EP2822904A1 - Formwerkzeug, verfahren und vorrichtung zur lasergestützten glasformung - Google Patents

Formwerkzeug, verfahren und vorrichtung zur lasergestützten glasformung

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Publication number
EP2822904A1
EP2822904A1 EP13704924.3A EP13704924A EP2822904A1 EP 2822904 A1 EP2822904 A1 EP 2822904A1 EP 13704924 A EP13704924 A EP 13704924A EP 2822904 A1 EP2822904 A1 EP 2822904A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
forming
glass
laser
glass precursor
temperature
Prior art date
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Ceased
Application number
EP13704924.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Risch
Georg Haselhorst
Volker Plapper
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schott AG
Original Assignee
Schott AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schott AG filed Critical Schott AG
Publication of EP2822904A1 publication Critical patent/EP2822904A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/04—Re-forming tubes or rods
    • C03B23/043—Heating devices specially adapted for re-forming tubes or rods in general, e.g. burners
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/04—Re-forming tubes or rods
    • C03B23/045—Tools or apparatus specially adapted for re-forming tubes or rods in general, e.g. glass lathes, chucks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/04—Re-forming tubes or rods
    • C03B23/049—Re-forming tubes or rods by pressing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/04—Re-forming tubes or rods
    • C03B23/049—Re-forming tubes or rods by pressing
    • C03B23/0496—Re-forming tubes or rods by pressing for expanding in a radial way, e.g. by forcing a mandrel through a tube or rod
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/04—Re-forming tubes or rods
    • C03B23/09—Reshaping the ends, e.g. as grooves, threads or mouths
    • C03B23/092—Reshaping the ends, e.g. as grooves, threads or mouths by pressing

Definitions

  • the invention relates generally to the production of
  • the invention relates to the production of preferably hollow body-shaped
  • Laser-assisted hot-forming glassware using a forming tool comprising a forming mandrel.
  • the forming mandrel preferably comprises a temperature-stable ceramic material. Forming a cone is an essential one
  • Sequence of shaping includes several successive
  • Devices in which the forming with burners takes place in several steps are, for example, from DE 10 2005 038 764 B3 and DE 10 2006 034 878 B3
  • Glass forming steps is necessary because the glass blank to be molded is cooled by the molds, so that a molding in a single molding step has not been possible.
  • Such methods are widely implemented on indexing rotary machines, since such devices are inexpensive and space-saving.
  • Parameters at the individual stations furthermore make it possible to carry out different process sequences by means of different combinations and / or sequences of intermediate steps in the glass forming, which, however, should ultimately lead to identical results. Due to the large number of adjustable parameters as well as missing ones
  • Scaling and / or scalability of the process control is the influence of the plant operator of great importance for the quality of the final product, as well as the
  • Rotary machines a variety of chucks, for example 16 or even 32 chuck, for the
  • mandrels in glass molding therefore include materials such as tungsten or rhodium. However, these can be too
  • the invention is therefore based on the object, a
  • hollow body-shaped glass product largely reduced or even completely excluded.
  • the invention relates to a mold for
  • Forming hollow body glass products comprising a forming mandrel comprising a temperature stable ceramic material.
  • the invention provides a device for
  • Forming of glass products comprising
  • At least one forming tool for forming at least a portion of a region of the glass precursor heated by the means for locally heating, wherein the
  • Mold comprises a ceramic mandrel and wherein the means for local heating
  • - includes a laser
  • a rotation means is provided to rotate the mold and the glass precursor relative to each other, and wherein
  • the mold is designed so that a
  • the glass precursor during the
  • Forming is heated by the laser light
  • the mold further comprises a pair of rollers, which is arranged so that the rollers of the pair of rollers on the Surface of a means of rotation device in
  • Unroll rotated offset glass precursor wherein the laser light is a lying between the rollers area on the circumference of the glass precursor is illuminated.
  • a laser In order to heat the glass of a glass precursor to be formed in the device, a laser is used which emits light of a wavelength for which the glass of the glass precursor is at most
  • a mandrel having a ceramic surface at least in the contact region with the glass precursor, wherein the means for local heating
  • Emitting light of a wavelength for which the glass is at most partially transparent so that the light is at least partially absorbed in the glass and which is directed onto the glass precursor
  • the laser or a laser downstream optics is arranged so that the laser light is irradiated during the forming on the non-covered by the mold area, and wherein by means of a control device, the laser is controlled so that at least temporarily the glass precursor during the forming is heated by the laser light.
  • Infrared lasers are generally particularly suitable as lasers since the transmission of glasses typically drops from the visible spectral range to the infrared range.
  • the wavelength of the laser is chosen so that the glass to be processed
  • Absorption coefficients of 300 m -1 are then absorbed about 25% of the laser power when passing through the wall of a tube glass with 1 mm wall thickness.
  • Absorption coefficient of 500 m -1 is already absorbed about 60% of the light and can be used to heat the
  • Glass object can be used.
  • a preferred range of the radiated power is between 30 and 100 watts.
  • An example in this context is the formation of the bottle neck for pharmaceutical vials, which are produced from tube glass with 20 to 30 millimeters in diameter.
  • the second power is at least a factor of four lower than the first power.
  • Forming mandrel are made while the outer shaping of the syringe cone is performed with rolling rollers. Furthermore, the device and the method according to the invention are preferably used to
  • Forming tool for compression preferably a radial compression of a portion of the hollow-body-shaped glass precursor be formed.
  • Such compression is for example in the formation of the cone of a
  • Syringe body made of a hollow body-shaped glass precursor in the form of a glass tube.
  • the laser radiation also offers the advantage over the previously used burners, both temporally, as well as locally accurate and fine
  • an optics are provided, which is connected upstream of the laser and the laser power on the glass precursor within the to be heated
  • such an optic can comprise a beam-expanding optic which widens the laser beam in at least one spatial direction. In this way, a fan-shaped beam can be generated from the typically punctiform beam, which irradiates an elongated region of the glass precursor.
  • Another, alternative or additional possibility of distributing the laser power is to move the laser beam over the portion of the glass precursor to be heated or reshaped. Such a movement can, for example, with a suitable
  • Galvanometer can be achieved. Also conceivable is a laser with swivel or translation drive. The movement of the laser beam offers over a rigid optics
  • Warm-up used intensity distribution differs. Such a difference may be desirable, for example, to spatially inhomogeneous cooling by the
  • Temperature control of the forming process eliminates typical restrictions that arise when choosing a mandrel or especially in the selection of a material of
  • the production process can be improved so far and stabilized that, surprisingly, such ceramic materials can be used for the forming mandrel, although they have only a low fracture toughness as brittle materials.
  • Mandrel and glass product can lead to residues, in particular in the contact areas to the glass product.
  • the forming mandrel is at least in that area which during the forming in contact with the
  • the shaping mandrel preferably comprises one at least in the region of the contact surface with the glass product temperature-stable, ceramic material or a technical ceramic.
  • the mandrel has a higher softening temperature than the glass product to be formed and thus still has a sufficient for forming strength and hardness during the forming of the glass product.
  • the mandrel can also completely from a
  • Such materials may include oxide and / or non-oxide ceramics and / or composites based thereon and / or metal-ceramic composites.
  • metallic base body are possible, which are coated with ceramic materials.
  • Silicon carbide silicon nitride, aluminum nitride. Such materials are often sufficient
  • Material of the mandrel can be selected according to the glass transition temperature of the glass to be formed, so that the operating temperature of the technical ceramic of the mandrel is advantageously above the glass transition temperature of the glass product.
  • the mandrel is at least in those areas which are in contact with the
  • the proportion of tungsten and / or rhodium in the contact region of the mandrel is preferably less than 0.5 wt .-%, more preferably less than 0.1 wt .-%. This results in various advantages. So can
  • the glass product for example as a container for sensitive pharmaceutical or biopharmaceutical active substances
  • an undesired interaction of the material residues with the active ingredient can be largely ruled out.
  • a degradation of the active ingredient can be reduced or completely prevented.
  • Glass product are used in relation to interactions with later ingredients of the container largely harmless ceramic materials.
  • Temperature control in the forming a sufficiently high temperature for the conversion of the glass product can be achieved without, on the other hand, too high a temperature in the contact zone between the glass product and mandrel to
  • a brittle material such as a technical ceramic can be used as a material for the mandrel, without causing increased damage to the mandrel or defects on the glass body.
  • the invention also allows a completely different design of forming devices, as they are used in particular for the production of syringe bodies.
  • rotary machines with 16 or 32 stations have hitherto been used.
  • the forming process is carried out station by station, the final form being formed in several steps by successive use of
  • Forming steps is heated to the
  • the entire hot forming of a section to be formed can be carried out in a single station.
  • all the tools used for forming the section are used in a forming station, wherein the laser beam During the forming process, the glass precursor is heated or held at the intended temperature.
  • the apparatus comprises at least one forming station, wherein at the forming station all the forming tools are present in order to provide at a portion of the glass precursor all hot-forming steps for the production of the final product
  • Such a design of the conversion station is particularly suitable for use of mandrels based on temperature-stable ceramic materials, since the lateral loads on the mandrel during forming compared to rotary machines can be significantly reduced. Thus, with rotary machines, a different positioning of the various chucks in the machine can lead to high side loads on the mandrel, which can exceed the fracture toughness of ceramic materials. In contrast, in the said transformation station, both the temperature control in the transformation region of the glass product and the
  • Positioning accuracy of the mandrel can be improved so that even brittle ceramic materials can be used for the mandrel.
