DE10305422B4

DE10305422B4 - Verfahren zur Herstellung von Kugeln mit optischer Qualität aus zähem Glas

Info

Publication number: DE10305422B4
Application number: DE10305422A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Langsdorf; Frank Dr. Büllesfeld
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2023-02-06
Also published as: US7377130B2; DE10305422A1; US20040163413A1; JP2004238279A

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Kugeln mit optischer Qualität, bei dem
– Glasposten (1) in Ausnehmungen (2) in einer hitzebeständigen Unterlage (3) aus porösem Material gefüllt werden,
– Gas durch die Unterlage (3) geleitet wird, derart, dass der Gasstrom (4) die Unterlage (3) entgegen der Gravitationsrichtung verlässt,
– die Unterlage (3) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Glas (1) eine Viskosität im Bereich bis 10⁶ Poise aufweist,
– die Unterlage (3) auf dieser Temperatur für eine vorbestimmbare Zeitdauer gehalten wird, und
– die Unterlage (3) unter Aufrechterhaltung des Gasstromes (4) auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Kugeln mit optischer Qualität.

Prinzipiell ist ein derartiges Verfahren bekannt aus der JP-H11-199250 A. Darin ist vorgesehen, dass vorzugsweise zylinderförmige Glasposten in Ausnehmungen in einer hitzebeständigen Unterlage gesetzt und erhitzt werden. Dabei bilden sich aus den zylinderförmigen Glasposten unter Einwirkung der Oberflächenspannung Kugeln. Die Glasposten werden in dieser Phase unter Vibration in den Ausnehmungen gehalten. Die so hergestellten Kugeln dienen als optische Linsen, beispielsweise in der Telekommunikation oder aber auch zur Anwendung in einem CD-Player.

Bei der Erhitzung der Glasposten kann es selbst bei genauer Temperaturführung an den Kontaktstellen zwischen den Glasposten und der hitzebeständigen Unterlage zu unerwünschten Einwirkungen auf die Kugeloberfläche kommen. Da es bei bestimmten Viskositäten des Glaspostens zu einem Haften oder – noch gravierender – zu einem Kleben des Glases an den Wandungen der Ausnehmungen kommen kann. Die daraus resultierende Kugel mit entsprechenden Oberflächenfehlern ist dann nicht mehr universell einsetzbar. Im besten Falle könnte sie bei der Weiterverwendung so ausgerichtet werden, dass die defekten Stellen nicht im Strahlengang der Optik liegen. Dies ist aber nur mit einem hohen Aufwand und entsprechenden Mehrkosten möglich. Noch gravierender sind die Folgen bei einem Kleben des Glases an dem Material der Unterlage. Diese muss dann nämlich ausgewechselt werden, wodurch erhebliche Kosten verursacht werden.

Aus der JP-08-277133 ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Kugeln bekannt. Hier wird ein geschmolzener Glasposten in eine Ausnehmung mit trompetenförmiger Öffnung gesetzt, während Gas aus einer kleinen Öffnung von unten her in die Ausnehmung geleitet wird, derart, dass der geschmolzene Glasposten nicht mit der Innenfläche der Ausnehmung in Kontakt kommt. Der Glasposten wird leicht in Rotation versetzt und bildet nach und nach die Kugel. Es ist davon auszugehen, dass die Bohrung, durch welche das Gas geleitet wird, einen Durchmesser von mindestens 300 μm hat, da kleinere Bohrungen nur mit erheblichem Mehraufwand einzubringen sind. Bei dem bekannten Verfahren ergeben sich Temperaturinhomogenitäten an der Oberfläche des geschmolzenen Glaspostens. So wird der Oberflächenbereich des Glaspostens, der dem Gasstrom unmittelbar ausgesetzt ist, etwas kühler sein als der gegenüberliegende Teil der Kugeloberfläche. Dies führt zu inneren Spannungen in der Kugel sowie zu zusätzlichen Formabweichungen und insgesamt zu optischen Aberrationen. Die inneren Spannungen in der Kugel könnten allerdings durch eine aufwendige Temperierung des Gasstromes vermieden werden.

