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Die
Erfindung betrifft eine Presse zum Heißformen optischer Elemente
aus Glas sowie ein damit betreibbares Verfahren zum Heißformen
optischer Elemente aus Glas nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung kann für
die Herstellung von heißgeformtem
Glas angewandt werden, bei der ein viskoser Glasposten heißgeformt
wird. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Herstellung blank gepresster
Präzisionsteile,
bei denen ein Glas-Vorformling erhitzt und nachfolgend durch Pressen
geformt wird. Beim letztgenannten Anwendungsgebiet eignet sich die
Presse insbesondere zur Herstellung optischer Komponenten wie beispielsweise
Linsen.
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Unter
dem Begriff Blankpressen wird ein Pressen eines Glaskörpers verstanden,
dessen optisch aktive Oberflächen
nicht mehr nachbearbeitet werden müssen, so dass die Verfahrensschritte Schleifen
und Polieren für
diese Flächen
entfallen können.
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Die
US 6,334,335 B1 beschreibt
eine Presse zum Heißformen
von Glas. Bei dieser wird ein aus einer Schmelze entnommener Glasgob
in einen vorgeheizten Formblock gegeben. Der Glasgob ist hierbei heißer als
der Formblock. Der Formblock besteht im Wesentlichen aus einer Ober-
und einer Unterform, zwischen denen der Glasgob angeordnet ist.
Ober- und Unterform werden während
der Presszeiten auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten. Erst
zum Ende der Presszeit nimmt der Glasposten die Temperatur des Formblocks
an. Für
die Kühlphase
erfolgt eine Temperaturregelung u. a. dergestalt, dass der oberhalb
der Oberform ruhende Oberpressstempel und der unterhalb der Unterform
befindliche Unterpressstempel mit einem Kühlgas aktiv gekühlt werden.
Durch thermischen Kontakt des Unterpressstempels bzw. des Trägerteiles,
auf dem sich die Unterform befindet, wird die Solltemperatur eingestellt.
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Die
EP 0 733 598 A1 offenbart
eine Presse zum Heißformen
von Glas mit allen Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Zum
Blankpressen des Glasgobs wird dieser zunächst in einen vorgeheizten Formblock
gegeben, wobei letzterer zeitlich hintereinander drei Bearbeitungszonen
durchläuft:
- a) eine Heizstation: hier wird der Glasgob
aufgeheizt bis auf eine Solltemperatur oberhalb der Glastemperatur
Tg
- b) eine Pressstation: hier wird der Gob in seine Sollform gepresst;
und
- c) eine Kühlstation:
hier wird der geformte Glaskörper
abgekühlt,
so dass er anschließend
aus dem Formblock entnommen werden kann.
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In
allen Stationen des Heißformverfahrens gem.
EP 0 733 598 B1 ruht
der Formblock auf einer Platte aus Wolframcarbid. In der Heizstation
wird die Wärme
außerhalb
des Formblocks bzw. Formverbunds in einem Block erzeugt in dem Heizpatronen integriert
sind.
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Der
Formblock ruht auf diesem Heizblock, ist allerdings von diesem durch
die Wolframcarbidplatte getrennt. Die im Heizblock erzeugte Wärme wird über die
Wolframcarbidplatte an den Formblock transferiert. Die Temperatur
des Formblocks wird dadurch eingestellt, dass die Temperatur der
Wolframcarbidplatte über
ein darin angeordnetes Thermoelement erfasst wird, und die Heizleistung
des Heizblocks darüber
geregelt wird.
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Bei
dem mit der Presse gemäß
EP 0 733 598 B1 betriebenen
Verfahren wird die Bearbeitungsgeschwindigkeit durch die zeitlich
längste
der drei vorgenannten Bearbeitungszonen bestimmt. Die Presse wird
dann so betrieben, dass der Formblock in allen Stationen gleich
lang verbleibt. Diese Zeit wird auch als Zykluszeit bezeichnet.
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Aus
der
GB 1,013,156 A ist
ein Herstellungsverfahren für
ein optisches Element bekannt, bei dem jedoch der verwendete Formblock
zur Herstellung des optischen Elementes stationär ist und nicht transportiert
wird. Daher ist die Zykluszeit relativ lang und die Qualität des optischen
Elementes nicht optimal.
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Der
Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine kürzere Zykluszeit
für die
Heißformung
von optischen Elementen aus Glas zu gewährleisten bei gleichzeitig
verbesserter optischer Qualität
der hergestellten Produkte.
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Die
Lösung
dieses technischen Problems erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche wiedergegeben.
