DE102016121464A1

DE102016121464A1 - Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Einsatz in der Glaserzeugung und damit hergestellte Vorrichtung

Info

Publication number: DE102016121464A1
Application number: DE102016121464.7A
Authority: DE
Inventors: Gregor Rösel; Wolfgang Münch; Manfred Borens; Ralf Biedendorf; Holger Hunnius
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2036-11-10
Also published as: DE102016121464B4

Abstract

Mit der Erfindung soll eine feste Verbindung zwischen einem Schaft und einem Formkörper für eine Vorrichtung zur Glasherstellung geschaffen werden. Der zumindest teilweise kernlose, hohle Schaft wird dazu mit einem Funktionselement durch Aufschrumpfen verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung zum Einsatz in der Glaserzeugung. Im speziellen betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung aus Edelmetall zum Transportieren, zum Homogenisieren oder zum Konditionieren von schmelzflüssigem Glas. Ferner betrifft die Erfindung das Erzeugen einer festen Verbindung zwischen zwei Bauelementen zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung. Schließlich betrifft die Erfindung eine derartige Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Herstellung von Glas.
Für die Güte eines Glases, insbesondere eines optischen Glases, ist die Abwesenheit von Gaseinschlüssen oder Gasbläschen von hoher Bedeutung. Ferner wird die Qualität eines Glases durch seine Homogenität sowie die Abwesenheit von Schlieren bestimmt.
Für den Umgang mit Glasschmelzen im Zuge der Erzeugung von Glas kommen spezielle Vorrichtungen und Werkzeuge zum Einsatz, so etwa Wannen, Tiegel, Behälter oder Transporteinrichtungen. Wichtige Werkzeuge sind ferner Rührer, welche zum Homogenisieren von schmelzflüssigem Glas, etwa in einem Tiegel, eingesetzt werden können, oder auch Nadeln oder sogenannte Plunger, welche das portionsweise Ausstoßen von schmelzflüssigen Glas durch entsprechende Glasauslassöffnungen ermöglichen.
Diese Vorrichtungen sind dabei im Allgemeinen aus hochtemperaturbeständigen Werkstoffen gefertigt. Hierbei kommen neben temperaturstabilen Feuerfestkeramiken häufig auch Edelmetalle der Platingruppe oder deren Legierungen zum Einsatz.
Vorrichtungen und Werkzeuge aus Edelmetall wie etwa Platin oder deren Legierungen zeichnen sich durch eine besonders hohe Temperaturbeständigkeit aus und weisen zudem eine hohe mechanische Festigkeit und Beständigkeit gegen Abrieb auf, was sie besonders geeignet macht für eine Verwendung in Zusammenhang mit einer Glasschmelze.
Für einen Einsatz in der Glasindustrie können derartige Werkzeuge aus Vollmaterial gefertigt, oder aber auch häufig als dünnwandige Rohrsysteme ausgebildet sein, da das Material sehr kostenintensiv ist. Hierbei können zusätzlich Feuerfestkeramiken beispielsweise als Stützkonstruktion verwendet werden.
Diese Rohrsysteme können etwa als Schaft verwendet werden und mit weiteren Elementen, z.B. Formkörpern mit Blättern oder Schaufeln, verbunden werden, um einen Rührer zum Homogenisieren einer Glasschmelze herzustellen.
Ein derartiger Rührer zum Homogenisieren einer Glasschmelze ist aus der DE 37 37 683 A1 bekannt.
Eine weitere Rühr-Vorrichtung ist beispielsweise auch in der DE 10 2007 008 102 A1 gezeigt. Hierbei ist ein Schaft offenbart, welcher einen Abschnitt mit größerer Wanddicke aufweist oder eine zusätzliche Hülse umfasst.
Des Weiteren zeigt das Dokument EP 0 800 486 B1 einen Drehplunger für Glasauslauföffnungen. Dieser ist aus einer Vielzahl von einzelnen Bauteilen aufgebaut, welche mittels Schweißnähten miteinander verbunden sind.
Um eine hohe Standzeit der Vorrichtung zu erreichen, ist insbesondere bei einem geplanten Einsatz in der Glasherstellung, bei dem das Werkzeug zumindest teilweise von flüssigem Glas umgeben ist oder sogar umströmt wird, ein besonderes Augenmerk auf die Ausführung der Verbindungsstellen bei einem Aufbau der Vorrichtung aus mehreren Bauelementen zu legen.
Fehler, beispielsweise mangelhaft ausgeführte Schweißnähte, können die Standzeit der Vorrichtung signifikant verringern. Gerade bei Werkstoffen auf Platin-Basis, welche stabilisiert sind, können Schweißnähte zu Gefügeveränderungen und damit einhergehend zu einer Verminderung der Festigkeit führen. Ein weitgehender Verzicht auf den Einsatz von Schweißnähten bietet demnach Vorteile in Bezug auf eine Verlängerung der Standzeit derartiger Vorrichtungen.
Eine Verbindung von Formkörper und Schaft mittels einer klassischen Welle-Nabe-Verbindung weist den Nachteil auf, dass zum einen eine umfangreichere spanende Bearbeitung erforderlich wird, welche, auch im Hinblick auf Materialien der Platingruppenelemente für die entsprechenden Bauteile, sehr kostenintensiv ist. Zum anderen führt der Materialabtrag auch zu Bereichen der Bauteile, wo eine Schwächung infolge einer Verringerung der Wandstärke oder durch Kerbwirkung auftreten kann.
