DE102020005323A1

DE102020005323A1 - Düsenplatte für ein Bushing und endsprechendes Bushing

Info

Publication number: DE102020005323A1
Application number: DE102020005323.8A
Authority: DE
Inventors: Günther Mager; Ian Campbell
Original assignee: Cookson Precious Metals Ltd
Current assignee: Cookson Precious Metals Ltd
Priority date: 2020-08-31
Filing date: 2020-08-31
Publication date: 2022-03-03
Also published as: KR20230043175A; JP2023538752A; US20240025793A1; CA3190132A1; DE212021000460U1; EP4204371A1; WO2022043188A1; CN116096682A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Düsenplatte für ein Bushing zur Aufnahme einer Hochtemperaturschmelze und ein entsprechendes Bushing, wobei die Düsenplatte eine Düsenanordnng mit hoher Packungsdichte bereitstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Düsenplatte für ein Bushing (Gefäß, Tiegel, Düsenwanne) zur Aufnahme einer Hochtemperaturschmelze und ein entsprechendes Bushing. Der Begriff „Aufnahme“ umfasst alle Arten der Vorbereitung, Lagerung und Behandlung von Schmelzen. Insbesondere sind das Bushing und ihre Düsenplatte zur Verwendung bei der Herstellung von Fasern, wie Glasfasern, Mineralfasern, Basaltfasern usw. bestimmt.
Der Stand der Technik und die Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Herstellung von und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glasfasern, einschließlich textilen Glasfasern, näher beschrieben, auch wenn sie nicht auf eine solche Verwendung beschränkt sind.
Glasfasern werden seit mehr als 100 Jahren aus einer Glasschmelze mit Hilfe von Bushings (Glaswannen) hergestellt. Ein allgemeiner Überblick kann aus dem von der HVG Hüttentechnische Vereinigung der Deutschen Glasindustrie, Offenbach, im Zusammenhang mit der Ausstellung glasstec 2006 in Düsseldorf herausgegebenen Aufsatz „Design and Manufacture of Bushings for Glass Fibre Production“ entnommen werden.
Ein generisches Bushing kann als kastenförmiges Schmelzgefäß (Tiegel, Düsenwanne) charakterisiert werden, das oft einen quaderförmigen Raum und einen Boden, die sogenannte Düsenplatte (Düsenboden), sowie eine umlaufende Wand aufweist.
Eine generische Düsenplatte umfasst einen Körper zwischen einer Oberseite (oberen Oberfläche) und einer Unterseite (unteren Oberfläche) in einem Abstand zur Oberseite sowie eine Vielzahl von sogenannten Düsen (auch Öffnungen oder Durchflussöffnungen genannt), die sich zwischen der Oberseite und der Unterseite und durch den Körper hindurch erstrecken, wobei die Schmelze das Bushing durch die Tips/Düsen/Öffnungen verlassen kann, in den meisten Fällen unter Schwerkraft-Einfluss.
Die Düsenplatte erfordert hochtemperaturbeständige und damit teure Materialien wie Edelmetalle, um der Hochtemperaturschmelze (z.B. bis zu 1700°C) standzuhalten. Das Design und die Anordnung der Düsen in einer generischen Düsenplatte variiert und hängt von den örtlichen Bedingungen in einer Glasfaseranlage und vom Zielprodukt ab. Während die Düsen oft einen Innendurchmesser von 1-4 mm und eine Länge von 2-8 mm haben, kann die Zahl der Düsen einer Düsenplatte bis zu einigen tausend betragen. In verschiedenen Ausführungsformen ragen die Düsen über die untere Oberfläche der Düsenplatte hinaus, das heißt in Fließrichtung der Schmelze, die im Gebrauch die z-Richtung ist.
In der Vergangenheit gab es mehrere Versuche, möglichst viele Düsen pro Flächeneinheit anzuordnen, um die Menge und damit die Kosten der Edelmetalle zu reduzieren, die zur Herstellung einer Düsenplatte mit einer bestimmten Düsenzahl erforderlich sind. Die Zahl der Düsen (mit entsprechenden Durchflussöffnungen) pro Flächeneinheit ist im Stand der Technik als „Packungsdichte“ der Düsenplatte bezeichnet worden.
Um eine hohe Packungsdichte zu erreichen, offenbart die US 5062876 A eine Düsenplatte, wobei das untere Ende der Düsen im Wesentlichen die Form eines regelmäßigen Polygons hat. Die Realisierung regelmäßiger polygonaler Formen in Verbindung mit an eine Düsenplatte geschweißten Düsen ist mit herkömmlichen Herstellungsverfahren schwierig, führt zu einem unregelmäßigen Fluss einer Glasschmelze durch solche Öffnungen und verursacht Schwierigkeiten bei der Wärmeableitung.
Ein Beispiel: Die Geschwindigkeit der Fasern, die aus einer solchen Öffnung (Spitze, Düse) nach unten gezogen werden, kann etwa 1000 Meter pro Minute betragen und ermöglicht die Bildung sehr dünner Endlos Glasfaserfilamente mit Durchmessern von sogar weniger als 50µm, oft 4 bis 35µm.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Nachteile so weit wie möglich zu überwinden und insbesondere eine Düsenplatte mit hoher Packungsdichte (und damit einem günstigen Verhältnis: Anzahl der Düsen/benötigte Edelmetallmasse), einer ausgezeichneten Lebensdauer und/oder eine Glasfaserherstellung in hoher Gleichmäßigkeit und Qualität zu ermöglichen.
Die Erfindung basiert auf folgenden Erkenntnissen:

Ein limitierender Faktor zur Erzielung höherer Packungsdichten (von Düsen) im Vergleich zu Düsenplatten nach dem Stand der Technik ist die Anordnung der Düsen (Tips) und damit die Anordnung der Durchflussöffnungen an der Oberseite der Düsenplatte. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Düsen an der Düsenplatte durch Schweißen oder Stanzen befestigt sind. In ihrer Betriebsposition ist die Oberseite vollständig mit Schmelze bedeckt und der hydrostatische Druck hoch, da das Bushing eine bestimmtes Volumen an Glasschmelze aufnimmt.

Typischerweise sind die Düsen hintereinander in einer Reihe angeordnet, d.h. nebeneinander, wobei ihre Mittenlängsachsen (zentralen Längsachsen) eine gemeinsame virtuelle Gerade (gerade Linie) schneiden. Mindestens eine weitere Vielzahl von Düsen ist entlang mindestens einer weiteren (gemeinsamen) virtuellen Geraden in einer weiteren Reihe angeordnet und die Linien (Reihen) verlaufen parallel zueinander und bilden zusammen eine Gruppe von Düsen. Eine dritte, vierte usw. ähnliche Anordnung kann hinzugefügt werden. Mehrere Gruppen sind zueinander beabstandet, so dass eine so genannte Kühlrippe an der Unterseite der Düsenplatte und zwischen benachbarten Gruppen angeordnet werden kann. Die Düsen können auch als Doppel-, Dreifach-, Vierfach- usw. Reihen mit dazwischenliegenden Kühlrippen angeordnet werden.
Um hohe Schmelzflussraten durch die Düsen der Düsenplatte zu ermöglichen, können relativ große Durchflussöffnungen an der oberen Oberfläche der Düsenplatte verwendet werden. Um einen Kontakt zwischen Schmelzepartikeln (Tropfen) zu vermeiden, die von benachbarten Düsen an ihrem gegenüberliegenden (unteren, Auslass-) Ende herrühren, sollte der jeweilige Abstand zwischen benachbarten Düsen an ihrem unteren Ende (in der Betriebsposition) so groß wie möglich sein. Ein größerer Abstand an dem Ende der Düsen, an dem die Schmelze austritt, ermöglicht zudem eine verbesserte Kühlung um die Düsen herum. Die Kombination dieser Konstruktionsmerkmale an beiden Enden der Düsen führt zu einem synergetischen Verhalten in Bezug auf Produktionsgeschwindigkeit (Produktionsrate) und Produktionssicherheit, Fließverhalten der Schmelze und Faserqualität. Ein entsprechendes Design führt auch zu einer hohen Packungsdichte und einer hohen Fließgeschwindigkeit der Schmelze durch die Düsen.
Während der Mindestabstand zwischen benachbarten virtuellen Geraden an der Oberseite der Düsenplatte durch eine Anordnung definiert ist, bei der sich benachbarte Öffnungen an entsprechenden Punkten an ihrem jeweiligen äußeren Umfang berühren, muss der maximale Abstand kleiner sein als der Durchmesser der jeweiligen Öffnungen an der Oberseite. Entsprechend ergibt sich für Öffnungen, die entlang verschiedener virtueller Linien (Geraden), aber nebeneinander angeordnet sind, einer „Überlappung“, wie im Folgenden näher beschrieben wird.
Aus fertigungstechnischen Gründen (ungeachtet der Fertigungstoleranzen bzw. -grenzen) und der geforderten Qualität der Glasfasern wird davon ausgegangen, dass die Mehrzahl der Düsen (>50%, oft >70%, >80%, >90%) im Wesentlichen gleich dimensioniert sind, insbesondere ihre Durchflussöffnungen in gleicher Ausführung und mit gleichem Querschnitt. Dies gilt insbesondere für die Düsen, die entlang eines zentralen Abschnitts (in der Mitte) der Düsenplatte angeordnet sind.
Es besteht eine geometrische Beziehung zwischen dem Abstand benachbarter Geraden (Linien) mit Düsen (Öffnungen), dem Durchmesser der Düsen (Öffnungen), insbesondere an der Oberseite der Düsenplatte, und dem Abstand benachbarter Düsen. Zum Beispiel: Wenn der Abstand zwischen den genannten virtuellen Geraden größer ist als der Durchmesser der Düsen an der Oberseite, verschlechtert sich die Packungsdichte charakteristisch. Dasselbe gilt, wenn der Abstand zwischen benachbarten Düsen einer Linie so weit vergrößert wird, dass der gleiche Abstand zu einer Düse der benachbarten Linie einen Abstand zwischen den beiden Linien erfordert, der größer ist als der Durchmesser der Düsen an der Oberfläche der Düsenplatte.
Der Volumenstrom durch ein zylindrisches Rohr (hier: die Durchflussöffnung einer Düse) kann nach der Hagen-Poiseuilles-Gleichung für laminare Strömung berechnet werden: $V = \frac{π \cdot D^{4} \cdot Δ p}{128 \cdot η \cdot L}$
mit:

V=Volumenfluss in m³/s
D= Düsendurchmesser in m
Δp= Druckdifferenz in Pa
η= dynamische Viskosität in Pa s
L= Düsenlänge in m

Entsprechend wird die Massenflussrate Ps der Schmelze berechnet als $P_{s} = \frac{π \cdot g}{128} \cdot \frac{ρ^{2} \cdot H}{η} \cdot \frac{D^{4}}{L}$
mit
g= Erdanziehungskraft, ρ = Dichte der Schmelze in kg/m³ und H = Druckhöhe in m
Im Falle eines nicht kreisförmigen Rohrquerschnitts (einer nicht kreisförmigen Durchflussöffnung) ersetzt der folgende Geometriefaktor Q den Wert D⁴/L: $P_{s} = \frac{π \cdot g}{128} \cdot \frac{ρ^{2} \cdot H}{η} \cdot Q$
mit $Q = \frac{3 \cdot d_{1}^{3} \cdot d_{2}^{3}}{L \cdot (d_{1}^{2} + d_{1} \cdot d_{2} + d_{2}^{2})}$
für Kegelstümpfe, wobei d1 den größeren Durchmesser definiert, d2 den kleineren Durchmesser und L wiederum die Länge der Düse ist, alle Angaben in m (Meter).
Ungeachtet der Tatsache, dass äußere Einflüsse wie Temperatur, Umgebungsturbulenzen usw. in dieser Gleichung nicht berücksichtigt werden, kann sie für die erfindungsgemäße Berechnung von Düsen verwendet werden.
Im Hinblick auf die vorliegende Erfindung besteht eine wichtige Erkenntnis darin, den Abstand der zentralen Längsachsen (Mittenlängsachsen) der Düsen ins Verhältnis zum Massendurchsatz (Fließrate) zu setzen, mit anderen Worten: den Abstand so klein wie möglich zu machen, während der Massendurchsatz (Schmelze) konstant bleibt.
In ihrer allgemeinsten Ausführungsform bezieht sich die Erfindung auf eine Düsenplatte für ein Bushing zur Aufnahme einer Hochtemperaturschmelze, die - in ihrer Betriebsstellung - eine Oberseite, die sich in zwei Richtungen (x,y) des Koordinatensystems erstreckt, eine Unterseite in einem Abstand zur Oberseite und einen Körper dazwischen aufweist, sowie eine Vielzahl von Düsen mit Durchflussöffnungen mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt in den x-y-Richtungen und ihrem größten Durchmesser (dmax) an die Oberseite der Düsenplatte angrenzend, wobei sich die Düsen von der Oberseite durch den Körper erstrecken und über die Unterseite vorstehen und durch die die Hochtemperaturschmelze die Düsenplatte in einer dritten (z) Richtung des Koordinatensystems verlassen kann, mit

