DE102020129314A1

DE102020129314A1 - Glasextrusionsanordnung und Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas

Info

Publication number: DE102020129314A1
Application number: DE102020129314.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Bliedtner; Anne-Marie Schwager; Andreas Hopf; Jan Dellith; Jens Kobelke; Volker Reichel
Original assignee: Ernst Abbe Hochschule Jena Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Current assignee: Ernst Abbe Hochschule Jena Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-05-12
Also published as: EP4240701A1; WO2022096061A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Glasextrusionsanordnung und ein generatives Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas.Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Glasextrusionsanordnung und ein generatives Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile (9) aus Glas anzugeben, welche eine Extrusion nichtummantelter oder ummantelter Glasfasern (7, 8) oder Glasfaserstränge mit dem Ziel der additiven Erzeugung hochqualitativer 3- dimensionaler Glaskomponenten ermöglicht, wobei als Glasfasermaterial sowohl niedrigschmelzende Glassysteme als auch höherschmelzende Glassysteme zum Einsatz kommen können, wird dadurch gelöst, dass die Glasextrusionsanordnung mehrere, individuell ansteuerbare Teilsysteme in Form eines Umfangsspiegelsystems (3), einer schaltbaren, beheizbaren Düse (4) mit einer Austrittsöffnung (41) und eines Transportsystems (2) umfasst, wobei die Düse (2) in einer, eine beheizbare Plattform (42) umgebenden Prozesskammer (5) angeordnet ist, die Düse (4) und die Plattform (42) in 3 Achsen in der x-, y- Richtung durch eine Bewegungseinheit zueinander positionierbar sind, das Umfangsspiegelsystem (3) außerhalb der Prozesskammer (5) angeordnet ist, wobei die zu extrudierende Glasfaser (7, 8) aus einer Materialzuführeinheit (1) kontinuierlich vermittels des Transportsystems (2) durch das Umfangsspiegelsystem (3) hindurch über eine Eintrittsöffnung (51) der Prozesskammer (5) in die Düse (4) zur Extrusion einführbar ist und die Teilsysteme simultan sowie präzise durch eine Steuer- und Regeleinheit ansteuer- / betreibbar sind und in dem diese Glasextrusionsanordnung bestimmungsgemäß betrieben wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Glasextrusionsanordnung und ein generatives Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas mittels mindestens einer kontinuierlich zugeführten, kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten (Coating) Glasfaser, wobei als Fasermaterial sowohl niedrigschmelzende Glassysteme (Tg << 1000°C, wie bspw. Fasern zur Bildübertragung) als auch höherschmelzende Glassysteme (Tg >> 1000°C, wie bspw. reine oder modifizierte Kieselgläser) zum Einsatz kommen können.
Generative (additive) Herstellungsverfahren stellen eine Möglichkeit zur Erzeugung von dreidimensionalen Objekten / Bauteilen dar, die sich von klassischen abtragenden / zerspanenden Herstellungsverfahren, wie bspw. Drehen, Bohren, Fräsen, Sägen oder Hobeln, signifikant unterscheiden, indem ein Bauteil durch das Aneinander- und Aufeinanderfügen von Materialmengen hergestellt wird, was u.a. zu einer deutlich höheren Formfreiheit führt.
Eine Form des Aneinander- und Aufeinanderfügens ist das selektive Positionieren von diskreten Materialmengen aneinander und übereinander, um so lagenweise ein Bauteil herzustellen. Hierfür werden aus einem Extruder Materialmengen in einem fluiden Zustand auf einen Träger portioniert abgegeben, auf dem sie anschließend erkalten und verfestigen, weshalb diese 2D- oder 3D- Druckverfahren als Extrusionsverfahren bezeichnet werden.
Eine geeignete Vorrichtung für ein Kunststoffextrusionsverfahren zum Erzeugen dreidimensionaler Objekte offenbart die DE 690 33 809 T2 . Diese Vorrichtung umfasst einen gegenüber einer Trägerplatte, auf der das Bauteil aufgebaut wird, in x-, y-, und z-Richtung bewegbaren, heizbaren Extruder mit einer heizbaren Düse.
Das Ausgangsmaterial wird dem Extruder in Form eines Kunststoffstabes oder eines flexiblen Kunststoffstranges zugeführt, in diesem auf seinen Schmelzpunkt erwärmt und als fließfähiges Fluid über eine Düse abgegeben.
Zum Zweck der Erwärmung des Extruders ist eine geregelte Widerstandsheizvorrichtung vorgesehen, die mit einem Thermoelement verbunden ist, um das Ausgangsmaterial nur wenig oberhalb des Schmelzpunktes zu erwärmen.
Um zu sichern, dass das Ausgangsmaterial als Fluid durch die Düse des Abgabekopfes ausgestoßen wird, ist eine ergänzende, die Düse temperaturgeregelt beheizende elektrische Heizvorrichtung vorhanden. Die Volumenrate des abgegebenen Fluids wird dabei über den Vorschub des flexiblen Stranges gesteuert. Je kleiner der Durchmesser des flexiblen Stranges ist, desto genauer kann die Volumen-Strömungsgeschwindigkeit der Abgabe des Fluids gesteuert werden. Die effektive Ein/Aus-Fluidabgabe kann einfachdurch das Anhalten der Vorschubmotoren erreicht werden.
Eine genaue Temperatursteuerung, auf die der flexible Strang im Abgabekopf erwärmt wird, unterstützt außerdem das Regeln seiner Strömung.
Der Nachteil dieser Anordnung und dieses Verfahrens besteht darin, dass es auf die Verwendung von Thermoplasten und somit niederen Temperaturen unter 200°C beschränkt ist.
Der 3D-Druck mit Glas ist im Allgemeinen noch wenig verbreitet und weitestgehend unerforscht.
Aktuell entwickelt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein spezielles Stereolithografie-Verfahren (SLA-Verfahren), um Glaskörper zu drucken.
Dazu wird ein Kompositmaterial aus Photopolymer und Glaspulver entwickelt, welches durch UV- Bestrahlung verfestigt wird. Dadurch entsteht ein Grünling.
Um ein reines Glasbauteil zu generieren, muss der Grünling in einem zweiten Prozess entbindert und gesintert werden.
Durch diesen Prozess wird das Photopolymer, welches als Binder fungierte, entfernt und die Glaspartikel gehen eine feste Verbindung (auch Sintern genannt) ein.
Die Missouri University of Science and Technology verfolgt einen anderen technischen Ansatz, der an die etablierten Verfahren des „Schweißens mit Zusatzdraht“ und des „Laserauftragsschweißens mit Draht“ angelehnt ist.
Dabei kommen Glasstäbe als Filament zum Einsatz, welche mit Hilfe eines CO₂-Lasers aufgeschmolzen werden.
Durch das Verfahren einer Bauplattform in x-y-z-Richtung und das gleichzeitige durchgehende Auflegen / Auftragen des aufgeschmolzenen Glasstabes entsteht ein dreidimensionaler Körper auf der Bauplattform (technischer Ansatz des Laserzentrums Hannover).
Das Lawrence Livermore National Laboratory verwendet für den 3D-Glasdruck das „Direct Ink Writing“.
Hierzu wird eine Suspension aus pyrogener Kieselsäure und Tetraethylenglycoldimethylether durch eine Düse schichtweise auf die Bauplattform extrudiert.
Durch einen anschließenden Verdichtungs- und Sinterprozess können annähernd transparente und dichte Glasbauteile generiert werden.
Ein Materialextrusionsdrucker für optisch transparente Gläser hat das Massachusetts Institut of Technology (MIT) entwickelt.
Das Extrudat liegt dabei als Glasschmelze in einem Schmelzofen vor. Dieser Schmelzofen ist oberhalb des Bearbeitungsraums angeordnet und die Schmelze wird unter Druckbeaufschlagung aus dem Schmelzofen durch eine beheizte Düse als Glasstrang auf die Bauplattform schichtweise extrudiert.
Die Prozesskammer weist dabei eine Bearbeitungstemperatur von ca. 550°C auf.
Wenn der Bauprozess abgeschlossen ist, wird die Prozesskammer langsam abgekühlt, um spannungsbedingten Glasbruch zu vermeiden. Bedingt durch den Aufbau am MIT können mit dieser technischen Lösung lediglich minimale Schichtstärken von 4 mm generiert werden, so dass durch diesen sehr geringen Detailierungsgrad der Objekte lediglich Kunstgegenstände hergestellt werden können.
Die Firma Micron 3D hat einen zum Aufbau am MIT analogen Geräteaufbau.
Durch spezielle Anpassungen des Düsendesigns können bei dieser technischen Lösung Schichtstärken von 100 µm erreicht werden, wobei typische Extrusionsmaterialien Borosilikatglas oder Kalk-Natron-Glas sind.
Bei diesen Extrusionsverfahren für Glas ist von Nachteil, dass ein Schmelzofen zum Aufschmelzen des Extrudats benötigt wird.
Dieser Schritt des Aufschmelzens ist sehr Energie- und Zeit-aufwendig und daher sehr kostenintensiv.
Zum einen muss der Ofen thermisch stabil ausgelegt werden, was besonders kritisch bei hochschmelzenden Glasarten ist.
Zum anderen muss der Schmelzofen thermisch vom eigentlichen Bearbeitungsraum entkoppelt sein, um Temperaturgradienten (welche zu unerwünschten Verspannungen und damit verminderter mechanischer Stabilität des extrudierten Bauteils führen) und damit einhergehende Prozessschwankungen zu vermeiden.
Um dreidimensionale Bauteile generieren zu können, wird der gesamte massive Schmelzofen in x-y-Richtungen verfahren, was ebenfalls von Nachteil ist. (Eine z-Achse ist in der Prozesskammer integriert.)
Nachteilig ist auch, dass durch die Bearbeitungstemperaturen von ca. 550°C in der Prozesskammer und über 1000°C im Schmelzofen die Bewegungseinheiten für extreme Bedingungen ausgelegt sein müssen, was mit gewissen Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden ist.