Aus der US 5 762 673 A ist ein Verfahren zum Blankpressen eines Glaspostens bekannt geworden, bevor dieser auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Grundsätzlich kommt es beim Blankpressen darauf an, möglichst einwandfreie Oberflächen vor . dem Pressvorgang zu erzeugen. Hinterher sind Nachbesserungen nur im Wege eines Polierens oder Schleifens möglich, was jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden ist. Das Verfahren gemäß der genannten Druckschrift läuft nun so ab, dass ein flüssiger Glasposten aus einem Speiser in eine trichterförmige Ausnehmung in einer Aufnahme gesetzt wird. Diese ist rückseitig mit einem Kanal verbunden, durch den Gas in die trichterförmige Ausnehmung eingeleitet wird mit der Wirkung, dass der Glasposten zum Schweben veranlasst wird und mit den Wandungen des Trichters nicht in Berührung kommt. Dieses Prinzip nennt sich Levitation. Der Glasposten wird dann einer anderen Arbeitsstation zugeführt, wo die Verpressung stattfindet. Die Levitation dient dabei also dazu, den Glasposten während des Transportes von einer zur anderen Arbeitsstation von einem Kontakt mit der Trichterwandung abzuhalten. Erst dann erfolgt der Pressvorgang. Die Formgebung findet also statt durch Kontakt des Glaspostens mit den Formteilen der Presse, woraus die bekannten Probleme des Blankpressens resultieren können.

Aus der DE 100 62 954 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen von Glasgobs bekannt geworden. Im Wesentlichen offenbart diese Druckschrift eine poröse Unterlage als Grundlage für die Levitation eines Glaspostens. Die Formgebung spielt bei dieser Offenbarung eine untergeordnete Rolle.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Kugeln mit optischer Qualität anzugeben, bei dem zum einen die Klebneigung zwischen dem Glasposten und der hitzebeständigen Unterlage verringert wird und zum anderen die Oberflächengüte der erzeugten Glaskugeln erhöht wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Demgemäß wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem

– Glasposten in Ausnehmungen in einer hitzebeständigen Unterlage aus porösem Material gefüllt werden,
– Gas durch die Unterlage geleitet wird, derart, dass der Gasstrom die Unterlage entgegen der Gravitationsrichtung verlässt,
– die Unterlage auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Glas eine Viskosität im Bereich bis 10⁶ Poise aufweist,
– die Unterlage auf dieser Temperatur für eine vorbestimmbare Zeitdauer gehalten wird, und
– die Unterlage unter Aufrechterhaltung des Gasstromes auf Raumtemperatur abgekühlt wird.

Es wird also von dem Prinzip der Gasbettlagerung oder Gasfilmlevitation Gebrauch gemacht. Bei der Verwendung von porösen Materialien wie im Falle der hitzebeständigen Unterlage ist jedoch grundsätzlich eine gute Konturübereinstimmung zwischen dem Glasposten und der Ausnehmung in der Unterlage notwendig. Grundsätzlich können daher Kugeln auf flachen porösen Flächen, aus denen das Gas ausströmt, nicht levitiert werden.

In überraschender Weise allerdings hat sich gezeigt, dass die Levitation im vorliegenden Falle durchgeführt werden kann, obwohl die Glasposten, die in die Ausnehmungen in der Unterlage gebracht werden, nicht notwendigerweise eine Konturübereinstimmung mit der Ausnehmung aufweisen.

Die Glasposten werden vor Durchführung des Verfahrens beispielsweise auf die Unterlage gestreut und mit einem Werkzeug wie einem Rakel oder ähnlichem so verteilt, dass in jede Ausnehmung genau ein Glasposten gefüllt ist. Die Größe der Ausnehmungen ist vorteilhaft so gewählt, dass bei Verwendung eines Rakels nur genau ein Glasposten in jeder Ausnehmung zu liegen kommt. Die Unterlage kann ohne weiteres 2000 bis 4000 Aufnahmen aufweisen. Die Aufnahme wird dann aufgeheizt, solange bis die Viskosität des Glases im Bereich bis 10⁶ Poise liegt. Auf dieser Temperatur werden die Unterlage und die Glasposten gehalten. Während dieses Zeitraumes formen sich aufgrund der Oberflächenspannungsverhältnisse aus den beliebig geformten Glasposten eine Kugel. Danach wird die Unterlage auf Raumtemperatur abgekühlt, wobei der Gasstrom aufrechterhalten bleibt.