- einer ersten Vielzahl von Düsen, die so nebeneinander angeordnet sind, dass eine Mittenlängsachse jeder zugehörigen Durchflussöffnung eine (gemeinsame) virtuelle erste Gerade schneidet und benachbarte Mittenlängsachsen einen Abstand (dT1) von ≥1,0dmax bis ≤1,3 dmax aufweisen,
- einer zweiten Vielzahl von Düsen, die so nebeneinander angeordnet sind, dass eine Mittenlängsachse jeder zugehörigen Durchflussöffnung eine (gemeinsame) virtuelle zweite Gerade schneidet und benachbarte Mittenlängsachsen einen Abstand (dT2) von ≥1,0dmax bis ≤1,3 dmax haben, wobei
- die virtuelle erste Gerade und die virtuelle zweite Gerade parallel zueinander in einem Abstand (dL) ≥0,866 dmax und <1,0 dmax verlaufen.

Ein Abstand dL = 0,866 dmax und die Abstände dT1 und dT2 = 1 dmax definieren eine Anordnung, bei der sich benachbarte Düsen an einem Punkt ihres Außenumfangs berühren.
Ein Abstand dL=dmax definiert den weitesten Abstand zwischen zwei benachbarten virtuellen Linien (Geraden), die mindestens einen Punktkontakt zwischen benachbarten Düsen entlang zweier Linien ermöglichen.
Obergrenzen von dL können auch auf <1,0, <0,97 oder <0,95 festgelegt werden.
Während sich die Erfindung auf Düsen mit Durchflussöffnungen bezieht, die in x-y-Richtung einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen, schließt dies exakt kreisförmige Querschnitte und in einer Ausführungsform Durchflussöffnungen ein, die leicht unterschiedliche Querschnittsprofile aufweisen, aber mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Gesamtprofil, z.B. Polygonprofile, die ebenfalls funktionieren. In diesem Zusammenhang sind die Abmessungen einer typischen Düsenplatte von Bedeutung:

- Länge: 200-1500mm
- Breite: 50-400mm
- Dicke (ohne hervorstehenden Teil der Düsen): 1-3 mm
- Düse: Länge (Teil, der über den Körper der Düsenplatte hinausragt) : 2-5 mm
- Düse: Außen-/Innen-Durchmesser an der Oberseite der Düsenplatte: 1,5-4,5mm/1,0-4,0mm
- Düse: äußerer/innerer Durchmesser am gegenüberliegenden Ende: 1,5-4,5mm/1,0-4,0mm Soweit sich die Erfindung auf „im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt“ bezieht, ist dies nicht in einem exakten geometrischen, sondern in einem technischen Sinne zu verstehen. Im Falle eines leicht unrunden Querschnitts wird der (eine) „Durchmesser“ durch den so genannte Äquivalentdurchmesser ersetzt.

Im Hinblick auf die Anordnung der Düsen entlang einer virtuellen Geraden kann davon ausgegangen werden, dass auch ein Abstand der Mittenlängsachsen benachbarter Düsen von etwas weniger als 1,0dmax (insbesondere bis zu einem Minimum von 0,9dmax) möglich ist, obwohl dies zu einer gewissen Überlappung benachbarter kreisförmiger Öffnungen benachbarter Düsen an der Oberseite der Düsenplatte und damit zu gewissen Unregelmäßigkeiten im Fließverhalten der Schmelze entlang der jeweiligen Querschnitte solcher Düsen führt.
Die Erfindung stellt auch ein Herstellungsverfahren zur Verfügung, nämlich die additive Fertigung, das hochpräzise Konstruktionen (Formen) und eine weitere Flexibilität und Freiheit in Bezug auf die Düsengeometrie ermöglicht. Insbesondere kann die Düsenplatte als ein monolithisches Teil hergestellt werden, d.h. mit Düsen, die zusammen mit dem Düsenplattenkörper geformt werden. Dies hat erhebliche Vorteile gegenüber Schweiß- oder Stanztechnologien zur Ausbildung der Düsen.
Zu den optionalen Merkmalen der Erfindung gehören die folgenden, entweder einzeln oder in Verbindung mit anderen Merkmalen, solange dies technisch möglich/sinnvoll ist:

- Der größte Durchmesser der Düsen (ihre Öffnungen) kann genau an der Oberseite (oberen Oberfläche) der Düsenplatte liegen, obwohl auch eine leicht vertiefte Ausführung akzeptabel ist.
- Mehr als 50% der Mittenlängsachsen der entsprechenden Durchflussöffnungen entlang jeder virtuellen Geraden können den gleichen Abstand (dT1, dT2) zueinander haben; mit anderen Worten: die entsprechenden Düsen können den gleichen Abstand zueinander haben. Dieses Design kann bei Düsen entlang ≥70, ≥80 bis zu 100% der Länge einer Geraden (Linie) realisiert werden.
- Mehr als 50% der zentralen Längsachsen benachbarter Durchflussöffnungen aller Düsen entlang der virtuellen ersten und zweiten Geraden können den gleichen Abstand zueinander haben. Diese Anordnung kann zu einer Konstruktion führen, bei der die virtuelle Verbindung der zentralen Längsachsen dreier benachbarter Düsen (auf zwei benachbarten Linien) zu einem gleichseitigen Dreieck führt, was erfindungsgemäß eine günstige Konstruktion darstellt. Auch hier gilt: solche Anordnungen können mit Düsen entlang ≥70%, ≥80% bis zu 100% der Länge der Linien realisiert werden.
- Der Abstand dT1 (zwischen benachbarten Düsen entlang einer Geraden) und/oder dT2 (zwischen benachbarten Düsen entlang einer benachbarten Geraden) kann auf <1,2 dmax, <1,15 dmax oder sogar < 1,1 dmax begrenzt werden. Je kleiner dT1 und/oder dT2, desto höher ist die Packungsdichte.
- Mehr als 50% der Mittenlängsachsen der Durchflussöffnungen aller Düsen entlang der virtuellen ersten und zweiten Geraden können so angeordnet sein, dass die Mittenlängsachsen zweier benachbarter Durchflussöffnungen entlang einer Geraden und einer Durchflussöffnung der benachbarten Geraden ein gleichschenkliges oder sogar ein gleichseitiges Dreieck bilden. Der 50%-Wert kann auf ≥70%, ≥80°/, ≥90% bis zu 100% erhöht werden.
- In einer anderen Ausführungsform haben die Durchflussöffnungen eine innere Form, die über mindestens 70% ihrer Gesamtlänge einem Kegelstumpf entspricht, wobei der größere Durchmesser zur Oberseite der Düsenplatte hin liegt. Der Wert von 70% kann auf ≥80%, ≥90% oder sogar 100% erhöht werden. Eine weitere Ausführungsform bezieht sich auf Durchflussöffnungen, die eine Innenform haben, die einem Kegelstumpf mit seinem größeren oder größten Durchmesser (dmax) benachbart der Oberseite der Düsenplatte entspricht. Die Düsen können auch eine kegelstumpfförmige Außenform haben, die der gleichen Ausrichtung wie der Kegelstumpf der Durchflussöffnungen folgt. Diese kegelstumpfförmigen Konstruktionsoptionen führen zu dem Vorteil, dass zwischen benachbarten Düsen um den Teil der Düsen herum, der den Düsenplattenkörper nach unten (in der Betriebsposition) überragt, zusätzlicher Raum zwischen benachbarten Düsen entsteht. Mit anderen Worten: An ihrem oberen Ende (in der Betriebsposition) sind die Düsen so nah wie möglich zueinander angeordnet, um die höchstmögliche Packungsdichte zu ermöglichen, während das Düsendesign zu ihrem unteren Ende hin so gewählt wird, dass ein größtmöglicher Abstand (Spielraum) zwischen benachbarten Düsen entsteht. Dieses Design ermöglicht eine synergistische Kombination von Strömungscharakteristik, Materialreduzierung und Kühleffekten.
- Mindestens 50% (oder ≥70% oder ≥90%) der benachbarten Düsen sollten an ihrem unteren, freien, vorstehenden Ende einen Mindestabstand von mindestens 0,23dmax und höchstens 0,45dmax aufweisen. Ausgehend von einer oder mehreren typischen Abmessungen, wie oben angegeben, sollte der Mindestabstand 0,8 mm betragen. Nach verschiedenen Ausführungsformen kann dieser Grenzwert auf 0,85, 0,90, 0,95, 1,0,1,05, 1,1, 1,15 oder 1,2 festgelegt werden.
- Die kegelstumpfförmige Form der Düsen erlaubt weitere Optimierungen: Nach einer Ausführungsform besteht das unterste Ende der Düsen, d.h. das der Oberseite der Düsenplatte gegenüberliegende Ende, aus einer anderen Legierung als der obere Abschnitt, um unterschiedliche Kontaktwinkel zwischen Edelmetall, Glas und Umgebung zu ermöglichen. Während sich Pt/Rh-Legierungen wie Pt/Rh 90/10 im Allgemeinen für eine Düsenplatte und ihre Düsen bewährt haben, kann die Legierung des untersten Endes der Düsen nun ein oder mehrere andere Legierungsbestandteile wie Gold enthalten. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Rh und/oder Pt zumindest teilweise durch Au zu ersetzen, wobei in allen Fällen eine Vergrößerung des Kontaktwinkels im Vergleich zu einer Pt/Rh-Legierung möglich ist. Die Legierungen Pt/Au 95/5 und Pt/Rh/Au 90/5/5 haben einen größeren Kontaktwinkel A als Pt/Rh 90/10. Ein größerer Kontaktwinkel verringert das Risiko, dass ein versehentlich gebildeter Schmelzetropfen am Austrittsende einer Düse auch das Schmelzverhalten und die Faserproduktion am Austrittsende einer benachbarten Düse beeinflusst. Mit anderen Worten: Die erfindungsgemäße Konstruktion verringert das Risiko einer Störung während der Faserproduktion (die zu einer Flutung der Düsenplatte führen kann) und/oder ermöglicht es, den Abstand zwischen benachbarten Düsen an ihrem unteren Ende zu verringern, während die Herstellungsbedingungen unverändert bleiben.