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Der
vorrichtungsseitige Teil der Lösung
des oben genannten technischen Problems besteht in einer Presse
zum Heißformen
optischer Elemente aus Glas, mit Mitteln zur Erwärmung eines eine Oberform,
Unterform und einen Führungsring
aufweisenden Formblocks welcher das Glasmaterial aufnimmt, mit Mitteln
zum Pressen des im erwärmten
Formblock aufgenommenen Glasmaterials und mit Mitteln zum Abkühlen des
Formblocks nach dem Pressvorgang, wobei der Formblock nicht-stationär ausgeführt ist
und mittels Transportmitteln von der Heizstation zur Pressstation
und von dort zur Kühlstation transportierbar
ist und dass als Erwärmungsmittel eine
Induktivheizung vorgesehen ist und der Formblock während des
Erwärmens
auf einem thermisch isolierenden Körper angeordnet ist.
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Der
verfahrensseitige Teil der Lösung
besteht in einer Vorgehensweise zum Heißformen optischer Elemente
aus Glas mit den Schritten
- a) Einbringen eines
Glaspostens in einen aus einer Oberform, einer Unterform und einem
Führungsring,
der die Oberform und die Unterform lagegenau zueinander positioniert,
gebildeten Formblock
- b) Erwärmen
des Formblocks
- c) Pressen des Formblocks
- d) Kühlen
des Formblocks
wobei für
die Erwärmungsphase
der Formblock thermisch isoliert angeordnet wird und die Erwärmung induktiv
erfolgt.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Vorgehensweise,
bei der der Formblock während
des Erwärmens
bzw. in der Heizstation auf einem thermischen Isolator angeordnet
und dabei induktiv erheizt wird, zu einer kürzeren Zykluszeit bei gleichzeitig
verbesserter optischer Qualität
der hergestellten Produkte führt.
Diese Vorgehensweise bedingt zunächst
eine thermische Entkopplung des Formblocks von der Umgebung und
sichert ein direktes bzw. unmittelbares Erwärmen des Formblocks.
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Unter
einem Formblock soll im Rahmen dieser Erfindungsdarstellung die
Gesamtheit von Oberform, Unterform und dem Führungsring, welcher Ober- und
Unterform lagegenau zueinander positioniert, verstanden werden.
Das heißzuformende
Glas wird als Glasposten in den Formblock eingebracht und befindet
sich dann zwischen Ober- und Unterform.
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Dadurch,
dass nur der Formblock unmittelbar erwärmt wird, ist die insgesamt
zu erwärmende Masse
kleiner und damit erfolgt die Erwärmung des Formblocks schneller.
Die unmittelbare Erwärmung ist
dabei auch dadurch gewährleistet,
dass durch die thermisch isolierende Eigenschaft des Materials ein Wärmefluss
zu oder von der Umgebung entfällt.
Je nachdem, welche Wärmemenge
in der Anlage gespeichert ist, führt
dies ansonsten zu unterschiedlichen erreichten Temperaturen.
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Damit
kann durch die beschriebene Vorgehensweise die erreichte Endtemperatur
präziser
eingestellt werden.
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Ein
weiterer Vorteil der kleineren zu erwärmenden Masse besteht darin,
dass durch sie die Temperatur zuverlässiger eingeregelt werden kann. Trägt man beispielsweise
die Ist-Temperatur des Formblocks gegen die Zeit ab, so ist der
Temperaturverlauf keine monoton wachsende Funktion, sondern weist
zusätzlich
sogenannte Überschwinger
auf, die das Einregeln der Temperatur erschweren. Bei kleinerer
Masse fällt
die Schwingungsamplitude der Überschwinger
kleiner aus, so dass die Gefahr geringer ist, dass der Regelbereich
verlassen wird.
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Ein
weiterer Vorteil der thermischen Entkopplung des Formblocks von
seiner Umgebung besteht darin, dass für die Zeitspanne des Anfahrens der
Presse kein undefinierter Wärmefluss
zur oder von der Umgebung erfolgt, und darüber vom heißzuformenden Glas ein undefinierter
Temperaturzyklus durchlaufen wird. Damit stellen sich für die Anfahrphase
der Presse weniger optische Elemente mit minderer Qualität ein.