Die Erfinder haben sich daher die Aufgabe gesetzt, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches es erlaubt, eine feste Verbindung zwischen einem Schaft und einem mit diesem zu verbindenden Formkörper zu schaffen. Mittels dieses Verfahrens sollen Vorrichtungen zum Einsatz in der Glasherstellung, vorzugsweise Werkzeuge wie Nadeln, Plunger oder Rührer, kostengünstig und mit hoher Qualität hergestellt werden können.
Die Vorrichtung soll dabei aus Bauelementen hergestellt werden können, welche Materialien der Platingruppenelemente oder deren Legierungen umfassen, vorzugsweise zumindest in denjenigen Bereichen oder Oberflächen, welche im späteren Einsatz im Kontakt mit schmelzflüssigem Glas stehen.
Die Verbindung dieser Bauelemente miteinander soll dabei derart gestaltet werden können, dass keinerlei Schwächung der Bauteile durch Materialabtrag oder Kerbwirkung erfolgt.
Wünschenswert ist ferner ein Verzicht auf Schweißnähte, welche insbesondere bei dispersionsverstärkten oder feinkornstabilisierten Materialien der Platingruppenelemente zu Problemen führen können.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft demnach in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Herstellen einer festen Verbindung zwischen einem zumindest teilweise kernlosen, hohlen Schaft und einem Funktionselement, wobei der Schaft und/oder das Funktionselement ein Material oder eine Legierung auf Basis der Platingruppenelemente umfassen kann. Durch das feste Verbinden von Schaft und Funktionselement kann eine Vorrichtung für die Glaserzeugung hergestellt werden.
Materialien der Platingruppenelemente, also beispielsweise Platin Pt 99,9, oder Legierungen auf Basis der Platingruppenelemente, etwa PtRh10 oder Ptlr1, weisen einen hohen Schmelzpunkt auf und verfügen damit über eine hohe Temperaturbeständigkeit. Zudem sind sie durch eine gute mechanische Festigkeit gekennzeichnet, so dass derartige Materialien vielfältig im Bereich der Glaserzeugung verwendet werden.
Für die vorliegende Erfindung können von Vorteil feinkornstabilisierte, dispersionsverstärkte Platinmaterialien oder Platin-Legierungen verwendet werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, nicht stabilisiertes Material zu verwenden. Eine Dispersionsverstärkung für Platinmaterialien kann zu einer Steigerung der Festigkeit, gerade auch bei hohen Temperaturen, wie sie bei der Glaserzeugung vorliegen, führen. Auch können das Kriechverhalten und die Neigung zu plastischen Verformungen positiv verändert werden. Von daher sind feinkornstabilisierte, dispersionsverstärkte Platinmaterialien oder Platin-Legierungen sehr gut als Werkstoff für den Schaft und/oder das Funktionselement geeignet.
Eine derartige Vorrichtung kann im Bereich der Glaserzeugung beispielsweise zum Homogenisieren einer Glasschmelze eingesetzt werden. Hierfür geeignete Vorrichtungen werden auch als Rührer bezeichnet und führen im Einsatz eine Drehbewegung aus, wobei das Drehmoment mittels des angetriebenen Schafts übertragen werden kann.
Vorzugsweise weisen dabei zumindest diejenigen Bereiche der Vorrichtung ein Material oder eine Legierung auf Basis der Platingruppenelemente auf, welche im späteren Einsatz in der Glaserzeugung in Kontakt mit dem schmelzflüssigen Glas gelangen, also beispielswiese von diesem zum Zwecke der Homogenisierung umströmt werden. Von Vorteil sind daher das Funktionselement und zumindest derjenige Abschnitt des Schaftes, der mit dem Funktionselement verbunden ist, aus einem derartigen Material gefertigt.
Für eine kostengünstige Fertigung derartiger Vorrichtungen kann der Schaft aus einem dünnwandigen Rohr gefertigt werden und anschließend mit dem Funktionselement, welches gemäß der geplanten Funktion der Vorrichtung ausgebildet ist, verbunden werden. Von hoher Relevanz ist das Schaffen einer stabilen und festen Verbindung von Schaft und Funktionselement. Hierzu kann das Funktionselement eine zur Außenkontur des Schaftes gegengleich ausgebildete, durchgehende Öffnung aufweisen, um auf den Schaft koaxial bis zu einer vorbestimmten Position aufgeschoben und mit diesem verbunden werden zu können. Im Sinne der Erfindung erfolgt das feste Verbinden von Schaft und Funktionselement durch Aufschrumpfen.
Bei der erfindungsgemäßen festen Verbindung zwischen dem Schaft und dem Funktionselement handelt es sich also um eine kraftschlüssige Verbindung. Zusätzlich können, beispielsweise aus Gründen einer besseren Dichtigkeit der Verbindung, in geringem Umfang Schweißnähte aufgebracht sein. Erfindungsgemäß wird aber ein weitgehender Verzicht auf das Aufbringen von Schweißnähten für die Verbindung angestrebt.
Um die erforderliche Übermaßpassung zwischen dem Schaft und dem Funktionselement zu erzeugen, erfolgt erfindungsgemäß ein partielles Aufweiten des Schaftes in demjenigen Abschnitt, auf dem nach erfolgter Montage das Funktionselement sitzt. Das Aufweiten des Schaftes erfolgt dabei vor dem Aufschrumpfen des Funktionselements.
