DE2706041A1

DE2706041A1 - Verfahren und vorrichtung zur formung einer masse mittels schallenergie

Info

Publication number: DE2706041A1
Application number: DE19772706041
Authority: DE
Inventors: Daniel Draudt Elleman; Taylor Gun-Gin Wang
Original assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Current assignee: National Aeronautics and Space Administration NASA
Priority date: 1976-02-13
Filing date: 1977-02-12
Publication date: 1977-08-18
Also published as: GB1522591A; FR2340781A1; FR2340781B1; CA1091026A; NL7700620A; JPS5298719A; US4052181A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B.Jochem

Frankfurt/Main Staufenatraße 36

National Aeronautics and
Space Administration (NASA)

Washington, D.C. 20546
USA

Verfahren und Vorrichtung zur Formung einer Masse mittels Schallenergie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Formung einer durch stehende Schallwellen in der Schwebe gehaltenen, durch Erwärmung vorübergehend zu erweichenden Masse mittels Schallenergie.

Bei vielen industriellen Verfahren müssen Materialien geschmolzen werden, wobei auch Verschmutzungen zu vermeiden sind, die sich bereits aus der Berührung der Schmelze mit den Wänden einer Form oder eines Behälters ergeben. AIr.-Beispiele seien erwähnt, daß z.B. optisches Glas bei der Herstellung von Lichtleitern und Silizium bei der Herstellung von Solarzellen oft in komplizierte Formen gebracht werden müssen, während sogar kleinste Verunreinigungen zu vermeiden sind. In der US-PS 3 882 732 sind zu diesem

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Zweck ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, wonach die zu verformende I.Tasse mittels stehendrr Schallwellen in einer Kammer in der Schwebe gehalten und auch mittels Schallenergie zu einfachen geometrischen Formen umgeformt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Anwendungsbereich des vorstehend genannten Verfahrens auf kompliziertere Formen zu erweitern, und zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art vorgeschlagen, bei dem nur ein mittlerer Bereich der Fasse erwärmt und auf gegenüberliegende äußere Bereiche der Fasse ein ausreichend starker Schalldruck ausgeübt wird, um den erweichten mittleren Bereich, seitlich ausbauchend, zusammenzudrücken.

In einer weiteren Ausführung des eingangs genannten Verfahrens ist vorgesehen, daß aus der wenigstens stellenweise erweichten Kasse Material in Form eines Faden» kontinuierlich abgezogen v/ird, auf den während seiner Abkühlung von gegenüberliegenden Seiten ein ausreichend starker Schalldruck ausgeübt wird, um ihn zu einem Band abzuflachen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung der vorstehend genannten Verfahren besteht aus einer Kammer mit an den Wänden angeordneten Schallerzeugern zur Erzeugung stehender Schallwellen ausreichender Stärke, um eine Kasse in der Schwebe zu halten, und zusätzlichen Schallerzeugern zur Beaufschlagung der Kasse mit einem sie verformenden Schalldruck, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schallwellen der zusätzlichen Schallerzeuger wenigstens das zehnfache der niedrigsten Frequenz, bei welcher sich in der Kammer eine stehende Welle bildet, beträgt.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Verformung einer in einem ersten Stadium gezeigten Kasse;

Fig. 2 einen Querschnitt nach Schnittlinie 2—2 in Fig. 1 während einer späteren Phase der Verformung der Masse;

Fig. 3 ein perspektivisches Prinzipschaubild zur Veranschaulichung eines anderen Formverfahrens;

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung des

Formvorgangs nach Fig. 3 in einem späteren Stadium;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Durchführung eines nochmals abgewandelten Formverfahrens.

Fig. 1 und 2 zeigen ein Verfahren zur Formung eines Klumpens 10 aus einem für die Faseroptik geeigneten Material, dergestalt, daß sein Querschnitt ein Oval mit entgegengesetzten Enden 12, 14 und quer dazu liegenden Ausbauchungen 16, 18 aufweist (siehe Fig. 2). Aus dem so geformten Klumpen wird dann später eine lange optische Faser gezogen, welche in der Lage ist, mittels modulierter Lichtwellen große Informationsmengen zu übertragen. Es hat sich herausgestellt, daß die Faser, welche man aus dem erhitzten und dann auseinandergezogenen Klumpen in der Form nach Fig. 2 zieht, dessen Querschnittsform beibehält. Die Ausbauchungen 16, 18 haben dabei den Zweck, die Art der Fortpflanzung des Lichts in der Faser zu beeinflussen bzw. auszuwählen. Auf jeden Fall kommt es aber entscheidend darauf

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an, daß der Materialklumpen 10 absolut frei von Verunreinigungen ist, da diese in der optischen Faser groß genug sein könnten, um den Durchlaß von Licht zu behindern oder zu blockieren. Bei dem heutigen Entwicklungsstand bei der Herstellung gezogenen Pasermaterials muß noch mit 80 % Ausschuß gerechnet werden.