- Wie bereits vorstehend erwähnt, wird die Anordnung der Düsen entlang einer ersten und zweiten virtuellen Geraden (L1, L2), optional (wie in den meisten Fällen) auch entlang mindestens einer dritten, vierten usw. Linie (Geraden) typischerweise mehrfach dupliziert, um eine größere Düsenplatte (Fläche) mit mehr Düsen zu erhalten. Mit anderen Worten: Die Düsenplatte kann dann >10 oder >20 Anordnungen von zwei oder mehr (virtuellen) Geraden mit Düsen wie oben erwähnt umfassen, typischerweise mit Kühlrippen dazwischen. Diese Kühlrippen erstrecken sich dabei zwischen benachbarten Düsenanordnungen an der unteren Oberfläche der Düsenplatte.
- Die vorstehend erwähnte spezifische Anordnung der Düsen erfordert im Hinblick auf die Abmessungen und die Genauigkeit entsprechende Fertigungstechniken. Dies kann erreicht werden, wenn mindestens 50%, besser ≥70%, ≥80% ≥90% oder 100% des Düsenplattenvolumens durch additive Fertigung, auch als 3D-Drucktechnik oder 3D-Laserdruck bezeichnet, hergestellt werden. Die additive Fertigung (Additive Manufacturing) ermöglicht die Anordnung der Düsen/Öffnungen in der offenbarten Weise an der Oberseite (obere Oberfläche) der Düsenplatte und gleichzeitig die Gestaltung maßgeschneiderter Düsengeometrien (Kegel, Kegelstümpfe, schräge Konen, Kegelstumpfformen) in Richtung auf ihr gegenüberliegendes Ende sowie die erforderlichen Abstände zwischen benachbarten Düsen an ihrem Schmelzeaustrittsende. Die endgültige Form (Geometrie) wird dabei sukzessiv (Schritt für Schritt) in zahlreichen einzelnen „Druckschritten“ aufgebaut, was es erlaubt, das Layout in der beschriebenen Weise zu modifizieren und sogar das Layout (physikalische Struktur) zwischen aufeinanderfolgenden Fertigungssequenzen zu verändern, z.B. durch unterschiedliche Laserintensitäten. Gestanzte Öffnungen oder geschweißte Düsen können vermieden werden.

Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf ein Bushing zur Aufnahme einer Hochtemperaturschmelze, das in seiner allgemeinsten Ausführungsform eine Düsenplatte umfasst mit wahlweise einem oder mehreren der vorgenannten Merkmale. Das Bushing kann auch teilweise oder vollständig durch additive Fertigung hergestellt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anderen Antragsunterlagen. Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die in sehr schematischer Weise in

: eine Aufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Teils einer Oberseite einer Düsenplatte mit einigen exemplarischen Düsen
: eine perspektivische Ansicht der Düsen nach ,
: eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Teils der Oberseite einer Düsenplatte mit zwei Gruppen von beispielhaften Düsen zeigt.

Die und zeigen die x-y-Ebene des Koordinatensystems. In den Abbildungen sind die gleichen Teile oder Teile mit im Wesentlichen äquivalenter Funktion oder äquivalentem Verhalten durch gleiche Ziffern gekennzeichnet.
ist eine Draufsicht auf einen Teil einer Oberseite (oberen Oberfläche) US einer Düsenplatte TP und zeigt zwei virtuelle Geraden (geraden Linien) L1, L2, die parallel zueinander in einem Abstand dL verlaufen. Entlang beider Geraden L1, L2 sind eine Vielzahl von oberen Enden von Durchflussöffnungen TO der Düsen TI sichtbar, die nebeneinander angeordnet sind. Der Einfachheit halber sind entlang jeder Geraden L1, L2 nur zwei Düsen TI dargestellt. Jede Düse TI weist eine Durchflussöffnung TO von im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt auf, mit dem Durchmesser dmax an der Oberseite US, und die Düsen TI einer Reihe (entlang L1) „überlappen“ die Düsen TI der benachbarten Reihe (entlang L2). In dieser Ausführungsform entspricht dL 0,866 dmax, was zu einer Konstruktion führt, bei der sich benachbarte Düsen TI (bzw. ihre Durchflußöffnungen TO) an einem gemeinsamen Punkt P entlang ihrer jeweiligen Peripherie berühren. Dementsprechend entsprechen die Abstände dT1 zwischen benachbarten Düsen TI der virtuellen Geraden L1 und dT2 zwischen benachbarten Düsen TI der virtuellen Geraden L2 dmax und die Mittenlängsachsen A von drei benachbarten Durchflussöffnungen TO bilden ein gleichseitiges Dreieck, was eine günstige hohe Packungsdichte darstellt.
Die Düsen TI erstrecken sich von der Oberseite US nach unten, durchdringen dabei einen Körper BO der Düsenplatte TP (der Dicke d), und ragen von einer unteren Oberfläche (Unterseite) LS des Düsenbodens (der Düsenplatte) TP nach unten vor, wie in 1b dargestellt, aus der die Wanddicke des vorstehenden Teils der Düsen TI und die kegelstumpfförmige Außenform der Düsen TI zu erkennen ist, symbolisiert in 1a durch innere geschlossene und gestrichelte Linien innerhalb der Durchflussöffnungen TO der Düsen TI. Diese Konstruktion führt zu dem günstigen Effekt von Zwischenräumen zwischen benachbarten Düsen TI, durch die Kühlluft strömen kann. Die Strömungs-/Fließrichtung (z) der Glasschmelze bzw. die Abziehrichtung der Glasfasern durch die Düsen TI ist durch den Pfeil Z (=z-Richtung des Koordinatensystems in einer Gebrauchslage des Düsenbodens TP) gekennzeichnet.
Die Ausführung nach 2 unterscheidet sich von der nach 1 durch die Anordnung und Abstände der Düsen TI zueinander.
Im oberen Teil von 2 sind der Abstand dT1 zwischen den Mittenlängsachsen A benachbarter Düsen TI entlang der virtuellen Geraden L1 und in gleicher Weise der Abstand dT2 zwischen den Düsen TI der virtuellen Geraden L2 auf jeweils ca. 1,2 dmax vergrößert worden, während der Abstand dL zwischen den Geraden L1, L2 der gleiche wie in 1 ist. Dies führt zu größeren Abständen zwischen den Umfängen der Düsen TI entlang derselben virtuellen Geraden L1 oder L2 im Vergleich zu benachbarten Düsen TI unterschiedlicher Geraden L1, L2 und schließlich zu einer Konstruktion, bei der die Verbindung der drei Mittenlängsachsen A von drei benachbarten Düsen TI auf den beiden Geraden L1, L2 ein gleichschenkliges Dreieck (symbolisiert im Fettdruck) mit den Abständen S1.1, 51.2, S 1.3 zwischen benachbarten Düsen TI (Öffnungen) definiert. Obwohl die entsprechende Packungsdichte geringer ist als in , definiert diese Ausführungsform dennoch eine hohe Packungsdichte.
Im unteren Teil von sind die Abstände zwischen benachbarten Düsen TI entlang der Linien L1 und L2 nochmal vergrößert (dT1=1,5dmax; dT2=1,5dmax) und entsprechend die Abstände S zwischen benachbarten Düsen TI vergrößert.
Zwischen dem oberen und unteren Abschnitt der 2 ist eine Kühlrippe CF zu erkennen, die nicht Bestandteil des Düsenbodens (der Düsenplatte) TP ist und zwischen den beschriebenen, benachbarten Düsenanordnungen platziert wird.
Alle Düsenplatten TP und zugehörige Teile sind durch additive Fertigung hergestellt, wobei eine Pt/Rh 90/10 Legierung zur Herstellung des monolithischen Düsenbodens verwendet wurde.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5062876 A [0008]