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Für die Produktion
einer großen
Anzahl optischer Elemente pro Zeiteinheit wird ein Formblock nacheinander
durch die vorgenannten Bearbeitungszonen der Presse geführt. Unter
Mitwirkung geeigneter Transportmittel wird der Formblock nacheinander von
einer Heizstation zu einer Pressstation und nachgeschaltet zu einer
Kühlstation
transportiert. Bezogen auf die vorgeschlagene Verbesserung des in
der Heizstation betriebenen Erwärmens
des Formblocks bedeutet dies, dass durch die beschriebene Vorgehensweise
ein neu in die Heizstation gebrachter Formblock eine definiertere
Anfangstemperatur vorfindet, weil bereits die Endtemperatur des
zuvor in der Heizstation erwärmten
Formblocks präziser
erreicht wurde. Die präzisere
Anfangstemperatur eines Formblocks in der Heizstation bedingt wiederum
eine definiertere Endtemperatur, usw. Insgesamt durchläuft damit
der Formblock inner halb der Heizstation einen definierteren Heizzyklus,
und ist die Endtemperatur präziser
bestimmt.
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Die
präziser
erreichte Endtemperatur während
der Heizphase hat ihrerseits Vorteile für die nachgeschaltete Phase
des Pressens. Während
dieser Pressphase, die zumindest teilweise mit gleichzeitigem Kühlen des
Formblocks einhergehen kann, durchläuft das Glas bzw. der das Glas
umgebende Formblock einen definierten Temperaturzyklus. Das genaue
Einhalten des Temperaturzyklus soll u. a. gewährleisten, dass die Eigenspannungen
des Glases optimal relaxieren können
und diese damit ausheilen. Eine optimale Ausheilung der Eigenspannungen
sichert gute optische Eigenschaften des fertigen Produkts, da hierdurch
die Spannungsdoppelbrechung minimiert werden kann.
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Da
während
des Pressens eine Temperaturregelung erfolgt, bedeutet eine mit
der vorgeschlagenen Vorgehensweise erreichte definiertere Endtemperatur
des Heizzykluses eine definiertere Anfangstemperatur für den Kühlzyklus.
Dies bedingt geringere Anforderungen an die Regelung und einen geringeren
Zeitbedarf, um auf die Solltemperaturkurve einzuregeln. Insofern
kann selbst bei einer zeitlich unverändert lange andauernden Heizphase
die Pressphase zeitlich verkürzt
werden.
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Zusammenfassend
ist damit festzustellen, dass mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise
sowohl die Heizphase als auch die Pressphase zeitlich verkürzt werden
können.
Da diese beiden Phasen im Regelfall länger dauern als die sich anschließende Kühlphase,
bei der das Glas letztlich auf Raumtemperatur abgekühlt wird,
ergibt sich insgesamt eine verkürzte
Zykluszeit und damit eine schnellere und wirtschaftlichere Produktion
der blankgepressten Elemente aus Glas.
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Ein
weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorgehensweise besteht
darin, dass durch die bessere Einhaltung des Solltemperaturzyklus
des Glases die optische Qualität
gesteigert werden kann.
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Die
genannten Vorteile fallen noch größer aus, wenn der thermisch
isolierende Körper,
dessen Oberfläche
eine Auflage- bzw. Stellfläche
für den Formblock
darstellt, nicht an das magnetische Feld der Induktionsheizung ankoppelt.
Dies kann dann der Fall sein, wenn er über keine oder nur sehr wenige freie
Elektronen verfügt,
wie dies beispielsweise bei Isolatoren oder Halbleitern der Fall
ist. In diesem Fall koppelt das Wechselfeld der Induktionsheizung
nicht oder nur vernachlässigbar
gering an freie Elektronen des thermisch isolierenden Körpers an,
und vermag insofern nicht, die die Erwärmung hervorrufenden Wirbelströme zu erzeugen.
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Ein
weiterer Fall von fehlender Ankopplung des elektromagnetischen Feldes
an den thermischen Isolator ist dann gegeben, wenn die Beweglichkeit der
Ladungsträger
räumlich
eingeschränkt
ist, und/oder der Isolator geeignet positioniert wird. Als Beispiel
sei hier eine Glaskeramik mit eingebetteten, zueinander parallelen
und elektrisch leitfähigen
Fasern genannt, beispielsweise Kohlenstofffasern. Insgesamt wird
die Glaskeramik durch die Fasern elektrisch leitfähig, aber
nur in Faserlängsrichtung.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann als thermisch isolierender
Körper
auch eine derartige Glaskeramik eingesetzt werden, denn in diesem
Fall bildet sich in den Fasern wegen der eindimensionalen Ladungsträgerbeweglichkeit
kein elektrischer Strom aus. Gleiches kann sinngemäß gelten,
wenn sich die Ladungsträger
nur innerhalb einer Ebene bewegen können, z. B. innerhalb einer
metallischen Schicht.