Nach Herstellung des Sitzes erfolgt die Montage des Funktionselements durch Aufschieben und Aufschrumpfen auf den vorgesehen Sitz des Schaftes.
Demnach umfasst das Verfahren zum Herstellen einer festen Verbindung die folgenden Schritte:

- Festlegen der Ausdehnung und Position des Abschnittes des Schaftes als Sitz zur Verbindung mit dem Funktionselement,
- Haltern des Schaftes,
- Einbringen und Positionieren eines Spreizwerkzeuges in den Innenraum des Schaftes,
- Aufweiten eines Abschnittes des Schaftes mit dem Spreizwerkzeug zur Erzeugung einer vorbestimmten Außenkontur des Abschnitts zum Herstellen einer Übermaßpassung zwischen dem aufgeweiteten Abschnitt des Schaftes und der Öffnung des Funktionselements,
- Entfernen des Spreizwerkzeuges,
- Verbinden des Schaftes mit dem Funktionselement durch Aufschrumpfen.

Für das feste Verbinden von Bauelementen auf Basis der Platingruppenelemente bieten sich durch die Erfindung vielfältige Vorteile, die gerade für die Herstellung von Vorrichtungen für die Glaserzeugung hervorragend genutzt werden können.
So können beispielsweise kostengünstig und von hoher Qualität Vorrichtungen für die Glaserzeugung hergestellt werden, welche einen Schaft und ein fest damit verbundenes Funktionselement umfassen und wobei diese Bauelemente aus einem Material der Platingruppenelemente oder deren Legierungen hergestellt sind oder ein derartiges Material umfassen.
Ist die Vorrichtung beispielsweise als Rührer ausgelegt, so kann der Schaft als Antriebswelle dienen und ein Drehmoment übertragen. Im Gegensatz zu einer klassischen Welle-Nabe-Verbindung kann erfindungsgemäß eine feste Verbindung zwischen dem angetriebenen Schaft und dem Funktionselement geschaffen werden, welche ohne Materialabtrag auskommt. Von daher erfolgt auch keine Schwächung des drehmomentübertragenden Schaftes aufgrund von Materialverringerung oder durch Kerbwirkung. Selbstverständlich ist auch die Herstellung von Vorrichtungen wie eine Nadel oder ein Plunger möglich, wobei der Schaft Hubbewegungen durchführen kann.
Die Erfindung bietet den großen Vorteil, dass im Fall eines Rührers der Schaft als Antriebseinheit sehr dünnwandig und/oder von geringerem Durchmesser ausgebildet sein kann. Gerade vor dem Hintergrund sehr hoher Materialkosten, etwa bei einer Verwendung von Materialien auf Basis der Platingruppenelemente oder deren Legierungen, ist dies sehr von Vorteil.
Ebenso von Vorteil ist es, dass infolge des Aufweitens des Schaftes die Steifigkeit des Schaftes gerade in dem stark beanspruchten Bereich zunimmt.
Ein weiter Vorteil liegt darin, dass im Allgemeinen nur ein vergleichsweise kleiner Bereich des Schaftes bearbeitet werden muss. Dies kann den aufgeweiteten Abschnitt betreffen, sofern dort eine Nachbearbeitung überhaupt erforderlich ist. In einer besonders günstigen Ausführungsform kann aber auf eine nachfolgende mechanische Bearbeitung verzichtet werden. Somit entfällt durch den weitgehenden Verzicht auf materialabtragende Bearbeitungsverfahren auch der Aufwand für das Zerspanen selbst. Zudem fallen auch kaum Materialverluste infolge des Zerspanens an.
Ein weiterer großer Vorteil ist bei der erfindungsgemäßen Verbindung von Schaft und Funktionselement darin zu sehen, dass auf das Aufbringen von Schweißnähten zur Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung verzichtet werden kann. Lediglich aus Gründen einer höheren Sicherheit in Bezug auf die Dichtheit kann es sinnvoll sein, zusätzlich eine dünne Schweißnaht auf die Verbindung aufzubringen.
Die Erfindung betrifft daher in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Einsatz in der Glaserzeugung, wobei ein zumindest teilweise kernloser, hohler Schaft und ein weiteres Funktionselement miteinander durch Aufschrumpfen verbunden werden. Vor dem Aufschrumpfen wird ein Abschnitt des Schaftes, der dem Verbinden mit dem Funktionselement dient, partiell aufgeweitet.
Der Schaft und/oder das Funktionselement umfassen dabei ein Material oder eine Legierung auf Basis der Platingruppenelemente. Ferner kann das Funktionselement eine zur Außenkontur des Schaftes gegengleich ausgebildete, durchgehende Öffnung aufweisen, um mit dem aufgeweiteten Abschnitt des Schaftes durch Aufschieben und nachfolgendem Aufschrumpfen miteinander verbunden werden zu können.
Um das Aufweiten zu begünstigen, kann der aufzuweitende Abschnitt des Schaftes vor dem Aufweiten erwärmt werden. Hierdurch können die durch das Spreizwerkzeug aufzubringenden Umformkräfte reduziert werden.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Aufweiten nicht in einem einzigen Schritt, sondern in mehreren Teilschritten. Dies kann vorteilhaft sein, wenn beispielsweise eine größere Aufweitung erfolgen soll. Zudem kann auch das Aufweiten mittels unterschiedlicher Spreizwerkzeuge erfolgen, um etwa unterschiedliche Außenkonturen zu erzeugen.
