DE10202766B4

DE10202766B4 - Verfahren zur Steuerung der Eindringtiefe einer strukturierten Oberfläche eines elektrisch leitenden Formwerkzeuges und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10202766B4
Application number: DE10202766A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Dr. Stöhr; Olaf Dr. Claußen; Ralf Dieter Werner
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2002-01-25
Filing date: 2002-01-25
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2022-01-26
Also published as: JP2003246635A; CN1438191A; CN100349813C; JP4339600B2; US7107791B2; US20030140655A1; DE10202766A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Eindringtiefe einer strukturierten Formoberfläche (7) eines elektrisch leitenden Formwerkzeuges (2) in eine aufliegende flüssige Glasprobe (1), bei dem über eine mit der Glasprobe (1) verbindbare Kontaktstelle (3) und das Formwerkzeug eine elektrische Spannung in die Glasprobe (1) eingeprägt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Eindringtiefe einer strukturierten Formoberfläche eines elektrisch leitenden Formwerkzeuges in eine aufliegende flüssige Glasprobe sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Derzeit hergestellte optische Linsen aber auch andere gekrümmte Glaskörper werden nach dem Gießgang in mehreren Arbeitsschritten geschliffen und dadurch mit dem gewünschten Krümmungsradius versehen. Das Durchführen der einzelnen Schleif- und Polierarbeitsschritte verursacht aufgrund des hohen Zeitbedarf und der aufwendigen Maschinentechnik hohe Fertigungskosten.
Ein Verfahren ist bekannt aus der US-A-3 535 100. Hierin wird ein Verfahren zur Veränderung der Form einer flüssigen Glasprobe beschrieben, bei dem die flüssige Glasprobe auf einer elektrisch leitenden Unterlage aufliegt und bei dem über eine mit der Glasprobe verbindbare Kontaktstelle eine elektrischen Spannung in die Glasprobe eingeprägt wird.
Die elektrische leitende Unterlage selbst ist in diesem Falle eine elektrisch leitende Flüssigkeit. Die Form der Glasprobe wird verändert durch Veränderung der Grenzflächenspannung aufgrund des Stromflusses innerhalb der Glasprobe. Bei optischen Gläsern, die hohen Anforderungen hinsichtlich der Formgebung und Reinheit zu erfüllen haben, treten bei Anwendung dieses Verfahrens jedoch Probleme auf. Grund hierfür ist das inhomogene Verhalten der in der Glasprobe enthaltenen Ionen, vorzugsweise Alkaliionen mit fortschreitender Zeit, da die Glasprobe im Laufe der Zeit abkühlt. Eine Formgebung der Glasprobe auf der elektrisch leitenden Flüssigkeit ist nicht möglich.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches den Arbeitsaufwand bei der Formgebung einer Glasprobe auf einer strukturierten Formoberfläche verringert.
Eine weitere Teilaufgabe bestand darin, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Die Grenzflächenspannung des Glases in flüssigem Zustand wird unter anderem durch seine chemische Zusammensetzung beeinflußt, so kann beispielsweise ein sinkender Gehalt an Alkaliionen oder Erdalkaliionen eine Erhöhung der Grenzflächenspannung bewirken.
Durch das Anlegen der elektrischen Spannung werden die beweglichen Ionen, wie z. B. Alkaliionen Na⁺ aus der Grenzfläche der Glasprobe ins Innere verschoben. An der positiv polarisierten Seite werden sie aus der Grenzfläche abgereichert und an der negativ polarisierten Seite angereichert, was zu Effekten an der Grenzfläche führt. Dabei bewirkt eine positive Polarisierung der Auflagefläche eine Erhöhung der Grenzflächenspannung, eine Vergrößerung des Benetzungswinkels und folglich eine sinkende Benetzung.
Mit Hilfe des neuen Verfahrens kann bei der Formgebung das Ausfüllen bestimmter Formbereiche gesteuert werden. Dieses gilt sowohl im mikroskopischen Sinne für Mikrostrukturen und Porositäten des Formenmaterials als auch im makroskopischen Sinne, beispielsweise für das Ausfüllen von Ecken in der Form.
Aufgrund einer gezielten Verminderung der Benetzung erfolgt eine Glättung der Oberfläche der zu verformenden flüssigen Glasprobe, wodurch die Rauhigkeiten der formgebenden Werkzeuge oder lokale Beschädigungen nicht in gesamter Tiefe auf dem Glaskörper abgebildet werden. Darüber hinaus ist es möglich, ein genaueres Abbilden der in den formgebenden Werkzeugen eingebrachten Strukturen auf die zu formende flüssige Glasprobe zu realisieren. Dieses wäre ohne das Anlegen der Spannung allenfalls erst bei einer höheren Temperatur der Glasprobe möglich, da dann sowohl die Viskosität als auch die Oberflächenspannung sinkt. Mit steigender Temperatur der Glasprobe steigt jedoch auch die Gefahr der Klebeneigung. Außerdem wird durch das Verfahren das Abdampfen flüchtiger Glaskomponenten und somit eine Verschmutzung der Werkzeuge vermindert.
In einer besonderen Ausgestaltung des Verfahrens wird die zu bearbeitende Glasprobe auf dem Formwerkzeug erhitzt. Dadurch läßt sich die Temperatur der Glasprobe während des Einprägens der Spannung konstant halten.
Die Teilaufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die ein elektrisch leitendes Formwerkzeug und eine mit der flüssigen Glasprobe verbindbare Kontaktstelle zum Einprägen einer elektrischen Spannung aufweist. Der Stromfluß erfolgt demnach ausgehend von einer Spannungsquelle über die verbindbare Kontaktstelle, durch die flüssige Glasprobe auf die ebenfalls mit der Spannungsquelle verbundene elektrisch leitende Unterlage.
Vorteilhafterweise umfaßt die Kontaktstelle einen Draht.
In einer besonderen Ausgestaltung ist das Formwerkzeug zur Erhitzung der Glasprobe ausgebildet.
Vorzugsweise umfaßt die Vorrichtung zum Einprägen der elektrischen Spannung eine Quelle für Gleichspannung, die zwischen 0,1 und 100 V liegen kann.
Alternativ kann jedoch auch eine Quelle für eine asymmetrische Wechselspannung mit einem Gleichspannungsanteil von 0,1 bis 100 V eingesetzt werden.
Anhand der nachfolgenden acht Abbildungen wird die Erfindung bzw. das ihr zugrunde liegende Wirkprinzip beispielhaft näher erläutert. Es zeigen die:
1a eine schematische Seitenansicht einer festen Glasprobe auf einer elektrisch leitenden Unterlage;
1b eine schematische Seitenansicht mit flüssiger Glasprobe auf einer elektrisch leitenden Unterlage;
2a eine Ansicht gemäß 1b mit elektrischer Kontaktstelle vor dem Einprägen einer Spannung;
2b eine Ansicht gemäß 2a nach dem Einprägen einer Spannung;
3 eine Glasprobe auf einem Formwerkzeug ohne Einprägen einer Spannung;
4 eine Glasprobe auf einem Formwerkzeug mit an der Unterlage angelegtem negativem Potenzial und positivem Potenzial an der Kontaktstelle;
5 eine Glasprobe auf einem Formwerkzeug mit an der Unterlage angelegtem positivem Potenzial und negativem Potenzial an der Kontaktstelle;
6 eine schematische Darstellung einer flüssigen Glasprobe auf einer Unterlage mit eingezeichnetem Benetzungswinkel;
7 eine flüssige Glasprobe zwischen Kontaktstelle und Unterlage mit linkem und rechtem Benetzungswinkel;
8 einen Verlauf der Benetzungswinkel bei Variation der Spannung über der Zeit.
Die 1a zeigt eine feste Glasprobe 1, die auf einer elektrisch leitenden Unterlage 2 erhitzt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, entsprechend 1b die Glasprobe 1 bereits in erhitzter flüssiger Form auf die elektrisch leitende Unterlage 2 aufzubringen.
In den 2a und 2b befinden sich jeweils die flüssigen Glasproben 1 auf der elektrisch leitenden Unterlage 2 und sind an ihrer freien Oberfläche 11 mit dem Draht 4 über die Kontaktstelle 3 elektrisch verbunden. Während die Glasprobe 1 in der 2a ohne eingeprägte Spannung eine im wesentlichen kugelige Form aufweist, ändert sich bei angelegter Spannung aufgrund der Verschiebung beweglicher Ionen im Glasnetzwerk, die Grenzflächenspannung und dadurch auch die äußere Form entsprechend 2b.
Die 3 stellt eine Glasprobe 1 auf einer strukturierten Formoberfläche 7 da, in welche die Spitzen 8 mit einer mittleren Tiefe eingedrungen sind. In die Glasprobe 1 wird keine elektrische Spannung eingeprägt.
Abweichend von der 3 ist in der 4 die strukturierte Formoberfläche 7 als elektrisch leitendes Formwerkzeug 2 ausgebildet und über eine elektrische Leitung 9 mit einer Stromquelle 10 verbunden. In der in 4 gezeigten Anordnung wird das elektrisch leitende Formwerkzeug 2 mit einer negativen Polarität 6 beaufschlagt. Auf der freien Oberfläche 11 greift der Draht 4 an der Kontaktstelle 3 an die Glasprobe 1 an. Der Draht wird mit einer positiven Polarität 5 beaufschlagt. Die auf der strukturierten Formoberfläche 7 ausgebildeten Spitzen 8 sind aufgrund der geänderten Grenzflächenspannung tiefer als ohne Einprägung einer Spannung in die aufliegende Glasprobe 1 eingedrungen.
Die 5 zeigt ebenfalls eine Glasprobe 1 auf einer strukturierten Formoberfläche 7 mit einer elektrischen Verbindung der freien Oberfläche 11 an der Kontaktstelle 3 mit dem Draht 4. In der 5 wird über die Kontaktstelle 3 eine negative Polarität 6 und über das elektrisch leitende Formwerkzeug 2 eine positive Polarität 5 in die Glasprobe 1 eingeprägt. Dies hat zur Folge, daß die Glasprobe 1 im Vergleich zu den in den 3 und 4 dargestellten Anordnungen kaum auf der strukturierten Formoberfläche 7 einsinkt und sich kaum eine Struktur in der Glasprobe 1 ausbildet.
Anhand der 6 werden nachfolgend die an einer auf einer elektrisch leitenden Unterlage 2 befindlichen flüssigen Glasprobe 1 auftretenden Grenzflächenspannungen an der 3-Phasen-Grenze festflüssig/gasförmig vektoriell dargestellt. Dabei wirkt ausgehend von einem Ursprung 12 eine aus der 2-Phasen-Grenze fest/gasförmig resultierende Grenzflächenspannung σ_sg aus der flüssigen Glasprobe 1 heraus, parallel zum elektrisch leitenden Formwerkzeug 2. In der Gegenrichtung wirkt eine sich aus der 2-Phasen-Grenze fest/flüssig ergebende Grenzflächenspannung σ_sl und aus dem Ursprung 12 tangential zur freien Oberfläche 11 eine Spannung σ_lg aus der Grenzfläche flüssig/gasfömig. Die Grenzflächenspannung σ_sl und die Grenzflächenspannung σ_lg spannen dabei einen Kontaktwinkel θ auf, dessen Betrag über die Young-Gleichung σsg = σsl + σlg·cosθberechnet werden kann.
Die 7 zeigt eine auf einer elektrisch leitenden Unterlage 2 befindliche flüssige Glasprobe 1, die anstelle eines Drahtes 4 mit einem oberen Blech 13 kontaktiert ist. Die Kontaktstelle 3 umfaßt dabei einen vergleichsweise großen flächigen Bereich. In der schematischen Darstellung der 7 sind tangential zur freien Oberfläche 11 an den 3-Phasen-Grenzen festflüssig/gasförmig die Grenzflächenspannungen σ_lgl und σ_lgr an der linken bzw. rechten Seite der flüssigen Glasprobe 1 und darüber hinaus die dazugehörigen Benetzungswinkel θ_l, θ_r eingezeichnet.
Ausgehend von einem derartigen Versuchsaufbau wurde das Versuchsergebnis in Diagrammform entsprechend 8 aufgenommen und dargestellt. In dem Diagramm sind auf der Abszisse die Zeit und auf zwei Koordinaten die Benetzungswinkel θ_l, θ_r und die eingeprägte Spannung am oberen Blech 13 eingetragen.
Zu Versuchsbeginn beträgt die eingeprägte Spannung zunächst 0 V, die Benetzungswinkel θ_l, θ_r liegen zwischen 80° und 90°. Nachfolgend wird die Spannung an dem oberen Blech 13 auf –1 V geändert und für ca. 400 sec. gehalten. Während dieser Zeit steigen beide Benetzungswinkel θ_l, θ_r um 15 bzw. 10° an.
Im Anschluß wird die Spannung erneut auf 0 V geschaltet und für ca. 400 sec. ausgeschaltet gelassen. Die Benetzungswinkel θ_l, θ_r verbleiben während dieser Zeit auf ihrem zuvor eingenommenen Niveau.
Mit Einschalten einer Spannung von +1 V an dem oberen Blech fallen beide Benetzungswinkel θ_l, θ_r ab wobei der zuvor steiler angestiegene Benetzungswinkel θ_l auch einen stärkeren Abfall aufweist. Nach 500 sec. mit einem Spannungsniveau von +1 V an dem oberen Blech 13 wird die Spannung erneut für ca. 600 sec. abgeschaltet. In diesem Zeitraum bleiben die Benetzungswinkel θ_l, θ_r auf annähernd konstantem Niveau, um dann, bei dem Einprägen einer Spannung von –1 V an dem oberen Blech 13, erneut in gleichem Maße anzusteigen.

1: Glasprobe
2: elektrisch leitendes Formwerkzeug bzw. Unterlage
3: Kontaktstelle
4: Draht
5: positive Polarität
6: negative Polarität
7: strukturierte Formoberfläche
8: Spitzen
9: elektrische Leitung
10: Stromquelle
11: freie Oberfläche
12: Ursprung
13: oberes Blech
σ_sg: Grenzflächenspannung fest/gasförmig
σ_sl: Grenzflächenspannung fest/flüssig
σ_lg: Grenzflächenspannung flüssig/gasförmig
σ_lgl: Grenzflächenspannung flüssig/gasförmig/linke Seite
σ_lgr: Grenzflächenspannung flüssig/gasförmig/rechte Seite
θ: Benetzungswinkel
θ_l: Benetzungswinkel linke Seite
θ_r: Benetzungswinkel rechte Seite

Claims

Verfahren zur Steuerung der Eindringtiefe einer strukturierten Formoberfläche (7) eines elektrisch leitenden Formwerkzeuges (2) in eine aufliegende flüssige Glasprobe (1), bei dem über eine mit der Glasprobe (1) verbindbare Kontaktstelle (3) und das Formwerkzeug eine elektrische Spannung in die Glasprobe (1) eingeprägt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zu bearbeitende Glasprobe (1) auf dem Formwerkzeug (2) erhitzt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 und 2, die ein elektrisch leitendes Formwerkzeug (2) und eine mit der flüssigen Glasprobe (1) verbindbare Kontaktstelle (3) zum Einprägen einer elektrischen Spannung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Kontaktstelle (3) einen Draht (4) umfaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der das Formwerkzeug (2) zur Erhitzung der Glasprobe (1) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, die zum Einprägen der elektrischen Spannung eine Quelle für Gleichspannung vorzugsweise zwischen 0,1 und 100 V umfaßt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, die zum Einprägen der elektrischen Spannung eine Quelle für asymmetrische Wechselspannung mit einem Gleichspannungsanteil von 0,1 bis 100 V umfaßt.