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Der
(Trage-)Körper,
auf dem der Formblock während
des Erwärmens
ruht, hat bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit von weniger als 5 W/mK.
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Im
Sinne der vorstehenden Ausführungen kann
als isolierender Körper
ein Körper
aus Quarzglas, Al2O3,
Siliciumnitrid oder einer Glaskeramik gewählt werden.
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Vom
Grundsatz her ausreichend ist es, wenn der Tragekörper, auf
dem der Formblock während des
Erwärmens
ruht, zumindest auf der dem Formblock zugewandten Seite thermisch
und ggf. elektrisch isolierend ausgeführt ist. In diesem Sinne kann der
isolierende Körper
auch eine Beschichtung oder eine dünne Scheibe sein. Zwar mag
die Induktivheizung in diesem Fall die restlichen Bestandteile des Tragekörpers erwärmen. Da
sich zwischen diesen restlichen Bestandteilen und dem Formblock
der Isolator befindet, stelltjedoch auch dieser Fall im Hinblick
auf die temperaturgenaue Erwärmung
des Formblocks eine ausschließliche
Erwärmung
desselben dar.
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Um
die gleiche optische Qualität
für das
gesamte Volumen des herzustellenden optischen Elements zu gewährleisten
ist es wichtig, den Glasgob gleichmäßig zu erwärmen. Hierzu dient eine Induktivheizung
mit zwei Spulen, die oberhalb und unterhalb des Formverbundes bzw.
Formblocks angeordnet sind.
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Diese
Anordnung ermöglicht
ein besonders schnelles Aufheizen und vermeidet wegen der kontaktlosen
Erwärmung
Schäden
auf der Linse, welche ansonsten durch einen Kontaktpartner hervorgerufen würden.
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Das
Induktionsfeld koppelt aufgrund des Skin-Effekts nur einige wenige
Millimeter in den metallischen Formblock ein, und bei ausreichender
Wärmeleitfähigkeit
des Formblockmaterials von bevorzugt mehr als 10 W/mK propagiert
die Wärme
in axialer Richtung. Messungen haben ergeben, dass sich hierbei
eine radial sehr gleichmäßige Erwärmung der Pressfläche einstellt.
Dies liegt daran, dass der Propagationsweg der Wärme hinreichend lang ist, um eine
vergleichmäßigte Erwärmung in
radialer Richtung zu bewirken.
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Der
vorgenannte Vorteil fällt
nochmals größer aus,
wenn der Führungsring
des Formblocks eine Wärmeleitfähigkeit
aufweist, die deutlich kleiner ist als die Wärmeleitfähigkeit λ von Ober- und Unterform, beispielsweise
um einen Faktor von mindestens 10. So kann als Material für den Führungsring ein
thermischer und elektrischer Isolator wie beispielsweise Quarzglas
(λ = 1 W/mK)
gewählt
werden, und für
Ober- und Unterform Stahl (λ =
10 W/mK) oder Wolframcarbid (λ =
42 W/mK). In diesem Fall wird ein ungewollter Wärmestrom nicht nur in axialer, sondern
auch in radialer Richtung vermieden.
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Der
Einsatz von zwei Spulen, beispielsweise Flachspulen, ermöglicht zudem
die Einstellung unterschiedlicher Temperaturen für Ober- und Unterform, wodurch
der Anwender ein größeres Prozessfenster für das Abformverhalten
gewinnt.
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Beispielsweise
kann die untere von zwei Spulen in den thermisch isolierenden Körper integriert
sein, und zum Beispiel von ihm umgossen sein.
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Die
Temperaturregelung des Formblocks in der Heiz-, Press- und Kühlphase
wird durch eine präzise
Temperaturbestimmung unterstützt.
Zu diesem Zweck wird ein Temperatursensor eingesetzt, mit dem die
Temperatur des Formblocks direkt und unmittelbar bestimmt wird.
Als Temperatursensor kann ein Pyrometer oder ein Thermoelement eingesetzt werden.
Der Temperaturmesspunkt des Sensors liegt dann auf oder innerhalb
des Formblocks. Dem Sensor ist eine Temperatursteuer- oder regeleinheit
zugeordnet.
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Eine
präzisere
und einfachere pyrometrische Temperaturbestimmung wird erreicht,
wenn der Formblock vom Pyrometer aus betrachtet hinter dem Temperaturmesspunkt
eine Ausnehmung bzw. ein Loch hat. Das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser der
Ausnehmung sollte im Bereich von ca. 2 bis etwa 5 liegen. In diesem
Fall ist die von dem Temperaturmesspunkt herrührende Strahlungscharakteristik
in guter Näherung
die eines schwarzen Strahlers. Insofern wird die Verwendung eines
aus Oberform, Unterform und Führungsring
bestehenden Formblocks zum Heißformen
von Glas bevorzugt, welcher an seiner Außenseite, beispielsweise an
der Ober- und/oder der Bodenseite, eine Ausnehmung aufweist, und
bei dem das Verhältnis
von Tiefe zu Durchmesser der Ausnehmung im Bereich von ca. 2 bis etwa
5 liegt. Die Ausnehmung in dem Formblock wird, wie vorstehend erläutert, für die Bestimmung der
Temperatur des Formblocks verwendet.
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Die
vorgenannte Ausbildung des Formblocks kann selbstverständlich mit
einer Materialwahl wie oben beschrieben einhergehen, bei der die
Wärmeleitfähigkeit
von Ober- und Unterform deutlich größer ist als diejenige des Führungsringes.
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Die
direkte Erfassung der Temperatur des Formblocks vermeidet einen
langen Wärmeweg
vom Ort der Wärmeerzeugung
(Heizelement) zum Ort der Temperaturmessung (Temperatursensor).
Die Temperatur des Formblocks wird damit ohne zeitlichen Verzug
und damit sehr schnell ermittelt. Die Vermeidung eines langen Wärmeweges
bedingt zudem eine Minimierung der Regeltotzeit und damit eine sehr schnelle
Temperaturregelung.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Presse ist der isolierende Körper
strahlungsdurchlässig
ausgebildet. Unter Verwendung eines Pyrometers zur Temperaturbestimmung
des Formblocks gelangt dann die elektromagnetische Strahlung durch
den Körper
hindurch zum Pyrometer. Die Strahlungsdurchlässigkeit des isolierenden Körpers muss
hierbei bezüglich
der Wärmestrahlung
des Formblocks gegeben sein, und hierbei insbesondere im Infrarotbereich.
Als eine Alternative kann im isolierenden Körper eine durchgehende Öffnung vorgesehen
sein, durch welche die Wärmestrahlung
des Formblocks zum Pyrometer gelangt.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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1 zeigt
einen Formblock, bestehend aus Oberform 2, Unterform 3,
und Führungsring 4.
Zwischen Oberform und Unterform ist ein Raumbereich 5 welcher
zur Aufnahme eines Glaspostens bestimmt ist. Der Führungsring 4 besteht
aus Quarzglas, welches eine Wärmeleitfähigkeit
von ca. 1 W/mK besitzt. Oberform 2 und Unterform 3 sind
aus Stahl gefertigt und haben damit eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 10 W/mK.
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Der
zylindersymmetrische Formblock ruht auf einem thermischen und elektrischen
Isolator 6 aus Quarzglas. Zur Erwärmung von unten dient eine Flachspule 1,
deren Achse parallel zur Symmetrieachse 10 des Formblocks
ausgerichtet ist. Die gerundeten magnetischen Feldlinien durchdringen
den Formblock innerhalb eines begrenzten Oberflächenbereichs.
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2 zeigt
eine zu 1 entsprechende Darstellung
mit einem zweiten Spulenpaar 1' oberhalb der Oberform 2 mit
gleicher Ausrichtung wie bei der Flachspule 1. Zur Bestimmung
der Temperatur der Unterform 3 dient ein Pyrometer 7', dessen Temperaturmesspunkt
auf der Unter form 3 liegt, und zwar dort, wo die Symmetrieachse
die Bodenfläche
der Unterform schneidet. Dies wird in 2 durch
den gestrichelt dargestellten Strahlungskegel angedeutet, welcher
vom Pyrometer 7' erfasst
wird. Auf gleiche Weise erfasst ein Pyrometer 7 die Temperatur der
Oberform 2 an einem Temperaturmesspunkt, wo die Symmetrieachse 10 die
Oberform 2 trifft.
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3 ist
eine zu 2 entsprechende Darstellung,
bei der im Raumbereich 5 ein Glasposten 8 ist.
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4 zeigt
den Fall, dass vom Pyrometer 7 aus betrachtet hinter dem
Temperaturmesspunkt 5 eine Ausnehmung 9 im Formblock
ist, und zwar im Bodenbereich der Unterform 3. Die Tiefe
des Lochs ist etwa 2,7 mal so groß wie der Durchmesser. Das Pyrometer
erfasst dann eine Strahlung des Formblock, deren Charakteristik
in guter Näherung
die eines schwarzen Strahlers ist.