DE20320341U1

DE20320341U1 - Formgebungswerkzeug

Info

Publication number: DE20320341U1
Application number: DE20320341U
Authority: DE
Original assignee: Schott Glaswerke AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-02-07
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2013-02-08

Abstract

Formgebungswerkzeug für die Herstellung eines Glasteiles nach der Heißformtechnologie, mit einem Grundkörper und darauf befindlichen Unstetigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug im Bereich der Unstetigkeiten mit durchgehenden Öffnungen versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Formgebungswerkzeug zur Herstellung von Glasformteilen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Das Formgebungswerkzeug dient der Herstellung von Glasformteilen mit hoher Konturpräzision, und hierbei insbesondere zur Herstellung optischer Elemente wie Prismen, Linsen und dergleichen.
Glasformteile, und hierbei insbesondere solche für optische Zwecke, müssen mit genau definierten Obertlächengeometrien bzw. mit präziser Außenkontur hergestellt werden damit die optische Qualität dieser Produkte gewährleistet ist. Ideal wäre es, wenn nach dem Formen des Produktes keine Nachbearbeitung erforderlich wäre. In der Regel ist zumindest eine optische Politur erforderlich; ein größerer Schleifabtrag sollte jedoch vermieden werden. Nachgeschaltete Bearbeitungsschritte wie Schleifen oder Polieren führen abhängig von der erreichen Konturgenauigkeit zu langen Bearbeitungszeiten und hohem Anfall von Schlämmen, die aufwändig und teuer entsorgt werden müssen.
Bekannt ist das Gießen von Glasformteilen in einer Form. Die Glasmasse nimmt hierbei mehr oder weniger die Kontur der Form an. Allerdings wird in der Regel die Kontur der Form nicht präzise abgeformt. Aus der Oberflächenspannung des Glases, der Viskosität sowie der Geschwindigkeit der Abkühlung ergibt sich nämlich, dass das Glas bei den Gießprozessen sehr begrenzt in der Lage ist scharte Ecken oder Kanten in der Gießform auszufüllen. Dies führt dazu, dass die Kantenradien des Glasteiles üblicherweise signifikant größer ausfallen als diejenige der Gießform. Eins Nachbearbeitung des hergestellten Glasproduktes zur Gewährleistung der gewünschten Außenkontur ist im Regelfall erforderlich.
Es ist auch möglich, nach dem Eingießen der Glasmasse diese über einen geeigneten Stempel einem Druck auszusetzen. Bei diesem Pressvorgang verbessert sich zwar die Formausfüllung, sie ist aber oftmals immer noch unvollständig. Wesentliche Ursache ist, dass das Glas während des Eingießvorganges durch den Formkontakt an seiner Oberfläche abkühlt. Wird anschließend gepresst, so ist das Glas an den kritischen Stellen bereits soweit abgekühlt, dass auch durch den Pressvorgang das Glas nicht mehr in seine gewünschte Form gedrückt werden kann.
Darüber hinaus kommt es beim Pressvorgang zum Problem der Schrumpfeinzuges. Wird der Pressstempel nämlich abgehoben, so ist zwar die Oberfläche des Glasteiles durch den Formkontakt abgekühlt. Das Innere des Glasteiles hat jedoch noch einen beträchtlichen Wärmeinhalt. Bei nachfolgender Abkühlung des Glasteilinnerens kontrahiert das Glasteil, und es bilden sich so genannte Schrumpfeinzüge in den Glasteilflächen aus, die auch als Flächeneinzüge bezeichnet werden.
Die DE 10034507 C1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von Mikrostrukturen auf einem Glassubstrat nach der Heißformtechnologie. Bei diesem Verfahren wird ein Formgebungswerkzeug eingesetzt, dessen Oberfläche entsprechend dem Negativ der zu erzeugenden Mikrostruktur strukturiert ist. Die Struktur im viskos vorliegenden Glas oder Kunststoff wird durch Aufpressen des Formgebungswerkzeuges geformt und durch Abheben des Formgebungswerkzeuges entformt. Das Formgebungswerkzeug weist hierbei einen zumindest teilweise porösen Grundwerkstoff mit offener Porenstruktur auf. Während des Formens der Struktur wird mit Unterdruck und während des Entformens mit Überdruckgearbeitet. Das Ansaugen der Luft unterstützt hierbei das Ausfüllen der Strukturen mit Glas, wohingegen das Einblasen der Luft die Entformungsvorgänge unterstützt.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde die Herstellung von Glasformteilen so durchzuführen und ein derartiges Formgebungswerkzeug bereitzustellen, dass die Abformung des Formgebungswerkzeuges möglichst konturpräzise erfolgt. Für den Fall, dass das Formgebungswerkzeug Kanten aufweist, soll es so geartet sein, dass der Kantenradius des hergestellten Glasteiles möglichst gleich dem Kantenradius des Formgebungswerkzeuges ist.
Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche angegeben.
Die Problemlösung gelingt durch die Bereitstellung eines Formgebungswerkzeuges für die Herstellung eines Glasteiles nach der Heißformtechnologie, mit einem Grundkörper und darauf befindlichen Unstetigkeiten bei dem das Formgebungswerkzeug im Bereich der Unstetigkeiten mit durchgehenden Öffnungen versehen ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Oberfläche des Formgebungswerkzeuges, welche das Negativ der späteren Glasoberfläche darstellt, nur dann präzise abgeformt wird, wenn die Form vollständig mit Glas ausgefüllt wird. Um dieses Erfordernis zu erfüllen sind im Bereich der vorhandenen Unstetigkeiten durchgehende Öffnungen vorgesehen. Durch Beaufschlagung der besagten Oberfläche des Formgebungswerkzeug mit einem Unterdruck wird Glas in Richtung des Kontaktbereiches zwischen Glasposten und abzuformender Oberfläche gesaugt, so dass es zu einer vollständigen Formausfüllung im kritischen Unstetigkeitsbereich kommt.
Als Unstetigkeiten soll im Sinne der vorliegenden Anmeldung auf kurzer Längenskala, d.h. auf mm- oder sub-mm- Längenskala vorliegende Änderungen der Oberflächentopologie verstanden werden, wie insbesondere Kanten, Erhebungen oder Ecken.
Die Bereitstellung des Unterdrucks im Bereich der Oberfläche des Formgebungswerkzeuges kann derart erfolgen, dass die dem Glasposten abgewandte Seite des Formgebungswerkzeuges mit einem Unterdruck beaufschlagt wird, und darüber von dieser rückwärtigen Seite des Werkzeuges aus durch die durchgehenden Öffnungen hindurch Glas zur abzuformenden Oberfläche gesaugt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Unterdruck bereits vorliegt, wenn auf die Oberfläche der viskose Glasposten gegeben wird. In diesem Fall wird das Glas unmittelbar, also ohne zeitliche Verzögerung in Unstetigkeitsbereiche wie Ecken oder Kanten gezogen. Damit wird das Risiko gemindert, dass das Glas bei einer mit zeitlicher Verzögerung einsetzender Krafteinwirkung in Richtung abzuformender Oberfläche zu viskos oder bereits erstarrt ist.
Das Formgebungswerkzeug ist geeignet für die Herstellung von Glasteilen mit Größen im Zentimeterbereich und größer. Bei derart großen Produkten bedarf es zur vollständigen Formausfüllung eines hinreichend großen Durchströmungswiderstandes um über den Unterdruck das Glas vollständig in die Form zu ziehen. Hierzu dienen die besagten durchgehenden Öffnungen, die zumindest im kritischen Unstetigkeitsbereich vorgesehen sind.
Der in das Formgebungswerkzeug eingebrachte Glasposten weist eine Viskosität von unter 10⁹ dPas auf, bevorzugt zwischen 10³ und 10⁶ dPas, so dass nicht nur ein sehr begrenztes plastisches Verformen, sondern ein wirkliches viskoses Fließen stattfinden kann. Liegen die Viskositätswerte höher, so sind die durch den Unterdruck erzielbaren Kräfte zunehmend kleiner gegenüber den für eine Verformung notwendigen Kräften, so dass es zunehmend schwerer fällt, eine Formfüllung zu gewährleisten.
Soll beispielsweise ein Glasteil mit einer Kante hergestellt werden welche einen engen Kantenradius aufweist, so ist der minimale erreichbare Radius theoretisch in der Größenordnung des Gleichgewichtsradius des Glases, in der Praxis jedoch etwas größer. Der Gleichgewichtsradius des Glases ohne Unterdruck würde sich bei einem idealen Gleichgewicht aus dem Kapillardruck und dem auf der Kante lastenden hydrostatischen Druck einstellen. Er kann gemäß der Formel
abgeschätzt werden. Hierbei ist σ die Oberflächenspannung des Glases, g die Gravitationskonstante, ρ die Glasdichte und H die Höhe der Glassäule über der Kante. Bei typischen Glasdaten wie σ = 0,3 N/m, ρ = 2500 kg/m³ ergibt sich z.B. bei H = 40 mm ein Gleichgewichtsradius von 0,3 mm. In der Praxis ist der erreichte Gleichgewichtsradius etwas größer, da die Zeit, bis sich dieser Gleichgewichtsradius einstellt, noch von der Viskosität des Glases abhängt. In der Praxis mit gekühlten Formen und kurzen Zykluszeiten bedeutet dies in der Regel, dass an den kritischen Stellen der tatsächlich erzielte Kantenradius ohne Unterdruck bis zu einen Faktor 10 größer ausfällt, im oben genannten Beispiel also bei ca. 3 mm liegen würde.
Mit den durchgehenden Öffnungen dagegen ist der erzielte Kantenradius auch in der Praxis deutlich kleiner, nämlich in der Größenordnung des o.g. Gleichgewichtsradius von 0,3 mm, oder sogar darunter.