  • External forming tools in particular the forming rollers, can be positioned very precisely and accurately
  • the lower limit of the process window typically results from the glass transition temperature T G as well as the upper limit of avoiding sticking between the material of the forming mandrel and the glass during forming.
  • the adhesive or sticking temperature can from the
  • Viscosity of the glass, the thermal conductivity of the glass and its density and the mandrel material, in particular in the contact area, are influenced.
  • the temperature at which sticking or sticking takes place can be very close to each other.
  • the ceramic material for the mandrel is preferably to ensure that a certain heat penetration of the ceramic material is achieved.
  • the inventors have found that for the mandrel advantageous materials with a
  • Heat penetration from about b 60 W * s 1 2 / m 2 * K are particularly suitable to a sufficiently large
  • the particularly preferred ceramic materials for the mandrel are therefore aluminum oxide, silicon nitride and / or
  • the forming mandrel comprises at least in that area which during the forming process a
  • Alumina, silicon nitride and / or silicon carbide based Alumina, silicon nitride and / or silicon carbide based.
  • reproducible energy can be coupled into the glass during forming.
  • Device can be significantly increased over known devices.
  • Forming step typically on the order of 2 seconds. Assuming 4 transformation steps and still calculates the times for five to six
  • the total duration of the transformation is about 20 seconds.
  • Shaping duration to the duration of one or less
  • the time for a transformation of a section of the glass precursor calculated without the heating time preferably less than 15, more preferably less than 10, particularly preferably less than 5 seconds. Furthermore, it is advantageous to adjust the laser power during the process. In particular, the
  • the laser power can also be regulated by means of a control process implemented in the control device by means of a temperature measuring device before and / or during the deformation measured temperature of the glass precursor to a predetermined temperature or a predetermined temperature / time Profile on the glass precursor.
  • a temperature measuring device is particularly suitable a non-contact measuring device, such as a pyrometer. With such a regulation, the
  • Temperature of the glass can be stabilized within a process window of less than ⁇ 20 ° C, generally even at most ⁇ 10 ° C.
  • the invention is described below with reference to
  • Fig. 3 shows a variant of that shown in Fig. 1
  • Fig. 5 is a schematic diagram of the irradiated
  • Fig. 6A to 6F are sectional views through a tube glass in
  • FIG. 7 shows a forming system with a plurality of devices for forming tube glass
  • Fig. 8 shows a variant of the forming system shown in Fig. 7, and
  • FIG. 9 shows a sectional view through a tube glass in the course of the forming process using a forming mandrel, which comprises at least one temperature-stable, ceramic material in the area of the contact surface to the glass precursor.
  • Fig. 1 is an embodiment of a device 1 for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 1 Device of the embodiment shown in Fig. 1 is designed for the transformation of glass precursors in the form of tube glasses 3.
  • the device of the embodiment shown in Fig. 1 is designed for the transformation of glass precursors in the form of tube glasses 3.
  • Syringe body is formed.
  • Device 1 is based on the fact that locally a portion of a tube glass 3, here its end 30 to above the
  • Softening point heated and with at least one
  • Forming tool at least a portion of the heated end is formed, wherein the means for locally heating comprises a laser 5 which emits light of a wavelength for which the glass of the tube glass 3 is at most partially transparent, so that the light is at least partially absorbed in the glass.
  • the laser beam 50 is directed to the tube 3 by means of an optical system 6.
  • Rotating device 9 rotates.
  • the rotation device 9 comprises a drive 90 with chuck 91, with which the tube glass 3 is held.
  • Conceivable would be a reverse
  • the forming tool 7 comprises two rollers 70, 71, which roll on its surface during rotation of the tube glass 3.
  • the end 30 of the tube glass 30 is compressed by the rollers are guided toward each other in the radial direction of the tube glass 3.
  • the radial movement is shown in Fig. 1 by arrows on the axes of rotation of the rollers 70, 71st
  • a forming mandrel 75 is provided as part of the molding tool 7. This mandrel 75 is in the opening of the tube glass 3 at its end to be formed
  • the mandrel 75 of the cone channel of the syringe body is formed.
  • the mandrel 75 may be rotatably supported to rotate together with the tube glass 3. It is also possible to use the rotating glass over the
  • Separating or lubricants are used, which reduces the friction during the sliding movement. Furthermore, it is possible to use a lubricant which evaporates at the temperatures used during the forming. With the use of such a lubricant, it is possible with advantage to avoid residues of lubricant or release agent on the finished glass product.
  • the mold is formed so that a
  • Tube glass is not covered by the mold, so that by means of the laser 6 connected downstream optics 6, the laser light is irradiated during the forming on the non-covered by the mold area. Specifically, the laser light illuminates a region 33 located between the rollers 70, 71 on the circumference of the tube glass 3.
  • a control device 13 controls the forming process.
  • the laser 5 is controlled such that, at least temporarily, the tube glass 3 is heated during the deformation by the laser light.
  • the optic 6 of the device 1 shown in FIG. 1 comprises a deflecting mirror 61 and a cylindrical lens 63.
  • the laser beam 50 is widened along the axial direction of the tube glass 3 to form a fan beam 51, so that the area illuminated by the laser light 33 in the axial direction of the
  • Tube glass 3 is stretched accordingly. Since the tube glass 3 rotates while the laser light is irradiated, the radiated power is distributed circumferentially on the tube glass, so that a cylindrical portion,
  • This section has a length that is preferably at least as large as the section to be reshaped.
  • the latter has a length that is essentially determined by the width of the rollers.
  • Direction of the tube can alternatively or In addition to the cylindrical lens 63 also advantageously a diffractive optical element can be used.
  • the molding process is controlled by the controller 13.
  • the controller 13 controls the laser power.
  • the movement of the molds 70, 71, 75 is controlled.
  • the rotation device 9 can be controlled
  • syringe barrels range in power from 30 to 100 watts.
  • the regulation of the laser power can be carried out in particular also based on the temperature of the tube glass 3.
  • a control process can be implemented in the control device 13, which determines the laser power based on the measured by a temperature measuring device
  • Temperature controls to set a predetermined temperature or a predetermined temperature / time profile on the glass precursor As a temperature-measuring device, a pyrometer 11 is provided in the example shown in Fig. 1, which the heat radiation of the glass tube at the through the laser 5 heated end 31 measures. The measured values are fed to the control device 13 and used in the control process to set the desired temperature. Particularly advantageous in an inventive
  • Arrangement as shown by way of example Fig. 1, is that the laser light does not directly heat the molds.
  • the dies are generally not heated more than in a conventional process with prior burner heating.
  • a preferred glass for the manufacture of syringe bodies is borosilicate glass. Particular preference is given here
  • Alkaline content of less than 10 percent by weight.
  • Borosilicate glass is generally well suited due to the typically high thermal shock resistance. This is favorable in order to be able to realize fast heat-up ramps in the fast process times, as can be achieved with the invention.
  • a suitable low-alkali borosilicate glass has the following constituents in percent by weight:
  • a transmission spectrum of the glass is shown in FIG. 2.
  • the given transmission values refer to a
  • Wavelength range above 2.5 microns does not significantly depend on the exact composition of the glass. So can with similar
  • the above contents of the preferred borosilicate glass components may also vary by 25% from the indicated value. Furthermore, it is of course also possible to use other glasses in addition to borosilicate glass, provided that they are at most partially transparent at the wavelength of the laser.
  • FIG. 3 shows a variant of that shown in FIG.
  • an optic 6 is provided, which is connected upstream of the laser 5 and distributes the laser power on the glass precursor within the section of the glass precursor to be heated, here again the end 30 of the tube glass 3 .
  • the optics 6 comprises an annular mirror, or rotating mirror 64 with mirror facets 640.
  • the rotating mirror 64 is driven by a motor 65 and set in rotation.
  • the axis of rotation of the rotating mirror 64 is transverse, in the example shown in FIG. 3, in particular perpendicular to the normal of the mirror facets. Furthermore, the axis of rotation is also transversely, preferably perpendicular to the axial direction,
  • FIG. 4 shows a further variant of the device shown in FIG. 1. As in the case of that shown in FIG. 1,
  • the deflection mirror is replaced by a pivoting mirror 66, whose pivot axis is transverse, preferably perpendicular to the axis of rotation of the tube glass 3.
  • the pivoting mirror 66 is by means of a
  • Galvanometerantrieb can be controlled by the controller 13, so can be realized by spatially dependent power distributions in a simple manner by correspondingly faster and slower pivoting movements depending on the pivoting angle or depending on the axial position of the point of impact.
  • an optic is provided, which is one of the control device
  • a predetermined location / performance profile is adjustable. With such a profile can then be a desired
  • a further, alternative or additional control is still possible in order to allow predetermined local distributions of the radiation power introduced into the glass.
  • a beam deflection device is provided. To vary the radiated power depending on location, then the power of the laser according to the
  • Beam deflection are controlled by the controller. For example, if a first axial
  • Subsection of the heated axial portion are heated stronger or weaker, as an adjacent second subsection, the laser power of the
  • Control device the rotation angle of the rotating mirror
  • Fig. 5 shows for clarity a conceivable distribution of the laser power on the glass precursor. Shown is a plot of the laser power as a function of the axial position of the point of impact of the laser beam on the glass precursor. As can be seen from the diagram, the entire heated axial section 80 in this example is subdivided into subsections 81, 82, 83, 84, and 85. The subsections 82 and 84. The position "0" indicates the end of the glass precursor are irradiated with higher power of the laser, as the adjacent subsections 81, 83 and 85. The higher introduced
  • Radiation power in the subsections 82, 84 can, as described above, be regulated by regulating the laser power as a function of the position of the beam deflection device, that is to say in the examples shown in FIGS
  • the pivoting or rotational speed of the mirror can be varied, so that here the axial
  • Subsections 82, 84 are illuminated longer overall.