Nach dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren dient als Ausgangsmaterial ein Klumpen 10 A mit etwa ovalem Querschnitt. Dieser wird erreicht, indem man eine Masse aus faseroptischem Material durch Erwärmung in einen Zustand niedriger Viskosität bringt, v/ährend die Kasse im Inneren einer Kammer 20 mittels Schallenergie in der Schwebe gehalten wird. Im Beispielsfall v/erden r.echs Schallerzeuger 21-26 dazu benutzt, um in der Kammer eine Wellenstruktur aus stehenden Schallwellen zu erzeugen, wobei in der Mitte der Kammer ein Punkt oder Bereich geringsten Schalldrucks besteht, zu dem hin die Masse gedruckt wird. Dabei erregt z.B. ein elektrischer Oszillator 27 den Schallerzeuger 25 mit einer Frequenz, bei welcher die Wellenlänge der Schallwellen in der Kammer zweimal so lang ist wie die Höhe der Kammer. Ein anderer Oszillator 29 erregt einen Schallerzeuger mit einer Frequenz, bei welcher die zugehörige Wellenlänge der Schallwellen in der Kammer zweimal so lang ist wie deren Länge. Schließlich erregt ein dritter Oszillator 31 den Schallerzeuger 23 mit einer Frequenz, bei welcher die zugehörige Wellenlänge der Schallwellen in der Kammer zweimal so lang ist wie deren Breite. Die Schallerzeuger 21, 22, welche in Richtung der gewünschten Längsausdehnung des Klumpen 10 A liegen, werden nur mit geringer Energie erregt. Die Schallerzeuger 25, 26 dagegen werden mit hoher Energie erregt, wodurch der Klumpen abgeflacht wird. Die Schallerzeuger 23, 24 schließlich werden mit mittlerer Energie erregt. Nachdem der Klumpen 10 A die gewünschte längliche Form mit ovalem Querschnitt erreicht hat, läßt man ihn unter Beibehaltung dieser Form abkühlen.

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Wenn der Klumpen 10 A soweit abgekühlt ist, daß er hart oder sehr viskos geworden ist, wird der mittlere Bereich 10 c z.B. mittels eines Laserstrahls aus einem geeigneten Laser 30 erwärmt, der in einem bestimmten Abstand d von der hinteren Kammerwand angeordnet ist und einen Strahl solcher Farbe erzeugt, wie sie von dem Material des Klumpens absorbiert wird. Selbstverständlich können auch die beiden gegenüberliegenden Seiten des Klumpens gleichzeitig mittels zweier Strahlenquellen erwärmt werden. Nachdem der mittlere Bereich 10c des Klumpens durch Erwärmung eine niedrige Viskosität erreicht hat, werden die Schallerzeuger 23, 24 auf hohem Energieniveau erregt, so daß beträchtliche Kräfte, die in der Zeichnung durch Pfeile 32, 33 angedeutet sind, auf die gegenüberliegenden Enden 12, 14 des ovalen Querschnitts des Klumpens ausgeübt v/erden. Dadurch v/erden die verhältnismäßig festen Enden 12, 14 aufeinander zu und der mittlere Bereich wird zwischen ihnen zusammengedrückt und bildet dabei Ausbauchungen 16, 18. Während dieser Beaufschlagung mit Schallenergie läßt man den Klumpen abkühlen. Danach kann man ihn zu optischen Fasern ausziehen, welche dieselbe Querschnittsform wie der Klumpen erhalten.

In Fig. 3 und 4 ist ein Verfahren zur Herstellung eines flachen Bandes 40 aus einem Material wie z.B. Silizium dargestellt, welches z.B. für die Herstellung von Solarzellen und anderen elektronischen Einrichtungen in Bandform gebraucht wird. Das Verfahren geht aus von einer Kasse 42 hochreinen Siliziums , welche mittels Schall— energie und/oder einer bei 44 angedeuteten mechanischen Unterstützung gehalten wird, während ein Faden 46 von der Masse abgezogen wird. Normalerweise hat der Faden einen kreisrunden Querschnitt, der oftmals nicht brauchbar ist. Gemäß der Erfindung werden nun auf gegenüberliegenden Seiten des Fadens 46 Schallerzeuger 48, 50 angeordnet, die einen Schalldruck auf den Faden ausüben

