DE102022109456A1

DE102022109456A1 - Verfahren zum Herstellen eines Glasgegenstandes

Info

Publication number: DE102022109456A1
Application number: DE102022109456.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Heidan
Original assignee: 2mh Glas GmbH
Current assignee: 2mh Glas GmbH
Priority date: 2021-04-20
Filing date: 2022-04-19
Publication date: 2022-10-20
Also published as: LU500066B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Glasgegenstandes. Das Verfahren beinhaltet den Schritt des Herstellens eines Rohlings aus einer Materialmischung, die Glaspartikel aus wenigstens einem Glasmaterial und wenigstens ein weiteres Material, das kein Glas ist. Das Verfahren beinhaltet den Schritt des Entfernens wenigstens eines Teils des weiteren Materials aus dem Rohling und den Schritt des Sinterns des Rohlings bei einer Sintertemperatur, die über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt. Schließlich beinhaltet das Verfahren den Schritt des In-Kontakt-Bringens des Rohlings mit einem flüssigen Abkühlmittel, das eine Abkühlmitteltemperatur ausweist, die wenigstens 200 Kelvin und höchstens 550 Kelvin, insbesondere wenigstens 200 Kelvin und höchstens 450 Kelvin, unter dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Glasgegenstandes.
Aus US 8,991,211 ist ein Verfahren zur Herstellung von Glasartikeln mit einem breiten Spektrum an geometrischen Formen, einschließlich Formen, die bisher nur schwer oder gar nicht monolithisch hergestellt werden konnten, bekannt. Die Glasartikel werden hergestellt, indem zunächst der entstehende Glasartikel aus Glaspulver und einem Bindemittel unter Verwendung eines dreidimensionalen Druckverfahrens hergestellt wird, gefolgt vom Sintern des Glasartikels bei einer Temperatur, die mehrere hundert Grad über der Glasübergangstemperatur der Glaspulverzusammensetzung liegt, während der entstehende Glasgegenstand in einem Bett aus einem inerten Pulver mit einer hohen Fließfähigkeit gehalten wird.
Aus DE 10 2016 012 003 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formkörpers aus hochreinem, transparentem Quarzglas mittels additiver Fertigung bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines besonders widerstandsfähigen Glasgegenstandes anzugeben, der eine weitgehend beliebige Form aufweisen kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das folgende Schritte beinhaltet:

a. Herstellen eines Rohlings aus einer Materialmischung, die Glaspartikel aus wenigstens einem Glasmaterial und wenigstens ein weiteres Material, das kein Glas ist, beinhaltet,
b. Entfernen wenigstens eines Teils des weiteren Materials aus dem Rohling,
c. Sintern des Rohlings bei einer Sintertemperatur, die über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt,
d. In-Kontakt-Bringen des Rohlings mit einem flüssigen Abkühlmittel, das eine Abkühlmitteltemperatur ausweist, die wenigstens 200 Kelvin und höchstens 550 Kelvin, insbesondere wenigstens 200 Kelvin und höchstens 450 Kelvin, unter dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.

Die Erfindung hat den ganz besonderen Vorteil, dass, insbesondere vollkommen transparente, Glasgegenstände unter Anwendung von Herstellverfahren, wie sie insbesondere aus der Kunststoffverarbeitung und aus dem Rapid-Prototyping bekannt sind, hergestellt werden können. Im Ergebnis sind widerstandfähige und robuste Glasgegenstände mit räumlichen Formen realisierbar, die mit den herkömmlichen Glasbearbeitungsmethoden nicht erzielbar sind.
Die Erfindung hat den ganz besonderen Vorteil, dass, insbesondere vollkommen transparente, Glasgegenstände in der Weise herstellbar sind, dass aus der Materialmischung zunächst ein Rohling hergestellt wird, der die Form des gewünschten Glasgegenstandes aufweist und der dann in den weiten Schritten weiterverarbeitet wird. Hierbei kann es durchaus sein, dass der resultierende Glaszustand zwar die gewünschte Form, aber eine geringere Größe aufweist. Insbesondere ist es möglich, dass der Rohling bei seiner Verarbeitung an Volumen verliert. Dies kann insbesondere darauf zurückzuführen sein, dass wenigstens ein Teil des weiteren Materials entfernt wird. Außerdem ist es möglich, dass es bei der Verarbeitung zu geringfügigen Formveränderungen kommt. Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens ist daher vorgesehen, das die zu erwartenden Formveränderungen bereits bei der Herstellung des Rohlings berücksichtigt werden. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die zu erwartenden Formveränderungen bereits bei der Herstellung des Rohlings derart berücksichtigt werden, dass der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Glasgegenstand ohne zusätzliche Nachbearbeitung die gewünschte Form aufweist.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Glasgegenstände beliebiger Form hergestellt werden. Insbesondere können auch Mikrokugeln hergestellt werden, wobei sich hierfür auch andere Verfahren anbieten, die weniger aufwendig sind und die beispielsweise die natürliche Oberflächenspannung zum Herstellen der Kugelform ausnutzen. Insoweit handelt es sich bei den herzustellenden Glasgegenständen vorzugweise nicht um Kugeln, insbesondere Mikrokugeln.