  • the inhomogeneity of heat losses can at least partially by setting a corresponding profile of the radiated power
  • Mold come into contact, are heated according to stronger over the laser radiation to compensate for the additionally occurring on the mold heat losses.
  • a temperature profile inhomogeneous in the axial direction may be favorable in order to additionally control the material flow occurring during the forming.
  • FIGS. 6A to 6F show on the basis of sectional views a simulation of a forming process according to the invention for forming a syringe cone from a tube 3 for the production of a syringe body.
  • Tube glass 3 around which the tube glass is rotated.
  • rollers 70, 71 and the mandrel 75 are also visible.
  • the irradiation of the laser beam is again between the rollers, so that the direction of irradiation
  • the time elapsed since the beginning of the forming process was the time of reduction of the
  • running lines 20 represent imaginary boundary lines of axial sections of the tube glass 3. Based on these lines, the flow of material during the forming is indicated.
  • the mandrel 75 protrudes from a foot 76, the
  • the foot 76 is a component formed perpendicular to the viewing direction of FIGS. 6A to 6F. Other than shown, in the actual apparatus, the foot is rotated 90 ° about the longitudinal axis of the forming mandrel 75 so that the foot 76 fits between the rollers 70, 71. The overlap of Rolls 70, 71 and foot 76, as can be seen from Fig. 6C, thus does not actually occur.
  • Forming steps for forming the syringe cone 35 were therefore with the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70, 71, 75 and the same molds 70,
  • Such a forming station therefore carries out all hot-forming steps on a portion of the glass precursor. It can now be a shaping of the syringe flange, or the finger rest at the other end of the tube.
  • This effect can also be achieved by setting an axially inhomogeneous power input be addressed via the regulation of the axial distribution of the laser power.
  • the glass flow direction can be influenced by the temperature control made possible by the laser. In particular, this is also possible with respect to the volume fraction and the direction of the glass flow.
  • Forming time is even less than two seconds in the example of FIGS. 6A to 6F.
  • mandrels 75 comprising
  • the invention is therefore particularly suitable for tungsten-free or tungsten-poor pharmaceutical packaging, in particular
  • the contamination is reduced by the molds. Also, in general, the molding tools by the invention Process less heated, which also reduces contamination.
  • Processing time is the processing of alkaline glasses in the reduced alkali flash. When the glasses are heated above the softening point it comes in
  • burners can also lead to the entry of combustion residues and fine dusts.
  • FIG. 7 shows schematically an embodiment of a
  • Forming plant 10 with several forming stations in the form of the device 1 described above Unlike the devices known in the above-mentioned prior art, in which the glass precursors are successively formed in a plurality of forming stations in several steps, the concept of 7 shown in FIG. 7, that the tube glass Sections throughout the forming process for a portion of the tube, such as the
  • the forming plant 10 has a carousel 100, similar to plants known from the prior art for the production of glass syringes.
  • the carousel 100 On the carousel 100 are several, for example, as shown eight devices 1 for forming glass products
  • Devices 1 loaded with glass precursors, in particular tube glass sections. While now the loaded devices 1 on the carousel 100 to a
  • Ent fortunestation 103 rotate, is in the devices 1 to the glass precursors forming, such as the described with reference to FIGS. 1, 3, 4, 6A - 6F shaping
  • Forming plants with carousel the forming tools can therefore be arranged here on the carousel itself.
  • a construction of the forming plant is conceivable in which the forming stations 1 are stationary and are loaded and unloaded in parallel. Such a variant is shown in FIG. 8.
  • the tube glasses 3 are fed via a feed device 104, for example a conveyor belt of a loading and
  • Discharge device 106 supplied.
  • FIG. 9 shows a sectional view through a tube glass in the course of the forming process using a shaping mandrel 95 according to the invention.
  • the forming mandrel 95 projects out of a foot 96 which is used to form the front part
  • the foot 96 is a component formed flat perpendicular to the viewing direction of FIG. 9. Differently than shown, in the actual apparatus the foot is thereby rotated 90 ° about the longitudinal axis of the forming mandrel 95, so that the foot 96 is interposed between the legs
  • the illustrated forming mandrel 95 comprises a metallic core 93. Furthermore, the forming mandrel 95 comprises in the region of
  • temperature-stable, ceramic material may be applied, for example in the form of an enclosing layer on the metallic core of the mandrel 95.
  • the layer can be, for example, by means of thermal spraying
  • mandrel 95 can also completely made of a high temperature stable
  • the invention has been described in the figures on the basis of the shape of the syringe cone of a glass syringe body.
  • the invention is applicable in a corresponding manner not only to the formation of the finger rest of syringe bodies, but also to the transformation of other glass precursors.
  • the invention is generally suitable for the production of pharmaceutical packaging materials made of glass.
  • syringes include cartridges, vials and ampoules.
  • the use of the laser as a heater is not exclusive. Rather, other heating devices can also be used in addition. So it is possible and due to the high heat output possibly also advantageous to perform a preheating with a burner to the initial

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  • Infusion, Injection, And Reservoir Apparatuses (AREA)

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Umformung von Glasprodukten, wie etwa der Umformung von Glasrohren zu Spritzenkörpern den Justageaufwand zu verringern. Damit eine Erwärmung des Glases eines umzuformenden Glas-Vorprodukts (3) erfolgt, wird ein Laser (5) verwendet, welcher Licht einer Wellenlänge emittiert, für welche das Glas des Glas-Vorprodukts (3) höchstens teiltransparent ist, so dass das Licht zumindest teilweise im Glas absorbiert wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Formwerkzeug (7), umfassend einen Formdorn (75), wobei der Formdorn (75) zumindest in demjenigen Bereich, der während der Umformung die Kontaktfläche zu dem Glas bildet, ein temperaturstabiles keramisches Material umfasst.

Description

Formwerkzeug, Verfahren und Vorrichtung zur lasergestützten Glasformung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von
Glasprodukten. Im Speziellen betrifft die Erfindung die Herstellung von vorzugsweise hohlkörperförmigen
Glasprodukten durch lasergestützte Heißumformung, bei der ein Formwerkzeug, umfassend einen Formdorn, verwendet wird. Der Formdorn umfasst vorzugsweise einen temperaturstabilen keramischen Werkstoff. Das Ausformen eines Konus ist ein wesentlicher
Verfahrensschritt bei der Herstellung beispielsweise von Glasspritzen. Üblicherweise kommen hier Prozesse zum
Einsatz, die zur Erwärmung des Glases mit fossilen
Brennstoffen betriebene Brenner benutzen. Der übliche
Ablauf der Formgebung umfasst dabei mehrere sukzessive
Aufwärm- und Formgebungsschritte, mit welchen ausgehend von Rohrglas-Körpern die gewünschte End-Geometrie angenährt wird. Übliche Durchmesser des verwendeten Rohrglases liegen im Bereich von 6 bis 11 Millimetern.
Des Weiteren ist prinzipiell das Ausformen von Fläschchen mit den üblichen Durchmessern von 15 mm- 40 mm möglich.
Vorrichtungen, bei welchen das Umformen mit Brennern in mehreren Schritten erfolgt, sind beispielsweise aus der DE 10 2005 038 764 B3 und der DE 10 2006 034 878 B3
bekannt. Diese Vorrichtungen sind als Rundläufer
ausgebildet, Der wiederholte Wechsel von Erwärmungs- und
Glasformungsschritten ist notwendig, weil der zu formende Glasrohling durch die Formwerkzeuge abkühlt, so dass eine Formung in einem einzigen Formschritt bislang nicht möglich war. Solche Verfahren werden vielfach auf indexierenden Rundläufermaschinen realisiert, da derartige Vorrichtungen kostengünstig arbeiten und raumsparend aufgebaut sind.
Beispielsweise sind Rundläufer mit 16 oder 32 Stationen bekannt. Aus der stationsweisen Aufteilung der
Formgebungsprozesse ergibt sich eine Vielzahl von
Stellgrößen oder Freiheitsgraden, die beispielsweise mittels manueller Stellvorgänge zur Justage des
Gesamtprozesses einzustellen sind. Gerade bei der
Wärmeeinkopplung mittels fossiler Brenner ergeben sich aber viele Freiheitsgrade. Dabei ist im Allgemeinen eine
visuelle Bewertung der Flamme und des Glaszustandes, beziehungsweise der Temperatur und deren Verteilung
erforderlich .
Die Vielzahl von Freiheitsgraden oder einstellbaren
Parametern an den einzelnen Stationen ermöglicht weiterhin die Durchführung unterschiedlicher Verfahrensabläufe durch unterschiedliche Kombinationen und/oder Reihenfolgen von Zwischenschritten bei der Glasformung, die aber letztlich zu identischen Resultaten führen sollten. Aufgrund der Vielzahl der einstellbaren Parameter sowie fehlender
Skalierung und/oder Skalierbarkeit der Prozessführung ist der Einfluss des Anlagenbedieners von großer Bedeutung für die Qualität des Endprodukts, sowie auch der
Leistungsfähigkeit des Herstellungsprozesses. Selbst wenn neben der vom Grundprinzip bereits vergleichsweise kostengünstigen Realisierung der Formgebung auf Rundläufermaschinen zusätzliche Investitionen in aufwändige Automatisierungsfunktionen vermieden werden können, steht die Produktion also dennoch in einem starken Abhängigkeitsverhältnis zur Verfügbarkeit von erfahrenem und gut ausgebildetem Bedienpersonal. Damit ergibt sich im Hinblick auf die Herstellungskosten ein signifikanter
Personalaufwand .