Hinzu kommt, dass das Extrusionsvolumen dabei abhängig vom Fassungsvermögen des Schmelzofens ist, was ebenfalls nachteilig ist. Wird neues Glasmaterial für den Prozess benötigt, muss der Ofendeckel abgenommen und Glasschmelze in den Schmelzofen positioniert werden. Diese diskontinuierliche Zuführung geschieht unter höchsten Sicherheitsmaßnahmen und mit Equipment aus der Glasgießerei, was einen weiteren Nachteil darstellt.
Ebenso bedeutet dieser Prozessschritt, dass geschmolzenes Glas in einen separierten Ofen für den Prozess bereitstehen muss, was wiederum den Aufwand und die Kosten des gesamten Extrusionsverfahrens erhöht.
Additive Fertigungsverfahren zur Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas sind jedoch eine vielversprechende Ergänzung bereits etablierter Produktionsverfahren und haben aufgrund ihrer hohen Flexibilität sowie der „werkzeuglosen“ Fertigung eine große Bedeutung für die individualisierte Produktion, so dass es von großem Interesse ist, diese Verfahren weiter zu verbessern.
Dabei ist die direkte additive Erzeugung von Komponenten aus Glas jedoch bislang kaum etabliert. Erste Ansätze beruhen auf Pulverbettmethoden, wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) oder dem selektiven Lasersintern (SLS). Stereolithographische Methoden (SLA) mit pulvergefüllten Bindersystemen wurden bereits erfolgreich getestet, befinden sich jedoch derzeit noch im Versuchsstadium.
Bekannte Extrusionsmethoden fokussieren derzeit die Verarbeitung von niedrigschmelzenden Glassystemen unter der Verwendung von Extrusionsmasken, u.a. zur Herstellung komplexer Preformen.
Aus der WO 2019/079 704 A1 ist bspw. ein Verfahren bekannt, bei dem Bulk-Metallgläser mit Hilfe eines Lasers behandelt werden.
Ummantelte Glasfasern oder Glasstränge können jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2019/079 704 A1 für die Glasextrusion bei 3D- Drucktechniken eingesetzt werden.
WO 2015/065 936 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem durch das Schmelzen von Quarzglasfasern mittels einer CO₂- Laserquelle eine additive Fertigung von Quarzglas möglich ist. Bei diesem Verfahren fokussieren kombinierte Laserköpfe die Laserstrahlung auf die Glasfaser, um diese zu schmelzen, wobei ein drei-Achsen-System verwendet wird, um die Druckfläche und das Glassubstrat zu bewegen.
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasstränge kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2015/065 936 A1 ermöglicht werden.
WO 2015/120 430 A1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von verglasten dreidimensionalen Quarzglasformteilen, u.a. basierend auf der Methode des selektiven Laserstrahlsinterns mit materialspezifischen Scan- und Parameterkonzepten.
Die Verwendung von synthetischen und natürlichen Kieselglaspulvern ermöglicht dabei eine additive Herstellung durch selektives Hochtemperatur-Lasersintern (HT-SLS).
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasstränge kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2015/120 430 A1 ermöglicht werden.
WO 2015/077 262 A1 offenbart den 3D-Druck von Glas durch das SLE-(Selective Laser Etching)- Verfahren. Dieses Verfahren ist ein zweistufiger, subtraktiver 3D-Prozess.
In einem ersten Schritt wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung fokussiert. Dies geschieht auf ein mikrometerkleines Volumen im Inneren von transparenten Materialien. Dabei wird ausschließlich im Fokus die Laserstrahlung durch Mehrphotonenprozesse absorbiert. Das Material erhitzt sich kurzzeitig und stark, kühlt anschließend schnell ab und verändert sich lokal sowie dauerhaft. Dabei treten keine Mikrorisse auf. Für den zweiten Prozessschritt wird das belichtete Werkstück der Laserbelichtungsanlage entnommen und in einem nasschemischen Ätzbad entwickelt. Das lasermodifizierte Glas wird dabei sehr selektiv aufgelöst, wobei dieser Ätzprozess außen startet und sich dann entlang der Modifizierung in das Innere vorarbeitet, um die Innenstrukturen zu erzeugen.
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasstränge kann jedoch durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2015/077 262 A1 nicht ermöglicht werden.
WO 2016/198 148 A1 offenbart die Herstellung von 3D-gedruckten Komponenten mit ultraschallgesteuerter mikroskaliger Struktur, wobei eine in-situ- Manipulation der diskontinuierlichen Faserstruktur während des Druckvorgangs innerhalb einer 3D- gedruckten Polymerverbundarchitektur erfolgt, was eine neuartige Methode zur sofortigen Ausrichtung von Glasfasern im Mikromaßstab in einem selektiv gehärteten photohärtbaren Harzsystem darstellt.
Dabei werden Ultraschallkräfte verwendet, um die Fasern in der gewünschten 3D-Architektur auszurichten. Um dies zu erreichen, wird ein schaltbares, fokussiertes Lasermodul auf einem Träger eines dreiachsigen 3D-Drucktisches über einem Ultraschall-Ausrichtgerät montiert, das eine Mischung aus photohärtbarem Harz und diskontinuierlicher Glasfaserverstärkung mit 14 µm Durchmesser (50 µm Länge) enthält.
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasstränge kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2016/198 148 A1 ermöglicht werden.
Zum Thema 3D- Druck von Glas offenbart die US 2017/0283297 A1 ein Verfahren zum 3D- Drucken von Objekten / Bauteilen, bei dem Materialien von Wänden durch mehrere Druckköpfe abgeschieden werden, während die Druckköpfe entlang der 3D- Koordinaten der Wände bewegt werden, wobei die Vorgänge des Einfüllens des Materials in die Druckköpfe, des Schmelzens des Materials in den Druckköpfen und des dosierten Zuführens des geschmolzenen Materials durch jeweils eine Öffnung in den Druckköpfen gleichzeitig ausgeführt werden, während die Druckköpfe entlang der 3D- Koordinaten bewegt werden, so dass das Objekt / Bauteil aufgebaut wird.
US 2017/0283297 A1 offenbart darüber hinaus eine Vorrichtung zum 3D- Drucken von Objekten / Bauteilen, die einen Druckkopf und den Mechanismus zur 3D- Positionierung des Druckkopfes enthält, wobei ein Glasschmelzofen als Druckkopf und eine Ausrichtungsvorrichtung zum Ausrichten einer Ebene der Wand verwendet werden, die so angeordnet ist, dass die Bildung der Ebene der Wand (2D oder 3D) ermöglicht wird, nachdem das Material durch eine Öffnung im Druckkopf abgeschieden (=extrudiert) wurde.
Dieses Verfahren zum Druck von Wänden und Strukturen aus Glas soll gemäß der US 2017/0283297 A1 für die Bauwirtschaft von besonderem Interesse sein, denn Glas ist im Gegensatz zu Beton leichter und detailgenauer zu verarbeiten. Mehrschichtige Glaswände sollen dabei optional mit Wärmeleitfähigkeiten, Farben und Lichtreflexionen ausgestattet werden.
Da Glas resistent gegen Keime und fast wartungsfrei ist, sollen die Wände und Strukturen aus 3-D-gedrucktem Glas für Kühleinrichtungen und Krankenhäuser einsetzbar sein.
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasstränge zum 3D- Druck von Glas kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der US 2017/0283297 A1 ermöglicht werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Glasextrusionsanordnung und ein Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas anzugeben, welche die zuvor stehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasfaserstränge mit dem Ziel der additiven Erzeugung hochqualitativer 3- dimensionaler Glaskomponenten ermöglicht, wobei als Glasfasermaterial sowohl niedrigschmelzende Glassysteme (Tg<< 1000°C) als auch höherschmelzende Glassysteme (Tg>> 1000°C, wie bspw. reine oder modifizierte Kieselgläser) zum Einsatz kommen können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des 1. und der 6. Patentanspruchs gelöst.
Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein einstufiges, kontinuierliches Verfahren vermittels einer Glasextrusionsanordnung die direkte Herstellung kompakter, 3- dimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas mittels einer kontinuierlich zugeführten, kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten Glasfaser ermöglicht.
Als Fasermaterial können dabei niedrigschmelzende Glassysteme (Tg << 1000°C, bspw. Fasern zur Bildübertragung, wie z.B. oxidische Kron- oder Flintgläser) sowie auch höherschmelzende Systeme (Tg>> 1000°C, bspw. aus unterschiedlich modifiziertem Kieselglas, wie z.B. photonische Kristallfasern) verarbeitet werden.
Das Verfahren beruht technologisch auf einer Glasextrusionsanordnung, die sich aus mehreren, individuell ansteuerbaren Teilsystemen zusammensetzt. Erst die Kombination dieser Teilsysteme und deren simultaner Betrieb mit präzise gesteuerten Parametern ermöglicht das genannte Verfahren.
Die Glasextrusionsanordnung umfasst die folgenden Teilsysteme:

- ein Umfangsspiegelsystem, welches gemäß der technischen Lehre der DE 10 2009 021 448 B3 ausgeführt ist,
- eine schaltbare, beheizbare Düse, welche gemäß der technischen Lehre der DE 10 2016 125 166 A1 ausgeführt ist und welche einer Trägerplatte / Plattform räumlich zugeordnet ist, wobei diese beiden Elemente zueinander in 3 Achsen (X-, Y- und Z-Achse) positionierbar sind, und
- ein Transportsystem.