Der Schaft ist dabei vorzugsweise aus einem nahtlos gezogenen Rohr gefertigt. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Schaft zumindest in demjenigen Abschnitt, in dem die Aufweitung erfolgt, nahtlos ausgebildet. Nähte im Bereich der Verbindung von Schaft und Funktionselement können sich andernfalls ungünstig auf die Festigkeit oder die Dichtheit der Verbindung auswirken. Nahtlos gezogene Rohre auf Basis der Platingruppenelemente bieten den Vorteil einer besseren Festigkeit und einer geringeren Kriechneigung bei höheren Temperaturen, wie sie bei der Glasherstellung vorliegen.
Die Länge des Abschnittes, welcher durch das Spreizwerkzeug aufgeweitet wird, ist günstigerweise auf die Länge der Öffnung des Funktionselements abgestimmt. Idealerweise findet ein vollflächiger Kontakt zwischen der Mantelfläche des Schaftes und der Innenfläche der Öffnung des Funktionselements in montierter Position statt, um einen guten Kraftschluss zu erreichen.
Die Länge des aufzuweitenden Abschnittes des Schaftes entspricht daher zumindest der Länge der Öffnung des Funktionselements. Ein gewisses Übermaß in der Länge des Abschnittes kann hilfreich sein, sollte aber die Länge der Öffnung des Funktionselements nicht zu sehr übertreffen, um eine einfache Montage zu ermöglichen. Vorzugsweise beträgt die Länge der Aufweitung des Schaftes, also die Ausdehnung entlang der Mittelachse des Schaftes, nicht mehr als das 1,5-fache, bevorzugt nicht mehr als das 1,2-fache der Länge der Öffnung.
Durch die Aufweitung kann eine Erhöhung der Steifigkeit des Schaftes erreicht werden. Hierzu ist es hilfreich, wenn die Länge des aufzuweitenden Abschnittes des Schaftes partiell ist und damit kleiner als die Gesamtlänge des Schaftes. In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Länge des aufgeweiteten Abschnittes des Schaftes daher weniger als 50% in Bezug auf die Gesamtlänge des Schaftes, bevorzugt weniger als 30% und besonders bevorzugt weniger als 20%.
Die Gesamtlänge des Schaftes kann dabei nach dem vorgesehenen Einsatzzweck ausgewählt werden. Im Allgemeinen weisen derartige Schäfte eine Gesamtlänge in einem Bereich von etwa 250 mm bis hin zu 2.000 mm und sogar noch darüber hinaus auf.
Der Schaft kann dabei dünnwandig ausgebildet sein. Unter dünnwandig ist in diesem Sinne zu verstehen, dass der Schaft eine Wanddicke zwischen 0,1 und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 7 mm aufweisen kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform entspricht die Außenkontur des aufgeweiteten Abschnittes des Schaftes der Außenkontur in einem nicht aufgeweiteten Abschnitt des Schaftes. Es erfolgt also im Zuge der Aufweitung keinerlei Veränderung der geometrischen Grundform des Schaftes. Wird also beispielsweise ein zylindersymmetrisch geformtes Rohr als Schaft verwendet, so ist der aufgeweitete Abschnitt ebenfalls von zylindersymmetrischer Form. Der Unterschied liegt demnach lediglich in dem unterschiedlichen Innen- und Außendurchmesser der Abschnitte. Um eine möglichst geringe mechanische Nachbearbeitung des aufgeweiteten Abschnittes sicherzustellen, ist auf eine axial und radial möglichst gleichmäßige Aufweitung zu achten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Außenkontur durch das Aufweiten verändert, so dass nach dem Aufweiten in dem entsprechenden Abschnitt des Schaftes eine von der Grundform der Außenkontur abweichende Außenkontur vorliegt. Die durch die Aufweitung zu erzeugende Außenkontur wird dabei durch das Spreizwerkzeug festgelegt und nach dem Einsatzzweck der Vorrichtung ausgewählt.
So kann etwa ein zylindersymmetrisch geformtes Rohr als Schaft derart aufgeweitet werden, dass der aufgeweitete Abschnitt einen polygonförmigen Querschnitt aufweist. Die Außenkontur kann dann beispielsweise die Form eines Dreiecks, Vierecks oder Achtecks aufweisen und weicht demzufolge von der Grundform der Außenkontur ab.
Hierzu kann ein Spreizwerkzeug mit entsprechender polygonaler, also beispielsweise dreieckiger, viereckiger oder achteckiger Außenkontur verwendet werden. Das „Einpressen“ derartiger Polygone im Zuge der Aufweitung kann, etwa bei einer Verwendung der Vorrichtung als Rührer, eine bessere Drehmomentübertragung ermöglichen. Gerade bei Schrumpfverbindungen im Zusammenhang mit Hochtemperaturanwendungen, wie es bei der Glaserzeugung der Fall ist, kann dieses sehr vorteilhaft sein, da die Schrumpfverbindung infolge von Materialrelaxation ihre Festigkeit einbüßen kann. Für Rührer haben sich achteckige Außenkonturen als sehr vorteilhaft herausgestellt.