Bereits in der Anlaufphase der Produktion ist eine
aufwändige Feinjustage aller relevanten Aktoriken der
Anlage erforderlich. So sind auf bisherigen
Rundläufermaschinen eine Vielzahl von Spannfuttern, beispielsweise 16 oder sogar 32 Spanfutter, für die
Konusformung vorhanden. Insgesamt ist dazu typischerweise inklusive des Einfahrvorgangs zum Erreichen eines stabilen Prozessablaufs ein Zeitrahmen von mehreren Stunden bis hin zu mehreren Tagen erforderlich. Zudem sind im Allgemeinen auch während der Produktion Nachjustierungen an der
Vielzahl von Stationen erforderlich.
Störend auf den Verarbeitungsprozess können sich zudem auch sogenannte Einlaufphänomene auswirken. Diese
Einlaufphänomene entstehen unter anderem durch
Wärmedehnungen aufgrund der Aufheizung von Anlagenteilen durch die Brenner.
Ein weiteres Problem ergibt sich aufgrund der Komplexität der Prozessführung dahingehend, dass die Temperatur während der Formgebung nicht sehr genau zu steuern ist und es somit zu Schwankungen kommen kann. Aus diesem Grund müssen häufig für die Formwerkzeuge bestimmte Werkstoffe verwendet werden, welche in Verbindung mit bestimmten Gläsern oder in Bezug auf eine bestimmte Verwendung derselben zu Problemen führen können.
Dies trifft insbesondere auf die Formdorne zu, welche typischerweise während der Formgebung eine innerhalb des Hohlkörpers liegende Kontaktzone mit dem besagten
hohlkörperförmigen Glasprodukt ausbilden. Üblicherweise umfassen Formdorne in der Glasformgebung daher Materialien wie Wolfram oder Rhodium. Diese können allerdings zu
Materialrückständen innerhalb des Hohlkörpers führen, welche bei einer späteren Verwendung, beispielsweise im pharmazeutischen Bereich, zu unerwünschten Wechselwirkungen mit dem abgefüllten Wirkstoff führen können.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung, ein Umformungsverfahren und einen Formdorn anzugeben, mit welchem bei mindestens gleichbleibender Qualität der hergestellten Glasprodukte der Justageaufwand deutlich verringert und der Produktionsprozess stabilisiert werden kann. Zudem kann die Gefahr der Bildung von
unerwünschten Materialrückständen innerhalb des
hohlkörperförmigen Glasproduktes weitgehend vermindert oder sogar vollständig ausgeschlossen werden.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängige Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der
Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben . Demgemäß betrifft die Erfindung ein Formwerkzeug zum
Umformen von hohlkörperförmigen Glasprodukten, umfassend einen Formdorn, welcher ein temperaturstabiles, keramisches Material umfasst.
Des weiteren sieht die Erfindung eine Vorrichtung zum
Umformen von Glasprodukten vor, umfassend
- eine Einrichtung zur lokalen Erhitzung eines Bereichs eines Glas-Vorprodukts bis über dessen Erweichungspunkt, und
- zumindest ein Formwerkzeug zum Umformen wenigstens eines Abschnittes eines mit der Einrichtung zur lokalen Erhitzung erhitzten Bereichs des Glas-Vorprodukts, wobei das
Formwerkzeug einen keramischen Formdorn umfasst und wobei die Einrichtung zur lokalen Erhitzung
- einen Laser umfasst,
- wobei eine Rotationseinrichtung vorgesehen ist, um das Formwerkzeug und das Glas-Vorprodukt relativ zueinander zu rotieren, und wobei
- das Formwerkzeug so ausgebildet ist, dass ein
Oberflächenbereich des umzuformenden Abschnittes des Glas- Vorproduktes nicht durch das Formwerkzeug abgedeckt wird, wobei der Laser oder eine dem Laser nachgeschaltete Optik so angeordnet ist, dass das Laserlicht bei der Umformung auf den nicht vom Formwerkzeug abgedeckten Bereich
eingestrahlt wird, und wobei eine Steuereinrichtung
vorgesehen ist, welche den Laser ansteuert so dass
zumindest zeitweise das Glas-Vorprodukt während der
Umformung durch das Laserlicht erwärmt wird
Das Formwerkzeug umfasst weiterhin ein Walzenpaar, welches so angeordnet ist, dass die Walzen des Walzenpaares auf der Oberfläche eines mittels der Rotationseinrichtung in
Rotation versetzten Glas-Vorproduktes abrollen, wobei von dem Laserlicht ein zwischen den Walzen liegender Bereich auf dem Umfang des Glas-Vorproduktes beleuchtet wird.
Damit eine Erwärmung des Glases eines in der Vorrichtung umzuformenden Glas-Vorprodukts erfolgt, wird ein Laser verwendet, welcher Licht einer Wellenlänge emittiert, für welche das Glas des Glas-Vorprodukts höchstens
teiltransparent ist, so dass das Licht zumindest teilweise im Glas absorbiert wird.
Das mit dieser Vorrichtung durchführbare Verfahren zum Umformen von Glasprodukten basiert dann entsprechend darauf,
- einen lokalen Bereich eines Glas-Vorprodukts bis über dessen Erweichungspunkt zu erhitzen, und
- mit zumindest einem Formwerkzeug wenigstens einen
Abschnitt eines mit einer Einrichtung zur lokalen Erhitzung erhitzten Bereichs des Glas-Vorprodukts umzuformen, wobei das Formwerkzeug einen keramischen Formdorn, oder
allgemeiner, einen Formdorn mit keramischer Oberfläche zumindest in dem Kontaktbereich mit dem Glas-Vorprodukt umfasst, wobei die Einrichtung zur lokalen Erhitzung
- einen Laser umfasst, welcher
- Licht einer Wellenlänge emittiert, für welche das Glas höchstens teiltransparent ist, so dass das Licht zumindest teilweise im Glas absorbiert wird, und welches auf das Glas-Vorprodukt gerichtet wird,
- wobei das Formwerkzeug und das Glas-Vorprodukt relativ zueinander mittels einer Rotationseinrichtung rotiert werden, und wobei - das Formwerkzeug so ausgebildet ist, dass ein
Oberflächenbereich des umzuformenden Abschnittes des Glas- Vorproduktes nicht durch das Formwerkzeug abgedeckt wird, und wobei
- der Laser oder eine dem Laser nachgeschaltete Optik so angeordnet ist, dass das Laserlicht bei der Umformung auf den nicht vom Formwerkzeug abgedeckten Bereich eingestrahlt wird, und wobei mittels einer Steuereinrichtung der Laser so angesteuert wird, dass zumindest zeitweise das Glas- Vorprodukt während der Umformung durch das Laserlicht erwärmt wird.
Als Laser sind im Allgemeinen Infrarotlaser besonders geeignet, da die Transmission von Gläsern typischerweise vom sichtbaren Spektralbereich zum Infrarotbereich hin sinkt. Vorzugsweise wird die Wellenlänge des Lasers so gewählt, dass das Glas des zu bearbeitenden
Glasgegenstandes bei der Wellenlänge einen
Absorptionskoeffizienten von mindestens 300 m-1, besonders bevorzugt mindestens 500 m-1 aufweist. Bei einem
Absorptionskoeffizienten von 300 m-1 werden dann etwa 25% der Laserleistung beim Durchgang durch die Wandung eines Rohrglases mit 1 mm Wandstärke absorbiert. Bei einem
Absorptionskoeffizienten von 500 m-1 wird bereits etwa 60% des Lichts absorbiert und kann zur Erwärmung des
Glasgegenstands genutzt werden.
Im Allgemeinen sind für die Formung von Spritzenkörpern Laser mit einer Strahlungsleistung kleiner 1 kW
ausreichend, um eine hinreichend schnelle Erwärmung des Glasprodukts zu gewährleisten. Um die Temperatur während der Umformung zu halten, ist im Allgemeinen noch weniger Leistung erforderlich. Vielfach reicht dazu eine
Strahlungsleistung von weniger als 200 Watt aus. Ein bevorzugter Bereich der eingestrahlten Leistung liegt zwischen 30 und 100 Watt. Für die Formung von größeren Glasgegenständen, beispielsweise die Formung von
Glasgegenständen aus Rohrglas mit einem Durchmesser von 20 Millimetern oder mehr sind gegebenenfalls aber auch größere Leistungen günstig, um eine schnelle Erwärmung zu
gewährleisten. Als Beispiel sei in diesem Zusammenhang die Formung des Flaschenhalses für Pharmafläschchen genannt, die aus Rohrglas mit 20 bis 30 Millimetern Durchmesser hergestellt werden.
Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, in einer Aufheizphase vor dem Umformprozess den Laser mit einer ersten Leistung zu betreiben und diese Leistung auf eine zweite Leistung während des Umformprozesses zu
reduzieren. Vorzugsweise ist die zweite Leistung mindestens einen Faktor vier niedriger als die erste Leistung.
