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Verfahren und Einrichtung zur Herstellung von doppelbrechendem Glas
Bekarntlich zeigt Glas die Eigenschaft der Doppelbrechung, sobald @es der Sitz innerer
Spannungen ist. Diese Spannungen können ,auf zwei verschiedenen Wegen erzeugt werden:
entweder auf mechanischem Wege durch elastische Verformung des Glases mittels äußerer
Kräfte odier durch Härten bzw. Abschrecken, also eine Wärmebehandlung, bei der jdas
Glas rasch von ,ei:nem gewissen viskosen Zustand :aus verfestigt wird und während
der letzten Phase des Erh;ärtens ein starker Tempetatungra-dient in der Dicke des
Glases hervorgerufen wird.
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In dem ers,;en Fall ist die Doppelhnechung vorübergehend,
d. b. sie verschwindet, sobald die Einwirkung -der :äußeren Kräfte :aufhört.
Es -sind @einfache mechanische Vorrichtungen bekannt, die es ermöglichen, das Glas
in einem einzigen Sinne unter Spannung zu setzen und in Scheiben mit parallelen
Flächen Zonen gleichmäßiger Sta.uchung oder Dehnung bzw. gleichmäßigen Druckes oder
Zuges und demzufolge gleichförmiger Doppelbrechung zu erzeugen.
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In dem zweiten Fall entwickeln sich die inneren Spannungen uniabhängig
von jeder mechanischen Einwirkung von außen und sind bei der Umgebungstemperatur
be.st,äneg.
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Es, ist ferner @darauf hinzuweisen, daß in dieseln Fall der Sinn bzw.
dlaas Vorzeichen der Spannungen (sowie der damit verbundenen Düppelbrechung) sich
nlotweandi;gerweise in der Dickenrichtung ,ändert bzw.umkehrt. Von der Oberfläche
ab bis zu einer
gewissen Tiefe befindet sich das Material unter
Druck bzw. Zusa;rnmendrückumg, währendes in der Mittelzone sich unter Zug bzw. Dehnung
befindet.
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Ein weiteres- Merkmal dieser zweiten Beians:pruchungsaxt ,ist folgendes:
Unabhängig von ,der Form und ider Dicke, die dein Glas erteilt werden, können; weder,diia
gestauchten: Zonen noch die dazwischenliegende Deh;nungsz:one gl:eichfärmig unter
Spanmmg ;stehen.
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Ein iderartiges System von entgegengesetzten Bieanspruch:un;gen besitzt
folgenden Hauptnachteil: Da die Gesamtheit der Druck- und Zugkräfte bzw: Stauchungs-
rund Dehnungskräfte, sich im Gleichgewicht ist :ein Schneiden und Formgeb:en des
Glases im Ballgemeinen unmöglich, denn durch ein etwas tiefes Eindringen in das
Glas wird eine plötzliche Gleichgewichtsstörung !des vorhandenen Kräftesystems hervorgerufen,
:die ein Zerbrechien in mehr,oder weniger zahlreiche Bruchstücke zur Folge hat.
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Gegenstand der Erfindung ist ein, Verfahren; welches gestattet, dem
Glafseine bleibende Doppelbrechung zu erteilen, derart, @duß beim Schneiden dieses
Glasces :sein, inneres Gleichgewicht nicht g e,-stört wird, wobei die so :erzielte
Düppelbrechung je nach .-den Anforderungen entweder gleichförmig oder veränderlich
sein kann.
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, daß .das Glas vorn
der Umgehunigstemperatlur bis zum Erweichen erhitzt wird, @anschließend ,äußeren
Kräften unterwarfen wird, dann von neuem unter weiterer Einwirkung dieser Kräfteerhärtet
wird und schließlich nach erfolgter Erhärtung .die Einwirkung der ,äußeren Kräfte
aufgehoben wird; wobei die Erhärtwng und die etwaigen weiteren späteren, Stadien
derart geführt werden, daß keine bleibendsn inneren Spannungen durch Temperaturgefälle
in der Dickenrichtung ausgelöst werden.
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Das .mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielte übermaschende Ergebnis
liäßt sich auf folgende Weise erklären, wobei. diese Erklärung nur zur Veranschaulichiung
dienen soll und .in keiner Weisse ,den Schutzumfang der Erfindung einschränkt.
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Nach der !neueren Auffassung über die innere Struktur besteht dass
Glas aus zwei einander durchdringenden Phasen,,niämlich einerseits einem Skelett
und .andererseits :einem die Hohlräume des Skeletts ausfüllenden Füllstoff.
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Wenn nun die Temperatur von der Umgiebiungstemperatur aus ansteigt,
erhält der Füllstoff eine deutliche Beweg lichkeit, lange bevor id4s Skelett seiniQ
Starrheit verbrein hat. Wenn umgekehrt die Tempzrabur aus -dem weichen. Zustand
sinkt, erstarrt das Skelett, bevor der Füllstoff seine Beweglichkeit verloren hat.
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Hieraus ergibt sich, d;aß im Laufe .des Erhärtems unter mechanischer
Beanspruchung, wie @es bei dem Verfiahrein nach der Erfindung dez Fall ist, das
Skelett eine elastische Verfarmvn;g eufweist, wÄhren:d seine Hohlräumie noch mit
einem beweglichen Stoff gefüllt sind. Wenn daher dieser Füllstoff seine Erhärtung
beendet, läßt er die elastis.ch.; n Verformungen des Skeletts durch die immer noch
wirksamen ,äußeren Kräfte ,gewissermaßen einfrieren. Wenn :dann die Einwirkung dieser
.äußeren Kräfte aufhört, entwickeln sich die inneren Spen:-nvumgendurch die elastische
Rückwirkung des Skeletts- aluf dem: in seinen Hohlräumen erhärteten. Füllstoff zu
voller Größe.
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Beim erfindlumgsgemäßen Verfahren zeigt das Glas beider Umgebungstemperatur
niur die D@oppelbrechumg , die auf die bleibenden inneren: Span: sungen zurückgeht,
die sich zwischen dem Skelett des Glases rund dem Füllstoff in .den Hohlräumen des
Skeletts ,einstellen.
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Die an diese besonderen Spannungen gebundene Doppielbrechung ist als
einzige festzustellen, wenn, wie beim Verfahren ,nach der Erfindung, dafür gesiorgt
worden, ist, daß die bleibenden inneren Spannungen -durch Wärmegefälle vermieden
werden, was leicht ;durch eine geeignete Warmebiehandlung zu erreichen ist, wie
sie in der Glastechnik als Anlassen, bzw. Wiedererwärrnen oll,gemein bekannt ist.
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Durch die besondere Art der bleibenden inneren Spiammiungen, die durch
das Verfahren nach der Erfindung im Glas erzeugt werden, nämlich der sogenannten
elastischen Reaktion des Skeletts, wird ein Schneiden :dies Glases ermöglicht, -ohne
sein inneres Gleichgewicht zu beeinträchtigen und ohne die damit verbundene Verteilung
der Doppelbrechung zu stören.
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Diese bei .der Umgebungstemperatur beständige Dioppielbrechung ist
um so stärker, je größer die äußeren Kräfte waren, denen das Glas während seines
Erhärtensausgesetzt war; sie ist in den Teilern gleichförmig, irdenen das Skelett
durch die ,äußeren Kräftegleichmäßig verformt war.
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Dias Verfahren nach der Erfindung kann in der Weise eine Abwandlung
erfahren, daß die äußeren Kräfte im Laufe :des Temperaturanstiegs, der das Glas
zum Erweichen bringt, -und selbst vom Beginn dieses Temperaturanstiegs ;an zur Einwirkung
gebracht werden.
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Dieses Vorgehen ermöglicht, die ersten Anzeichen einer viskosen Verformung
des Glases bei der Annäherung an das Erweichen wahrzunehmen und infolgedessen rechtzeitig
veranla;ßt zu werden, den Tempsratturanstieg aufzuhalten und die Abkühlung unter
Belastung einzuleiten, bevor eine zu staxh;e Verformung eintritt.
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Außer der bleibenden Doppelbrechung von besiond,erer Eigenart erteilen
die bleibenden inneren Spannungen, die durch die elastische Rückwirkung des Skeletts
erzeugt werden, dem Glas auch eine Veränderung seiner mechanischen Festigkeit. Erhöht
wird :die Festigkeit, wenn nach einer Dehn;uxig des Glases während des Erhärtens
unter Belastung sein Skelett den Füllstoff in seinen Hohlräumen, zusianimendrückt,
sobald die Einwirkung der Be-Iastung ;aufhört.
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Diese Erhöhung der mechanischen Festigkeit ist besonders für die Tafeln
reit parallelen Flächen von Bedeutung, beispielsweise bei den Glassorten für Fensterscheiben
sowie für Behälter, etwa, für Flaschen oder andere Hohlkörper. In diesem Fall wird
anschließend man das Erweichen während des
Erhärtens ein innerer
Druck durch ein geeignetes Druckmittel, etwa Luft, zur Einwirkung gebracht. In diesem
Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß durch .die Erhöhung der mechanischen Festigkeit
in keiner Weise die Möglichkeit beeinträchtigt wird, :das Glas durch all dieselben.
bekannten Hilfsmittel wie das handelsübliche a%elassene bzw. ausgeglühte Glas zu
schneiden und zu formen.
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Eine zweite Abart .des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin,
@daß der Vorgang des Erh.ärtens beschleunigt wird und durch ein anschließendes Anlaissien
bzw. Wiederjerwärmen die so. durch Wärmeigefälle erzeugtem bleibenden innieren Spannungen
beseitigt werden. Dieses Anlassen beeintr,ächtigt praktisch nicht die inneren Spannnuingen,
die duirch die elastische Rückwirkung des. Skeletts hervorgerufen werden, wenn dass
Anlassen in normaler Weise, erfolgt, ohne nach den hohen Temperaturen hin @die toblere
Grenze zu überschreiten, die hierfür in der Glastechnik igewöhnlich zugelassen..
isst.
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Die Erfahrung zeigt nämlich, daß zur Aufhebung der auf die elastische
Rückwirkung des Skeletts zurückgehenden inneren. Spannlungen das Glas auf eine Temperatur
,gebracht werden muß, die beträchtlich über dieneroberen Grenze liegt.
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Diese zweite Abart des Verfahrens bietet dien Vorteil .der besseren
Ausnutzung des Apparats, in dem das Glas während seines Erhärtens den äußeren Kräften
unterworfen wird. Man vermeidet .nämlich so eine lange Inanspruchnahme dieser Spezialeinxichtuinig
wegen eines einzigen Arbeitsstückes, während man bequemer und. wirtschaftlicher
dass Anliaiss@en zahlreicher erfindungsgemäß behandelter Stücke in einem Wiederanwärm@ofen
der üblichen Bauwart vornehmen kann.
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Es, ist in ,diesem Zusammenhang zu betonen, daß das schnelle Erhärten,des
Glases während der Einwirkung äußerer Kräfte durch Abkühlungsmittel bewirkt werden
kann, die ebenso kräftig wirken wie die gewöhnlich zum Abschrecken des Glases verwendeten.
Das Abschrecken ides Glases unter Bselastung hat zum Ergebnis, daß die auf diese
Weise erzeugten bleibenden inneren Spannungen die Überlagerung der durch elastische
Rückwirkung des Skeletts :gemäß der Erfindung bedingten Spannungen mit den durch
das Abschrecken bedingten Spannungen :darstellen.
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Falls das Glas während -des Abschreckens unter Dehnung gestandnen
hat, weist @es nach dem Abschrecken durch Auftreten der Kauf elastischer Reaktion
des Skeletts beruhenden bleibenden Spannungen einen höheren Grad ,der Zussammendrückung
der äußeren Schichten auf, Tals @er durch das Abschrecken allein eintreten würde.
Diamus ergibt sich eine wesentliche Erhöhung der mechanischen Festigkeit des abgeschreckten
Glases.
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Das dein Ge;g(enstand der Erfindung bildende Verfahren kommt ,grundsätzlich
sauf alle Glassorten zur Anwendung, aber der Umfang des Phänomens, auf dem sie beruht,
nämlich das Einfrieren .der elastischen Verformung des Skeletts des Glases, ändert
sich je nach der Art des Glases beträchtlich. Während die Erscheinung bei den gewöhnlichen
Gläsern mit Soda und Kalk sowie, bei den Gläsern mit starkem Gehaltan Bleioxyd,
etwa dem Kristallglas, auch zu beobachten ist, tritt sie sehr stark bei .den Gläsern
auf, die einen hohen Prozentsatz an Borsäureanhydrit .enthalten, insbesondere den
Borsilicaten.
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Als Beispiel sind nachstehend die prozentrealen Zusammensetzungen
von drei Glassorten angegeben, die sich besonders ;gut für die Erzeugung starker
bleibender innerer Spannungen auf Grund von elastischer Rückwirkung :des Skeletts
nach dem erfinidungsgem,äßen Verfahren eignen:
| 3 |
| SiO.. ........ 66 68 71 |
| B,, 03 . . . . . . . . 25 22 16 |
| AL 03........ 2 I 2 |
| Nag O . . . . . . . . 7 3,5 2 |
| K@ O......... - 5,5 4 |
| Pb0......... - - 5 |
Um eine konkrete Angabe über Idas Verhältnis zwischen den :äußeren Kräften, die
auf das Glas während des Erhärtens zur Einwirkung gebracht werden, und der dadurch
ausgelösten bleibenden, Doppelbrechung zu machen, sei erwähnt, !daß eine Beanspruchung
von 6okg/cm° in einer Glasscheibe von der hoben nangiegebenen Zusammensetzung Nr.
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einen Wegunterschied von etwa 95 m,u je Zentimeter Dicke ,auslöst.
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Die Einrichtung für die Durchführung dies den Gegenstand dier Erfindung
bildenden Verfahrens in seiner @obsen an erster Stelle angegebenen allgemeinsten
Form kann auf sehr verschiedene Arten ausgeführt sein; sie kann in jedem Fall folgendes
Bestandteile enthalten: einerseits (eine Heizkammer, die mit Mitteln versehen ist,
die ein gutes, Wiederanwärmen des Glases gewährleisten, andererseits mechanische
Vorrichtungen, um auf das Glas äußere Kräfte zur Einwirkung zu bringen, durch die
sein Skelett während seiner Erhitzung elastisch verformt wird.
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In der Zeichnung sind ganz schematisch, lediglich zur Veranschaulichung
und ohne einschränkende Wirkung hinsichtlich des Schutzumfangs der Erfindun , zwei
Ausführungsbeispiele der Einrichtung für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dargestellt, und zwar zeigen Fig. i, 2 und 3 die Gerätschaften für die
Herstellung einer planparallelen Scheibe mit einier zentralen: Zone von gleichförmiger
und bleibender Dioppelbrechiuirng, in welchem Fall diesle Zone gleichmäßig in Dehnung
versetzt wird, indem die Platte einer Zugkraft parallel zu ihrer Längsachse unterworfen
wird, während gleichzeitig das Glas dien oben: ainigegebenen W.ärmsebeh:an dlung
unterzogen wird, Fig. q. und 5 die Gerätschaften für die Bea:nspruchung euer dicken
planparallelen Platte, derart, daß die parallel zu den Oberflächen ge,-messene Doppelbrechung
von der Mittelebene aus fortschreitend zunimmt, und zwar positiv in der
einen
Dickenhälfte und negativ in. der anderen bis zu dein ;gleichen: -Äußersten :absoluten
Wiert; zu diesem Zweck ruht die Platte ;auf zwei zur Querachse parallelen Stützen,
die von den kurzen: Seiten gleichen Abstand haben, und wird die Platte längs ihrer
Querachs-, belastet, während sie der loben angegebenen Wärmebehandlung unterzogen
wird.
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Im: einzelnen bringt die Zeichnung folgende Gegenstände zur Darstellung:
Fig. i in einem senkrechten Schnitt, der senkrecht zur Glasscheibe durch deren Läggsachse
geführt ist, .ein erstes Ausführungsbeispiel einer Einrichtung für die Durchführung
der ersten Abart des erfirnüungsgemäßen Verfahrens, Fi,g. 2 eine Zugklaue mit ihrem
Ring, Fig. 3 in schaubildlicher Darstellung eine Glasscheibe mit an beiden Enden
angesetzten. Zugklauen, Fig.4 in senkrechtem Schnitt ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung für die Durchführung des Verfa'hren's nach der Erfindung.
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Fig. 5 in schaubildlicher D;arstelllung die in der Vorrichtung nach
Fig. 4 behandelte Glasscheibe mit ihren Stützen und der Vorrichtung zur Ausübung
der Belastung.
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Bei der Ausführungsforen nach Fig. i wird die Glasscheibe i in senkrechter
Lage im Innern der Kammer 2 :aus feuerfestem Material erhitzt, während sie zugleich
einer in ihrer Ebene wirkenden Zugkraft unterworfen wird, die durch den Hebel 3
mittels derr Gelenkklauen 4 und 4- des,oder der @oberen Ringe 5 und ,des oder der
unteren Ringe 6 auf das: Gla#si übertragen wird, wobei der Ring 6 in sein Loch der
Traverse 7 des Ofenfußes reingehängt ist, die einen Fixpunkt darstellt.
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Der Hebel 3, der mit dem einen Ende .über die Ringe 5 :an :der
@oberen Klaue 4 angreift, ist um eine waagerechte Achse 8 beweglich; längs des großen
Armes dieses Hebels ist ein. Gewicht 9 verschiebbax, das :die auf die planparallele
Platte einwirkende Zugkraft zu ändern gestattet.
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Die Erhitzung der Kammer 2 ist durch einen elektrischen Widerstand
gewährleistet, der außen um die Kammer herumgeführt ist. Die Kaltnenner 2 ruht auf
einer feuerfesten wärmeis,olie7.ienden Platte i i, in, der ein Loch 12 für den Durchtritt
der Ringe 6 ,ausgebildet ist. Die Platte i i liegt rauf dem waagerechten Boden eines
Blechmantels 13 auf.
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Die Wärmeisiolierum;g .der Kammer 2 ist an -den Seiten -durch einen
lockeren wärmeisolierenden Stoff i4., wie Kieselgur, Asbesfifüllung usw., gewährleistet.
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An der Oberseite ist der Blechmantel 13 durch eine auf Winkeleisen
ruhende wärmeisolierende feuerfeste Platte 15 geschlassen. Den Verschluß der Kammer
z bewirkt ein zweiteiliger Stopfen 16, dessen Hälften aus wärmleisiolierenden @
feuerfeste4 Platten bestehen, die mit einer äußeren Armierung auf ,der Platte 15
aufliegen.
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Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, entspricht die Gelenkldiaue 4eder
4a der allgemein zur senkrechten Aufhängung .der Glasscheiben beim Abschrecken verwendeten
Ausführung und besteht aus zwei großen Armen 17 und zwei kleinen Armen i
g. Diese Arme sind flach .und vorzugsweise aus rostfreiem Stahl gefertigt. Drei
der Klauengelenke werden ,durch senkrecht zur Zeichenebene gerichtete .Achsen und
das vierte durch den Ring 5 oder 6 gebildet. An den freien Enden der beiden großen
Arme 17 sind zwei Plättchen i 9 angeschweißt, die mehrere-Spitzen 2o aus extra hartem
Metall tragen, zwischen die die Glasplatte i .eingeführt wird.
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Wenn. @an dem Ring gezogen wird; greifen die Spitzen 20 an der Oberfläche
des Glases an und verteilen, die Zugkraft auf die Breite der Scheibe, wie dies deutlich
aus Fig.3 zu ersehen ist.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.4 ruht die Scheibe 2 i in waagerechter
Lage auf zwei Stützen 22 :aus rostfreiem Stahl, die auf einer wärmeisolierernden
feuerfesten Platte 23 aufliegen. Die Scheibe 21 ist von dem feuerfesten Mantel 24
.umgeben, um den der Heizwiderstand 25 herumgewickelt ist. Der Ofen ist durch einen
Blechmantel 26 vervollständigt, der loben durch !eine wärmeisolierende feueifeste
Platte 27 abgeschlossen; ist, die auf Winkeleisen aufliegt. Die seitliche Wärmeisollerung
ist durch den D,än2'm5tOff 28 (Kieselgur, Asbestfüllung usw.) gewährleistet.
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Mit Hilfe einer Schneide 29, an der ein Bügel 3o mit einer Stange
3 i befestigt ist, wird längs der Querachsie der Scheibe 21 eine senkrecht nach
unten gerichtete Kraft über die Scheibe verteilt. Diese Kraft wird durch ein Gewicht
32 mittels des Hebels 33 ausgeübt, mit dem die Stange 3 i durch eine Achs,e34 verbunden
ist. Der Hebel selbst ist am Fuß des Ofens rum eine Achs:e35 beweglich.
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Die Erfindung hat feiner ,als gewerbliche Exzeggm@sse die Glasscheiben
ioder Glasgegenstände jeder Art zum Gegenstand, die durch das hoben angegebene Verfahren
hergestellt sind u=nd die folgen-den beiden Anwendungsgebieten angehören: einerseits
optische Anwendungen, z. B. planparallele Scheiben von großen Abmessungen, die.
gleichförmigdoppelbrechend sind und .ohne Nachteil und Johne S:chwieri#eit zugeschnitten
rund bearbeitet werden, können und die für die Erzeugung von polarisiertem Licht
Bedeutung haben, insbesondere Viertelwellenlängeplatten, und zwar nicht nur für
Laboratoriumszwecke, siondern :auch in der Beleuchtungstechnih; Kompensatoren für
Doppelbrechung, die widerstandsfähig und preiswert sind usw.; mechanische Amvendungen,
z. B. b:earbeitb,are Tafeln und Hiöhlkörper mit gesteigerter mechanischer Festigkeit;
abgeschreckte Tafeln und Hohlkörper mit verstärkter mechanischer Festigkeit, . und
weiteres mehr.