Das angegebene Verfahren ist in der Regel nur durchführbar für kleine Kugeln mit Durchmessern von weniger als 1 mm. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, dass nur dann die Oberflächenspannungsverhältnisse so sind, dass sich aus dem geschmolzenen Glasposten selbstständig eine Kugel bildet. Dies gelingt bei einer im Verhältnis zum hydrostatischen Druck sehr großen Oberflächenspannung bei den vorliegenden großen Krümmungen der Oberfläche.

Als bevorzugtes Material für die Unterlage wird poröses Graphit angegeben. Hierauf ist die Materialauswahl freilich nicht beschränkt.

Vorzugsweise liegt die Porosität der Unterlage im Bereich zwischen 10% bis 40% und die Porengröße im Bereich bis 20 µm. Die Porengröße liegt also in einem ganz anderen Bereich als die Bohrungsdurchmesser von > 300 µm im Falle der schon erwähnten JP-08-277133. Beim erfindungsgemäßen Verfahren tritt das Gas durch die poröse Unterlage und wird von ursprünglich Raumtemperatur auf die Temperatur der Unterlage nach dem Prinzip eines Wärmetauschers aufgewärmt, so dass die weiter oben beschriebene Temperaturinhomogenitäten in den Glasposten nicht auftreten. Es kann aber auch vortemperiertes Glas verwendet werden. Der Gasstrom aus den Poren sorgt dafür, dass ein Kontakt zwischen dem Glasposten und der Unterlage vollständig vermieden wird. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die Kugel an keiner Stelle einen Defekt aufweist, der eine Ausrichtung der Kugeln notwendig machen würde, wie dies im Zusammenhang mit der JP-H11-199250 A beschrieben worden ist.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen in der Unterlage der Kontur der herzustellenden Kugeln angepasst. Dies bedeutet, dass die Ausnehmungen in der Unterlage bereits halbkugelförmig vorgeformt sind. Hierdurch wird das Levitationsverhalten günstig beeinflusst und es können mit dem Verfahren dann Kugeln mit einem Durchmesser von bis zu 2 mm geformt werden.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Ausnehmungen in der Unterlage als Sackbohrungen ausgeführt. Der Vorteil hierin ist in der kostengünstigen Herstellung der Unterlage zu sehen. Darüber hinaus wirkt das kegelförmig zulaufende Ende der Sackbohrung auf die Kugel zentrierend.

Vorzugsweise wird eine Unterlage verwendet, deren Oberfläche mit Ausnahme des Bereiches der Ausnehmungen gasundurchlässig ist.

Ihre Oberfläche ist so bearbeitet oder so beschichtet, dass Gas tatsächlich nur im Bereich der Ausnehmungen austreten kann. Bei einer Sintermetallplatte kann dies beispielsweise einfach durch mechanisches Verschmieren der Oberflächenporen durch Schleifwerkzeuge geschehen. Die gasundurchlässige Schicht wird nur an den Stellen der eingebrachten Ausnehmungen durchbrochen, wodurch sichergestellt wird, dass das Gas nur an den Ausnehmungen austritt und nicht in den Bereichen dazwischen. Durch diese Maßnahme wird der Gasverbrauch deutlich reduziert.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele gemäß der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Hierbei zeigt:
1 einen schematischen Querschnitt durch eine gasdurchströmte Unterlage mit Ausnehmungen für Glasposten gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine ähnliche Ansicht wie 1 einer weiteren Ausführungsform,
3 eine ähnliche Ansicht wie 1 einer noch weiteren Ausführungsform, und
4 eine ähnliche Ansicht wie 1 durch eine besonders bevorzugte Ausführungsform.
Nachfolgend sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Aus der schematischen Schnittansicht gemäß 1 ist zunächst die hitzebeständige poröse Unterlage 3 ersichtlich. In ihre Oberfläche ist eine Vielzahl von Ausnehmungen 2 eingebracht. Diese Ausnehmungen 2 sind mit Glasposten 1 befüllt. Dies kann beispielsweise mittels eines Rakels oder eines anderen geeigneten Werkzeuges erfolgen.
Durch die poröse Unterlage 3 wird ein Gasstrom 4, beispielsweise N₂, geleitet. Die Anordnung wird nun auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Glasposten 1 schmelzen und eine Viskosität im Bereich bis 10⁶ Poise aufweisen. Die Oberflächenspannungsverhältnisse sorgen dafür, dass sich aus den Glasposten 1 selbsttätig Kugeln bilden. Dabei wird jeglicher Kontakt zum Boden und zu den Seitenwänden der Ausnehmungen 2 aufgrund der Levitation, hervorgerufen durch den Gasstrom 4, vermieden. Nachdem sich die Kugeln ausgebildet haben, wird die Anordnung wieder auf Raumtemperatur gekühlt.
Die Variante gemäß 2 unterscheidet sich von jener gemäß 1 durch die andere Ausformung der Ausnehmungen 2. Vorliegend sind die Ausnehmungen 2 als Sackbohrungen ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Unterlage 3 relativ kostengünstig herzustellen ist. Darüber hinaus wirkt das kegelförmig zulaufende Ende der Sackbohrung auf die Glasposten zentrierend.
3 zeigt eine noch weitere Ausführungsform, die sich von jenen gemäß den 1 und 2 durch die andersartige Ausformung der Ausnehmungen 2 unterscheidet. Vorliegend sind die Ausnehmungen 2 der Kontur der herzustellenden Kugeln angepasst. Dies begünstigt das Levitationsverhalten in der Weise, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Kugeln mit Durchmessern bis zu 2 mm hergestellt werden können.
4 zeigt eine noch weitere Variante, bei der die Ausnehmungen 2 wieder wie in der 3 der Kontur der herzustellenden Kugeln angepasst sind. Besonders jedoch an dieser Variante ist, dass die Oberfläche der Unterlage 3 nur an den Stellen gasdurchlässig ist, an denen sich die Ausnehmungen 2 befinden. Im übrigen Bereich ist die Oberfläche 5 mit einer Beschichtung versehen, die gasundurchlässig ist. Dies bewirkt, dass der Gasstrom 4 die Unterlage 3 lediglich in den Bereichen der Ausnehmungen 2 verlassen kann. Hierdurch wird in besonders günstiger Weise der Gasverbrauch deutlich reduziert.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Kugeln mit optischer Qualität, bei dem – Glasposten (1) in Ausnehmungen (2) in einer hitzebeständigen Unterlage (3) aus porösem Material gefüllt werden, – Gas durch die Unterlage (3) geleitet wird, derart, dass der Gasstrom (4) die Unterlage (3) entgegen der Gravitationsrichtung verlässt, – die Unterlage (3) auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Glas (1) eine Viskosität im Bereich bis 10⁶ Poise aufweist, – die Unterlage (3) auf dieser Temperatur für eine vorbestimmbare Zeitdauer gehalten wird, und – die Unterlage (3) unter Aufrechterhaltung des Gasstromes (4) auf Raumtemperatur abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Unterlage (3) aus porösem Graphit verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Porosität der Unterlage (3) im Bereich zwischen 10% bis 40% liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Porengröße der Unterlage (3) im Bereich bis 20 µm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Ausnehmungen (2) in der Unterlage (3) eingesetzt werden, die der Kontur der herzustellenden Kugeln (1) angepasst sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Ausnehmungen (2) in der Unterlage (3) eingesetzt werden, die als Sackbohrungen ausgeführt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Unterlage verwendet wird, deren Oberfläche mit Ausnahme des Bereiches der Ausnehmungen (2) gasundurchlässig ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Gasundurchlässigkeit der Oberfläche durch eine Beschichtung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Gasundurchlässigkeit durch ein mechanisches Verschmieren der Oberflächenporen erzeugt wird.