Da erfindungsgemäß während der Zwangsformung des Glas- Vorprodukts fortwährend Wärmeenergie zugeführt wird, kann eine Abkühlung während des Umformprozesses vermieden oder zumindest vermindert werden. Vorzugsweise wird die
Laserstrahlung vor der beginnenden Zwangsformung und bis zu einem Zeitpunkt nach Beginn des Zwangsformungsprozesses eingestrahlt .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es aber auch möglich, das Formwerkzeug nicht auf dem Glas- Vorprodukt abzurollen, sondern über das Glas gleiten zu lassen. Insbesondere können dazu geeignete Schmier- oder Trennmittel verwendet werden. Beide Ausführungsformen, also mit abrollenden Walzen und gleitendem Formwerkzeug können auch gleichzeitig oder nacheinander verwendet werden.
Beispielsweise kann eine Innenformung der Düse,
beziehungsweise des Spritzenkonus eines Spritzenkörpers, beziehungsweise des Kanals mittels eines gleitenden
Formdorns vorgenommen werden, während die äußere Formung des Spritzenkonus mit abrollenden Walzen durchgeführt wird. Weiterhin werden die Vorrichtung und das Verfahren gemäß der Erfindung vorzugsweise dazu eingesetzt, um
hohlkörperförmige, insbesondere röhrenförmige Glas- Vorprodukte umzuformen. Insbesondere kann dabei das
Formwerkzeug zur Kompression, vorzugsweise einer radialen Kompression eines Abschnitts des hohlkörperförmigen Glas- Vorprodukts ausgebildet sein. Eine solche Kompression wird beispielsweise bei der Formung des Konus eines
Spritzenkörpers aus einem hohlkörperförmigen Glas- Vorprodukts in Gestalt eines Glasrohres durchgeführt.
Die Erfindung bietet nicht nur den Vorteil, dass eine
Abkühlung des zuvor erwärmten Glas-Vorprodukts durch die Laserstrahlung während der Zwangsformung des Glases
kompensiert werden kann. Vielmehr bietet die Laserstrahlung gegenüber den bisher verwendeten Brennern auch den Vorteil, sowohl zeitlich, als auch örtlich exakt und fein
einstellbar zu sein. Damit ist es in Weiterbildung der Erfindung nun möglich, die Laserstrahlung örtlich oder zeitlich zu regeln oder einzustellen, so dass ein
vordefiniertes Temperaturprofil entlang des erwärmten
Abschnitts des Glas-Vorprodukts eingestellt wird. Um die Laserleistung entsprechend eines gewünschten Temperaturprofils einzustellen, kann in einfacher
Weiterbildung der Erfindung eine Optik vorgesehen werden, welche dem Laser vorgeschaltet ist und die Laserleistung auf dem Glas-Vorprodukt innerhalb des zu erwärmenden
Abschnitts des Glas-Vorprodukts verteilt. Eine solche Optik kann gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung eine strahlaufweitende Optik umfassen, welche den Laserstrahl in zumindest einer Raumrichtung aufweitet. Auf diese Weise kann aus dem typischerweise punktförmigen Strahl ein fächerförmiger Strahl erzeugt werden, der einen länglichen Bereich des Glas-Vorprodukts bestrahlt.
Eine weitere, alternative oder zusätzliche Möglichkeit der Verteilung der Laserleistung besteht darin, den Laserstrahl über den zu erwärmenden, beziehungsweise umzuformenden Abschnitt des Glas-Vorprodukts zu bewegen. Eine solche Bewegung kann beispielsweise mit einem geeigneten
Galvanometer erreicht werden. Denkbar ist auch ein Laser mit Schwenk- oder Translationsantrieb. Die Bewegung des Laserstrahls bietet gegenüber einer starren Optik die
Möglichkeit, das Profil der eingestrahlten Laserleistung vor und/oder während der Umformung anzupassen. So kann beispielsweise während der Umformung eine räumliche
Intensitätsverteilung des Laserlichts auf dem umzuformenden Abschnitt wünschenswert sein, die sich von der für das
Aufwärmen verwendeten Intensitätsverteilung unterscheidet. Ein solcher Unterschied kann beispielsweise wünschenswert sein, um räumlich inhomogene Abkühlungen durch die
Formwerkzeuge zu kompensieren. So hat es sich bei der
Formung eines Spritzenkonus in einem Schritt als günstig erwiesen, eine unsymmetrische Verteilung der
Strahlungsleistung entlang der axialen Richtung anzuwenden. Dies hilft, eine Stauchung des Konus in das zylindrischen Rohr des Spritzenkörpers hinein zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Beim Einsatz von fossilen Brennern wird demgegenüber typischerweise eine symmetrische, großflächige Erwärmung bewirkt, durch welche auch Bereiche des
zylindrischen Rohrs erwärmt und damit erweicht werden, so dass eine Stauchung des Konus in axialer Richtung in den zylindrischen Teil des Spritzenkörpers ermöglicht wird.
Im Allgemeinen ist es zweckmäßig, die Laserleistung in Richtung entlang der Rotationsachse zu verteilen. Durch die Rotationsbewegung wird dann die Wärmeenergie auf dem Umfang des zu erwärmenden Abschnittes des Glas-Vorprodukts gleichmäßig verteilt, wohingegen entlang der axialen
Richtung ein bestimmtes Temperaturprofil einstellbar ist.
Durch die erfindungsgemäß präzise und reproduzierbare
Temperaturführung des Umformprozesses entfallen typische Restriktionen, die sich bei der Auswahl eine Formdorns oder insbesondere bei der Auswahl eines Werkstoffes des
Formdorns ergeben. Während bisher aufgrund ungenauer
Temperaturführung im Bereich des Umformprozesses, aber auch aufgrund einer häufig zu ungenauen Positionierung des Spannfutters an den Rundtaktmaschinen und einer daraus resultierenden ungünstigen Belastung der Formdorne während des Umformens Formdorne auf Basis keramische Werkstoffe ungeeignet waren, so können dank des erfindungsgemäßen Verfahrens nun derartige Werkstoffe für Formdorne verwendet werden .
Durch eine Vorrichtung und ein Umformverfahren im Sinne der Erfindung kann der Produktionsprozess so weit verbessert und stabilisiert werden, dass überraschenderweise derartige keramische Werkstoffe für den Formdorn verwendet werden können, obwohl sie als spröde Werkstoffe nur eine geringe Bruchzähigkeit aufweisen.
Hierdurch ergeben sich vielfältige Vorteile. So kann auf eine Verwendung von Materialien wie Wolfram oder Rhodium für Formdorne weitgehend oder vollständig verzichtet werden, insbesondere in den Kontaktbereichen zwischen
Formdorn und Glasprodukt. Derartige Materialien können, insbesondere in den Kontaktbereichen zu dem Glasprodukt zu Rückständen führen.
So kann eine Verwendung von Formdornen aus Wolfram etwa zu Rückständen in dem Konuskanal des Glasproduktes führen, welche dann bei einer späteren bestimmungsgemäßen
Verwendung des umgeformten Glasproduktes zu unerwünschten Reaktionen führen kann. Beispielsweise kann es bei einer Befüllung eines derart umgeformten Glasproduktes mit einem pharmazeutischen Wirkstoff zu einer Wechselwirkung wie einer Degradation zwischen Wirkstoff und Materialrückstand auf der Glasoberfläche kommen. Dies ist besonders
ungünstig, wenn das Glasprodukt beispielsweise mit
sensiblen pharmazeutischen oder biopharmazeutischen
Erzeugnissen gefüllt werden soll.
Dabei ist der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des Umformens in Kontakt zu dem
umzuformenden Glasgegenstand steht, mit einem
temperaturstabilen, keramischen Werkstoff ausgebildet. In anderen Worten umfasst der Formdorn bevorzugt zumindest im Bereich der Kontaktfläche zu dem Glasprodukt einen temperaturstabilen, keramischen Werkstoff bzw. eine technische Keramik.
Unter temperaturstabil ist im Sinne der vorliegenden
Erfindung zu verstehen, dass der Formdorn eine höhere Erweichungstemperatur als das umzuformende Glasprodukt aufweist und somit während des Umformens des Glasproduktes noch über eine zum Umformen ausreichende Festigkeit und Härte verfügt.
Dabei kann der Formdorn auch vollständig aus einem
temperaturstabilen keramischen Werkstoff bzw. einer technischen Keramik erzeugt sein. Derartige Werkstoffe können Oxid- und/oder Nichtoxid-Keramiken und/oder hierauf basierenden Verbundwerkstoffe und/oder metallkeramischer Verbundwerkstoffe umfassen. So sind beispielsweise auch metallische Grundkörper möglich, welche mit keramischen Werkstoffen beschichtet werden.