Im Fall von zylindersymmetrischen Schäften liegt der Außendurchmesser der Schäfte häufig in einem Bereich zwischen 10 und 120 mm, vorzugsweise zwischen 15 und 90 mm. Aufgrund der hohen Materialkosten bei Verwendung von Materialien der Platingruppenelemente oder deren Legierungen sind möglichst kleine Durchmesser und geringe Wandstärken von Vorteil. Andererseits ist aber auch eine hinreichende Festigkeit erforderlich, gerade in Fällen, wo durch den Schaft Drehmomente übertragen werden sollen.
Dem Umfang der Aufweitung sind dabei sowohl geometrische Grenzen gesetzt als auch Grenzen aus Gründen der Festigkeit. Im Fall von zylindersymmetrischen Schäften können Aufweitungen erreicht werden, welche eine Zunahme des Außendurchmessers des Schaftes in einem Bereich von 0,1 bis 7,0 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 5,0 mm, ermöglichen. Ein zumindest geringes Aufweiten ist erforderlich, um das Funktionselement koaxial auf den Schaft aufschieben zu können.
Da auf einen Materialabtrag an dem aufgeweiteten Abschnitt erfindungsgemäß möglichst verzichtet wird, ist die Wanddicke des aufgeweiteten Abschnittes des Schaftes gleich der Wanddicke des nicht aufgeweiteten Schaftes, zumindest nahezu gleich. Daher weicht die Wanddicke des Schaftes in dem aufgeweiteten Bereich von der Wanddicke des Schaftes in einem nicht aufgeweiteten Bereich um nicht mehr als 10%, bevorzugt um nicht mehr als 5% und besonders bevorzugt um nicht mehr als 2% ab.
Besonderes Augenmerk ist auch auf die Wanddicke des Schaftes im Übergangsbereich zwischen aufgeweiteten Abschnitt und nicht aufgeweiteten Abschnitt zu richten. Auch hier ist es von Vorteil, wenn es nicht oder nur zu geringen Änderungen der Wanddicke in diesen Übergangsbereichen kommt, um eine Schwächung der Konstruktion zu vermeiden. Aus Gründen der Festigkeit ist insbesondere darauf zu achten, dass es im Übergangsbereich zwischen einem aufgeweiteten Abschnitt und einem unveränderten Abschnitt des Schaftes nicht zu einer stärkeren Verjüngung der Wanddicken kommt. Als günstig hat sich herausgestellt, wenn die Wanddicke in dem Übergangsbereich gleich ist oder zumindest um nicht mehr als 10%, bevorzugt um nicht mehr als 5% und besonders bevorzugt um nicht mehr als 2% von der Wanddicke des Schaftes in einem nicht aufgeweiteten Bereich abweicht.
Die Übergänge zwischen nicht aufgeweiteten Abschnitt und aufgeweiteten Abschnitt können dabei fließend gestaltet sein, was sich im Allgemeinen positiv auf die Festigkeit auswirkt. Es können aber auch Abstufungen vorgesehen sein, welche etwa im Fall einer Aufweitung in Teilschritten zu den jeweiligen Teilschritten der Aufweitung korrespondieren können.
Das Funktionselement ist nach dem vorgesehenen Einsatzzweck der Vorrichtung gestaltet. Es kann beispielsweise einen teller- oder tonnenförmig ausgebildeten Formkörper umfassen. Der Formkörper kann zusätzlich zumindest ein radial hervorstehendes Blatt oder Flügelelement umfassen. Das Blatt kann als gewendeltes Schraubenblatt ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei dem Funktionselement um zumindest ein weiteres Rohrelement. Auf diese Weise können besonders günstig Rohr-Rohr-Verbindungen hergestellt werden. Hierbei können die Rohre auch unterschiedliche Materialien umfassen, beispielsweise kann das Material eines Rohres speziell auf einen späteren Glaskontakt hin ausgewählt sein. Auf diese Weise lassen sich auch mehrere Rohre miteinander verbinden.
Von Vorteil kann es sein, wenn die aufgeweitete Kontur eine leichte Konizität aufweist. Dies kann einerseits die Montage von Schaft und Funktionselement vereinfachen. Andererseits kann auch die Kraftübertragung verbessert werden. Die Steigung des Konus ist dabei eher gering und liegt in einem Bereich von höchstens 10%, bevorzugt bei weniger als 5% und besonders bevorzugt bei weniger als 2%.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Einsatz in der Glaserzeugung, umfassend einen zumindest teilweise kernlosen, hohlen Schaft und ein mit dem Schaft fest verbundenes weiteres Funktionselement, wobei der Schaft zumindest partiell aufgeweitet ist und mittels Aufschrumpfen mit dem Funktionselement fest verbunden ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen der Schaft und/oder das Funktionselement Platin Pt 99,9, oder eine Platinlegierung, vorzugsweise PtRh10 oder Ptlr1, oder feinkornstabilisiertes dispersionsverstärktes Platin oder PtRh10. Zusätzlich können weitere Legierungselemente, vorzugsweise Palladium oder Gold, zur Dispersionsverfestigung eingesetzt werden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung einen Rührer, eine Nadel oder einen Plunger oder Dreh-Plunger zum Einsatz in der Glaserzeugung, umfassend eine derartige Vorrichtung.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erzeugung von Glas, bei dem zum Transportieren, zum Homogenisieren oder zum Konditionieren von schmelzflüssigen Glas eine Vorrichtung wie vorstehend erläutert verwendet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detaillierter beschrieben.
