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"Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Kapillar-
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röhrchen aus Glas oder Quarz" Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren zur Herstellung von Kapillarröhrchen aus Glas oder Quarz, insbesondere
für DUsen in Tintenstrahldrucxern, wobei ein Teil eines Rohres aus Glas oder Quarz
in einer Heizzone bis in seinen zähflüssigen Zustand erhitzt und durch Ausüben einer
ZugKraft auf das Rohr ausgezogen wird sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens-Bei TintenstrahldrucKern, die z.B. als Ausgabeeinheiten von Rechenanlagen
dienen, wird das zu beschriftende Papier mit feinen Farbtröpfchen beschossen, deren
Flug so gelenKt wird, daß sie sich zu Schriftzeichen zusammenfügen. Die praKtische
Ausführung eines FarbstrahldrucRers beginnt mit der KontruRtion des sogenannten
Tropfengenerators. Im Tropfengenerator wird die Farbe mit einem DrucK von einigen
bar durch Düsen gepreßt. Die RücKwand des Farbbehälters ist fest mit einem piezoeleKtrischen
Kristall verbunden, der die hochfrequente Schwingung einer Synchronisationsspannung
in eine mechanische Schwingung umsetzt. Dadurch schwanKt der DrucK in der Farbe
periodisch, wodurch der durch die Düse des Tropfengenerators gepreßte Farbstrahl
in regelmäßigen Abständen leichte Einschnürungen erhält, die sich im Verlauf des
Fluges weiter verengen und den Strahl schließlich in Tröpfchen gleicher Größe zerfallen
lassen, die mit einheitlicher GeschwindigKeit und mit untereinander gleich großen
Abständen zum Papier fliegen.
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Es ist einleuchtend, daß die Schärfe und Konturengenauig-Keit der
auf diese Weise zu drucKenden Zeichen von der geometrischen Beschaffenheit der Düsen
des Tropfengenerators abhängig ist; je feiner diese Düsen ausgebildet werden
Können,
desto schäfer wird das Schriftbild.
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Die präzise Herstellung feiner Düsen macht bislang SchwierigKeiten.
Die Größe solcher Düsen hat einen Innendurchmesser in der Größenordnung von 10 bis
75 /um bei einem Außendurchmesser von etwa 100 bis 1500 /um. Um einen gleichförmigen
DrucK und eine Richtungsstabilität zu erhalten, müssen die Abmessungen der Düsenöffnungen
in einer Toleranz von + 0,5 1um gehalten werden. Es sind sehr unterschiedliche Verfahren
für die Herstellung von Düsen für TintenstrahldrucKer beKannt. Diese Verfahren umfassen
das Bohren von glasartigem Kohlenstoff mit Laserstrahlen, reaKtives Ionenätzen von
Quarzsubstraten, das Bohren von Löchern in Edelstahl mit anschließendem Glätten
und Polieren oder das Ultraschallbohren von Löchern in Saphiren und Rubinen. Einen
besonders hohen Grad von GleichförmigKeit und Präzision erreichen aus Glas oder
Quarz gezogene Düsen.
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Im Handel erhältliche Kapillarröhrchen besitzen nicht die für Düsen
in TintenstrahldrucKern erforderliche Präzision, da die übliche Toleranz Z + 1,25
/um bis + 5 /um für den Innendurchmesser beträgt. Diese Toleranzen sind zu weit
für die Erzeugung glelchmäßiger Tröpfchen mittels der Düsen in TintenstrahldrucKern.
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Aus der DE-OS 26 13 228 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Herstellung von Präzisionsglasrohren, die als Düsen von Tintenstrahldructern verwendbar
sind, beKannt.
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Ein auszuziehendes Glasrohr wird lotrecht in eine Vorrichtung mit
unter anderem einer Heizstation eingesetzt, wobei der Transport und die Führung
des Glasrohres erfolgt über einen EleKtromotor und mehrere Transportrollenpaare,
die durch FederKraft in einem dem Jeweiligen Durchmesser des Glasrohres entsprechenden
Abstand angeordnet sind.
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Diese beKannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß die für das
Ausziehen
der Präzisionsglasrohre aufzuwendende ZugKraft nicht dem sich mit dem sich verjüngenden
Querschnitt des auszuziehenden Rohres verringernden Widerstand des Glasrohres fein
genug anpaßbar ist und daß sie darüberhinaus über mehrere mechanische Zwischenglieder
- Zugrollen -auf das auszuziehende Rohr übertragen wird, was bei der erforderlichen
hohen Präzision und den geringen Abmessungen der Röhrchen zu SchwierigKeiten und
ungenauen Arbeitsergebnissen führen Kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die Herstellung von
Kapillarröhrchen aus Glas oder Quarz ein Verfahren und eine einfachere Vorrichtung
anzugeben, mit denen gleichmäßigere Ausziehbedingungen erreicht werden Können als
mit dem beKannten Verfahren und der beKannten Vorrichtung.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als ZugKraft
zum Ausziehen des Rohres die magnetische Kraft mindestens zweier sich gegenseitig
abstoßender Magnete eingesetzt wird.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist aufgebaut
aus zwei, die Enden des Rohres greifende Halterungen, eine in einer Zone zwischen
den beiden Halterungen angeordnete Heizeinreichtung und eine an eine der Halterungen
über ein Koppelglied angeKoppelte Zugvorrichtung aus einer in Achsrichtung des auszuziehenden
Rohres bewegbarenZugstange, an deren der Halterung des Rohres zuge-Kehrtem Ende
das Koppelglied befestigt ist und an deren anderem Ende mindestens ein Magnet befestigt
ist, dem gegenüber mindestens ein zweiter Magnet derart fest positioniert ist, daß
sich gleiche magnetische Pole des (der) ersten Magneten (Magnete) und des (der)
zweiten Magneten (Magnete) gegenüberliegen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß außerordentlich gleichmäßige Ausziehbedingungen erhalten werden, weil die ZugKraft
keine Konstante Größe hat, sondern während des Prozeßverlaufes abnimmt. Dabei ist
zu berücKsichtigen, daß der Querschnitt des Rohres sich beim Ausziehen verringert.
Bei einer Zugkraft mit Konstanter Größe würde das Ausziehen des Rohres zu einer
Kapillare nahezu ruckartig erfolgen, weil sich der Querschnitt des auszuziehenden
Rohres schnell verringert und damit der Widerstand, den das auszuziehende Rohr der
ZugKraft entgegensetzt, schnell nachläßt. Beim Verfahren und der Vorrichtung gemäß
der Erfindung liegen die Verhältnisse dagegen so, daß die ZugKraft durch die mit
dem Quadrat der Entfernung der beiden Dauermagnete voneinander Kleiner werdende
AbstoßungsKra& immer geringer wird; damit wird der der ZugKraft entgegengesetzte
immer Kleiner werdende Widerstand des auszuziehenden Rohres in etwa ausgeglichen,
und es Kann ein sehr viel gleichmäßigeres Ausziehen des Rohres zu einem als DUse
verwendbaren Kapillarröhrchen erreicht werden, als wenn eine konstant bleibende
ZugKraft eingesetzt wird. Dem geringer werdenden Widerstand des auszuziehenden Rohres
wird eine geringer werdende ZugKraft entgegengesetzt. Es hat sich gezeigt, daß die
Kontinuierlich sich verringernde ZugKraft, wie sie über die mit dem sich vergrößernden
Abstand sich abstoßender Magnete erreicht werden Kann, zu besonders gleichmäßig
und maßgenau ausgezogenen KapiDarröhrchen führt.
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Nach bevorzugten Weiterbildungen des Verfahrens wie auch der Vorrichtung
gemäß der Erfindung wird als ZugKraft zum Ausziehen des Rohres die magnetische Kraft
mindestens zweier sich gegenseitig abstoßender Dauermagnete oder mindestens zweier
steuerbarer EleKtromagnete eingesetzt.
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Die Anwendung von EleKtromagneten hat den Vorteil, daß die ZugKraft
sehr präzise eingestellt werden Kann, da der
Strom zum Betrieb
der EleKtromagnete und damit die MagnetKraft genauestens regulierbar ist.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht
das Koppelglied aus einem Dauermagneten und diesem gegenüber ist ein ferro- oder
ferrimagnetisches, fest mit der der Zugvorrichtung gegenüberliegenden Halterung
verbundenes Bauteil angebracht.
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Diese magnetische AnKopplung des auszuziehenden Glasrohres an die
Zugvorrichtung hat gegenüber einer z.B. mechanischen
den Vorteil,
daß Keine besondere Manipulation, wie z.B.
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über eine Rlauen- oder Rlinzenartige Drehverbindung, zur VerKopplung
des auszuziehenden Rohres mit der Zugvorrichtung erforderlich ist.
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Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben
und in ihrer WirKungsweise erläutert.
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Die einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung der Vorrichtung mit
der das erfindungsgemäße Verfahren ausführbar ist.
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Ein auszuziehendes Rohr 1 aus Glas oder Quarz ist mit Hilfe von zwei
Halterungen 3 und 5 in Form von z.B. Spannfuttern, die fliegend mit dem auszuziehenden
Rohr verbunden sind, waagerecht gehalten. Das auszuziehende Rohr 1 Kann entweder
in einer prismatischen Aufnahme liegen oder es Kann, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel,
in passenden Buchsen 41 gelagert sein. Das hat den Vorteil, daß sich das auszuziehende
Rohr selbst zentriert. Die Halterungen 3 und 5 sind fest verbunden mit je einem
Zahnrad 7 und 9, über welche das Rohr 1 mittels eines auf einer Welle 39 angeordneten
Paares von Zahnrädern 11 und 13 und eines Motors 15, auf dessen Welle ein Antriebszahnrad
17 befestigt ist, um seine Längsachse drehbar ist.
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Nachdem das Material des Rohres 1, z.B. Glas, durch Aufheizung mit
der Heizvorrichtung, z.B. einer Heizschlinge 19, im Bereich dieser Heizvorrichtung
in einen zähflüssigen Zustand gebracht ist, Kann das Rohr 1 ausgezogen werden.
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Soll nicht Glas sondern Quarz verarbeitet werden, ist nicht eine Widerstandsheizung
in Form einer Heizschlinge oder Drahtwendel anzuwenden, sondern eine Heizeinrichtung,
die die für die Erweichung von Quarz erforderlichen hohen Temperaturen erzeugen
Kann, z.B. Brenner, die mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff/Sauerstoff oder Propan/Sauerstoff
gespeist
werden.
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Derartige Brenner sind selbstverständlich auch bei der Verarbeitung
von Gläsern einzusetzen. Die hierfür erforderliche ZugKraft wird erhalten aus der
magnetischen Kraft mindestens zweier sich abstoßender Dauermagnete 21 und 23, die
über ein magnetisches Koppelglied aus einem Dauermagneten 25, dem gegenüber ein
ferro- oder ferrimagnetisches, fest mit der der Zugvorrichtung gegenüber liegenden
Halterung 5 verbundenes Bauteil 27, z.B. eine StahlKugel, auf das auszuziehende
Rohr 1 übertragen wird.
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Der Dauermagnet 25 des Koppelgliedes ist fest mit einer Zugstange
29 verbunden, auf der außerdem Halteelemente 31 und 33 senKrecht befestigt sind.
Die Halteelemente 31 und 33 Können z.B. Blattfedern oder auch GelenKe sein. Sie
dienen dem ZwecK, eine Parallelführung für die Zugstange 29 zu bilden. Die Zugstange
29 Kann jedoch auch z.B.
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magnetisch gelagert sein. Die Halteelemente 31 und 33 sind an ihrer
der Zugstange 29 abgeKehrten Seite fest mit einem Halterahmen 35 verbunden, an welchem
darüberhinaus zwischen den beiden Halteelementen 31 und 33 ein Haltestab 37 fest
angebracht ist, an dessen dem Halterahmen 35 abge-Kehrten Ende der Dauermagnet 21
gegenüber dem Dauermagneten 23 fest positioniert ist. Die beiden Dauermagnete 21
und 23 sind so angeordnet, daß sich Jeweils gleiche Magnetpole, in dem hier beschriebenen
Beispiel die Südpole S, gegenüberliegen , so daß sie sich also gegenseitig abstoßen.
Ist beispielsweise eine magnetische Lagerung der Zugstange 29 vorgesehen, Kann durch
diese Lagerung gleichzeitig die für das Ausziehen des Rohres erforderliche magnetische
ZugKraft erzeugt werden. Bevor das Material des Rohres 1 durch Erhitzen mit der
Heizschlinge 19 in einen zähflüssigen Zustand gebracht ist, wird der Halterahmen
35, der schwenK-bar gelagert ist, so positioniert, daß der Dauermagnet 25 in eine
Position gegenüber dem Bauteil 27 gelangt und eine magnetische Kopplung zwischen
der Halterung 5 des Glas-
rohres 1 und der Zugstange 29 entsteht.
Dadurch, daß das Material des Rohres 1 im Bereich der Heizschlinge 19 zähflüssig
ist, wird der magnetischen AbstoBungstraft der Dauermagnete 21 und 23 Jetzt weniger
Widerstand von Seiten des Rohres 1 entgegengesetzt, und der Dauermagnet 23 Kann
sich von dem Dauermagneten 21 entfernen.
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Mit dem Auseinanderstreben der beiden Dauermagnete 21 und 23 verringert
sich die magnetische Kraft mit dem Quadrat der Entfernung der beiden Dauermagnete
voneinander, sie wird also schnell schwächer. Dies wirKt sich vorteilhaft aus auf
das Ausziehen des Rohres 1: mit immer geringer werdendem Querschnitt wird die Kraft,
die der magnetischen ZugKraft entgegengesetzt wird, auch geringer, so daß ein Ausziehprozeß
unter sehr gleichmäßigen Bedingungen erreicht wird.
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Wahrend des Erhitzungs- und Ausziehprozesses wird das Rohr 1 zwecKmäßigerweise
gedreht. Dies wird über die auf den Halterungen 3 und 5 angeordneten Zahnräder 7
und 9 und über die auf der Welle 39 angeordneten, in die Zahnräder 7 und 9 eingreifenden
Zahnräder 11 und 13 erreicht, wobei das auf der Welle des Motors 15 angebrachte
Antriebszahnrad 17 in das Zahnrad 11 eingreift. Das Zahnrad 13 soll um etwas mehr
als den Betrag der Verlängerung des Glasrohres 1 mit dem Ausziehen breiter sein
als das in es eingreifende Zahnrad 9.
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Der Grund hierfür ist, daß auch bei Ausziehen des Rohres 1 und seiner
damit verbundenen Verlängerung eine Drehbewegung des Glasrohres 1 gewährleistet
sein soll.
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Das auszuziehende Rohr 1 weist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen
vor dem Ausziehen einen Innendurchmesser von 200 bis 780 /um und einen Außendurchmesser
von 320 bis 1000 um auf.
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Die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Düsen weisen eine
Länge von 1,0 bis 2,5 mm auf und haben einen
Außendurchmesser von
150 bis 200 /um bei einem Innendurchmesser von 30 bis 80, vorzugsweise 50 /um.
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Einige von im Handel erhältlichen Glasarten, die für die Herstellung
der beschriebenen Düsen verwendbar sind, sind mit ihren Eigenschaften in den folgenden
Tabellen I und II angeführt; die Anwendung des vorliegenden Verfahrens und der vorliegenden
Vorrichtung ist Jedoch nicht auf diese beispielsweise aufgeführten Glasarten beschränKt.
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T A B E L L E I Thermische Eigenschaften der Glasarten
| Glasart Ausdehnungskoeffizient Temperatur des Glases in °C |
| α x 10-7/°C bei den Viskositäten (Poise) |
| (Bereich 20-300°C) 1014,5 1013,0 107,6 |
| Weichglas 88 490 535 708 |
| Hartglas 32 510 568 815 |
T A B E L L E II
| Glasart Anfangs- Anfangs- Temperatur Ziehge- Düsenaus- Düsenaus- |
| innendurch- außendurch- (°C) inner- schwindig- tritts- tritts- |
| messer (µm) messer µm) halb der keit öffnung öffnung |
| Heizzone (mm/s) Innen- Außendurch- |
| durch- messer |
| messer (µm) (µm) |
| Weichglas 390 750 # 1000 # 3,5 50 150 |
| Hartglas 390 750 # 1400 # 3,5 50 150 |
| Weichglas 780 1000 # 1000 # 1,8 50 200 |
| Hartglas 780 1000 # 1400 # 1,8 50 200 |
| Weichglas 200 320 # 1000 > 3,5 50 150 |
| Hartglas 200 320 # 1400 > 3,5 50 150 |
Die Auszieh-Anfangskraft liegt je nach Glasart und Durchmesser des auszuziehenden
Rohres und abhängig von der Heiztemperatur bei 10 - 75 g; die erforderlichen Werte
sind empirisch zu ermitteln.
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BEZUGSZEICHENLISTE 1 Rohr 3 Halterung 5 Halterung 7 Zahnrad 9 Zahnrad
11 Zahnrad 13 Zahnrad 15 Motor 17 Antriebszahnrad 19 Heizschlinge 21 Dauermagnet
23 Dauermagnet 25 Dauermagnet 27 Bauteil 29 Zugstange 31 Halteelement 33 Halteelement
35 Halterahmen 39 Haltestab 39 Welle 41 Buchse