Besonders bevorzugt kann der Formdorn temperaturstabile, keramische Werkstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumtitanat , Silikatkeramik,
Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid umfassen. Derartige Werkstoffe sind häufig ausreichend
temperaturstabil, insbesondere im Bereich der
Glasübergangstemperatur TG des umzuformenden Glases und auch darüber hinaus. Im Sinne der Erfindung kann der
Werkstoff des Formdorns gemäß der Glasübergangstemperatur des umzuformenden Glases ausgewählt werden, so dass die Einsatztemperatur der technischen Keramik des Formdorns vorteilhaft oberhalb der Glasübergangstemperatur des Glasproduktes liegt. Ganz besonders bevorzugt ist der Formdorn zumindest in denjenigen Bereichen, welche in Kontakt zu dem
umzuformenden Glasgegenstand kommen, weitgehend oder vollständig frei von den Materialien Wolfram und Rhodium. So liegt der Anteil von Wolfram und/oder Rhodium in dem Kontaktbereich des Formdorns bevorzugt bei weniger als 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt bei weniger als 0,1 Gew.-%. Hieraus ergeben sich verschiedene Vorteile. So kann
einerseits die Gefahr von unerwünschten Rückständen auf Teilen der Oberfläche des umgeformten Glasproduktes, insbesondere in einem innenliegenden Konusbereich,
weitgehend vermieden oder gänzlich ausgeschlossen werden. Dadurch kann weiterhin bei einer späteren Verwendung des Glasproduktes, beispielsweise als Behälter für sensible pharmazeutische oder biopharmazeutische Wirkstoffe, eine unerwünschte Wechselwirkung der Materialrückstände mit dem Wirkstoff weitgehend ausgeschlossen werden. So kann etwa eine Degradation des Wirkstoffes reduziert oder ganz unterbunden werden.
So können, insbesondere im Kontaktbereich zu dem
Glasprodukt, in Bezug auf Wechselwirkungen mit späteren Inhaltsstoffen des Behälters weitgehend unbedenkliche keramische Werkstoffe verwendet werden.
Bei einer Verwendung derartiger Werkstoffe für den Formdorn können einerseits unerwünschte Materialrückstände insgesamt reduziert werden. Andererseits sind die eventuell doch entstehenden Rückstände unbedenklich in Bezug auf mögliche Wechselwirkungen mit den späteren Inhaltsstoffen des
Behälters .
Weiterhin kann durch die erfindungsgemäß sehr exakte
Temperaturführung im Umformbereich eine für die Umformung des Glasproduktes ausreichend hohe Temperatur erreicht werden, ohne dass andererseits eine zu hohe Temperatur in der Kontaktzone zwischen Glasprodukt und Formdorn zu
Anhaftungen aufgrund Überschreitens der Klebetemperatur führt. Auf diese Weise kann auch ein spröder Werkstoff wie eine technische Keramik als Material für den Formdorn verwendet werden, ohne dass es zu verstärkter Schädigung des Formdorns oder zu Defekten am Glaskörper kommt.
Die Erfindung ermöglicht weiterhin auch ein völlig anderes Design von Umform-Vorrichtungen, wie sie insbesondere für die Fertigung von Spritzenkörpern eingesetzt werden. Wie bereits oben erläutert, werden bisher dazu Rundläufer mit 16 oder 32 Stationen eingesetzt. Der Formgebungsprozess wird stationsweise durchlaufen, wobei die endgültige Form in mehreren Schritten durch sukzessiven Einsatz von
Formwerkzeugen erreicht wird. Zwischen den
Umformungsschritten wird erwärmt, um die
Temperaturabsenkung bei der Umformung auszugleichen. Da erfindungsgemäß die Erwärmung während der Umformung stattfindet und so ein Temperaturabfall kompensierbar ist, kann erfindungsgemäß die gesamte Heißumformung eines umzuformenden Abschnittes in einer einzelnen Station durchgeführt werden. Mit anderen Worten werden alle zur Umformung des Abschnitts eingesetzten Formwerkzeuge in einer Umformstation eingesetzt, wobei der Laserstrahl während der Umformung dabei das Glas-Vorprodukt erwärmt, beziehungsweise auf der vorgesehenen Temperatur hält.
Demgemäß weist nach dieser Ausführungsform der Erfindung die Vorrichtung zumindest eine Umformungsstation auf, wobei an der Umformungsstation alle Formwerkzeuge vorhanden sind, um an einem Abschnitt des Glas-Vorprodukts alle Heiß- Umformungsschritte zur Herstellung des Endprodukts
durchzuführen .
Ein derartiges Design der Umformungsstation ist ganz besonders geeignet für eine Verwendung von Formdornen auf der Basis von temperaturstabilen keramischen Werkstoffen, da die seitlichen Belastungen auf den Formdorn während des Umformens im Vergleich zu Rundläufermaschinen deutlich verringert werden können. So kann bei Rundläufermaschinen eine unterschiedliche Positionierung der verschiedenen Spannfutter in der Maschine zu hohen seitlichen Belastungen des Formdorns führen, welche die Bruchzähigkeit keramischer Werkstoffe überschreiten können. Dagegen können bei der besagten Umformungsstation sowohl die Temperaturführung im Umformungsbereich des Glasproduktes als auch die
Positioniergenauigkeit des Formdorn derart verbessert werden, dass auch spröde keramische Werkstoffe für den Formdorn verwendet werden können.
Durch die Möglichkeit, in der Umformungsstation den
Formdorn mittels des Spannfutters sowie ebenso die
Außenformwerkzeuge, insbesondere die Formrollen, sehr präzise und exakt zu positionieren, können die
Formwerkzeuge mit sehr hoher Wiederholgenauigkeit
zueinander ausgerichtet werden. Somit können Belastungen durch nicht symmetrisch wirkende seitliche Kräfte auf den Formdorn weitgehend vermieden werden. Auf diese Weise gelingt es, die seitliche Belastung auf den Formdorn während des Umformungsprozesses so stark zu minimieren, dass die Bruchspannung des keramischen Werkstoffes nicht erreicht wird.
Mittels der hochgenauen Lasererwärmung kann auch ein sehr kleines Temperatur-Prozessfenster zum Umformen mit hoher Wiederholgenauigkeit eingehalten werden. Dabei ergibt sich die Untergrenze des Prozessfensters typischerweise aus der Glasübergangstemperatur TG sowie die Obergrenze daraus, dass ein Kleben zwischen dem Material des Formdorns und dem Glas während des Umformens vermieden wird.
Es ist bekannt, dass ein zu heißes Werkzeug zu einem kurzen Anhaften des Glases am Werkzeug führen kann. Ein längeres Anhaften wird häufig auch als Kleben bezeichnet.
Die Klebe- oder auch Hafttemperatur können von der
Viskosität des Glases, der Wärmeleitfähigkeit des Glases und seiner Dichte sowie dem Formdornwerkstoff, insbesondere im Kontaktbereich, beeinflusst werden. Bezüglich des
Werkstoffes des Formdorns ist die Wärmeeindringung von großer Bedeutung.
Ein Haften und/oder Kleben kann zu erhöhtem
Werkzeugverschleiß und zu Ausschuss des Glasproduktes führen und ist daher nach Möglichkeit zu vermeiden.
Die Verwendung eines Formdorns mit einem keramischen
Werkstoff im Kontaktbereich mit dem Glas kann zu einem kleinen Prozessfenster bezüglich der Umformungstemperatur führen, da die kritische Haft- bzw. Klebetemperatur schon relativ früh erreicht werden kann. Mit anderen Worten, die Temperatur, die erreicht werden muss, um das Glas
entsprechend umformen zu können, und die Temperatur, bei der ein Anhaften oder Kleben stattfindet, können sehr dicht beieinander liegen.
Daher ist bei der Auswahl des keramischen Werkstoffes für den Formdorn vorzugsweise darauf zu achten, dass eine bestimmte Wärmeeindringzahl des keramischen Materials erreicht wird. Die Erfinder haben herausgefunden, dass für den Formdorn vorteilhaft Werkstoffe mit einer
Wärmeeindringungszahl ab etwa b = 60 W * s1 2 / m2 * K besonders geeignet sind, um ein ausreichend großes
Temperatur-Prozessfenster zu ermöglichen. Die besonders bevorzugten keramischen Werkstoffe für den Formdorn sind daher Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und/oder
Siliziumkarbid.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des Umformungsprozesses einen
Kontaktbereich mit dem Glasprodukt bildet, eine keramische Schicht. Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Stabilität kann der Formdorn daher einen metallischen Kern mit einer keramischen Schicht umfassen, wobei diese keramische
Schicht besonders bevorzugt auf den Werkstoffen
Aluminiumoxid, Siliziumnitrid und/oder Siliziumkarbid basiert .
Dieser speziellen Ausführungsform liegt mithin die
generelle Ausgestaltung der Erfindung zugrunde, durch den Einsatz eines Lasers die Teilschritte der konventionellen Formgebung in wenigen, ideal in einem Schritt zu
integrieren. Dies wird möglich, da mit dem Laser sehr definiert variabel und aufgrund der guten Regelbarkeit der Leistung und deren örtlich/zeitlicher Verteilung
reproduzierbar Energie in das Glas während des Umformens eingekoppelt werden kann.
In Weiterbildung dieser Ausführungsform der Erfindung können dann auch wieder, ähnlich wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen mehrere Stationen
eingesetzt werden, wobei gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung die Stationen gleichartige Umformschritte
durchführen. Auf diese Weise kann durch parallele,
gleichartige Umformung der Durchsatz einer solchen
Vorrichtung gegenüber bekannten Vorrichtungen erheblich gesteigert werden.
Selbst bei einer einzelnen Station ergibt sich gegenüber einer Vorrichtung mit 16 oder 32 Stationen herkömmlicher Bauart im Allgemeinen ein erheblicher
Geschwindigkeitsvorteil. Bei einer herkömmlichen
Vorrichtung liegt die benötigte Zeit für einen
Umformungsschritt typischerweise in der Größenordnung von 2 Sekunden. Geht man von 4 Umformungsschritten aus und rechnet noch die Zeiten für fünf bis sechs
Zwischenerwärmungs-Schritten mit Brennern hinzu, so liegt die Gesamtdauer der Umformung bei etwa 20 Sekunden.
