiegend amorph vorliegt, so dass eine solche Glasfaser vorteilhaft auch als Fügematerial eingesetzt werden kann.
Als Unterlage eignen sich alle Unterlagen, die bis zu Temperaturen von ca. 1000°C temperaturbeständig sind, auf der das Glasmaterial, bzw. die Glasschmelze gut haftet aber keinerlei chemische Reaktion mit dieser eingeht, und die zudem gut Wärme abzuführen vermag. Besonders geeignete Materialien stellen in diesem Sinne beispielsweise Bleche mit einer Dicke von regelmäßig mehr als 2,0 mm dar. Ms Material kommt beispielsweise Stahl in Betracht.
Durch den Einsatz einer Glasfaser als Zusatzmaterial für das laserstrahlunterstützte Löten mit Gläsern können sehr exakte Verbindungen mit Glaslot hergestellt werden. Da die Glasfaser bereits bei der Herstellung entgast, bilden sich weniger Fehlstellen in der fertigen Naht als beim Glaslotfügen mit herkömmlichem Glaslotpulver.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist im Unterschied zum bekannten Stand der Technik apparativ wenig aufwändig und kann vorteilhaft auch für kleinste Mengen eingesetzt werden.
Spezieller Beschreibungsteil
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen sowie einigen Figuren näher erläutert, ohne dass dadurch eine Einschränkung des Schutzbereiches zu verstehen ist.
1: Skizzenhafte Darstellung eines mit Hilfe eines Laserstrahls aufgeschmolzenen Glastropfens aus einem Glaswerkstoff, mit:
Bezugszeichenliste

1: Laserkopf
2: Laserstrahl
3: Glasschmelze zur Faserherstellung
4: Glasfaser
5: heißeste Stelle im geschmolzenen Glastropfen
6: kälteste Stelle im geschmolzenen Glastropfen
7: Glasfluss
8: Blech als Unterlage

2a: Skizzenhafte Darstellung der Anordnung des Laserstrahls, der senkrecht (α = 90°) zur Unterlage auf das Glaspulver gerichtet ist.
2b: Skizzenhafte Darstellung der Anordnung des Laserstrahls, der erfindungsgemäß schräg (10° < α < 60°) zur Unterlage auf das Glaspulver gerichtet ist.

Bei den hier vorgestellten Versuchen wurden verschiedene Glaslote eingesetzt, dessen Zusammensetzung der folgenden Tabelle entnommen werden kann. Es handelt sich ausschließlich um ternäre BaO-CaO-SiO₂-Systeme mit den unten angegebenen Gewichtsanteilen ohne Zusatz von Alkalioxiden, jedoch mit unterschiedlichen Zusätzen von in Summe 0,5 bis 16 Gew.-% von Al₂O₃, B₂O₃, V₂O₅ und/oder ZnO. Diese Glaslote erfüllen alle die Anforderungen als Fügematerial bei Temperaturen von 800°C beständig zu sein, wie es beispielsweise für den Einsatz in einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle erforderlich ist.

Glaslot	BaO Gew.-%	CaO Gew.-%	SiO₂ Gew.-%	Ausdehnungskoeffizient bei 600°C [10^–6 K^–1]	Erweichungstemperatur T_g [°C]
B	36,72	15,84	46,81	11,9	712
G	34,5	14,87	43,95	10	657
H	48,21	6,05	29,75	9,5	550

Es wurden jeweils eine Glasfraktion < 50 μm, die durch Siebung erhalten wurde, eingesetzt.
1. Ausführungsbeispiel mit Glaslot H:
Auf einer Stahlblechunterlage mit einer Dicke von 2,5 mm wird loses Glaspulver H als Glaspulverfraktion (< 50 μm) aufgebracht. Der Laserstrahl (Nd: YAG-Laser) wird auf einen Durchmesser von 2–3 mm bezogen auf die Oberfläche des Pulvers defokussiert. Die Pulsspitzenleistung beträgt 0,8 kW, bei einer Frequenz von 20,0 Hz und einer Pulsdauer von 4 ms. Damit ergibt sich eine mittlere Laserstrahlleistung von ca. 60 bis 70 W. Das Glaspulver wird aufgeschmolzen und bildet eine Kugel aus flüssigem, geschmolzenem Glaswerkstoff. Der Laserstrahl wird schräg von einer Seite in einem Winkel von ca. 50° eingekoppelt. Dadurch wird die Glasoberfläche des geschmolzenen Tropfens auf der gegenüberliegenden Seite etwas kälter und die Zähigkeit des flüssigen Glases an dieser Seite höher im Vergleich zur Einkopplungsstelle des Lasers. In der Mitte der Glaskugel liegt das Glas regelmäßig flüssiger vor (niedrigere Zähigkeit, niedrigere Viskosität). Wichtig hierbei ist, dass der notwendige Temperaturgradient zwischen der hohen Temperatur im Inneren des Tropfens und der etwas kälteren Temperatur auf der dem Laserstrahl abgewandten Seite der Oberfläche des Glastropfens allein durch die örtlich begrenzte Laserstrahleinwirkung erzeugt werden kann. Der Temperaturgradient geht einher mit einem Viskositätsgradienten der Glasschmelze.
2. Ausführungsbeispiel mit Glaslot G:
Der Versuchsaufbau erfolgt analog zum 1. Ausführungsbeispiel. Die Pulsspitzenleistung beträgt 1,3 kW, bei einer Frequenz von 20,0 Hz und einer Pulsdauer von 4 ms. Damit ergibt sich eine mittlere Laserstrahlleistung von ca. 100 W.
3. Ausführungsbeispiel mit Glaslot B:
Der Versuchsaufbau erfolgt wieder analog zum 1. Ausführungsbeispiel. Allerdings wurden dabei die Laserparameter an die abweichende Erweichungstemperatur angepasst. Die Pulsspitzenleistung beträgt 2,0 kW, bei einer Frequenz von 20,0 Hz und einer Pulsdauer von 4 ms. Damit ergibt sich eine mittlere Laserstrahlleistung von ca. 150 W.
Bei allen Versuchen wurde eine Ziehgeschwindigkeit von ca. 75 mm/s eingestellt. Man erhält jeweils runde Fasern mit einem Durchmesser von ca. 200 μm. Die Faser wird durch einen Drehrollenantrieb gezogen und kann entweder sofort einer Fügestelle zugeführt oder auf eine Trommel gewickelt werden. Die Stabilität der Faser ist ausreichend, um selbst auf eine Trommel mit einem Durchmesser von beispielsweise R = 50 mm aufgewickelt zu werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1225810 [0006]
DE 69701953 T2 [0008]
DE 102006022050 A1 [0012]

Claims

Verfahren zur Herstellung wenigstens einer Glasfaser aus einer Glasschmelze, bei dem die Faser unmittelbar aus der Oberfläche der Glasschmelze gezogen wird, und wobei die Temperatur im Inneren der Glasschmelze eine höhere Temperatur aufweist, als die Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasschmelze durch Aufschmelzen von Glasmaterial mit Hilfe eines Lasers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Endlosfaser hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem das Glasmaterial auf einer Unterlage aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Glasmaterial auf einem Blech mit einer Dicke von mehr als 2,0 mm aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Glasmaterial zu einem Glastropfen aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Laser in einem Winkel von 10° bis 60° bezogen auf die Unterlage auf das aufzuschmelzende Glasmaterial gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 bei dem die Glasfaser aus einem dem Laser entfernten Oberflächenbereich des Glastropfens gezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem weiteres Glasmaterial zur Erzeugung der Glasschmelze in Form eines Glasstabes zugegeben wird, der mit Hilfe des Laserstrahls ebenfalls aufgeschmolzen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Glaslot eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Glaslot aus einem ternären BaO-CaO-SiO₂-System eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem ein Glaslot mit Zusätzen von Al₂O₃, B₂O₃, V₂O₅ und/oder ZnO eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem eine runde Glasfaser mit einem mittleren Durchmesser von 200 mm hergestellt wird.