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und ihn so zu einem Band 40 flachdrücken. Die Schnllenergie kann dadurch aufgebracht werden, daß der Fndon teilweise in einem Rohr 52 eingeschlossen wird und die Schallerzeuger 48, 50 mit einer Frequenz erregt werden, die mit der Höhe des Rohrs harmoniert, so daß darin eine stehende Schallwelle gebildet wird. Alternativ könnten die Schallerzeuger 48, 50 auch mit hochfrequenten Strömen erregt werden. Die Formung findet vorzugsweise in einer aus einem inerten Gas bestehenden Atmosphäre statt, um Verunreinigungen zu verhindern.

Fig. 5 vero.nschaulicht ein weiteres Verfahren der Umformung einer Kasse in einen Gegenstand 60 mit komplizierter Gestalt, ohne daß dabei die I.Tasse die Wand einer Form berührt und dadurch möglicherweise verunreinigt würde. Die dargestellte Vorrichtung hat "«"finde 62, die eine die I'asse aufnehmende rechteckige Kammer begrenzen. Drei Schallerzeuger 64, 66, 68 erzeugen Schallwellen niedriger Frequenz, welche in der Kammer stehende Schallwellen bilden, die die I.Tasse in der Mitte der K;unmer halten. Dabei wird z.B. der Schallerzeuger 64 durch einen elektrischen Oszillator 67 mit einer Frequenz erregt, bei v/elcher die Wellenlänge der Schallwelle in der Kammer das zweifache der Höhe der Kammer beträgt. V/eitere Oszillatoren 65, 69 erregen die Schallerzeuger 64 bzw. 68 mit Frequenzen, bei welchen die Wellenlängen der Schallwellen in der Kammer das zweifache der Kammerlange bzw. der Kammerbreite betragen.

Zusätzlich sind Schallerzeuger 71-82 vorgesehen, die durch nichtgezeigte Oszillatoren mit einer viel höheren Frequenz erregt werden , welche vorzugsweise wenigstens das zehnfache der niedrigsten Frequenz beträgt, bei welcher sich in der Kammer eine Struktur aus stehenden Schallwellen ergibt. Durch die zuletzt genannten Schallerzeuger v/erden auf ausgewählte Bereiche der Masse Druckkräfte ausgeübt.

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Die Kasse wird bis zum geschmolzenen Zustand erhitzt, während sie durch die Schallerzeuger 64—68 in der Schwebe gehalten wird. Im geschmolzenen Zustand wird die I.!asse durch die Schallerzeuger 71—Ö2 zu der gewünschten Gestalt umgeformt, z.B. zu einer kreuzförmigen Gestalt gemäß Pig. 5, und in dieser Form bis zur Erstarrung gehalten. Eine Masse kann auf diese Weise eine Vielzahl von Formen erhalten, ohne daß sie mit der Wand einer Spezialform in Berührung kommen müßte. Die neue Technik ist deshalb vor allem dort nützlich, wo Verunreinigungen einer Masse vermieden werden müssen und/oder wo zu schmelzende Materialien einen sehr hohen Schmelzpunkt haben.

Patentansprüche

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Formung einer durch stehende Schallwellen in der Schwebe gehaltenen, durch Erwärmung vorübergehend zu erweichenden Masse mittels Schallenergie, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein mittlerer Bereich der Masse erwärmt und auf gegenüberliegende äußere Bereiche der r.'anr>e ein ausreichender starker Schalldruck ausgeübt wird, um den erweichten mittleren Bereich seitlich ausbauchend zusammenzudrücken.
2. Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus der wenigstens stellenweise erweichten Masse Material in Form eines Fadens kontinuierlich abgezogen wird, auf den während seiner Abkühlung von gegenüberliegenden Seiten ein ausreichend starker Gchalldruck ausgeübt wird, um ihn zu einem Band abzuflachen.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus einer Kammer mit an den Wänden angeordneten Schallerzeugern zur Erzeugung stehender Schallwellen ausreichender Stärke, um eine Kasse in der Schwebe zu halten, und zusätzlichen Schallerzeugern zur Beaufschlagung der Masse mit einem sie ver— ·*· formenden Schalldruck , dadurch ge— ο»

ο kennzeichnet, daß die Frequenz ^

der Schallwellen der zusätzlichen Schaller— £J zeuger (48, 50; 71-82) wenigstens das zehnfache '°°

der niedrigsten Frequenz, bei welcher sich in der ο Kammer (5?;,62) stehende Wellen bilden, beträgt.

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ORIGINAL INSPECTED