Demgegenüber ist es mit der Erfindung möglich, die
Umformungsdauer auf die Dauer eines oder weniger
herkömmlicher Umformungsschritte zu begrenzen. Damit kann der Umformungsprozess leicht erheblich beschleunigt werden. So beträgt die Zeit für eine Umformung eines Abschnittes des Glas-Vorproduktes, gerechnet ohne die Aufheizdauer vorzugsweise weniger als 15, besonders bevorzugt weniger als 10, insbesondere bevorzugt weniger als 5 Sekunden. Weiterhin ist es von Vorteil, die Laserleistung im Verlauf des Prozesses anzupassen. Insbesondere kann die
eingestrahlte Laserleistung während des Umformprozesses gegenüber der Laserleistung bei einer dem Umformen
vorangehenden Aufheizphase reduziert werden.
Gemäß noch einer Weiterbildung der Erfindung kann die Laserleistung mittels eines in der Steuereinrichtung implementierten Regelprozesses auch anhand einer mittels einer Temperatur-Messeinrichtung vor und/oder während der Umformung gemessenen Temperatur des Glas-Vorprodukts geregelt werden, um eine vorgegebene Temperatur oder ein vorgegebenes Temperatur/Zeit-Profil am Glas-Vorprodukt einzustellen. Als Temperatur-Messeinrichtung eignet sich dabei besonders eine berührungslose Messeinrichtung, wie etwa ein Pyrometer. Mit einer solchen Regelung kann die
Temperatur des Glases innerhalb eines Prozessfensters von weniger als ±20°C, im Allgemeinen sogar höchstens ±10°C stabilisiert werden. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die
beigeschlossenen Figuren näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder
entsprechende Elemente. Es zeigen:
Fig. 1 Teile einer Vorrichtung zur Umformung von Rohrglas, Fig. 2 ein Transmissionsspektrum eines Glases eines Glas- Vorprodukts,
Fig. 3 eine Variante des in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 eine weitere Variante,
Fig. 5 ein schematisches Diagramm der eingestrahlten
Laserleistung als Funktion der axialen Position entlang eines Glas-Vorprodukts,
Fig. 6A bis 6F Schnittansichten durch ein Rohrglas im
Verlauf des Umformprozesses.
Fig. 7 eine Umformanlage mit mehreren Vorrichtungen zur Umformung von Rohrglas,
Fig. 8 eine Variante der in Fig. 7 gezeigten Umformanlage, und
Fig. 9 eine Schnittansicht durch ein Rohrglas im Verlauf des Umformprozesses unter Verwendung eines Formdorns, welcher im Bereich der Kontaktfläche zu dem Glas-Vorprodukt zumindest einen temperaturstabilen, keramischen Werkstoff umfasst .
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt . Die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete
Vorrichtung des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels ist zur Umformung von Glas-Vorprodukten in Gestalt von Rohrgläsern 3 ausgebildet. Im Speziellen wird die
Vorrichtung zur Herstellung von Glas-Spritzenkörpern verwendet wobei mit den in Fig. 1 gezeigten Elementen der Vorrichtung 1 aus dem Rohrglas der Konus des
Spritzenkörpers geformt wird. Das Herstellen des Konus aus dem Rohrglas mittels der
Vorrichtung 1 basiert darauf, dass lokal ein Bereich eines Rohrglases 3, hier dessen Ende 30 bis über dessen
Erweichungspunkt erhitzt und mit zumindest einem
Formwerkzeug wenigstens ein Abschnitt des erhitzten Endes umgeformt wird, wobei die Einrichtung zur lokalen Erhitzung einen Laser 5 umfasst, welcher Licht einer Wellenlänge emittiert, für welche das Glas des Rohrglases 3 höchstens teiltransparent ist, so dass das Licht zumindest teilweise im Glas absorbiert wird. Der Laserstrahl 50 wird dazu mittels einer Optik 6 auf das Rohrglas 3 gerichtet. Während des Umform-Prozesses werden das Formwerkzeug 7 und das Glas-Vorprodukt 3 relativ zueinander mittels einer
Rotationseinrichtung 9 rotiert. Im Allgemeinen ist es dabei zweckmäßig, wie auch im gezeigten Beispiel das Rohrglas 3 mit Drehachse entlang der axialen Richtung des Rohrglases 3 zu rotieren. Dazu umfasst die Rotationseinrichtung 9 einen Antrieb 90 mit Futter 91, mit welchem das Rohrglas 3 gehaltert wird. Denkbar wäre auch eine umgekehrte
Konfiguration, bei welchem das Rohrglas festgehalten wird und das Formwerkzeug 7 um das Rohrglas rotiert. Das Formwerkzeug 7 umfasst bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Walzen 70, 71, welche bei Rotation des Rohrglases 3 auf dessen Oberfläche abrollen. Dabei wird das Ende 30 des Rohrglases 30 komprimiert, indem die Walzen in radialer Richtung des Rohrglases 3 aufeinander zu geführt werden. Die radiale Bewegung ist in Fig. 1 anhand von Pfeilen an den Drehachsen der Walzen 70, 71
verdeutlicht. Weiterhin ist ein Formdorn 75 als Bestandteil des Formwerkzeugs 7 vorgesehen. Dieser Formdorn 75 wird in die Öffnung des Rohrglases 3 an dessen umzuformenden Ende
30 eingeführt. Mittels des Formdorns 75 wird der Konuskanal des Spritzenkörpers geformt. Der Formdorns 75 kann drehbar gelagert sein, um zusammen mit dem Rohrglas 3 zu rotieren. Ebenso möglich ist es, das rotierende Glas über den
festgehaltenen Formdorn gleiten zu lassen.
Um ein Anhaften zu vermeiden, kann hierzu, wie generell bei über die Glasoberfläche gleitenden Formwerkzeugen ein
Trenn- oder Schmiermittel verwendet werden, welches die Reibung bei der Gleitbewegung herabsetzt. Weiterhin ist es möglich, ein Schmiermittel zu verwenden, welches bei den bei der Umformung eingesetzten Temperaturen verdampft. Bei der Verwendung eines solchen Schmiermittels können so vorteilhaft Schmier-, beziehungsweise Trennmittelrückstände auf dem fertig gestellten Glasprodukt vermieden werden.
Zwischen den Walzen 70, 71 ist es möglich, den Laserstrahl 50 auf das Rohrglas zu richten, ohne, dass der Laserstrahl 50 durch das Formwerkzeug unterbrochen wird. Demgemäß ist das Formwerkzeug so ausgebildet, dass ein
Oberflächenbereich des umzuformenden Abschnittes des
Rohrglases nicht durch das Formwerkzeug abgedeckt wird, so dass mittels der dem Laser nachgeschalteten Optik 6 das Laserlicht bei der Umformung auf den nicht vom Formwerkzeug abgedeckten Bereich eingestrahlt wird. Im Speziellen wird vom Laserlicht ein zwischen den Walzen 70, 71 liegender Bereich 33 auf dem Umfang des Rohrglases 3 beleuchtet.
Eine Steuereinrichtung 13 steuert den Umformvorgang.
Insbesondere wird mittels der Steuereinrichtung 13 der Laser 5 so angesteuert wird, dass zumindest zeitweise das Rohrglas 3 während der Umformung durch das Laserlicht erwärmt wird.
Die Optik 6 der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 umfasst einen Umlenkspiegel 61, sowie eine Zylinderlinse 63.
Mittels der Zylinderlinse 63 wird der Laserstrahl 50 entlang der axialen Richtung des Rohrglases 3 zu einem Fächerstrahl 51 aufgeweitet, so dass der vom Laserlicht ausgeleuchtete Bereich 33 in axialer Richtung des
Rohrglases 3 entsprechend gedehnt wird. Da das Rohrglas 3 rotiert, während das Laserlicht eingestrahlt wird, verteilt sich die eingestrahlte Leistung in Umfangsrichtung auf dem Rohrglas, so dass ein zylinderförmiger Abschnitt,
beziehungsweise unabhängig von der Form des Glas- Vorprodukts allgemein ein Abschnitt in axialer Richtung entlang der Drehachse erwärmt wird. Dieser Abschnitt hat eine Länge, die vorzugsweise mindestens so groß ist, wie der umzuformende Abschnitt. Letzterer hat eine Länge, die im Wesentlichen durch die Breite der Walzen bestimmt wird. Um spezielle Verteilungen der Laserleistung in axialer
Richtung des Rohrglases zu erzielen, kann alternativ oder zusätzlich zur Zylinderlinse 63 auch vorteilhaft ein diffraktives optisches Element verwendet werden.
Der Formungsprozess wird mittels der Steuereinrichtung 13 gesteuert. Unter anderem steuert die Steuereinrichtung 13 die Laserleistung. Weiterhin wird auch die Bewegung der Formwerkzeuge 70, 71, 75 kontrolliert. Ebenfalls gesteuert werden kann auch die Rotationseinrichtung 9, dabei
insbesondere die Drehzahl des Antriebs 90, gegebenenfalls auch das Öffnen und Schließen des Futters 91.