Die Zeichnungen zeigen:

1 einen Schaft und ein Spreizwerkzeug zum partiellen Aufweiten des Schaftes in einem Längsschnitt,
2 einen Ausschnitt mit partieller Aufweitung eines Schaftes und ein darauf aufgeschrumpftes Funktionselement in einem Schnitt,
3 schematisch eine mögliche Außenkontur eines Spreizwerkzeuges zum Erzeugen einer oktagonalen Außenkontur durch das Aufweiten, und
4 einen Ausschnitt mit konischer, partieller Aufweitung eines Schaftes.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Zur besseren Verdeutlichung der Erfindung sind die in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht immer maßstabsgerecht gezeichnet. In 1 sind ein Schaft 10 und ein manuelles Spreizwerkzeug 20 zum partiellen Aufweiten des Schaftes 10 in einem Längsschnitt abgebildet.
Der Schaft 10 ist im Beispiel zylindersymmetrisch ausgebildet und aus einem nahtlosen Rohr aus feinfornstabilisierten dispersionsverstärkten Platin gefertigt. Alternativ kann der Schaft auch aus einem nahtlosen Rohr aus einer Platinlegierung, vorzugsweise aus PtRh10 oder Ptlr1, gefertigt sein.
Das Spreizwerkzeug 20 ist mit einem Anschlag 21 zur Positionierung und Halterung des Schaftes 10 ausgestattet. Zum Aufweiten eines partiellen Abschnittes des Schaftes wird dieser koaxial auf das Spreizwerkzeug 20 bis zu dem Anschlag 21 aufgeschoben. In einem vorbestimmten Abstand von dem Anschlag 21 ist Spreizkörper 22 angeordnet. Durch Drehung des Antriebs 23 erfolgt ein radiales Auseinanderspreizen des Spreizkörpers 22, so dass die Spreizbacken 24 einen Druck auf die Innenseite 11 des Schaftes 10 in dem zur Aufweitung vorgesehenen Abschnitt 12 des Schaftes 10 ausüben. Dieser Druck wird solange verstärkt, bis eine Ausdehnung des Schaftes zu der gewünschten Außenkontur erreicht wird.
Alternativ kann das Aufweiten auch in mehreren Teilschritten erfolgen, wobei dann Spreizwerkzeuge 20 mit unterschiedlichen Spreizbacken 24, etwa mit zunehmendem Durchmesser oder unterschiedlicher Außenkontur, zum Einsatz kommen können.
Von Vorteil ist das Spreizwerkzeug 20 derart ausgebildet, dass sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ein gleichmäßiger Druck auf die Innenseite 11 ausgeübt wird. Hierdurch kann ein gleichmäßiges Aufweiten erfolgen, so dass die Außenkontur über die Länge hin nur äußerst geringe Maßabweichungen aufweist.
In dem gezeigten Beispiel hat die Aufweitung noch nicht stattgefunden, so dass die Außenkontur an dem aufzuweitenden Abschnitt 12 des Schaftes 10 noch weitgehend unverändert ist.
Eine zusätzliche Außenform, welche von außen auf der Mantelfläche des Schaftes anliegt, ist in dem abgebildeten Beispiel nicht gezeigt. Selbstverständlich ist es aber möglich, zusätzlich auch eine derartige Außenform vorzuhalten. Dies kann hilfreich sein, wenn etwa bestimmte Außenkonturen des Schaftes 10 in dem Abschnitt 12 erzeugt werden sollen, welche sich nur schwer durch die geometrische Form der Spreizbacken realisieren lassen.
2 zeigt einen Ausschnitt mit partieller Aufweitung eines Schaftes 10 und ein darauf aufgeschrumpftes Funktionselement 30 in einem Teilschnitt. Der abgebildete Schaft 10 verfügt über zwei Abschnitte 12, 13, bei denen die Außenkontur unverändert ist und der ursprünglichen Geometrie entspricht. Ein mittlerer Abschnitt 11 des Schaftes ist partiell aufgeweitet. Im abgebildeten Beispiel ist dieser Abschnitt 11 korrespondierend zu der Außenkontur des Schaftes aufgeweitet. Dies bedeutet, dass die Außenkontur im aufgeweiteten Abschnitt 11 gleich der Außenkontur in den nicht aufgeweiteten Abschnitten 12, 13 ist. Im Beispiel ist der Schaft 10 zylindersymmetrisch ausgebildet.
Die Wanddicke in dem aufgeweiteten Abschnitt 11 ist gleich der Wanddicke in einem nicht aufgeweiteten Abschnitt 12, 13. Der Übergang von einem nicht aufgeweiteten Abschnitt 12, 13 zu dem aufgeweiteten Abschnitt 11 ist zunächst durch eine leichte Kante 14 gebildet und geht dann in einen Radius 15 über, um sodann fließend in den aufgeweiteten Abschnitt 11 überzugehen. Durch entsprechende Abrundung der Kanten der Spreizbacken 24 ist es auch möglich, einen kantenlosen, fließenden Übergang zu erzeugen.
Die Kante 14 wird durch die Form der Spreizbacken an den äußeren Randbereichen erzeugt. Unerwartet hat sich gezeigt, dass eine leichte Kante, welche durch das Spreizwerkzeug 20 an der Stelle eingeprägt wird, an der die Aufweitung beginnt, und welche sodann in einen Radius übergeht, welcher fließend in den aufgeweiteten Bereich übergeht, die Festigkeit gerade bei der Übertragung von Drehmomenten verbessert werden kann.