Um Schrumpfeinzüge in den Glasteilflächen, die so genannten Flächeneinzüge, zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass eine porös ausgebildete Form bzw. ein porös ausgebildetes Formwerkzeug eingesetzt wird und auf seiner dem Glas abgewandten Seite einem Unterdruck ausgesetzt wird. Durch das Anlegen des Unterdruckes durch das porös ausgebildete Formgebungswerkzeug hindurch wird das Glas ebenfalls angesaugt und gleichsam an der Oberfläche des Formgebungswerkzeuges „festgehalten."
Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Glasposten im Formgebungswerkzeug druckbeaufschlagt wird. Dies verbessert die Raumausfüllung im Pressbereich. Über eine konkave Formung des Pressstempels kann dabei der auf der druckbeaufschlagten Fläche erwartete Schrumpfeinzug vorgehalten werden.
Nach erfolgtem Formen des Glasteiles wird zum Unterstützen des Entformens der Unterdruck abgeschaltet oder der abzuformenden Oberfläche durch die Öffnungen des Formgebungswerkzeuges hindurch Druckluft zugeführt. Alternativ oder kumulativ kann auch Druckluft durch die poröse Struktur des Formgebungswerkzeuges geleitet werden.
Das vorgesehene Formgebungswerkzeug weist durchgehende, vorzugsweise bohrlochartige Öffnungen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 μm bis 400 μm auf. Die Abmaße der Öffnungen werden an die Viskosität des eingegossenen Glases angepasst um ein Eindringen des Glases in die Öffnungen zu verhindern bzw. zu begrenzen. Der geeignete Radius R für die Bohrungen kann wie folgt ermittelt werden: Die Eindringtiefe L(t) des Glases zum Zeitpunkt t in die Bohrung lässt sich gemäß der folgenden Formel abschätzen:
Dabei ist Δp die anliegende Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Glases und der mit Unterdruck beaufschlagten Öffnung σ ist die Oberflächenspannung des Glases und η seine Viskosität, welche vom Temperaturverlauf T(t) abhängt. Der Temperaturverlauf lässt sich gemäß der Formel
abschätzen. Hierbei ist T₀ die Anfangstemperatur des Glases beim Eingießen in das Formgebungswerkzeug, und T_F ist die Formtemperatur. Mit h ist die Kontakt-Wärmeübergangskoeffizient Glas/Form bezeichnet und c_p ist die Wärmekapazität des Glases. ρ steht für die Dichte des Glases. Für T₀ = 1000°C, T_F = 600°C, ρ = 2500 kg/m³ und h = 200 W/m²K ergibt sich beispielsweise aus obigen Formeln, dass der Bohrungsradius kleiner als 100 μm sein muss, um ein Eindringen des Glases längs einer Strecke von weniger als 150 μm zu gewährleisten. Bei anderen Viskositäten des eingebrachten Glases ergeben sich demgemäß andere Werte für die bevorzugten Radien R.
Alternativ oder kumulativ zu den vorgenannten durchgehenden Öffnungen kann auch mindestens ein durchgehender Schlitz vorgesehen sein. Wird der Schlitz anstelle der durchgehenden Öffnungen gewählt, so weist der bevorzugt einen ähnlichen Durchströmungswiderstand auf wie die durchgehenden Öffnungen. Der Schlitz ist hinsichtlich seiner Form an die Geometrie des Formgebungswerkzeuges bzw. der abzuformenden Unstetigkeiten angepasst.
Das Formgebungswerkzeug kann ferner zumindest teilweise aus einem porösen Material gefertigt sein, vorzugsweise solches mit offener Porenstruktur. Als poröse Materialien eignen sich z.B. Sintermetalle, Sinterstahl, Keramiken, Grafit oder Metallgewebe, welche die erforderliche Hitzebeständigkeit aufweisen.
In der praktischen Anwendung des Verfahrens haben sich ferner solche Materialen als vorteilhaft herausgestellt, die eine Permeabilität von mehr als 10^–15 m², bevorzugt zwischen 10^–15 und 10^–13 m² aufweisen, wobei diese Permeabifität gemäß der Norm DIN EN 993-4 (1995) bestimmt wurde. Hierüber lassen sich marktgängige Glassorten gut heißformen.

Claims

Formgebungswerkzeug für die Herstellung eines Glasteiles nach der Heißformtechnologie, mit einem Grundkörper und darauf befindlichen Unstetigkeiten, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug im Bereich der Unstetigkeiten mit durchgehenden Öffnungen versehen ist.
Formgebungswerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bohrlochartige Öffnungen mit einem Durchmesser im Bereich von 100 μm bis 400 μm vorgesehen sind.
Formgebungswerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug mindestens einen durchgehenden Schlitz aufweist.
Formgebungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug zumindest teilweise aus einem porösen Material gefertigt ist.
Formgebungswerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als poröses Material ein Sintermetall, Sinterstahl, eine Keramik, Grafit oder ein Metallgewebe vorgesehen ist.
Formgebungswerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Formgebungswerkzeuges eine Permeabilität von mehr als 10^–15 m² aufweist.