Insbesondere ist es beispielsweise ermöglicht, eine Materialmischung als Ausgangsmaterial zu verwenden, die Glaspartikel beinhaltet und die sich auf Grund des wenigstens einen weiteren Materials wie ein Kunststoff verhält, wobei zunächst durch Formgebung ein Rohling hergestellt wird, der anschließend zu einem, vorzugsweise reinen, Glasgegenstand umgesetzt wird. Die Formgebung kann insbesondere mittels 3D-Druck, Abguss, Spritzguss, Rotationsguss oder Prägung (wie beispielsweise bei Kunststoffen), insbesondere bei Temperaturen unter 150 Grad erfolgen. Das weitere Material der Materialmischung kann insbesondere ein Material sein, welches durch Beaufschlagung mit Licht aushärtbar ist. Eine solche Materialmischung eignet sich insbesondere dazu, den Rohling mittels Laser-Stereolithografie herzustellen.
Die Erfindung hat insbesondere den ganz besonderen weiteren Vorteil, dass sogar vergleichsweise kostengünstiges Glasmaterial, wie beispielsweise einfaches Gebrauchsglas, insbesondere Behälterglas, als Ausgangsmaterial verwendet werden kann, um im Ergebnis besonders bruchfeste Glasgegenstände zu erhalten. Insbesondere hat es sich gezeigt, dass die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Glasgegenstände bruchfester sind, als Vergleichsglasgegenstände gleicher Form aus demselben Glasmaterial, die auf andere Weise hergestellt wurden. Die Erfindung hat insbesondere den ganz besonderen Vorteil, dass die Glasgegenstände auf Grund der erhöhten Bruchfestigkeit zum Erreichen einer ausreichenden Stabilität eine geringere Wandstärke aufzuweisen brauchen, als Glasgegenstände aus demselben Glasmaterial, die auf andere Weise hergestellt wurden. Abgesehen davon, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Formen realisierbar sind, die mit herkömmlichen Glasverarbeitungsverfahren nicht erzielbar sind, hat dies zur Folge, dass bei der Herstellung der Glasgegenstände gegenüber herkömmlich aus demselben Glasmaterial hergestellten Glasgegenständen Glas eingespart werden kann. Insbesondere können die erfindungsgemäß hergestellten Glasgegenstände daher ein geringeres Eigengewicht aufweisen, als herkömmlich aus demselben Glasmaterial hergestellte Glasgegenstände.
Es wurde insbesondere erkannt, dass besonders gute Ergebnisse erzielt werden, wenn der Rohling nach dem Sintern nicht schlagartig auf Raumtemperatur abgeschreckt wird und auch nicht langsam, beispielsweise bei Umgebungstemperatur, auskühlt. Vielmehr wird eine besonders große Bruchfestigkeit dadurch erzielt, dass der Rohling mit dem flüssigen Abkühlmittel in Kontakt gebracht wird, das eine Abkühlmitteltemperatur ausweist, die wenigstens 200 Kelvin und höchstens 550 Kelvin, insbesondere wenigstens 200 Kelvin und höchstens 450 Kelvin, unter dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.
Es wurde weiter erkannt, dass die anfängliche Abkühlrate im Wesentlichen durch die Differenz zwischen der Primärtemperatur und der Abkühlmitteltemperatur sowie durch den materialspezifischen Wärmeübergangskoeffizient bestimmt ist. Insbesondere werden besonders gute Ergebnisse hinsichtlich der Bruchfestigkeit erzielt, wenn die Primärtemperatur und die Abkühlmitteltemperatur derart gewählt werden, dass die anfängliche Abkühlrate im Bereich vom 80 Kelvin bis 120 Kelvin pro Sekunde liegt, insbesondere im Bereich vom 90 Kelvin bis 110 Kelvin pro Sekunde liegt, oder 100° Kelvin pro Sekunde beträgt. Bei einer besonderen Ausführung ist die anfängliche Abkühlrate nicht geringer als 80 Kelvin pro Sekunde, insbesondere nicht geringer als 100 Kelvin pro Sekunde.
Das Glasmaterial kann vorteilhaft beispielsweise ein alkalihaltiges Silikatglas, insbesondere ein Alkali-Erdalkali-Silikatglas, ganz insbesondere ein Kalk-Natron-Glas, oder ein Borosilikatglas oder ein Alumosilikatglas sein. Insbesondere Alkali-Erdalkali-Silikatglas hat den besonderen Vorteil, dass es kostengünstig erhältlich ist, aber dennoch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu besonders bruchfesten Glasgegenständen verarbeitet werden kann. Insbesondere bei der Verwendung von Alkali-Erdalkali-Silikatglas als Glasmaterial kann die Primärtemperatur vorteilhaft im Bereich vom 700 °Celsius bis 760 °Celsius, insbesondere im Bereich von 720 °Celsius bis 740 °Celsius liegen. Entsprechend kann die Abkühlmitteltemperatur, insbesondere wenn es sich bei dem Abkühlmittel beispielsweise um ein geschmolzenes Salz, wie beispielsweise geschmolzenes Natriumsalz oder geschmolzenes Kaliumsalz handelt, im Bereich von 350 °Celsius bis 500 °Celsius, insbesondere im Bereich vom 390 °Celsius bis 450 °Celsius oder im Bereich von 420 °Celsius bis 440 °Celsius liegen, insbesondere um die oben genannte, vorteilhafte Abkühlrate zu erzielen.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung erfolgt das In-Kontakt-Bringen durch ein Eintauchen des gesinterten Rohlings in ein Abkühlbad, das das Abkühlmittel beinhaltet. Es ist alternativ beispielsweise auch möglich, dass das In-Kontakt-Bringen durch Besprühen oderdurch Berieseln mit dem Abkühlmittelerfolgt.
Es ist insbesondere möglich, den Rohling unmittelbar nach dem Sintern mit dem Abkühlmittel in Kontakt zu bringen. Auf diese Weise wird verhindert, dass sich der Rohling nach dem Sintern, beispielsweise auf Grund seines Eigengewichts, ungewollt verformt. Es ist, insbesondere wenn diese Gefahr nicht besteht, jedoch auch möglich, den Rohling in mehreren Abkühlschritten abzukühlen, wobei einer der Abkühlschritte das In-Kontakt-Bringen des Rohlings mit dem flüssigen Abkühlmittel beinhaltet.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Rohling bei einer Sintertemperatur gesintert und in einem ersten Abkühlprozess außerhalb eines Abkühlbades bis zum Erreichen einer Zwischentemperatur abgekühlt. Sobald Zwischentemperatur erreicht ist, wird der Glaskörper mit dem Abkühlmittel in Kontakt gebracht, beispielsweise in ein Abkühlbad, das das Abkühlmittel beinhaltet, eingetaucht. Besonders gut reproduzierbare Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn die Zwischentemperatur höchstens 30 Grad Kelvin unter und höchstens 10 Grad Kelvin über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt oder wenn die Zwischentemperatur dem Littleton-Punkt entspricht.
Der Littleton-Punkt ist die Temperatur, bei der die Viskosität η 10^6,6 Pa s (Pascal mal Sekunde) beträgt.
Diese Vorgehensweise bietet sich insbesondere für eine kontinuierlichen Herstellungsprozess an, bei dem gesinterte Rohlinge fortlaufend und kontinuierlich nacheinander (nachdem jeweils die Zwischentemperatur erreicht ist) mit dem Abkühlmittel in Kontakt gebracht werden, nämlich beispielsweise in ein Abkühlbad eingetaucht werden, das das Abkühlmittel beinhaltet. Insbesondere können die gesinterten Rohlinge eine Abkühlstrecke bis zu dem In-Kontakt-Bringen, insbesondere bis zu dem Abkühlbad, durchlaufen, wobei die Abkühlstrecke, die Umgebungstemperatur und die Durchlaufgeschwindigkeit derart gewählt sind, dass die gesinterten Rohlinge jeweils genau dann an dem Ort des In-Kontakt-Bringens, insbesondere dem Abkühlbad, ankommen, wenn sie auf die Zwischentemperatur abgekühlt sind. Insbesondere können die Rohlinge kontinuierlich nacheinander durch das Abkühlbad bewegt und kontinuierlich nacheinander entnommen werden.
Insbesondere kann bei einem diskontinuierlichen Herstellprozess vorteilhaft vorgesehen sein, dass mehrere gesinterte Rohlinge einer Charge jeweils zusammen und gleichzeitig abgekühlt werden. Insbesondere kann jede Charge aufgeheizt, werden, indem eine Transporthalterung, die die Rohlinge der Charge trägt, in einen Ofen überführt wird. Anschließend kann die Transporthalterung samt den Rohlingen mit dem Abkühlmittel in Kontakt gebracht, insbesondere beispielsweise in ein Abkühlbad eingetaucht, werden.
Insbesondere bei herzustellenden Glaskörpern, die eine Wanddicke bzw. eine Dicke von mehr als 2 Millimetern, insbesondere von mehr als 3 Millimetern, aufweisen und/oder Glaskörpern, die in unterschiedlichen Bereichen sehr unterschiedliche Wanddicken bzw. Dicken aufweisen, kann das Erhitzen zum Entfernen des weiteren Materials und/oder zum Sintern in ganz besonders vorteilhafter Weise in einem mehrstufigen, insbesondere zweistufigen, Prozess erfolgen. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Rohling zunächst langsam auf eine erste Temperatur aufgeheizt wird und anschließend schnell auf die Sintertemperatur aufgeheizt wird. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Rohling zunächst mit einer ersten Aufheizrate auf eine erste Temperatur aufgeheizt wird und anschließend mit einer zweiten Aufheizrate, die über der ersten Aufheizrate liegt, auf die Sintertemperatur aufgeheizt wird.
Diese Vorgehensweise hat den ganz besonderen Vorteil, dass ungewollte Verformungen des Rohlings wirkungsvoll vermieden werden, da alle Bereiche des Rohlings die Sintertemperatur gleichzeitig oder wenigstens innerhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Zeitfensters erreichen. Es wird so vermieden, dass die Bereiche des Rohlings, die sich schneller aufheizen lassen sich bereits (ungewollt) verformen, während noch gewartet werden muss, bis andere Bereiche, die sich weniger schnell aufheizen lassen, die Sintertemperatur erreichen.
Das Glasmaterial kann vorteilhaft einen Siliziumdioxidanteil von mehr als 58% (Massenprozent) und von weniger als 85 % (Massenprozent), insbesondere von mehr als 70 % (Massenprozent) und von weniger als 74 % (Massenprozent) aufweisen. Insbesondere ein Glasmaterial, das ein Alkali-Erdalkali-Silikatglas ist, kann vorteilhaft einen Siliziumdioxidanteil von mehr als 70 % (Massenprozent) und von weniger als 74 % (Massenprozent) aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Glasmaterial einen Alkalioxidanteil, insbesondere Natriumoxidanteil und/oder Lithiumoxidanteil, im Bereich von 5 % (Massenprozent) bis 20 % (Massenprozent), insbesondere im Bereich von 12 % (Massenprozent) bis 13,5 % (Massenprozent) aufweist.
Das Glasmaterial kann (alternativ oder zusätzlich) vorteilhaft einen Kaliumoxidanteil von höchstens 3 % (Massenprozent), insbesondere von höchstens 1 % (Massenprozent), aufweisen. Insbesondere kann das Glasmaterial einen Kaliumoxidanteil im Bereich von 0,5% (Massenprozent) bis 0,9 % (Massenprozent) aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Glasmaterial einen Bortrioxidanteil von weniger als 15 % (Massenprozent), insbesondere von höchstens 5 % (Massenprozent), aufweist.
Soweit nichts anderes angegeben ist, handelt es sich bei Prozentangaben um Massenprozent.
Bei dem Glasmaterial kann es sich insbesondere auch um Quarzglas handeln.
Wie bereits erwähnt, ist ein Glasgegenstand, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, ganz besonders vorteilhaft. Dies insbesondere, weil er mit weitgehend beliebiger räumlicher Form herstellbar ist und eine besondere Bruchfestigkeit aufweist und dennoch aus einem kostengünstigen Glasmaterial hergestellt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist ein erfindungsgemäß hergestellter Glasgegenstand, der als Glasgehäuse ausgebildet ist. Ein besonderer Vorteil von derartig hergestellten Glasgehäusen ist, dass diese isolierend und resistent gegen Chemikalien sind. Darüber hinaus sind Gehäuseformen möglich, die mit herkömmlichen Glasformverfahren nicht realisierbar sind.
Insbesondere auch Sensorgehäuse können besonders vorteilhaft in erfindungsgemäßer Weise hergestellt sein. Ganz besonders vorteilhaft ist ein Sensorgehäuse für einen optischen Sensor, weil das Detektionslicht durch das aus Glas hergestellte Gehäuse einfach zu dem Sensor hindurch gelangen kann.
Beispielsweise kann der Glasgegenstand als Uhrengehäuse ausgebildet sein. Ein solches Gehäuse hat den Ganz besonderen Vorteil, dass die einzelnen Bauteile der Uhr, insbesondere die Zeiger oder die Anzeige, durch das Gehäuse sichtbar sind und kein separates Uhrenglas erforderlich ist. Insbesondere kann die Uhr vorteilhaft einen optischen Sensor, beispielsweis zum Messen der Sauerstoffsättigung, beinhalten, der Detektionslicht durch das Glasgehäuse hindurch empfangen kann.
Die Uhr kann nach einem eigenständigen Erfindungsgedanken ein Display aufweisen, wobei ein Teil des Glasgehäuses gleichzeitig auch ein Bestandteil des Displays ist. Insbesondere können die für das Display erforderlichen Komponenten auf das Glas aufgedruckt sein. Insoweit ist es vorteilhaft bei einer solchen Ausführung nicht notwendig, ein zusätzliches Display in das Gehäuse einzubauen. Vielmehr fungiert ein Teil des Gehäuses selbst als ein Teil des Displays. Eine solche Funktionsintegration unterschiedlicher Bauelemente ist ein eigenständiger Erfindungsgedanke, der auch mit Verfahren, die den Schritt des Abkühlens nicht beinhalten, realisierbar ist und der nicht auf das oben genannte Beispiel eines Uhrengehäuses beschränkt ist. Die Funktionsintegration führt dazu, dass ein Display ganz allgemein insgesamt mit weniger Verfahrensschritten hergestellt werden kann beziehungsweise unter Einbeziehung von Verfahrensschritten die zur Herstellung anderer Bauteile ohnehin erforderlich sind.
Ganz allgemein kann jede Art von Funktionsglas mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung liegt im Bereich der Pumpentechnologie. Insbesondere ist es mit der neuen Technologie möglich, Pumpen herzustellen, die resistent gegen aggressive chemische Stoffe sind, die gepumpt werden sollen. Beispielsweise kann das Pumpengehäuse aus Glas hergestellt sein. Auch Antriebs- und/oder Getriebeteile oder ganze Getriebe oder andere Bauteile der Pumpe können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aus Glas hergestellt werden.
Nach einem weiteren eigenständigen Erfindungsgedanken können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, jedoch auch mit Verfahren, die den Schritt des Abkühlens nicht beinhalten, Gegenstände aus Glas hergestellt werden, die der Desinfizierung bedürfen. Die Desinfizierung kann insbesondere dadurch erfolgen, dass eine Beleuchtung von innen mit Licht, insbesondere mit UV-Licht, erfolgt. Das UV-Licht zerstört schädliche Keime und Krankheitserreger auf der von Innen beleuchteten Oberfläche des Glasgegenstandes. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich einen robusten Griff, eine Toilettenbrille und ähnliche Gegenstände aus Glas herzustellen, die vorteilhaft einfach reinigbar und insbesondere vorteilhaft von innen beleuchtbar sind. Hierfür kommen ganz allgemein auch Gegenstände in Betracht, die Kontaktoberflächen aufweisen, die von Menschen angefasst werden. Insbesondere vorteilhaft ist eine Anwendung bei medizinischen Geräten oder in Bezug auf Gegenstände in öffentlichen Verkehrsmitteln, die von den Fahrgästen angefasst werden, wie beispielsweise Haltestangen und Haltegriffe. Letztlich kommen auch alle Gegenstände in Betracht, die in öffentlichen Einrichtungen angeordnet sind und von Menschen aus unterschiedlichen Haushalten angefasst werden.
Insbesondere ist es erfindungsgemäß möglich, Getriebeeinheiten insgesamt in einem einzigen Vorgang durch 3D-Druck aus Glas herzustellen in der Weise, dass die einzelnen Zahnräder und sonstige Komponenten sich nach dem Herstellprozess relativ zueinander bewegen können.
Hinsichtlich des weiteren Materials gibt es keine grundsätzlichen Beschränkungen, solange das weitere Material dazu geeignet ist, als Bestandteil der Materialmischung zu einem Rohling geformt zu werden. Das weitere Material kann in der Materialmischung in flüssiger oder in fester Form, insbesondere in Form von Partikeln, vorliegen.
Beispielsweise kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das weitere Material eine polymerisierbare Komponente und eine Polymerisationsauslösekomponente aufweist. Hierbei kann insbesondere vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Polymerisationsauslösekomponente durch ein Beaufschlagen mit Wärme/- oder Licht aktivierbar ist, um eine Polymerisation der polymerisierbaren Komponente auszulösen. Bei der polymerisierbaren Komponente kann es sich insbesondere um ein Acrylat, ganz insbesondere ein Monoacrylat oder Diacrylat, handeln. Alternativ oder zusätzlich kann vorteilhaft auch vorgesehen sein, dass das weitere Material Kieselsäure beinhaltet und/oder dass das weitere Material amorphe Kieselsäure-Nanopartikel mit einer mittleren Korngröße im Bereich von 30 nm bis 50 nm beinhaltet. Eine solche Materialmischung ist insbesondere dazu ausgebildet, den Rohling durch Stereolythographie, insbesondere Laser-Stereolythographie, herzustellen. Hierbei wird die Materialmischung gezielt mittels Laserbestrahlung in den Bereichen ausgehärtet, die den Rohling bilden sollen. Das Aushärten kann insbesondere auf dem Effekt der zwei Photonen-Absorptionen beruhen. Das überschüssige und nicht polymerisierte Material kann beispielsweise dadurch entfernt werden, dass der Rohling für einige Minuten in ein Lösungsmittel, beispielsweise in Methanol, eingetaucht wird. Anschließend kann die Bindermatrix in einem thermischen Prozess, insbesondere bei einer Temperatur im Bereich von 400 Grad Celsius bis 700 Grad Celsius, insbesondere bei einer Temperatur von 600 Grad Celsius, entfernt werden. Anschließend kann der Schritt des Sinterns erfolgen.
Bei einer anderen Ausführung beinhaltet das weitere Material ein Thermoplast, insbesondere ein Thermoplastgranulat oder Thermoplastkugeln. Eine solche Materialmischung kann beispielsweise dazu verwendet werden, den Rohling mittels Verfahren herzustellen, wie sie bei der Herstellung von Kunststoffgegenständen verwendet werden.
Beispielsweise ist es möglich, den Rohling durch ein Spritzgussverfahren herzustellen, bei dem die Materialmischung unter Druck in eine Spritzgussform eingespritzt wird. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass das weitere Material während des Spritzgussvorganges schmilzt und nach einem Abkühlprozess erhärtet, so dass der Rohling anschließend der Spritzgussform entnommen werden kann.
Alternativ ist beispielsweise auch eine Herstellung des Rohlings im Rotationsgussverfahren möglich, bei dem die Materialmischung in eine Rotationsgussform gefüllt wird. Die Rotationsgussform wird anschließend beheizt und rotiert. Das weitere Material der Materialmischung schmilzt an der Innenwandung der Rotationsgussform auf, so dass sich die Materialmischung an der Innenwandung der Rotationsgussform mehr und mehr anlagert. Sobald die gesamte Materialmischung angelagert ist, wird die Rotationsgussform gekühlt, wodurch das weitere Material, das die Glaspartikel umschließt, aushärtet. Nach dem Aushärten kann der Rohling aus der Rotationsgussform entnommen werden. Auch eine Kaltrotation mit einer selbsttätig aushärtenden Materialmischung ist möglich.
Hinsichtlich der Herstellung des Rohlings gibt es keine grundsätzlichen Beschränkungen. Der Rohling kann insbesondere, wie bereits erwähnt, durch additive Fertigung und/oder durch einen Umformungsprozess, wie beispielsweise Spritzgießen, hergestellt werden. Die additive Fertigung kann insbesondere einen 3D-Druck umfassen. Insbesondere kann die additive Fertigung einen Stereolithographieprozess, insbesondere einen Laser-Stereolithographieprozess, beinhalten.
Insbesondere ist es auch möglich, einen Rohling, der durch ein additives Verfahren und/oder durch Umformen hergestellt wurde, vorzugsweise vor dem Entfernen des weiteren Materials, weiter zu bearbeiten. Das weitere Bearbeiten kann beispielsweise durch Zerspanen, insbesondere durch Bohren, Sägen, Fräsen oder Hobeln erfolgen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, den Rohling durch Schleifen und/oder Stanzen weiter zu bearbeiten.
Ganz allgemein kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Entfernen des weiteren Materials durch ein Erwärmen des Rohlings auf eine Temperatur unterhalb des Littleton-Punkts des Glasmaterials, insbesondere für einen Zeitraum im Bereich von 5 Minuten bis 600 Minuten, erfolgt.
Die Sintertemperatur kann vorteilhaft im Bereich von 700 Grad Celsius bis 1800 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 1100 Grad Celsius bis 1500 Grad Celsius liegen. Besonders vorteilhaft ist eine Sintertemperatur von 1300 Grad Celsius.
Das Entfernen des weiteren Materials kann insbesondere bei Umgebungsdruck erfolgen.
Der Rohling wird vorzugsweise unter Unterdruckbedingungen gesintert. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Rohling während des Sinterns in einer Unterdruckkammer angeordnet ist und/oder dass das Sintern des Rohlings bei Unterdruck, insbesondere bei einem Druck im Bereich von 0,01 mbar bis 0,1 mbar, insbesondere bei 0,05 mbar erfolgt.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielhaft und schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleich wirkende Elemente auch in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:

1 schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt ganz schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren beinhaltet, eine Materialmischung 1 bereitzustellen, die Glaspartikel aus wenigstens einem Glasmaterial und wenigstens ein weiteres Material, das kein Glas ist beinhaltet.
In einem ersten Schritt erfolgt das Herstellen 2 eines Rohlings 3 aus der Materialmischung. Das Herstellen des Rohlings 3 kann insbesondere ein additives Fahren, beispielsweise einen 3D-Druck, und/oder ein Umformungsverfahren, beispielsweise einen Spritzgussvorgang, umfassen.
In einem zweiten Schritt erfolgt das Entfernen 4 wenigstens eines Teils des weiteren Materials aus dem Rohling 3. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass das weitere Material chemisch herausgelöst wird und/oder dadurch, dass das weitere Material durch Beaufschlagung des Rohlings 3 mit Energie erwärmt und in flüssiger Form oder in dampfförmiger Form entweicht. Im Ergebnis liegt ein Zwischenzustands-Rohling 5 vor.
In einem weiteren Schritt erfolgt ein Sintern 6 des Rohlings bei einer Sintertemperatur, die über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.
An das Sintern schließt sich ein in-Kontakt-bringen 7 des Zwischenzustands-Rohlings mit einem flüssigen Abkühlmittel an, das eine Abkühlmitteltemperatur aufweist, die wenigstens 200 Kelvin und höchstens 550 Kelvin, insbesondere wenigstens 200 Kelvin und höchstens 450 Kelvin, unter dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.
Nach dem Sintern kann der so hergestellte Glasgegenstand, insbesondere von Resten des Abkühlmittels, gereinigt werden. Der Glasgegenstand 12 ist gegenüber dem Rohling 3 geschrumpft.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Materialmischung, 1 die Glaspartikel aus wenigstens einem Glasmaterial und wenigstens ein weiteres Material, das kein Glas ist, beinhaltet, in eine Spritzgussform 8 eingespritzt. Bei dem weiteren Material handelt es sich um ein Thermoplast. Nach einer Abkühlphase wird der auf diese Weise hergestellte Rohling 3 aus der Spritzgussform 8 entnommen.
Anschließend wird der Rohling 3 in einem Heizofen 9 überführt und erwärmt. In einer ersten Erwärmungsphase erfolgt das Entfernen wenigstens eines Teils des weiteren Materials aus dem Rohling. In einer zweiten Erwärmungsphase wird die Temperatur erhöht bis die Sinter-Temperatur erreicht wird, die über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt. In dieser zweiten Erwärmungsphase erfolgt das Sintern 6 des Rohlings 3. Anschließend wird der Rohling 3 dem Heizofen 9 entnommen und in ein Abkühlbad 10 mit einem flüssigen Abkühlmittel 11, das eine Abkühlmitteltemperatur aufweist, die wenigstens 200 Kelvin und höchstens 550 Kelvin unter dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt überführt. Vorzugsweise verbleibt der Rohling 3 für einen Zeitraum von 10 bis 60 Minuten, insbesondere für einen Zeitraum von 15 bis 30 Minuten in dem Abkühlmittel. Anschließend wird der auf diese Weise hergestellte Glasgegenstand 12, beispielsweise in einem Reinigungsbad 13 gereinigt, wobei insbesondere Reste des Abkühlmittels entfernt werden.
Bezugszeichenliste

1: Materialmischung
2: Herstellen
3: Rohlings
4: Entfernen
5: Zwischenzustands-Rohling
6: Sintern
7: in-Kontakt-bringen
8: Spritzgussform
9: Heizofen
10: Abkühlbad
11: Abkühlmittel
12: Glasgegenstand
13: Reinigungsbad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8991211 [0002]
DE 102016012003 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Glasgegenstandes beinhaltend folgende Schritte: a. Herstellen eines Rohlings aus einer Materialmischung, die Glaspartikel aus wenigstens einem Glasmaterial und wenigstens ein weiteres Material, das kein Glas ist, beinhaltet, b. Entfernen wenigstens eines Teils des weiteren Materials aus dem Rohling, c. Sintern des Rohlings bei einer Sintertemperatur, die über dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt, d. In-Kontakt-Bringen des Rohlings mit einem flüssigen Abkühlmittel, das eine Abkühlmitteltemperatur ausweist, die wenigstens 200 Kelvin und höchstens 550 Kelvin, insbesondere wenigstens 200 Kelvin und höchstens 450 Kelvin, unter dem Littleton-Punkt des Glasmaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Glasmaterial ein alkalihaltiges Silikatglas, insbesondere ein Alkali-Erdalkali-Silikatglas, ganz insbesondere ein Kalk-Natron-Glas, oder ein Borosilikatglas oder ein Alumosilikatglas oder ein Quarzglas ist, und/oder dass b. das Glasmaterial einen Siliziumdioxidanteil von mehr als 58 % (Massenprozent) und von weniger als 85 % (Massenprozent), insbesondere von mehr als 70 % (Massenprozent) und von weniger als 74 % (Massenprozent) aufweist, und/oder dass c. das Glasmaterial einen Alkalioxidanteil, insbesondere Natriumoxidanteil und/oder Lithiumoxidanteil, im Bereich von 5 % (Massenprozent) bis 20 % (Massenprozent), insbesondere im Bereich von 12 % (Massenprozent) bis 13,5 % (Massenprozent) aufweist, und/oder dass d. das Glasmaterial einen Kaliumoxidanteil von höchstens 7 % (Massenprozent), insbesondere von höchstens 1 % (Massenprozent), aufweist oder dass das Glasmaterial einen Kaliumoxidanteil im Bereich von 0,5% (Massenprozent) bis 0,9 % (Massenprozent) aufweist, und/oder dass e. das Glasmaterial einen Bortrioxidanteil von weniger als 15 % (Massenprozent), insbesondere von höchstens 5 % (Massenprozent), aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass a. das weitere Material einen polymerisierbare Komponente und eine Polymerisationsauslösekomponente aufweist, und/oder dass b. das weitere Material einen polymerisierbare Komponente und eine Polymerisationsauslösekomponente aufweist, wobei die Polymerisationsauslösekomponente durch ein Beaufschlagen mit Wärme und/oder Licht aktiviert wird und eine Polymerisation der polymerisierbaren Komponente auslöst, und/oder dass c. das weitere Material einen polymerisierbare Komponente aufweist, die ein Acrylat, insbesondere ein Monoacrylat oder ein Diacrylat, ist, und/oder dass d. das weitere Material Kieselsäure beinhaltet und/oder das weitere Material amorphe Kieselsäure-Nanopartikeln mit einer mittleren Korngröße von etwa 30 nm bis 50 nm Durchmesser beinhaltet, und/oder dass e. das weitere Material ein Thermoplast, insbesondere ein Thermoplastgranulat oder Thermoplastkugeln, beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Glaspartikel eine Korngröße im Bereich von 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer, insbesondere im Bereich von 3 Mikrometer bis 30 Mikrometer aufweisen, und/oder dass b. die Glaspartikel als Kugeln ausgebildet sind, die einen Durchmesser im Bereich von 1 Mikrometer bis 100 Mikrometer, insbesondere im Bereich von 3 Mikrometer bis 30 Mikrometer aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Herstellen des Rohlings durch additive Fertigung und/oder durch einen Umformungsprozess erfolgt, oder dass b. das Herstellen des Rohlings durch einen Umformungsprozess erfolgt durch einen Umformungsprozess erfolgt, der einen Spritzgussvorgang umfasst, bei dem die Materialmischung in eine Spritzgussform eingespritzt wird, oder dass c. das Herstellen des Rohlings durch einen Umformungsprozess erfolgt durch einen Umformungsprozess erfolgt, der einen Rotationsgussvorgang umfasst, bei dem die Materialmischung in einer, insbesondere beheizten, Rotationsgussform rotiert wird, oder dass d. das Herstellen des Rohlings durch einen Umformungsprozess erfolgt durch einen Umformungsprozess erfolgt, der einen Tiefziehprozess und/oder einen Blasformprozess umfasst, oder dass e. das Herstellen des Rohlings durch additive Fertigung erfolgt, die einen 3D-Druck umfasst, oder dass f. das Herstellen des Rohlings durch additive Fertigung erfolgt, die einen Stereolithographieprozess, insbesondere einen Laser-Stereolithographieprozess beinhaltet, oder dass g. das Herstellen des Rohlings ein Zerspanen, insbesondere ein Bohren, Sägen, Fräsen oder Hobeln, und/oder ein Schleifen und/oder ein Stanzen beinhaltet, oder dass h. das Herstellen des Rohlings ein Zerspanen, beinhaltet, wobei das Zerspanen, insbesondere ein Bohren, Sägen, Fräsen oder Hobeln, und/oder das Schleifen und/oder das Stanzen, nach einem Umformungsprozess und/oder nach einem Schritt der additiven Herstellung zusätzlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Herstellen des Rohlings ein Aushärten wenigstens eines Teils des weiteren Materials umfasst, und/oder b. das Herstellen des Rohlings ein Aushärten wenigstens eines Teils des weiteren Materials umfasst, wobei das Aushärten ein Beaufschlagen der Materialmischung mit Energie, insbesondere mit Wärme und/oder Licht, umfasst, und/oder dass c. das Herstellen des Rohlings ein Aushärten wenigstens eines Teils des weiteren Materials umfasst, wobei das Aushärten ein Abkühlen des weiteren Materials umfasst, und/oder dass d. das Entfernen des weiteren Materials nach dem Aushärten erfolgt, und/oder dass e. das Entfernen des weiteren Materials durch ein Erwärmen des Rohlings auf eine Temperatur unterhalb des Littleton-Punkt des Glasmaterials, insbesondere für einen Zeitraum im Bereich von 5 Minuten bis 600 Minuten, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Sintertemperatur im Bereich von 700 Grad Celsius bis 1.800 Grad Celsius, insbesondere im Bereich von 1.100 Grad Celsius bis 1.500 Grad Celsius, liegt, insbesondere dass 1.300 Grad Celsius beträgt, und/oder dass b. der Rohling während des Sinterns in einer Unterdruckkammer angeordnet ist und/oder dass das Sintern des Rohlings bei Unterdruck, insbesondere bei einem Druck im Bereich von 0,01 mbar bis 0,1 mbar, insbesondere bei 0,05 mbar erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass a. das In-Kontakt-Bringen durch ein Eintauchen des Glasgegenstandes in ein Abkühlbad, das das Abkühlmittel beinhaltet, erfolgt, und/oder dass b. das In-Kontakt-Bringen durch Besprühen oder durch Berieseln mit dem Abkühlmittel erfolgt, und/oder dass c. das Abkühlmittel ein Öl und/oder ein Metall und/oder eine Salzschmelze beinhaltet oder dass das Abkühlmittel ein Öl oder ein Metall oder eine Salzschmelze ist.
Glasgegenstand hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Glasgegenstand nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass a. der Glasgegenstand ein Gehäuse ist, oder dass b. der Glasgegenstand ein Handgriff ist, oder dass c. der Glasgegenstand ein Bauteil für eine Pumpe ist.
Vorrichtung aufweisend einen Glasgegenstand nach einem der Ansprüche 9 oder 10 und eine Lampe, die Licht, insbesondere UV-Licht, in das Innere des Glasgegenstandes und/oder in einem von dem Glasgegenstand umgebenen Raum abgibt.