Mit dem auch als Sitz bezeichneten aufgeweiteten Abschnitt 11 ist durch Aufschrumpfen ein Funktionselement 30 fest verbunden. Dieses umfasst eine längliche Durchgangsöffnung 32, welche gegengleich zu der Außenkontur des Sitzes 11 ausgebildet ist. Nach Aufweiten des Schaftes 10 kann der Sitz 11 zum Erzeugen der Schrumpfpassung noch mechanisch nachbearbeitet werden. Anschließend erfolgt die Montage des Funktionselements 30, welches koaxial mit der Durchgangsöffnung auf den Schaft 10 aufgeschoben und auf den aufgeweiteten Abschnitt 11 aufgeschrumpft wird.
Aus der 2 erkennbar ist ferner, dass die Ausdehnung des Sitzes 11 entlang der Längsmittelachse 16 des Schaftes 10 größer ist als die korrespondierende Ausdehnung der Durchgangsöffnung 32. Der Sitz 11 ist beidseitig von Abschnitten 12, 13 umgeben, welche nicht aufgeweitet sind.
Schaft 10 und Funktionselement 30 sind in dem Beispiel der Übersichtlichkeit halber nicht vollständig, sondern nur in einem Ausschnitt eingezeichnet. In dem Beispiel ist das Funktionselement 30 als Formkörper zum Homogenisieren einer Glasschmelze, also als Rührer, ausgebildet. Hierfür sind Flügel 33 vorgesehen, welche ebenfalls nicht vollständig abgebildet sind.
Das Funktionselement 30 ist aus einem feinfornstabilisierten, dispersionsverstärkten Platinmaterial gefertigt. Alternativ kann es auch aus einer Platinlegierung, vorzugsweise aus PtRh10 oder Ptlr1, gefertigt sein.
Der Schaft 10 weist einen Außendurchmesser von 39 mm auf. An dem aufgeweiteten Abschnitt beträgt der Außendurchmesser des Schaftes 41 mm. Der Außendurchmesser wird also um 2 mm aufgeweitet, wodurch eine einfache Montage des Funktionselements 30 durch Aufschieben begünstigt wird.
In 3 ist schematisch eine Außenkontur 25 eines Spreizkörpers für ein Spreizwerkzeug im Querschnitt abgebildet. Mit einer derartigen Außenkontur 25 kann eine polygonale, im Beispiel eine oktagonalen Außenkontur durch das Aufweiten in den Schafft 10 eingepresst werden. Eine derartige Außenkontur des Sitzes 11 des Schaftes ist besonders geeignet, wenn der Schaft Drehmomente übertragen soll. Dies ist etwa der Fall, wenn die Vorrichtung als Rührer oder Dreh-Plunger in der Glaserzeugung verwendet werden soll.
Eine polygonale Außenkontur des Abschnitts partieller Aufweitung erhöht die Sicherheit der Schrumpfverbindung zwischen Schaft 10 und Funktionselement 30. Die kann besonders bei Hochtemperaturanwendungen, wie etwa einer Verwendung der Vorrichtung zum Homogenisieren einer Glasschmelze, von Vorteil sein, wo es zu einer Materialrelaxation kommen kann. Durch die Materialrelaxation kann die Schrumpfpassung in ihrer Festigkeit vermindert werden durch eine Verringerung des Übermaßes der Passung, was zu einer Verringerung der Schrumpfspannung führen kann.
Günstigerweise kann die Innenkontur der Durchgangsöffnung des Funktionselements gegengleich zu der Außenkontur ausgebildet sein. Passend zu der in 3 gezeigten Außenkontur 25 des Spreizwerkzeuges bietet es sich demnach an, die Innenkontur der durchgehenden Öffnung des Funktionselements 30 ebenfalls oktogonal auszubilden, um ein besonders großes Drehmoment zu übertragen. Es kann aber auch eine zylindersymmetrische Innenkontur verwendet werden.
Schließlich zeigt 4 einen Ausschnitt eines zylindersymmetrischen Schaftes 10 mit konischer, partieller Aufweitung 17. Die Steigung des Konus liegt in diesem Beispiel in einem Bereich von etwa 5%. Durch das Einpressen einer leicht konischen Außenkontur kann die Keilwirkung genutzt werden, um die Montage des Funktionselements 30 zu vereinfachen. Auch kann die Festigkeit der Verbindung durch eine verbesserte Kraftübertragung erhöht werden.
In dieser Darstellung sind die Übergange lediglich schematisch dargestellt. Die bevorzugte Montagerichtung für das Aufschieben des Funktionselements 30 auf den Schaft 10 ist in dem Beispiel mit „A“ gekennzeichnet.
Das Funktionselement 30 kann auch einen Rohr umfassen, um auf diese Weise einen Rohr-Rohr-Verbund herzustellen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3737683 A1 [0008]
DE 102007008102 A1 [0009]
EP 0800486 B1 [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer festen Verbindung zwischen einem zumindest teilweise kernlosen, hohlen Schaft und einem weiteren Funktionselement, wobei der Schaft und/oder das Funktionselement ein Material oder eine Legierung auf Basis der Platingruppenelemente umfasst, und wobei das Funktionselement eine durchgehende Öffnung aufweist, um mit einem Abschnitt des Schaftes durch Aufschrumpfen miteinander verbunden zu werden, umfassend die folgenden Schritte: - Festlegen der Ausdehnung und Position des Abschnittes des Schaftes als Sitz zur Verbindung mit dem Funktionselement, - Haltern des Schaftes, - Einbringen und Positionieren eines Spreizwerkzeuges in den Innenraum des Schaftes, - Aufweiten des Abschnittes des Schaftes mit dem Spreizwerkzeug zur Erzeugung einer vorbestimmten Außenkontur des Abschnittes zum Herstellen einer Übermaßpassung zwischen dem aufgeweiteten Abschnitt des Schaftes und der Öffnung des Funktionselements, - Entfernen des Spreizwerkzeuges, - Verbinden des Schaftes mit dem Funktionselement durch Aufschieben und Aufschrumpfen.
Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung zum Einsatz in der Glaserzeugung, umfassend einen zumindest teilweise kernlosen, hohlen Schaft und ein weiteres Funktionselement, wobei der Schaft und/oder das weitere Funktionselement ein Material oder eine Legierung auf Basis der Platingruppenelemente umfasst, und wobei das weitere Funktionselement eine durchgehende Öffnung aufweist, um mit einem Abschnitt des Schaftes durch Aufschieben und Aufschrumpfen miteinander verbunden zu werden, umfassend die folgenden Schritte: - Festlegen der Ausdehnung und Position des Abschnittes des Schaftes als Sitz zur Verbindung mit dem Funktionselement, - Haltern des Schaftes, - Einbringen und Positionieren eines Spreizwerkzeuges in den Innenraum des Schaftes, - Aufweiten des Abschnittes des Schaftes mit dem Spreizwerkzeug zur Erzeugung einer vorbestimmten Außenkontur des Abschnittes zum Herstellen einer Übermaßpassung zwischen dem aufgeweiteten Abschnitt des Schaftes und der Öffnung des Funktionselements, - Entfernen des Spreizwerkzeuges, - Verbinden des Schaftes mit dem Funktionselement durch Aufschieben und Aufschrumpfen.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft zumindest in dem aufzuweitenden Abschnitt vor dem Aufweiten erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufweiten des Schaftes in mehreren Teilschritten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft aus einem nahtlos gezogenen Rohr gefertigt ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des aufzuweitenden Abschnittes des Schaftes zumindest der Länge der Öffnung des Funktionselements entspricht und vorzugsweise diese Länge der Öffnung um nicht mehr als das 1,5-fache, bevorzugt nicht mehr als das 1,2-fache, übersteigt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des aufgeweiteten Abschnittes des Schaftes weniger als 50% in Bezug auf die Gesamtlänge des Schaftes, bevorzugt weniger als 30% und besonders bevorzugt weniger als 20%, beträgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft eine Wanddicke zwischen 0,1 und 10 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 7 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur im aufgeweiteten Abschnitt der Außenkontur des Schaftes in einem nicht aufgeweiteten Abschnitt entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur im aufgeweiteten Abschnitt von der Außenkontur des Schaftes in einem nicht aufgeweiteten Abschnitt abweicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft zylindersymmetrisch ausgebildet ist und einen Außendurchmesser zwischen 10 und 120 mm, vorzugsweise zwischen 15 und 90 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Spreizwerkzeug der Schaft axial und radial gleichmäßig aufgeweitet wird.
Verfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Aufweiten des Abschnittes des Schaftes eine Zunahme des Außendurchmessers des Schaftes in einem Bereich von 0,1 bis 7,0 mm, bevorzugt zwischen 0,2 und 5,0 mm, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Spreizwerkzeug der Schaft polygonal aufgeweitet wird, bevorzugt dreieckig, viereckig oder achteckig, zur Erzeugung einer polygonalen, bevorzugt dreieckigen, viereckigen oder achteckigen Außenkontur in dem aufgeweiteten Abschnitt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufweitung in Längsrichtung konisch erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang von aufgeweiteten Abschnitt des Schaftes zu einem nicht aufgeweiteten Abschnitt des Schaftes fließend ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des aufgeweiteten Abschnittes des Schaftes gleich der Wanddicke eines nicht aufgeweiteten Schaftes ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke des Schaftes in dem Übergangsbereich von aufgeweiteten Abschnitt zu nicht aufgeweiteten Abschnitt um nicht mehr als 10%, bevorzugt um nicht mehr als 5% und besonders bevorzugt um nicht mehr als 2% von der Wanddicke eines angrenzenden, nicht aufgeweiteten Abschnittes des Schaftes abweicht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Schaftes und/oder das Material des Funktionselementes feinkornstabilisiert dispersionsverstärkt ist.
Verfahren zum nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung des Funktionselements gegengleich zur Außenkontur des Schaftes in dem aufgeweiteten Abschnitt ausgebildet ist.
Verfahren zum nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement ein weiteres Rohr umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement teller- oder tonnenförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement zumindest einen Flügel oder ein Blatt umfasst.
Vorrichtung zum Einsatz in der Glaserzeugung, umfassend einen zumindest teilweise kernlosen, hohlen Schaft und ein mit dem Schaft fest verbundenes weiteres Funktionselement, hergestellt oder herstellbar mit einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft und/oder das Funktionselement ein Material oder eine Legierung auf Basis der Platingruppenelemente, umfasst.
Vorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft und/oder das Funktionselement aus Platin, vorzugsweise aus Pt 99,9, oder einer Platinlegierung, vorzugsweise aus PtRh10 oder Ptlr1, hergestellt sind.
Rührer, Nadel oder Plunger, zum Einsatz in der Glaserzeugung, umfassend eine Vorrichtung nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche.