DE3306253C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Gießen von Formteilen aus Glas - Google Patents

Abstract

Eine Glasschmelze wird unter Druck in eine temperierte Form mit einer Einströmgeschwindigkeit von 10 und 1 m/s eingefüllt. Die Volumenverminderung der Glasmasse in der Form wird bei fortschreitendem Erstarren durch Zufuhr weiterer Schmelze aus dem Gießrest, der unter Druck steht, aufgefüllt. Daraufhin wird das Formteil druckfrei in der Form bis zur Erstarrung abgekühlt, ausgeformt und ggf. entspannt. Die Form weist einen Preßzylinder (5) mit Preßkolben (6) auf, der die Glasschmelze in die Form drückt und den Nachdruck auf den Gießrest bewirkt.

Description

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man Einströmgeschwindigkeiten von 9 bis 2 m/s einhält

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Einspritzdruck von 50 bis i OOü bar anlegt

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Einspritzdruck von 250 bis 750 bar anlegt

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man der; Druck während der Zeit zwischen der Formfüllung und dem Zeitpunkt, zu dem die Glasmasse im wesentlichen verfestigt ist, vom Gießdruck allmählich bis auf 25 bis 0% des Gießdrucks absenkt

6. Verfahr:,! nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man 4en Dfick vom Gießdruck hyperbolisch absenkt

7. Verfahren nach Ansprue¹"-1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das Formteil nach dem Entfernen entspannt

S. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man das Formteil nach dem Entformen zusätzlich von 550 bis 100⁰C entspannt

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Form auf 250 bis 600° C vorwärmt oder temperiert

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine zumindest zweiteilige temperierbare oder vorwärmbare Form, deren Anguß- oder Hauptkanal mit einem Preßzylinder (5) verbunden ist, in welchem ein Preßkolben (6) wirkt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Preßkolben (6) ein Nachdruckkolben vorhanden ist, dessen Bewegungsrichtung der des Preßkolbens entspricht

12. Vorrichtung nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachdruckkolben teleskopartig verschiebbar ist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Gießen von Glas, wobei unter Glas hier nicht nur üblicherweise in der Glasindustrie verarbeitetes Glas verstanden wird, sondern auch vulkanisches Glas, wie Basalt und Lava. Diese vulkanischen Gläser lassen sich — wie in der Glasindustrie Uberlicherweise verarbeitete Schmelzen — abgießen, da sie etwa im gleichen Temperaturbereich· schmelzen und ähnliche Theologische Eigenschaften besitzen.

Aus der Gießereitechnik der metallverarbeitenden Industrie sind Druckgußverfahren bekannt, bei denen eine Metallschmelze mit einer Gießtemperatur in der Größenordnung von 650 bis 950° C plötzlich, d. h. — je nach Größe des abzugießenden Formteils — innerhalb von 0,03 bis 3 s in eine Form gepreßt wird Zur einwandfreien Formfüllur.g ist ein derartiger nahezu

ίο explosionsartiger Formfüll-Vorgang aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Metallschmelze erforderlich. Würde das Formfüllen nicht in derart kurzen Zeiten stattfinden, so könnte die Form nicht vollständig gefüllt werden, da der Wärmev-rlust der Metallschmelze über die kältere Form so groß so groß wäre, daß es zu einer vorzeitigen Erstarrung der Schmelze käme.

Aus der Kunststoff verarbeitenden Industrie sind Spritzgußverfahren bekannt, bei denen fließfähige Kunststoffmassen mit Hilfe eines Druckkolbens einer Spritzdüse zugeführt werden, welche die Kunststoffmassen in einen Ausgußverteiler oder Hauptkanal und von diesem in einen Formhohiraum drückt Die Spritzgieß-Temperaturen liegen je nach Kunststoffart in der Größenordnung von etwa 150 bis etwa 300° C.

Die Gießtemperaturen für Gläser liegen je nach Glasart zwischen etwa 800 bis 1400° C. Glasschmelzen zeichnen sich durch relativ geringe Wärmeleitfähigkeit aus. Darüber hinaus bestehen zwischen Glasschmelzen und Metallschmelzen hinsichtlich der Viskosität, dem Theologischen Verhalten und den daraus resultierenden Eigenschaften der Formkörper wesentliche Unterschiede.

Schließlich ist das Pressen von Glasgegenständen bekannt, wobei eine etwa teigige Glasmasse als Tropfen

drucklos in eine Form gefüllt und durch den Form-Schließdruck in dem Formhohiraum gepreßt wird. Bei der Herstellung von Preßglas sind Viskositäten, die einer fließfähigen Glasschmelze entsprechen, unüblich.

Aufgabe der Erfindung ist äs, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Formtei'en derart weiterzubilden, daß sich auch hochwertige, mit hoher Genauigkeit form- und maßhaltige Gegenstände einfach, schnell und sicher abgießen lassen.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst

Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit von Glasschmelzen dauert das Füllen der Form mehrere Sekunden oder mindestens mehrere Zehntelsekunden.

In der Praxis haben sich — je nach Größe des abzugießenden Gegenstandes — Formfüllzeiten zwischen 03 und 30 s als geeignet erwiesen.

3eim Gießvorgang nach der Erfindung sind drei Stufen zu unterscheiden:

A) Das Einströmen der Schmelze unter Druck bis zur vollständigen Form-Füllung;

B) das Nachdrücken von Schmelze aus dem Gießrest während der allmählichen Verfestigung der Glasmasse in der Form und schließlich

C) das Abkühlen in der Form, bis die Erstarrung soweit fortgeschritten ist, daß das Formteil entformt werden kann.

Durch die bei diesen drei Stufen herrschenden Zustände, Vorgänge und Ergebnisse unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Abguß von Glasschmelzen von der Metall-Druckgußtechnik und

von der Kunststoff-Spritzgußtechnik sowie auch von der Herstellung von Preßglas.

Je nach Größe des abzugießenden Gegenstandes läßt man bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die niederviskose Glasschmelze — im Gegensatz zu einer teigigen Masse für die Preßglasherstellung — in die Form mit Einströmgeschwindigkeiten im Angußbereich von etwa 10 bis 1 m/s, vorzugsweise 9 bis 2 m/s, einströmen — im Gegensatz zum Metalldruckgußverfahren, wo Ein?trömgeschwindigkeiten zwischen 25 und to 90 m/s üblich sind. Unter dem Begriff Angußbereich wird hier der Übergang von Anguß oder Hauptkanal in den Formhohlraum verstanden.

Dieses verhältnismäßig langsame Einpressen der Glasschmelze in die Form steht mit der Benetzung der Forminnenwand mit Glasschmelze in Beziehung. Die in den Formhohlraum einströmende Schmelze erstarrt an der Innenfläche der vorgewärmten Form relativ schnell und bildet eine Haut oder Randzone, innerhalb der sich ein fließfähiger Kernbereich aus Schmelze unter dem auf ihr lastenden Druck vorwärts bis zur vollständigen Füliung der Fenr. bewegt

Die sich beim Einpressen der Glasschmjlze in die Form an der Forminnenwand bildende Haut aus erstarrter Schmelze hat im allgemeinen eine Stärke von 0,1 bis 1 mm.

Die Fließfront der Schmelze wird erfindungsgemäß in der Form in Abhängigkeit von der Viskosität der Schmelze derart vorangetrieben, daß Riefen an der Oberfläche des Formteils, Verschiebungen der erstarrenden Schmelze an der kälteren Innenfläche der Form und Blasenbildung vermieden werden. Die sich an die Forminnenwand dicht anlegende, sofort erstarrende Randschicht isoliert den leicht fließenden Kern des Massestroms gegen schnelle Abkühlung. Dieser bewegt J5 sich mit relativ geringem Druckverlust bis zur Fließfront; immer wieder tritt frische Masse aus diesem leicht fließenden Kern des Massestroms an die Fließfront und wird selbst durch die nachströmende Masse gegen die kältere Formwand gepreßt, um dort zu -»o erstarren. Dieser Vorgang schreitet fort bis zur vollständigen Füllung der Form.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch komplizierte Formen, beispielsweise Verrippungen, runde oder eckige Durchbrüche, Gewinde, ■>? Flanschen, Dichtflächen, eingelegte Metallteile, Rohrfittings, Endverschlulistücke, Abdeckkappen, Wärmeaustauscherelemente oder dergleichen, vollständig und formgetreu ausfüllen. Von besonderer Bedeutung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Möglichkeit, >» lange Fließwege der Schmelze zu erreichen, womit eine vollständige Formfüllung und maßgetreue Formabbildung gewährleistet ist.

Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren beschleunigte Erstarrung der Masse an der kälteren Forminnenwand läßt unter der von innen nach außen über die Querschnittsfläche des Formhohlraums durch Volumenschrumpfung wirkenden Zugkraft an der Oberfläche des fertigen Formteils eine Druckspannung entstehen. Während des Füllvorgangs steht der erstarrende Massestrom, in dem es zu Längsverschiebungen innerhalb der Schmelze gegenüber der bereits erstarrten Randzone kommt, unter einem erheblichen Druck; dieser Druck führt zu einer Längsorientierung des Gefüges. Diese Orientierungen führen zu einem Umkippen der normalerweise kerbempfindlichen Schwachstellen im Gefüge in Strömungsrichtung. Durch diese speziellen Strömi .igsverhältnisse bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht man aiso nicht nur eine Oberflächenhärtung der Gegenstände durch die Druckspannung, sondern auch eine Erhöhung der Biegefestigkeit durch Eliminierung von Schwachstellen in Folge der Längsorientierung des Gefüges.

Die Wandergeschwindigkeit der Fließfront der Schmelze in der Form beträgt etwa die Hälfte bis '/3 der Strömungsgeschwindigkeit der Glasschmelze im Kernbereich des Massestroms, welcher von den erstarrten Randzonen umgeben ist

Um derartige Strömungs- und Erstarrungsbedingungen der Glasschmelze zu erreichen, wird das Formwerkzeug soweit vorgewärmt, daß die Schmelze beim Einströmen elastisch und ohne Verschiebungen an der Forminnenwand haftet und dort erstarrt Die Vorwärmetemperaturen für die Gießform richten sich daher nach der Gießtemperatur und der Verfestigungstemperatur des Glases; beide hängen bekanntlich von der Art des Glases ab. Für den Abguß von Bleikristall- oder Kalknatrongläsern werden Formtemperaturen in der Größenordnung von 300 bis 700⁰C eingehalten. Die bevorzugte Vorwärmtemperatur iur die-Verarbeitung üblicher Glassorten liegt in der Größenordnung von 500 bis 550° C. Für die Kalknatrongläser mit einem Schmelzpunkt von etwa 1550⁰C ist mit einer Gisßtemperatur von 1400°C für dünnwandige und ca. 95O⁰C für dickwandige Teile zu rechnen. Eine Vorwärmetemperatur der Form von 350 bis 500⁰C ist beispielsweise für Glas-Verfestigungstemperaturen zwischen 500 und 550⁰C geeignet Die Verfestigungstemperaturen von vulkanischen Gläsern liegen im allgemeinen höher, und zwar in der Größenordnung von 650 bis 700⁰C, so daß man in diesem Fall mit einer Vorwärmtemperatur für die Form von 450 bis 600⁰C rechnen kann.

Ober den Anguß wird in die Form ein etwas größeres Volumen an Glasschmelze, als es für die Formfüllung erforderlich ist, mit Hilfe eines Kolbens oder ähnlich wirkenden Bauteils unter Druck eingeführt, um das oben beschriebene Fließen und vollständige Fül'en der Form zu bewirken. Ist die Form gefüllt und schreitet die Erstarrung der Glasmasse fort, wird durch den auf der Glasmasse noch immer lastenden Druck die mit fortschreitender Abkühlung verbundene Volumenverminderung kompensiert und gleichzeitig die anfänglich erstarrte Randzone an die Forminnenwanu gedrückt, wodurch nicht nur die Maßgenauigkeit, sondern vor allem auch die Oberflächengüte des Formteils gegenüber üblichen Gießverfahren verbessert wird. Gleichzeitig wird verhindert, daß sich im Inneren der Glasmasse Vakuumlöcher ausbilden. Schrumpfspannungen im Inneren der Masse, welche die oben erwähnten, die Festigkeit steigernden Druckspannungen im Oberflächenbereich des Formteils erzeugen, werden dagegen durch das erfindungsgemäße Verfahren begünstigt.

Ist die Glasmasse innerhalb der Form weitestgehend verfestigt, wird der Druck auf sie ganz oder praktisch ganz aufgehoben und es erfolgt durch weitere Abkühlung die vollständige Erstarrung der Masse, wobei sich das Formteil von der Forminnenfläche ablöst, ohne sich jadoch zu verziehen. Meistens reicht eine kurze Zeit zwischen der Druckentlastung und dem Entformen.

Nach dem Entformen wird der dem Formteil noch anhaftende Gießrest aus dem Angußkanal — zweckmäßigerweise vor dem vollständigen Abkühlen — abgenommen.

Gegebenenfalls kann man dann das Formteil in üblicher Weise entspannen, d. h. langsam von etwa 500

auf etwa 10O⁰C abkühlen. Durch diese Maßnahme läßt sich die Temperaturwechselbeständigkeit der Formteile erhöhen.

Das auf diese Weise hergestellte Formteil zeichnet sich durch hohe Maßgenauigkeit und gute Oberflächenqualität aus, so daß im allgemeinen ein Nacharbeiten, insbesondere spanendes Nacharbeiten, nicht erforderlich ist.

Der Gießdruck hängt von der Größe und der Wandstärke der herzustellenden Körper ab; jedoch kann man einen Druckbereich zwischen 50 und 1000 bar als geeignet angegeben. Bevorzugt arbeitet man mit 250 bis 750 bar. Zweckmäßigerweise sind der Druck und die Einströmgeschwindigkeit stufenlos regelbar.

Der auf der Glasmasse nach der Form-Füllung während der allmähnlichen Verfestigung des Kerns der Masseströmung zur Einwirkung gebrachte Druck (Nachdruck) wird zweckmäßigerweise nicht während der ganzen Zeit auf der gleichen Höhe gehalten, sondern vom Gießdruck allmählich abgesenkt und zwar auf einen Bereich von 25 bis 0% des Gießdrucks.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich beispielsweise eine Kaltkammer-Einspritzvorrichtung, wie sie aus der Metall-Druckgußtechnik bekannt ist. Der Einpreßzylinder und der Einpreßkolben müssen aus speziellen warmfesten Werkstoffen bestehen und werden getrennt vorgewärmt oder temperiert; ihre Vorwärmung oder Temperierung ist abhängig von dem abzugießenden Gegenstand, von der Art des zu verarbeitenden Glases und von dem Prozeßtakt und liegt in der Größenordnung zwischen 250 und 600⁰C. Bei einer speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist neben dem Einpreßkolben, der die Glasschmelze in den Formhohlraum befördert, ein Nachdruckkolben vorgesehen, der unabhängig von dem Einpreßkolben betätigbar ist und gezielt auf den fließfähigen Kern des Glasstromes einwirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren und eine hierfür geeignete Vorrichtung wird anhand schematischer Zeichnungen am Beispiel der Herstellung einer Halbkugel näher erläutert Es zeigt

Fig. 1 eine Gießvorrichtung in verschiedenen Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig.2 die Strömungs- und Erstarrungsverhältnisse im Formhohlraum und

F i g. 3 den Massestrom während seines Vorschreitens zwischen den Wandungen der Form.

Die Vorrichtung nach F i g. 1 ist aufgebaut aus einer festen Formhälfte I, die an einer Formplatte 2 befestigt ist, und einer bewegbaren Formhälfte 3, die an einer Formplatte 4 befestigt ist. Beim Abguß von z. B, Kalknatronglas werden die beiden Formhälften auf 500⁰C vorgewärmt. In einem Preßzylinder 5 befindet sich ein axial bewegbarer Preßkolben 6. In den Preßzylinder 5 wird aus einer Gießkammer 7 über einen Einlauftrichter Glasschmelze 8 mit einer Temperatur von etwa 1250° C eingegossen. Bei Betätigung des Preßkolbens 6 wird die Glasschmelze in einen ίο Formhohlraum 9 gedruckt (F i g. 1 a). Die Zuhaltedrücke je cnv Projektionsfläche liegen in der Größenordnung von 50 bis 500 bar.

Das Volumen der in den Preßzylinder 5 eingeführten Schmelze ist etwas größer als das Fassungsvermögen des Formhohlraums 9, so daß im Preßzylinder 5 ein Gießrest 10 verbleibt (F i g. Ib). Während der fortschreitenden Erstarrung der Glasmasse im Formhohlraum 9 wirkt mit Hilfe des Preßkolbens 6 auf den Gießrest 10 ein (gleichmäßigerweise mit der Zeit abnehmender) Druck ein, wodurch entsprechend der Voiumenabnahme der erstarrenden Glasmasse Glasschmelze aus dem Gießrest nachgedrückt werden kann, weil dieser im Arbeitsablauf zuletzt erstarrt.

Sobald die Glasmasse im Formhohlraum 9 weitestgehend verfestigt ist, wird diese und der Gießrest vom Druck entlastet und die Glasmasse kann in der Form druckfrei vollständig erstarren. Dabei löst sich das Glasformteil von der Formhälfte 1 und schrumpft auf die Formhälfte 3 auf. Nun wird die Form geöffnet, indem die Formplatte 4 mit der Formhälfte 3 in Pfeilrichtung bewegt wird (Fig. Ib). Damit wird auch das Glasformteil mit Gießrest aus der Formhälfte 1 gezogen und schließlich von Auswerferbolzen U auf einer Platte 12 von der Formhälfte 3 abgehoben (Fig. Ic). Nun wird der Gießrest 10' abgetrennt und das Gießformteil 9' in einem üblichen Kühlofen bis auf etwa 100° C abgekühlt. In F i g. 2 sind die beiden Formhälften 1 und 3, der Anguokänäi, der rrcSzyKüder 5 und der Preßkolber. 6 gezeigt Die eingepreßte Glasschmelze hat an der Forminnenwand eine erstarrte Randschicht 13 gebildet während der Kern des Massestroms 14 noch fließfähig ist und mit Fortschreiten der Fließfront 15 die Form erfüllt

In Fig.3 sind die Strömungsverhältnisse im Bereich der Fließfront im Detail gezeigt

Bei einer speziellen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Preßkolben 6 zentral einen teleskopartig bewegbaren Nachdruckkolben auf, der gezielt auf den fließfähigen Kern des Massestroms so aber den Gießrest wirkt'

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Gießen von Formteilen aus Glas, dadurch gekennzeichnet, daß man

a) eine Glasschmelze unter Druck in 'eine vorgewärmte oder temperierte Form mit Einströmungsgeschwindigkeiten im Angüßbereich von 10 bist m/s einfüllt,

b) über einen Gießrest im Angußkanal unter Druck Schmelze nachdrückt, während sich die Glasmasse in der Form allmählich verfestigt, und schließlich

c) das Formteil druckfrei in der Form bis zur Erstarrung abkühlt und ausformt