Die schaltbare, beheizbare Düse ist gegenüber der Trägerplatte / Plattform, auf der das Bauteil aus Glas aufgebaut wird, in x-, y-, und z-Richtung bewegbar.
Alternativ dazu kann aber auch die Trägerplatte /Plattform gegenüber der Düse in den Richtungen x, y und z bewegbar sein oder es besteht auch die weitere alternative Möglichkeit, dass sowohl die Düse als auch die Trägerplatte / Plattform bewegbar sind, um zueinander in x-, y-, und z-Richtung verstellbar zu sein.
Das Ausgangsmaterial wird der schaltbaren, beheizbaren Düse vermittels des Transportsystems durch das Umfangsspiegelsystem hindurch in Form einer kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten Glasfaser kontinuierlich zugeführt, wobei durch das Umfangsspiegelsystem (CO₂- oder andere Laser strahlen dabei zur Erwärmung ein, alternativ dazu auch Flammenbasierte und mechanische Erwärmung möglich) eine Vorwärmung der Glasfaser und ein vollständiges Entfernen der gegebenenfalls vorhandenen Ummantelung von der Glasfaser erfolgt und in der Düse (mit der Funktion einer Extrusionseinheit) das endgültige Aufwärmen der Glasfaser auf ihren Erweichungsbereich erfolgt, so dass ein fließfähiges Fluid aus Glas über die Austrittsöffnung der bewegbaren, heizbaren Düse abgegeben wird.
Zum Zweck der Erwärmung der Düse ist mindestens ein geregelter Laser zum Heizen vorgesehen, wobei ein Thermoelement die Heiztemperatur bei der Erwärmung überwacht, damit die von der Laserstrahlung erwärmte Glasfaser oberhalb ihres Erweichungspunktes als fließfähiges Fluid in der Düse vorliegt.
Die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases wird dabei über den Vorschub der Glasfaser durch das Transportsystem mit regelbaren Vorschubmotoren gesteuert. Je kleiner der Durchmesser der verwendeten Glasfaser ist, desto genauer kann die Volumen-Strömungsgeschwindigkeit der Abgabe des fluiden Glases gesteuert werden.
Eine genaue Steuerung der Temperatur, auf welche die Glasfaser in der schaltbaren Düse im Erweichungsbereich erwärmt wird, unterstützt außerdem das Regeln der Strömung des abgegebenen fluiden Glases.
Das Umfangsspiegelsystem gemäß der DE 10 2009 021 448 B3 umfasst dabei mindestens einen geregelten Laser (bspw. CO₂-Laser) sowie einen Umfangsspiegel mit einer Umfangsspiegelsystemachse und ein optisches System, welches ein Strahlenbündel von Laserlicht senkrecht zur Umfangsspiegelsystemachse so in den Umfangsspiegel einkoppelt, dass es nach mehrfachen Reflexionen auf der zu behandelnden Glasfaser auftrifft, deren Achse in gleicher Richtung innerhalb des Umfangsspiegels verläuft wie die Umfangsspiegelsystemachse.
Betrieben wird diese Teilsystem der Glasextrusionsanordnung (in Form des Umfangsspiegelsystems), indem das Laserstrahlenbündel über eine vorgegebene Bearbeitungszeit in den Umfangsspiegel eingekoppelt wird, wobei die Glasfaser, der Umfangsspiegel und / oder das optische System zueinander in relativer Ruhe gehalten oder bewegt werden.
Die schaltbare, beheizbare Düse als Teilsystem der Glasextrusionsanordnung ist an sich schon bekannt aus einer Vorrichtung gemäß der technischen Lehre der DE 10 2016 125 166 A1 zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes aus einem durch Abkühlung verfestigbaren Material mit einer temperaturabhängigen Viskosität, beinhaltend eine beheizbare Plattform als Träger, auf dem das dreidimensionale Objekt / Bauteil schichtweise hergestellt wird, und eine Düse mit einer Düsenöffnung zur Extrusion der geschmolzenen Glasfaser (Fluid), wobei beheizbare Plattform und die schaltbare, beheizbare Düse zueinander dreidimensional im Raum in x-, y- und z-Richtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegbar sind.
In der Glasextrusionsanordnung sind die Temperatur des Fluides sowie deren Viskosität durch die laserbeheizte Düse vorgebbar, wobei durch die energetische Strahlung, bspw. CO₂-Laserstrahlung oder andere Laserstrahlung, ein steuerbarer Energieeintrag mit einer vorgegebenen Strahlungsintensität über eine vorgegebene Emissionszeit in die Düse erfolgt und diese bei gleichzeitig gesteuertem Ausstoß des Fluides erhitzt, indem ein Teilvolumen des Fluides in der Düse auf eine gegenüber der vorgegebenen Temperatur erhöhte Durchlasstemperatur aufgeheizt wird, bei der die Viskosität des Teilvolumens so gering ist, dass das Teilvolumen, beaufschlagt mit einem vorgebbaren Druck die Düsenöffnung passiert.
Hierzu wird der Düse in der Glasextrusionsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine kommerziell erhältliche, bereits durch das Umfangsspiegelsystem vorgewärmte und von ihrer ggf. vorhandenen Ummantelung befreite Glasfaser zugeführt.
Der eigentliche Schmelzprozess findet in der schaltbaren, erwärmbaren Düse (Faserextrusionseinheit) statt. Hierfür werden vorteilhaft mehrere Laserquellen um diese angeordnet. Durch die energetische Bestrahlung der Düse wird diese erwärmt und damit einhergehend das zu extrudierende Glas der vorgewärmten Glasfaser geschmolzen.
Wichtig und wesentlich ist dabei, dass das Vorwärmen der Glasfaser und das Entfernen der ggf. vorhanden Ummantelung der Glasfaser durch das Umfangsspiegelsystem in der Glasextrusionsanordnung vor dem Eintritt in die geschaltete Düse, wie zuvor stehend bereits beschrieben, erfolgt, indem in diesem Spiegelsystem eine energetische Strahlung, bspw. eine Laserstrahlung eingekoppelt wird und durch Mehrfachreflexion an dem hoch reflektierenden Material im Inneren eine Homogenisierung der Strahlung stattfindet, wodurch es möglich ist, die Glasfaser umfänglich mit dem Strahlbündel zu bestrahlen und damit einhergehend zu erwärmen.
Durch das schnelle Schalten des Lasers und der damit verbundenen Dosierung der Energieeinkopplung in die schaltbare, erwärmbare Düse kann durch die letzte Temperaturerhöhung für die Extrusion die Viskosität des Materials im Erweichungsbereich definiert eingestellt werden.
Die Strahlführung von der Energiequelle / den Energiequellen zum Einkopplungspunkt beim Umfangsspiegel und bei der schaltbaren Düse kann auf verschiedenen Wegen realisiert werden.
Mit Hilfe von optischen Bauelementen (Kollimations- und Fokussieroptiken) kann der Energiestrahl an die gewünschte Position geführt werden. In Abhängigkeit der Strahlparameter in Kombination mit optischen Bauteilen kann der Fokusdurchmesser und damit einhergehend die Intensität festgelegt werden.
Durch Laserleistungsregelung und Variation des Abstandes zwischen Ausgangsmaterial und Energiequelle / optischen Komponenten bzw. zwischen Energiequelle und optischen Komponenten kann der Fokusdurchmesser und damit die Intensität variiert und eingestellt werden. Dadurch kann definiert werden, welches Volumen aufgeschmolzen wird und für den Bauprozess (3D-Druck) zur Verfügung stehen soll.
Allein durch diese technischen Maßnahmen kann eine sehr flexible Fertigung, welche bis dato bei den Rapid- Technologien nicht gegeben ist, generiert werden.
Bei den additiven Verfahren ist es notwendig, das zu erstellende Bauteil in verfahrensabhängige Einzelschicht- Filamentabschnitte einzuteilen. Durch die zur Verfügung gestellte neue technische Lösung in Form der Glasextrusionsanordnung und des Glasextrusionsverfahrens ist es nun möglich, jede einzelne Schicht Bauteil- und Geometrie- abhängig zu variieren.
Ebene Flächen können mit einem hohen Volumen aufgetragen werden, weil hier der Treppenstufenaspekt nicht zum Tragen kommt.
Sobald die Geometrie dreidimensionale Konturen annimmt, ist die Slice-Schichthöhe entscheidend für die Abmaße der Treppenstufengeometrie und bestimmt damit erheblich die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte.
Durch Variation des Volumens kann mit Hilfe der vorliegenden neuen technischen Lösung jede Schicht- Kantenstruktur in Abhängigkeit der geforderten Spezifikationen eingestellt und gefertigt werden.
Ebenfalls kann durch die Variation der Laserwellenlänge und das Fokussieren des Belichtungsfleckes der Laserstrahlung auf verschiedene Ausgangsmaterialien reagiert werden. - Jedes Material besitzt einen Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit der verwendeten Wellenlänge und unabhängig vom Fokus. Dieser Koeffizient gibt an, wieviel Energie bezogen auf die Ausgangsleistung vom Material aufgenommen werden kann. Diese aufgenommene Energie wird in Wärme umgewandelt und erhitzt das Material bis zur nötigen Bearbeitungstemperatur. Dadurch ist es möglich ohne großen Aufwand zwischen Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturgläsern zu wechseln.
Die schaltbare, erwärmbare Düse kann Bestandteil einer Extrusionseinheit sein, die als Einfach- oder Mehrfachkammersystem ausgelegt sein kann. An jeder dieser Kammern ist dann mindestens eine schaltbare, erwärmbare Düse angeordnet.
Durch jede Düse jeder der einzelnen Prozesskammern kann dabei eine Glasfaser mit einem anderen Ausgangsmaterial oder eine Glasfaser mit dem gleichen Ausgangsmaterial aber mit unterschiedlichen Dotierungseigenschaften aufgeschmolzen werden.
Dadurch ist es zum einen möglich, Gradientenwerkstücke herzustellen, welche nicht nur aus zwei Komponenten bestehen. Daraus können neuartige Gestaltungsmöglichkeiten und -grundlagen für dreidimensionale Bauteile generiert und abgeleitet werden. Dadurch, dass jede Kammer individuell befüllt werden kann, können auch Composite-Strukturen gefertigt werden.
Ebenso besteht zum anderen die Möglichkeit, kontinuierliche Materialkomponentenverläufe und demzufolge Eigenschaftsverläufe genau zu definieren.
Je nach Zu- und Abschalten der Laserquellen für die einzelnen Kammern können stufenförmige oder graduierte Übergänge generiert werden.
Durch die kompakte Bauweise der einzelnen Prozesskammern mit je einer schaltbaren, beheizbaren Düse inklusive der jeweiligen Laserquelle können eine Vielzahl von Kammersystemen zu einem Komplettsystem zusammengefasst werden. Dadurch besteht keine Limitierung hinsichtlich unterschiedlicher Materialkombinationen.
Des Weiteren kann dabei über die Verfahrkinematik der schaltbaren beheizbaren Düse oder der heizbaren Trägerplatte ebenfalls Volumen und Querschnitt definiert werden.
Bei dieser Vorgehensweise hängt die Bearbeitungsgeschwindigkeit (wie aus dem Stand der Technik bekannt) von der Heizleistung und der Materialzuführung ab. Bei der Glasextrusionsanordnung und dem Glasextrusionsverfahren muss neues Glas der Glasfaser durch das Umfangspiegelsystem und die nachfolgende schaltbare Düse thermisch in den Zustand plastischer Verform- und Fließfähigkeit überführt werden und kann erst danach auf die heizbare Trägerplatte aufgebracht werden. Die notwendige Zeitspanne dafür bestimmt die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Neben der Heizleistung spielt auch die Abkühlung eine Rolle, welche als ein spontaner Prozess aufgefasst wird. Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch, den Abkühlprozess (bspw. durch Ausblasen oder Luftkühlung) zu stimulieren, um die Bearbeitungszeit und die Strukturgenauigkeit zu verbessern.
Bei den derzeit bekannten Anordnungen und Verfahren ist, im Gegensatz zur Glasextrusionsanordnung und dem Glasextrusionsverfahren, eine schnelle Anpassung der Heizleistung nicht möglich, da die Peripherie und die verwendeten Bauteile dafür nicht ausgelegt sind.
Durch die Möglichkeit des schnellen Ein- und Ausschaltens der schaltbaren, erwärmbaren Düse mittels der Laserstrahlquellen (dadurch ist ein Wechsel zwischen Aufheiz- und Abkühlphase sehr schnell möglich) sowie der zeitnahen Regelung der ihr zugeführten Energie, können höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten für das erfindungsgemäße Glasextrusionsverfahren erreicht werden, was ein sehr großer Vorteil gegenüber den bisher bekannten Verfahren ist.
Ebenso können zeitnah benötigte Prozesstemperaturen eingestellt werden. Der gesamte Bauprozess kann dadurch im Vergleich zu konventionellen Verfahren effizienter und effektiver gestaltet werden.
Als Ausgangsmaterial für das Glasextrusionsverfahren für den 3D-Druck von Glas dienen kommerziell erwerbliche Glasfasern, welche bspw. in der Faseroptik oder Telekommunikation eingesetzt werden. Diese Fasern existieren in verschiedensten Variationen (Größe, Länge, Material) auf den Markt. Die Glasfasern können bis zu einer Länge von mehreren Kilometern gewickelt bestellt werden. Durch diesen nahezu endlosen Vorrat an Ausgangsmaterial kann der 3D- Druckprozess von Glas ohne Unterbrechungen vollzogen werden. Ein aufwendiges Nachfüllen, wie bei einem Schmelzofen, ist nicht mehr notwendig.
Standardglasfasern haben einen Durchmesser von typischerweise 125 µm. Durch diese kleinen Dimensionen können sehr hohe Detailgenauigkeiten beim Extrudieren entstehen. Optische Elemente wie bspw. Linsen könnten dadurch konturtreu aufgebaut werden.
Dabei ist zu bedenken, dass 1 Kilometer Standardfaser mit 125 µm Durchmesser nur für einen Formkörper von 12,27 cm³ Volumen ausreicht.
Für höhere Volumenraten, bspw. für große Bauteile, sehen auch dickere Glasfasern (bspw. 300 µm) zur Verfügung.
Handelsübliche Glasfasern weisen einen Schutzmantel aus Kunststoff auf. Je nach Anwendungsort / Verlegungsort weist dieser Kunststoffüberzug gewisse Eigenschaften auf.
Dieser Kunststoffmantel würde den Druckprozess stören. Aus diesem Grund wird ein Entfernung des Kunststoffmantels vermittels des Umfangspiegelsystems dem eigentlichen 3D- Druckprozess vorgeschaltet, bei welcher der Kunststoffmantel durch gezielte Energieeinbringung abgetragen wird, wobei vorteilhaft die Glasfaser auch gleichzeitig vorgewärmt wird.
Als Ergebnis dieser Umfangspiegelsystemvorbehandlung entsteht eine gesäuberte und gleichzeitig für die schaltbare Düse vorgewärmte Glasfaser, welche für das Glasextrusionsverfahren zum 3D-Druck von Glas eingesetzt wird.
In Abhängigkeit des Mantelmaterials können für das Glasextrusionsverfahren verschiedenste Lasertypen eingesetzt werden. Grundvoraussetzung ist die Absorption der Wellenlänge im Kunststoffmantel.
Ebenso können für das Glasextrusionsverfahren auch speziell hergestellte Glasfasern direkt aus dem Faserziehturm verwendet werden. Hier können verschiedenste Materialvariationen eingestellt werden.
Durch diese Materialvielfalt an einsetzbaren Glasfasern und durch die schnelle sowie flexible Ansteuerung der schaltbaren Düse mittels Laserstrahlung für die eigentliche Extrusion des Glases kann somit ein breites Portfolio an druckbaren Gläsern mit der Glasextrusionsanordnung und dem Glasextrusionsverfahren erzielt werden.
Um das Glasextrusionsverfahren an die jeweilige Anforderung anzupassen, müssen bestimmte Parameter überwacht und geregelt werden.
So müssen über eine Abstandsregelung (zwischen Dosierelement und Aufbauplattform) die Laserenergie und die Taktfrequenz der Laserstrahlquellen einstellbar sein. Umso größer der Abstand zwischen Plattform und Austrittsdüse desto mehr Volumen muss aufgeschmolzen werde.
Der Abstandssensor übermittelt dabei einen Wert an die Steuer- und Regeleinheit, welche die Laserquellen (Energie, Taktzeit) regeln.
Ebenso ist eine Kommunikation zwischen der Verfahrkinematik und Lasersystem erforderlich.
Auch hier müssen Energie und Taktzeit der Vorschubbewegung angepasst sein. Werden Bauteile aus Gradientenmaterial und / oder Materialkombinationen gefordert müssen die einzelnen Laserquellen (pro Kammer) so geschaltet werden, dass keine Fehlstellen oder andere Artefakte entstehen.
Eine aktive Temperaturüberwachung am Plastifizierungsort kontrolliert den Energieeintrag in das Ausgangsmaterial. Dadurch können Schwankungen im System detektiert und ausgeglichen werden. Eine definierte Kühlung ist dabei bspw. durch eine Flow-Controllergesteuerte Anblaskühlung realisierbar
Des Weiteren kann die Laserleistung effizient eingestellt werden, so dass ein optimales Aufschmelzen des gewünschten Volumens erfolgt. Ebenso können Wärmeableitungen in das Haltesystem überwacht werden und gegebenenfalls minimiert werden.
Für die Entfernung der Ummantelung einer Glasfaser im Umfangspiegelsystem kann ebenfalls eine Kontroll-Detektionseinheit, bspw. Durchmesserkontrolle, in den Aufbau integriert werden. So kann eine Aussage über das Entfernen der Mantelschicht generiert werden.
Der Vorteil dieser technischen Lösung in Form der Glasextrusionsanordnung und des Glasextrusionsverfahrens besteht darin, dass sie ausgehend von verschiedensten Glasfasern vielseitig zum 3D-Drucken von Glas auf Grund des gezielten Zusammenwirkens von Umfangspiegelsystem und schaltbarer Düse einsetzbar sind.
Konkret können folgende Fasersysteme verarbeitet werden:

a) undotiertes Quarzglas Vorteil: keine Abdampfreaktionen beim Aufschmelzen / Aufschweißen, sehr kleiner TEC, hohe Temperaturwechselbeständigkeit Nachteil: hohe Temperatur, aber durch geringe Masse in Folge des Faserdurchmessers kein Problem
b) dotierte Quarzglasfaser Vorteil: geringere Aufschmelztemperatur, kleiner mittlerer TE; Gläser höherer Brechzahl Nachteil: unkontrollierte Dotandenabdampfung, Blasen (z.B. GeO, P₄O₁₀, B₂O₃, etc.) Dotand Al₂O₃ (oder Kombination Al₂O₃-TiO₂ Dotierung) -> hier gibt es keine abdampfgefährdenden Effekte durch Al₂O₃ oder TiO₂.
c) Softglas (Fasern zur Bildübertragung, Kron-/Flintglas) Vorteil: sehr niedrige Aufschmelztemperatur Nachteil: hoher TEC, niedrigere Temperaturwechselbeständigkeit, geringere Festigkeit im Vergleich zu a)

Ein weiterer Vorteil der Glasextrusionsanordnung und des Glasextrusionsverfahrens besteht darin, dass die Entwicklung und der Einsatz von Spezialfasern und - dotierungen in Form von „Druckfasern“, die auf den jeweiligen Druckprozess angepasst sind, möglich ist, welche direkt aus einem Faserziehturm entnommen in die Anordnung eingeführt und dort mit dem Verfahren bearbeitet werden können die.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung,
2: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts der Glasextrusionsanordnung gemäß 1 mit einem Umfangsspiegelsystem, einem ein Transportsystem und einer schaltbaren, beheizbaren Düse, welche einer Trägerplatte räumlich zugeordnet ist,
3: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit zwei schaltbaren Düsen,
4: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit einer schaltbaren Düse zum direkten Schmelzen einer nicht ummantelten Glasfaser,
5: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit einer schaltbaren Düse zum indirekten Schmelzen eines vorgewärmten Glasvolumens, dem eine nicht ummantelte Glasfaser zugeführt wird,
6a - 6h: beispielhafte Querschnittsdarstellungen verschiedener nicht ummantelter oder ummantelter Gasfasern,
7: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit der schaltbaren Düse gemäß 4 mit online- Überwachung und
8a,b): zwei beispielhafte Querschnittsdarstellungen von Bauteilen mit Stützstruktur in Form eines Axikons (a) und eines konkaven Lochspiegels (b)

Erstes Ausführungsbeispiel
Aufbau der Glasextrusionsanordnung sowie direkte Extrusion (3D-Glasdruck) für die Herstellung eines kompakten, dreidimensionalen sowie geometrisch definierten Bauteils (9) in Form einer Preform für eine strukturierte optische Spezialfaser (bspw. einer photonischen Kristallfaser) aus einer ummantelten 125 µm Standardglasfaser (7) aus undotiertem oder Al-dotierten SiO₂ unter Verwendung der Glasextrusionsanordnung
Die in den 1 und 2 dargestellte Glasextrusionsanordnung zur direkten Extrusion einer ummantelten Glasfaser (7) für die Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge oder Bauteile (9) aus umfasst:

- eine Materialzuführeinheit (1) als Materialreservat und Vorerwärmungseinheit zur Erwärmung der ummantelten Glasfaser (7) durch induktive Heizung oder IR-Strahlung,
- ein Transportsystem (2) als unterbrechungsfreien Materialzuführung zur kontinuierlichen Zuführung einer ummantelten Glasfaser (7), im Ausführungsbeispiel eine 125 µm Standardglasfaser (SiO₂-Faser mit Al-Dotierung zwischen 0 und 20 mol% Al₂O₃, wobei die Aufschmelztemperatur bei undotiertem SiO₂ bei ca. 1750°C liegt und sich pro Mol% Al₂O₃ um etwa 60K reduziert), welche kontinuierlich von einer Trommel innerhalb der Materialzuführeinheit (1) abgespult wird,
- ein Umfangsspiegelsystem (3) mit einem Laser (61), im Beispiel ein CO₂- Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 µm, und einem Umfangspiegel (62) als Entmantelungs- und Vorwärmsystemsystem, durch welches mit dem aus der Materialzuführeinheit (1) vermittels des Transportsystems (2) kontinuierlich eine ummantelte Glasfaser (7) hindurchgeführt / -bewegt wird und dabei radial bestrahlt wird, wobei ein so ausreichend hoher Energieeintrag erfolgt, dass bei einer Temperatur von ca. 400 bis 600°C die organische Ummantelung (Schichtdicke im Bereich von weniger als 100 nm) vollständig von der Glasfaser (8) entfernt wird,
- eine schaltbare Düse (4) für den 3D- Glasdruck, im Ausführungsbeispiel bestehend aus Molybdän), welche indirekt über ein optisches System in Form von Linsen bspw. über zwei Laser (63) im Beispiel ein CO₂-Laserstrahlung (mit einer Strahlleistung im Kilowattbereich) erhitzt wird (siehe 2) und mit welcher die gewünschten Temperatur für den Übergang der Glasfaser (8) in fluides Glas (91) gezielt bei T > 1000°C eingestellt wird und dabei der Materialfluss ein- und ausgeschaltet werden kann, wobei sich die Düse (4) in unmittelbarer Nähe einer beheizbaren Plattform (42) befindet und über ihre Austrittsöffnung (41) das fluide Glas (91) ausbringt und auf der Plattform (42) zwei- oder dreidimensional ablegt (mit einer Dicke im Bereich von 100 µm bis mehrere 100 µm [- jeweils in Abhängigkeit von dem Materialfluss, welcher durch die individuell wählbare Laserleistung eingestellt wird, und der festgelegten Verfahrgeschwindigkeit], währenddessen die Düse (4) und die Plattform (42) relativ zueinander in x-, y- und z- Richtung in vorgebbarer Weise zueinander mit der Verfahrgeschwindigkeit bewegt werden, damit das entsprechende 3D- Bauteil (9) wie vorgesehen entstehen kann, und
- ein Mess- und Regelsystem mit Temperatur- und Bewegungssensoren sowie computerbasierter Steuer- und Regeltechnik verbunden mit den Lasern (61, 63), der Materialzuführeinheit (1) und dem Transportsystem (2), um eine konstanten Zuführung der Glasfaser (7, 8) in die Düse (4) und eine Überwachung sowie Einstellung der erforderlichen Temperatur(en) für einen konstanten Austrag von flüssigem Glas (91) aus der Austrittsöffnung (41) der schaltbaren Düse (4) zu gewährleisten.

Die schaltbare Düse (4) ist dabei in einer, die beheizbare Plattform (42) umgebende Prozesskammer (5) angeordnet, wobei die Plattform (42) in 3 Achsen (X, Y und Z) durch eine Bewegungseinheit positionierbar ist. Im Rahmen der Erfindung liegt dabei aber auch, dass die Plattform (42) in 5- Achsen durch eine Bewegungseinheit positionierbar ist (in den Figuren nicht dargestellt).
Des Weiteren kann ein Gas-Fluss-Controller vorgesehen sein (in der Figur ebenfalls nicht dargestellt), der gesteuert Kühlluft auf die beheizbare Plattform (42) leiten kann.
Das Umfangsspiegelsystem (3) ist außerhalb der Prozesskammer (5) angeordnet, wobei die ummantelte, zu extrudierende Glasfaser (7) durch das Transportsystem (2) aus der Materialzuführeinheit (1) durch das Umfangsspiegelsystem (3) hindurch über die Eintrittsöffnung (51) der Prozesskammer (5) in die schaltbare Düse (4) zur Extrusion über die Austrittsöffnung (41) eingeführt wird.
Diese Teilsysteme sind simultan mit präzise gesteuerten Parametern durch eine Steuer- und Regeleinheit ansteuer- und betreibbar, um vermittels der Glasextrusionsanordnung die direkte Herstellung kompakter, 3-dimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile (9) aus Glas mittels einer kontinuierlich zugeführten, kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten (Coating) Glasfaser zu ermöglichen.
Im Umfangsspiegelsystem (3) erfolgt dazu der Einsatz eines oder mehrerer Laser (61), um die ummantelte Glasfaser (7) zu entmanteln (siehe 2), in dem die kontinuierlich zugeführte Glasfaser (7) radial bestrahlt wird und so ein ausreichend hoher Energieeintrag erfolgt, um die Ummantelung der Glasfaser (7) in Form des organischen Coatings (bspw. in Form von Acrylat) vollständig von dieser zu entfernen, um zu einer mantelfreien Glasfaser (8) zu gelangen, die kontinuierlich in die schaltbare, beheizbare Düse (4) zum Schmelzen eingeführt wird .
Zusätzlich und vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass ein Erfassungssystem für den Abtransport der organischen Emissionen sorgt, die bei dieser Entmantelung entstehen (nicht in den 1 und 2 dargestellt).
Die Materialzuführeinheit (1) wird vorteilhaft zur Erwärmung der der Glasfaser (7, 8) durch induktive Heizung oder IR-Strahlung beaufschlagt.
Die eigentliche intensive Vorwärmung der Glasfaser (7, 8) erfolgt jedoch durch das Umfangsspiegelsystem (3).
Die schaltbaren Düse (4) wird, wie in 2 dargestellt, indirekt über Laserstrahlen von mindestens einem Laser (63), im Beispiel von zwei Lasern (63) für CO₂-Laserstrahlung beheizt, so dass die entmantelte Glasfaser (8) in dieser aufgeschmolzen wird. Dadurch dass die Düse (4) vermittels der Laser- generierten Temperierung schnell schaltbar ist, wird die gewünschte Glasviskosität gezielt eingestellt, von Sensoren überwacht und im Regelkreis (in den 1 und 2 nicht dargestellt) ständig auf die gewünschte Temperatur nachreguliert, wobei es darüber hinaus möglich ist, den Materialfluss der zum fluiden Glas (91) aufgeschmolzenen Glasfaser (8) für den 3D-Druck auf der beheizbaren Plattform (42) ein- und auszuschalteten.
Das Transportsystem (2) befördert dabei die 125 µm Standardglasfaser kontinuierlich in das Umfangsspiegelsystem (3) und die entmantelte Glasfaser (8) in die nachfolgende schaltbare Düse (4), damit die noch ummantelte Glasfaser (7) aus der Materialzuführeinheit (1) unterbrechungsfrei zum Ort der Extrusion an der Austrittsöffnung (41) der schaltbare Düse (4) gelangt und immer fluides Glas (91) für den 3D-Glasdruckprozess bereit ist.
Das Mess- und Regelsystem in Form der Kontroll- und Detektionseinheit (in den 1 und 2 nicht dargestellt) dient dabei der Steuerung des gesamten Glasextrusionsverfahrens durch die individuell ansteuerbaren Teilsysteme der Glasextrusionsanordnung für den konstanten Materialein und -austrag vermittels des Transportsystems (2), wobei gleichzeitig eine Temperaturüberwachungseinheit sowie Bewegungs- und Abstandsensoren (in den 1 und 2 nicht dargestellt) eingekoppelt und mit dem Steuer- und Regelsystem (in den 1 und 2 ebenfalls nicht dargestellt) des mindestens einen Lasers (63), [im Ausführungsbeispiel sind es zwei] der schaltbaren Düse (4) und dem Laser (61) des Umfangsspiegelsystems (3) sowie mit der der Materialzuführung (1) verbunden sind, um den gesamten 3D-Druckprozess definiert vorgebbar und kontinuierlich zu gestalten, so dass über das sequenzielle Ablegen von Einzelschichten eine Preform als 3-D-Formkörper [= Bauteil (9) in 1] mit typischen Dimensionen von 20 mm bis 50 mm Höhe bzw. Durchmesser mit vorgebbaren Strukturen entsteht.

Die Abscheidung der Einzelschichten des 3-D-Formkörpers [= Bauteil (9)] erfolgt auf der beheizten Plattform (42), wobei die Vorwärmtemperatur je nach Glassorte individuell ausgewählt wird, um thermisch induzierte Spannungen infolge hoher Kühlraten zu vermeiden. Hierzu wird die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) der jeweiligen Glassorte beachtet, beispielsweise bei der Verwendung von undotiertem oder Al-dotierten SiO₂ wie folgt:

Glassorte	Viskosität (dPas)	Aufschmelztemperatur	Temperaturwechselbeständigkeit	Temperatur der Plattform (42)
SiO₂	10^4	2350 °C	2050 K	300 °C
SiO₂ (5% Al₂O₃)	10^4	2000 °C	2050 K	untemperiert

Der 3-D-Formkörper [= Bauteil (9) in 1] wird anschließend von der Plattform (42) getrennt und bspw. mit Laserpolitur Oberflächengelättet.
Aus dieser Preform ist eine optische Spezialfaser bspw. in Form einer photonischen Kristallfaser mit unterschiedlich großen Hohlräumen (z.B. Bandgap-Faser, antiresonnante Faser, evanescente Sensorfasern mit großen inneren Hohlräumen) in einem angepassten Faserziehprozess herstellbar.
Zweites Ausführungsbeispiel
Direkte Extrusion (3D- Glasdruck) einer ummantelter Glasfaser (7) in der Glasextrusionsanordnung für die Herstellung eines dichten und transparenten optischen Halbzeugs oder optischen Bauteils (9) aus Borosilikatglas
Als Ausgangsmaterial wird in diesem Ausführungsbeispiel eine bereits etablierte ummantelte Glasfaser (7) aus hochschmelzendem Glas verwendet (wobei auch niedrigschmelzende Gläser verwendet werden könnten). Typischerweise liegt der Durchmesser der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Faser (7) bei 250 µm (jedoch ist eine Anpassung der Düsengeometrie und der Extrusionsparameter auch für andere Fasermaße möglich).
Die Glasfaser (7) wird mittels des geregelten Fasertransportsystems (2)
(als Rollencapstan ausgeführt) kontinuierlich von einer Trommel abgespult und der im ersten Ausführungsbeispiel erläuterten Glasextrusionsanordnung mit einer definierten Vorschubgeschwindigkeit zugeführt.
Im Umfangsspiegelsystem (3), erfolgt zunächst das rückstandsfreie Entfernen des Fasercoatings. Dazu wird Laserstrahlung im Umfangsspiegel durch Mehrfachreflexionen homogenisiert und die Glasfaser dadurch umfänglich bestrahlt. Die ummantelte Glasfaser (7) wird dabei auf Temperaturen von ca. 400 - 600°C erhitzt und das Coating wird dadurch rückstandsfrei entfernt. Daneben erfolgt in diesem Schritt ein Vorwärmen des Fasermaterials als Off-set Temperatur für den nachfolgenden Extrusionsschritt.
Die entmantelte und vorgewärmte Glasfaser (8) wird nun der schaltbaren Düse (4) zugeführt. Die Düse (4) wird dabei mittels energetischer Strahlung, in diesem Ausführungsbeispiel CO₂- Laserstrahlung, indirekt beheizt und erwärmt die Faser (8) aus hochschmelzendem Glas, bis es die erforderliche Viskosität erreicht hat. Zum Einsatz kommt dafür ein Laser (63) mit einer Strahlleistung von im mittleren Kilowattbereich die ausreicht, die Faser (8) auf Temperaturen von T > 1000°C zu erwärmen. Über die individuell wählbare Laserleistung kann dabei der Materialfluss variiert bzw. gestoppt werden. In Verbindung mit der Verfahrgeschwindigkeit kann so die Schichtdicke des deponierten fluiden Glases (91) präzise gesteuert und über einen breiten Bereich von D < 100 µm bis mehrere 100 µm variiert werden. Analog dazu kann auch die Strukturbreite des fluiden Glases (91) variiert werden.

Die Abscheidung des fluiden Glases (91) (= Extrudates) erfolgt dabei auf der beheizten Plattform (42), wobei die Vorwärmtemperatur je nach Glassorte individuell ausgewählt wird, um thermisch induzierte Spannungen infolge hoher Kühlraten zu vermeiden. Hierzu wird die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) der jeweiligen Glassorte beachtet, beispielsweise bei der Verwendung von Borosilikatgläsern dieses Ausführungsbeispiels wie folgt:

Glassorte	Viskosität (dPas)	Aufschmelztemperatur	Temperaturwechselbeständigkeit	Temperatur der Plattform (42)
Borosilikatglas	10^4	1270 °C	130 K	1140 °C
Borosilikatglas	10^7,6	820 °C	130 K	690 °C

Über das sequentielle Ablegen von Einzelschichten wird das Bauteil (9) als 3D- Formkörper mit typischen Dimensionen von 20 mm bis 50 mm Durchmesser bzw. Höhe und variabel realisierbaren Strukturen aufgebaut.
Das Bauteil (9) wird anschließend mechanisch von der Plattform (42) getrennt und aus der Prozesskammer (5) entnommen. Die Außenfläche wird mittels einer Laserpolitur geglättet und abschließend erfolgt ein langsames Abkühlen in einem separaten, Temperatur- gesteuerten Ofen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Direkte Extrusion (3D- Glasdruck) einer ummantelten Glasfaser (7) aus hochschmelzendem Glas in der Glasextrusionsanordnung für die Herstellung eines Glaskörpers (9) mit Innenkonturen
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung der Glasfaser mit Ummantelung (7) analog dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Entmanteln der Glasfaser mit Ummantelung (7) erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch eine oder mehrere mechanische Schneiden, die durch einen Schälprozess die Ummantelung möglichst rückstandlos von der Glasfaser (7) entfernen.
Die entmantelte und vorgewärmte Glasfaser (8) wird anschließende der schaltbaren Düse (4) zugeführt. Die Düse (4) wird dabei mittels energetischer Strahlung direkt oder indirekt beheizt und erwärmt die Faser (8) bis die erforderliche Viskosität erreicht ist. Zum Einsatz kommt dafür in diesem Ausführungsbeispiel ein Lasersystem (63) mit einer Strahlleistung von im mittleren Kilowattbereich die ausreicht, die 3D-Druckfaser auf Temperaturen von T > 1000°C zu erwärmen. Über die individuell wählbare Laserleistung kann der Materialfluss des fluiden Glases (91) variiert bzw. gestoppt werden. In Verbindung mit der Verfahrgeschwindigkeit kann so die Schichtdicke des auf der beheizten Plattform (42) (Vorwärmtemperatur wird je nach Glassorte individuell ausgewählt, um thermisch induzierte Spannungen infolge hoher Kühlraten zu vermeiden) deponierten Materials präzise gesteuert und über einen breiten Bereich von D < 100 µm bis mehrere 100 µm variiert werden. Analog kann die Strukturbreite des Materials variiert werden.
Über das sequentielle Ablegen von Einzelschichten aus dem fluiden Glas (91) wird das Bauteil als 3D- Formkörper mit typischen Dimensionen von 20 mm bis 50 mm Höhe und variabel realisierbaren Strukturen aufgebaut.
Um Innenkonturen oder steile Übergänge in dem 3D- Formkörper (93) realisieren zu können, werden Stützstrukturen (100) in den sich ergebenden Hohlräumen und Wandungen während des schichtweisen Aufbaus auf der Plattform (42) mit aufgebaut (dargestellt in den 8a und 8b). Die Stützstrukturen (100) können aus verschiedenen Preformenstrukturen (siehe 6) artgleichen oder verschiedenen Materials erzeugt werden.
Nach dem Bauprozess und Abkühlen des 3D- Formkörpers (93) wird dieser von der Plattform (42) getrennt und aus der Prozesskammer entnommen.
Im Falle der Verwendung eines artfremden Materials als Stützstruktur kann der Trennprozess auch chemisch erfolgen. Dazu wird der 3D-Formkörper (93) in ein KOH- Bad gelegt, wodurch sich das artfremde Material, was eine wesentlich höhere Ätzrate aufweist als der 3D-Formkörper (93), von diesem abgetrennt.
Wenn eine hohe Oberflächenqualität und oder Bauteilformgenauigkeit erzielt werden sollen, wird der additiv gefertigte 3D- Formkörper (93) einem Schleif- und oder Polierprozess zugeführt. Um Teile mit einer hohen Homogenität zu erzielen können weitere Prozessschritt, wie Druckverglasung und Feinkühlen vorgenommen werden.
Viertes Ausführungsbeispiel
Direkte Extrusion (3D- Glasdruck) einer ummantelten Glasfaser (7) aus hochschmelzendem Glas in der Glasextrusionsanordnung für die Herstellung eines Glaskörpers (9) in Form eines Gradientenbauteils
In einem vierten Ausführungsbeispiel erfolgen die Zuführung der ummantelten Faser (7) und das Entmanteln analog den Ausführungsbeispielen 1, 2 oder 3.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen 1, 2 oder 3 kommen bei dem vierten Ausführungsbeispiel mindestens zwei schaltbare Düsen 4a und 4b zum Einsatz (dargestellt in 3).
Beide Düsen (4a und 4b) transportieren zwei Fasern aus unterschiedlichen Glasmaterialien mit zwei verschiedenen Eigenschaften (91a und 91b).
Beide Düsen (4a und 4b) können simultan oder sequentiell arbeiten, wobei die Bauteilplattform (42) und die beiden Düsen (4a und 4b) zueinander durch ein in 3 nicht dargestelltes Antriebssystem in x, y und z- Richtung bewegt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Gradientenbauteil (9a; 9b) auf der Bauplattform (42) mit zwei unterschiedlichen Brechzahlen n1 und n2 aufgebaut. Mit dieser Anordnung lassen sich beliebig graduierte Gläser mit unterschiedlichen Eigenschaften (bspw. unterschiedlicher Brechzahlen) erzeugen.
Wenn die Brechzahl im Inneren des Bauteils (9b) hoch (bspw. n2 = 1,8) und in dem äußeren Bereich kleiner ist, (bspw. n1 = 1,5), dann können somit Gradientengläser für Preformen (für das Faserziehen) oder auch im umgekehrten Fall optische Platten für die Korrektur von sphärischen Aberrationen hergestellt werden.
Um wenig innere Spannungen im Bauteil zu erzeugen ist es vorteilhaft, in der Prozesskammer (5) Temperaturen größer 450 °C einzustellen und das Bauteil nach dem Bauprozess einer kontrollierten Abkühlung T (t) zu unterziehen. Auch sollten die linearen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Glasmaterialien keine zu große Differenz aufweisen.
Das Arbeiten mit einer Anordnung von mehreren Düsen (4) gemäß der Darstellung in 3 gestattet auch das Verwenden eines anderen Stützmaterials. Weist dieses Stützmaterial (ULE) im Gegensatz zum Grundmaterial (Quarzglas) ein anderes Ätzverhalten auf, kann die Stützgeoemtrie nach dem Bauprozess auch in einer Säure oder Lauge durch Einlagen in diese entfernt werden. Vorteilhaft ist dabei die Verwendung einer 45% KOH-Lösung. (8 µm/min Abtrag für Quarzglas und 1 µm/min Abtrag für ULE).
Fünftes Ausführungsbeispiel
Extruderanordnung [(schaltbare Düse (4)] zum direkten und zum indirekten Laserstrahlschmelzen einer Glasfaser ohne Ummantelung (8) in der Glasextrusionsanordnung
Bei der in den 4 und 5 dargestellten schaltbare Düsen (4) (= Extruderanordnungen) sind je nach verwendetem Durchmesser der Glasfaser ohne Ummantelung (8) (typischerweise 150 µm bis 1 mm) Glasstränge (91) in den Dimensionen des Faserdurchmesser (durch den glasig erschmolzenen Zustand ca. um den Faktor 1,15 vergrößert) auf der Plattform (42) abgelegt.
Dabei wird die Glasfaser ohne Ummantelung (8) über Abzugsrollen des Transportsystems (2) der schaltbaren Düse (4) zugeführt.
Durch einen Laserringspiegel wird die Glasfaser (8) in sehr kurzer Zeit koaxial in den schmelzflüssigen Bereich überführt, so dass sich die Viskosität des Materials der Glasfaser (8) schlagartig erniedrigt, in jenem Viskositäts-Temperaturbereich (ca. 1-3 dPas), wo das Material in einen gut fließfähigen Zustand überführt wird. Damit kann das erweichte und fließfähige Materialvolumen die Düse (4) sehr schnell passieren und auf der Plattform (in 4 nicht dargestellt) abgelegt werden.
Vorzugsweise wird für den partiellen Schmelzprozess ein gepulster CO₂-Laser verwendet. Bei Pulslängen im µs-ms Bereich der Strahlung der Laser (63) kann somit eine sehr dosierte Zuführung von fluidem Glas (91) erfolgen. Dies ist eine Voraussetzung für die Prozessführung, um während des Bauprozess die Materialzuführung von fluidem Glas (91) bei einem Konturwechsel schnell stoppen und wieder starten zu können sowie ebenso für die Verwendung von mehreren Extrudern in einem Bauprozess (siehe viertes Ausführungsbeispiel und 3).
Bei der Extruderanordnung zum indirekten Schmelzen eines vorgewärmten Glasvolumens, dargestellt in der 5, wird die Glasfaser ohne Ummantelung (8) in einen Erwärmungsbehälter der schaltbaren Düse (4) in Form eines vergrößerten Materialvorratsspeichers gefördert.
In diesem vergrößerten Materialvorratsspeicher (Erwärmungsbehälter) wird das eingebrachte Glasvolumen durch eine Heizquelle, vorzugsweise Heizbänder (52) in Form widerstandsbeheizter Bänder, auf eine Vorextrusionstemperatur überführt (siehe 5). Je nach verwendeter Glasart kann ein typischer Vorwärmbereich zwischen 400 ° C und 1.500 °C liegen.
Am Ende des Erwärmungsbehälters verfügt das Glasvolumen bspw. über eine Viskosität zwischen 4 - 10 dPas. Durch die Strahlung der Laser (63) wir nun ein Strahlungswandler (72) mit einer definierten Laserenergie beaufschlagt.
Der Strahlungswandler (72) verfügt über eine sehr gute Übertragung der optischen Strahlung in eine thermische Energie, um das bereitgestellte Glasvolumen sehr schnell in einen Viskositäts- Temperaturbereich (ca. 1-3 dPas) zu bringen, wo das Material [das fluides Glas (91)] in einen gut fließfähigen Zustand überführt wird.
In dieser Extrusionsanordnung kann aufgrund des bereitgestellten vorerwärmten Glasvolumens ein wesentlich größerer Glasstrang ausgetragen werden. Über eine schaltbare Düse (4), in diesem Ausführungsbeispiel mit einem variablen Düsendurchmesser (41), kann das fluide Glas (91) im Durchmesser in einem Bereich von 200 µm bis mehrere Millimeter entsprechend eingestellt werden.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Anordnung zum online- überwachten und zum online- geregelten Glasaustritt
Die in 7 dargestellte Anordnung zum online- überwachten und online- geregelten Austritt von fluidem Glas (91) als Bestandteil der gesamten Glasextrusionsanordnung verfügt im Bereich an der Austrittöffnung (41) der schaltbaren Düse (4) über ein Temperaturmessgerät (70), vorzugsweise ein Pyrometer. Mit diesem Pyrometer wird die Temperatur des fluiden Glases (91) online gemessen. Das gemessene, kalibrierte Temperatursignal dient der Bestimmung der Viskosität des fluiden Glases (91), um in einem geregelten Betrieb den Austritt des fluiden Glases (91) zu regeln. Geregelt wird dabei in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur die Leistung der Laser (63) sowie die beiden Faservorschubeinrichtungen (73) des Transportsystems (2).
Durch diesen Regelkreis wird sichergestellt, dass ein homogener Glasfluss während des gesamten Bauprozesses sichergestellt werden kann.
Vorteilhaft an den bereitgestellten technischen Lösungen der Glasextrusionsanordnung und des Glasextrusionsverfahrens ist, dass mittels des Verfahrens unter Verwendung der Glasextrusionsanordnung sowohl Standart- Glasfasersysteme mit einer vollständigen bzw. teilweisen Ummantelung als auch Standart-Glasfasersysteme ohne Ummantelung per 3D-Glasdruck in Halbzeuge und Bauteile aller Art überführt werden, damit diese Produkte den unterschiedlichsten Verwendungen oder Weiterverarbeitungen zugeführt werden können.
Gerade für die Herstellung von modifizierten Glasfasern (bspw. zur Bildübertragung), von Bauteilen oder auch von Halbzeugen aus Glas sind die Glasextrusionsanordnung und das Glasextrusionsverfahren besonders Interessant.
Bei dem Verfahren werden beispielsweise kommerziell verfügbare und gegebenenfalls ummantelte (Coating) Glasfasern kontinuierlich zugeführten. Ebenso sind mit dem Verfahren sowohl niedrigschmelzende Glassysteme (Tg<< 1000°C, bspw. für Glasfasern für Bildübertragung) und höherschmelzende Systeme (Tg >> 1000°C) verarbeitbar.
Ein weiterer positiver Aspekt der vorliegenden technischen Lösung besteht darin, dass die Glasextrusionsanordnung und das Verfahren unter Verwendung dieser Anordnung für verschiedene, aufschmelzbare Fasersysteme (neben den unterschiedlichsten Glasfasertypen, wie bspw. undotierte oder dotierte Quarzglasfasern, Softglasfasern) genutzt werden können. Dadurch ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht derart an Ausgangsstoffe gebunden, wie andere Verfahren, welche nur spezielle Ausgangsstoffe nutzen können.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Materialzuführeinheit
2: Transportsystem
3: Umfangspiegelsystem
4: schaltbare Düse
4a: erste schaltbare Düse
4b: zweite schaltbare Düse
41: Austrittsöffnung
42: Plattform
5: Prozesskammer
51: Eintrittsöffnung
52: Heizbänder
61: Laser des Umfangspiegelsystems
62: Umfangspiegel
63: Laser der schaltbare Düse
7: Glasfaser mit Ummantelung
70: Temperaturmessgerät
72: Strahlungswandler
73: Faservorschubeinrichtung
8: Glasfaser ohne Ummantelung
9: Bauteil
9a; 9b: Bauteile mit verschiedenen Brechzahlen
91: fluides Glas
91a: erste Eigenschaft des fluiden Glases
91b: zweite Eigenschaft des fluiden Glases
93: 3D- Formkörper
100: Stützstruktur
n1: erste Brechzahl
n2: zweite Brechzahl
X, Y, Z: Raumachsen
x, y, z: Richtungen im 3D- Raum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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DE 102016125166 A1 [0062, 0071]

Claims

Glasextrusionsanordnung zur direkten Extrusion einer Glasfaser (8) oder einer ummantelten Glasfaser (7) für die Herstellung eines kompakten, 3- dimensionalen sowie geometrisch definierten Halbzeugs oder Bauteils (9) aus Glas, welche mehrere, individuell ansteuerbare Teilsysteme in Form - eines Umfangsspiegelsystems (3), - einer schaltbaren, beheizbaren Düse (4) mit einer Austrittsöffnung (41), - und eines Transportsystems (2) umfasst, wobei • die Düse (4) in einer, eine beheizbare Plattform (42) umgebenden Prozesskammer (5) angeordnet ist, • die Düse (4) und die Plattform (42) in 3 Achsen in der x-, y- und z- Richtung durch eine Bewegungseinheit zueinander positionierbar sind, • das Umfangsspiegelsystem (3) außerhalb der Prozesskammer (5) angeordnet ist, wobei die zu extrudierende Glasfaser (7, 8) aus einer Materialzuführeinheit (1) kontinuierlich vermittels des Transportsystems (2) durch das Umfangsspiegelsystem (3) hindurch über eine Eintrittsöffnung (51) der Prozesskammer (5) in die Düse (4) zum Aufschmelzen und zur anschließenden Extrusion von fluidem Glas (91) einführbar ist, • durch die Austrittsöffnung (41) das fluide Glas (91) zur Generierung des Bauteils (9) in Richtung der die Plattform (42) abführbar ist und • die Teilsysteme simultan und präzise durch eine Steuer- und Regeleinheit ansteuer- und betreibbar sind.
Glasextrusionsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umfangsspiegelsystem (3) mindestens einen geregelten Laser (61) sowie einen Umfangsspiegel (62) mit einer Umfangsspiegelsystemachse und einem optischen System umfasst, welches im Betriebszustand ein Strahlenbündel von Laserlicht senkrecht zur Umfangsspiegelsystemachse so in den Umfangsspiegel (62) einkoppelt, dass es nach mehrfachen Reflexionen auf der zu behandelnden Glasfaser (7) auftrifft, deren Achse in gleicher Richtung innerhalb des Umfangsspiegels (62) verläuft wie die Umfangsspiegelsystemachse.
Glasextrusionsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (4) zum Zweck der Erwärmung mit mindestens einem geregelten Laser (63) bestrahlbar ist, wobei ein Thermoelement im Betriebszustand die Heiztemperatur bei der Erwärmung der Düse (4) überwacht, damit die vom Laserlicht erwärmte Glasfaser (8) oberhalb ihres Schmelzpunktes als fließfähiges Fluid in der Düse (4) vorliegt und aus der Austrittsöffnung (41) in Richtung der Plattform (42) fließen kann.
Glasextrusionsanordnung gemäß Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (4) durch schnelles Ein- und Ausschalten des Lasers (63) schaltbar ist, in dem durch dieses schnelle Ein- und Ausschalten ein Wechsel zwischen Aufheiz- und Abkühlphase sehr schnell generierbar ist.
Glasextrusionsanordnung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportsystem (2) mindestens einen regelbaren Vorschubmotor umfasst, wobei der Vorschubmotor im Betriebszustand des Transportsystems (2) die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases (91) über den Vorschub der Glasfaser (8) steuert.
Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile (9) aus Glas, unter Verwendung einer Glasextrusionsanordnung gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Verfahren ein generatives Druckverfahren ist, bei dem eine kontinuierlich zugeführte, kommerziell verfügbare und gegebenenfalls ummantelte Glasfaser (7, 8) vermittels des Transportsystems (2) durch das Umfangsspiegel-system (3) hindurchgeführt, dabei vorgewärmt sowie vollständig von der gegebenenfalls vorhandenen Ummantelung befreit und anschließend durch die schaltbare, beheizbare Düse (4) innerhalb der Prozesskammer (5) zu fluidem Glas (91) geschmolzen und extrudiert wird, in dem das fluide Glas (91) über die Austrittsöffnung (41) der Düse (4) in Richtung der Plattform (42) abgegeben wird und dabei die Düse (4) sowie die Plattform (42) vorgebbar in x-, y-, und z- Richtung zueinander bewegt werden, wobei die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases (91) über den Vorschub der durch das Transportsystem (2) beförderten Glasfaser (8) und den Durchmesser der Austrittsöffnung (41) der schaltbaren Düse (4) gesteuert wird, so dass vorgebbare Glasmengen im fluiden Zustand auf die beheizbare Plattform (42) portioniert abgegeben werden, auf der sie anschließend erkalten und zu dem Bauteil (9) verfestigen, wobei als Material der Glasfaser (7, 8) sowohl niedrigschmelzende als auch höher-schmelzende Glassysteme umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuer- und Regeleinheit - ein schnelles Schalten des Lasers (61) und der damit verbundenen Dosierung der Energieeinkopplung im Umfangsspiegelsystem (3) erfolgt, um die Viskosität der Glasfaser (7, 8) vor dem Eintritt in die Düse (4) definiert einzustellen und die gegebenenfalls vorhandene Ummantelung der Glasfaser (7) vollständig zu entfernen, - eine Steuerung der Temperatur beim Heizen der Düse (4) vermittels des mindestens einen geregelten Lasers (63) erfolgt, wobei mindestens ein Temperatursensor unter Rückkopplung die Heiztemperatur bei der Erwärmung der schaltbaren Düse (4) überwacht, und - eine Steuerung des Vorschubmotors des Transportsystems (2) für den Vorschub der Glasfaser (7, 8) unter Rückkopplung mindestens eines Temperatursensors und mindestens eines Bewegungssensors erfolgt, wobei die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases (91) über den Vorschub der Glasfaser (8) gesteuert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beim Heizen der Düse (4) vermittels des mindestens einen geregelten Lasers (63) durch die Variation des Abstandes zwischen Düse (4) und Laser (63) der Brennfleckdurchmesser und damit die Intensität des Lasers (63) variiert wird, um einzustellen, welches Volumen der Glasfaser (8) in der Düse (4) aufgeschmolzen wird, das für den 3D-Druck des fluiden Glases (91) auf der Plattform (42) zur Verfügung stehen soll.
Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem schichtweisen Aufbau des Bauteils (9), bestehend aus dem fluiden Glas (91), welches auf der Plattform (42) abgelegt und dort abgekühlt wird, neben einem 3D-Formkörper (93) auch Stützstrukturen (100) mit aufgebaut werden, in dem die Schichtdicke des Aufbaus durch Veränderungen der Leistung des Lasers (63) der schaltbaren Düse (4) sowie der Verfahrgeschwindigkeit der Bewegung der Düse (4) und der Plattform (42) zueinander im Bereich von < 100 µm bis zu mehreren 100 µm variiert wird.
Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei schaltbare Düsen (4a und 4b) unterschiedliche fluide Gläser (91) mit verschiedenen Eigenschaften (91a und 91b) auf der Plattform (42) abscheiden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dass die verschiedenen Eigenschaften (91a und 91b) unterschiedliche Brechzahlen (n1 und n2) für den Aufbau optischer Strukturen oder unterschiedliches Grund- und Stützmaterial für den Aufbau des 3D-Formkörpers (93) und der Stützstruktur (100) sind.