Claims

Düsenplatte (TP) für ein Bushing zur Aufnahme einer Hochtemperaturschmelze, die - in ihrer Betriebsstellung - eine Oberseite (US), die sich in zwei Richtungen (x,y) des Koordinatensystems erstreckt, eine Unterseite (LS) in einem Abstand (d) zur Oberseite (US) und einen Körper (BO) dazwischen aufweist, sowie eine Vielzahl von Düsen (TI) mit Durchflussöffnungen (TO) mit im Wesentlichen kreisförmigem Querschnitt in den x-y-Richtungen und ihrem jeweils größten Durchmesser (dmax) an die Oberseite (US) der Düsenplatte (TP) angrenzend, wobei sich die Düsen (TI) von der Oberseite (US) durch den Körper (BO) erstrecken und über die Unterseite (LS) vorstehen und durch die die Hochtemperaturschmelze die Düsenplatte (TP) in einer dritten (z) Richtung des Koordinatensystems verlassen kann, mit a) einer ersten Vielzahl von Düsen (TI), die so nebeneinander angeordnet sind, dass eine Mittenlängsachse (A) jeder zugehörigen Durchflussöffnung (TO) eine virtuelle erste Gerade (L1) schneidet und benachbarte Mittenlängsachsen einen Abstand (dT1) von ≥1,0 dmax bis ≤1,3 dmax aufweisen, b) einer zweiten Vielzahl von Düsen (TI), die so nebeneinander angeordnet sind, dass eine Mittenlängsachse (A) jeder zugehörigen Durchflussöffnung (TO) eine virtuelle zweite Gerade (L2) schneidet und benachbarte Mittenlängsachsen einen Abstand (dT2) von ≥1,0 dmax bis ≤1,3 dmax haben, wobei c) die virtuelle erste Gerade (L1) und die virtuelle zweite Gerade (L2) parallel zueinander in einem Abstand dL = ≥0,866 dmax und <1,0 dmax verlaufen.
Düsenplatte nach Anspruch 1, bei der mehr als 50% der Mittenlängsachsen (A) benachbarter Durchflussöffnungen (TO) aller Düsen (TI) entlang der ersten und zweiten virtuellen Geraden (L1, L2) den gleichen Abstand (dT1, dT2) zueinander haben.
Düsenplatte nach Anspruch 1, bei der dT1, dT2 oder beide ≤1,2 dmax sind.
Düsenplatte nach Anspruch 1, bei der mehr als 50% der Mittenlängsachsen (A) der Durchflussöffnungen (TO) aller Düsen (TI) entlang der virtuellen ersten und zweiten Geraden (L1, L2) so angeordnet sind, dass die Mittenlängsachsen (A) von zwei benachbarten Durchflussöffnungen (TO) entlang einer virtuellen Geraden (L1, L2) und einer Durchflussöffnung (TO) der benachbarten virtuellen Geraden (L2, L1) ein gleichschenkliges oder ein gleichseitiges Dreieck bilden.
Düsenplatte nach Anspruch 1, bei der die Durchflussöffnungen (TO) eine innere Form haben, die über mindestens 70% ihrer Gesamtlänge - in z-Richtung - einem Kegelstumpf mit seinem größeren Durchmesser zur Oberseite (US) der Düsenplatte (TP) hin entspricht.
Düsenplatte nach Anspruch 1, bei der die Düsen (TI) entlang ihres vorstehenden Teils eine kegelstumpfförmige Außenform haben, deren größere Querschnittsflächen zur Unterseite der Düsenplatte (TP) hin gerichtet sind.
Düsenplatte (TP) nach Anspruch 1, bei der die Anordnung der Düsen (TI) entlang einer virtuellen ersten und zweiten Geraden (L1, L2) durch eine oder mehrere virtuelle Geraden erweitert ist, entlang denen weitere Düsen (TI) in analoger Weise angeordnet sind.
Düsenplatte (TP) nach Anspruch 1, bei der mindestens 50% benachbarter Düsen (TI) an ihren frei vorstehenden Enden einen Abstand zwischen 0,8 mm und 1,1 mm aufweisen.
Düsenplatte (TP) nach Anspruch 1, deren Volumen zu mindestens 50% durch additive Fertigung hergestellt ist.
Bushing zur Aufnahme einer Hochtemperaturschmelze, mit einer Düsenplatte (TP) nach Anspruch 1.