Bei der Formung von Spritzenkörpern aus Glas sind für den Laser 5 im Allgemeinen Strahlungsleistungen von weniger als 1 Kilowatt ausreichend, um eine schnelle Erwärmung auf die Erweichungstemperatur zu gewährleisten. Nach Erreichen der für die Heißumformung vorgesehenen Temperatur kann dann von der Steuereinrichtung 1 die Laserleistung heruntergeregelt werden, so dass die eingestrahlte Laserleistung nur noch die Abkühlung kompensiert. Bei der Herstellung von
Spritzenkörpern reichen dazu im Allgemeinen Leistungen zwischen 30 und 100 Watt.
Die Regelung der Laserleistung kann insbesondere auch anhand der Temperatur des Rohrglases 3 vorgenommen werden. Dazu kann in der Steuereinrichtung 13 ein Regelprozess implementiert sein, welcher die Laserleistung anhand der mittels einer Temperatur-Messeinrichtung gemessenen
Temperatur regelt, um eine vorgegebene Temperatur oder ein vorgegebenes Temperatur/Zeit-Profil am Glas-Vorprodukt einzustellen. Als Temperatur-Messeinrichtung ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel ein Pyrometer 11 vorgesehen, welches die Wärmestrahlung des Glasrohres an dessen durch den Laser 5 erwärmten Ende 31 misst. Die Messwerte werden der Steuereinrichtung 13 zugeführt und im Regelprozess zur Einstellung der gewünschten Temperatur verwendet. Besonders vorteilhaft bei einer erfindungsgemäßen
Anordnung, wie sie beispielhaft Fig. 1 zeigt, ist, dass das Laserlicht die Formwerkzeuge nicht direkt erwärmt. Dies führt dazu, dass die Formwerkzeuge trotz einer Erwärmung des Glas-Vorprodukts während der Umformung im Allgemeinen nicht stärker erwärmt werden als bei einem herkömmlichen Prozess mit vorangehender Erwärmung durch Brenner.
Insgesamt wird mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung weniger Wärmeenergie erzeugt und diese Wärmeenergie auch noch gezielter in das Glas-Vorprodukt eingebracht. Damit wird insgesamt die Aufheizung der gesamten Vorrichtung und damit unter anderem durch Wärmedehnungen entstehende
Einlaufphänomene reduziert.
Ein bevorzugtes Glas für die Fertigung von Spritzenkörpern ist Borosilikatglas . Besonders bevorzugt wird dabei
alkaliarmes Borosilikatglas, insbesondere mit einem
Alkaligehalt von weniger als 10 Gewichtsprozent.
Borosilikatglas eignet sich generell gut aufgrund der typischerweise hohen Temperaturwechselbeständigkeit. Diese ist günstig, um bei den schnellen Prozesszeiten, wie sie mit der Erfindung erzielbar sind, schnelle Aufheizrampen realisieren zu können.
Ein geeignetes alkaliarmes Borosilikatglas weist folgende Bestandteile in Gewichtsprozent auf:
Si02 75 Gew%
B203 10, 5 Gew % A1203 5 Gew %
Na20 7 Gew %
CaO 1,5 Gew %
Ein Transmissionsspektrum des Glases zeigt Fig. 2. Die angegebenen Transmissionswerte beziehen sich auf eine
Glasdicke von einem Millimeter.
Anhand von Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Transmission des Glases bei Wellenlängen oberhalb von 2,5 Mikrometern absinkt. Oberhalb von 5 Mikrometern ist das Glas auch bei sehr dünnen Glasdicken praktisch opak.
Die in Fig. 2 gezeigte Abnahme der Transmission im
Wellenlängenbereich oberhalb von 2,5 Mikrometern ist nicht wesentlich von der genauen Zusammensetzung des Glases abhängig. So können bei ähnlichen
Transmissionseigenschaften die oben angegebenen Gehalte der Bestandteile bevorzugter Borosilikatgläser können auch um jeweils 25% vom angegebenen Wert variieren. Weiterhin können außer Borosilikatglas selbstverständlich auch andere Gläser eingesetzt werden, sofern diese bei der Wellenlänge des Lasers höchstens teiltransparent sind.
Fig. 3 zeigt eine Variante der in Fig. 1 gezeigten
Vorrichtung. Auch hier ist wie bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel eine Optik 6 vorgesehen, welche dem Laser 5 vorgeschaltet ist und die Laserleistung auf dem Glas- Vorprodukt innerhalb des zu erwärmenden Abschnitts des Glas-Vorprodukts, hier wieder dem Ende 30 des Rohrglases 3 verteilt. Anstelle einer strahlaufweitenden Optik 6 gemäß dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird hier allerdings zur räumlichen Verteilung der Strahlungsleistung der Laserstrahl 50 über den zu erwärmenden, beziehungsweise umzuformenden Abschnitt des Glas-Vorprodukts in axialer Richtung, also entlang der Drehachse bewegt. Dazu umfasst die Optik 6 einen Ringspiegel, beziehungsweise Drehspiegel 64 mit Spiegelfacetten 640. Der Drehspiegel 64 wird durch einen Motor 65 angetrieben und in Rotation versetzt. Die Drehachse des Drehspiegels 64 liegt quer, bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel im Speziellen senkrecht zu den Normalen der Spiegelfacetten. Weiterhin liegt die Drehachse auch quer, vorzugsweise senkrecht zur axialen Richtung,
beziehungsweise zur Drehachse des Rohrglases 3. Durch die Rotation der Normalen der Spiegelfacetten 640 wird der Laserstrahl 50 auf diese Weise, abhängig vom variierenden Winkel der jeweils beleuchteten Spiegelfacette 640 in axialer Richtung entlang des Rohrglases 3 bewegt, so dass im zeitlichen Mittel der Laserstrahl 50 einen Bereich 33 auf dem Rohrglas, beziehungsweise einen entsprechend langen axialen Abschnitt des Rohrglases 3 beleuchtet. Fig. 4 zeigt eine weitere Variante der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. Ebenso wie bei der in Fig. 3 gezeigten
Variante wird der Laserstrahl 50 zur Verteilung der
Strahlungsleistung entlang des zu erwärmenden axialen
Abschnitts des Rohrglases 3 über einen Bereich 33
gerastert. Dazu ist hier der Umlenkspiegel durch einen Schwenkspiegel 66 ersetzt, dessen Schwenkachse quer, vorzugsweise senkrecht zur Drehachse des Rohrglases 3 verläuft. Der Schwenkspiegel 66 wird mittels eines
Galvanometerantriebs 65 geschwenkt, so dass sich die
Auftreffposition des Laserstrahls 50 korrespondierend zur Schwenkung in axialer Richtung des Rohrglases 3 bewegt. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass sich der
Galvanometerantrieb durch die Steuereinrichtung 13 steuern lässt, so dass durch entsprechend schnellere und langsamere Schwenkbewegungen abhängig von Schwenkwinkel oder abhängig von der axialen Position des Auftreffpunkts in einfacher Weise unterschiedlich lange Beleuchtungszeiten bestimmte ortsabhängige Leistungsverteilungen realisieren lassen. In Weiterbildung der Erfindung ist daher, ohne Beschränkung auf das spezielle in Fig. 4 gezeigte Beispiel eine Optik vorgesehen, welche eine von der Steuereinrichtung
ansteuerbare Strahlablenkungseinrichtung aufweist, so dass durch eine entsprechende Ansteuerung der
Strahlablenkungseinrichtung durch die Steuereinrichtung ein vorbestimmtes Orts-/Leistungsprofil einstellbar ist. Mit einem solchen Profil kann dann auch eine gewünschte
ortsabhängige Temperaturverteilung hergestellt werden.
Sowohl mit der in Fig. 3, als auch mit der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist weiterhin noch eine weitere, alternative oder zusätzliche Steuerung möglich, um vorbestimmte örtliche Verteilungen der in das Glas eingebrachten Strahlungsleistung zu ermöglichen. Dazu ist wiederum eine Strahlablenkungseinrichtung vorgesehen. Um die eingestrahlte Leistung ortsabhängig zu variieren, kann dann die Leistung des Lasers entsprechend der
Strahlablenkung durch die Steuereinrichtung geregelt werden. Soll beispielsweise ein erster axialer
Unterabschnitt des erwärmten axialen Abschnittes stärker oder schwächer erwärmt werden, als ein angrenzender zweiter Unterabschnitt, so wird die Laserleistung von der
Steuereinrichtung entsprechend herauf- oder heruntergeregelt, wenn der Laserstrahl den ersten
Unterabschnitt überstreicht.
Ist bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel der
Steuereinrichtung der Drehwinkel des Drehspiegels,
beziehungsweise von dessen jeweils beleuchteter
Spiegelfacette 640 bekannt, so kann die Steuereinrichtung 13 die Leistung des Lasers 5 entsprechend einstellen. Fig. 5 zeigt zur Verdeutlichung eine denkbare Verteilung der Laserleistung auf dem Glas-Vorprodukt. Dargestellt ist ein Diagramm der Laserleistung als Funktion der axialen Position des Auftreffpunkts des Laserstrahls auf dem Glas- Vorprodukt. Die Position „0" kennzeichnet dabei das Ende des Glas-Vorprodukts. Wie anhand des Diagramms zu erkennen ist, unterteilt sich der gesamte erwärmte axiale Abschnitt 80 bei diesem Beispiel in Unterabschnitte 81, 82, 83, 84 und 85. Die Unterabschnitte 82 und 84 werden dabei mit höherer Leistung des Lasers bestrahlt, als die angrenzenden Unterabschnitte 81, 83 und 85. Die höhere eingebrachte
Strahlungsleistung in den Unterabschnitten 82, 84 kann wie oben beschrieben durch eine Regelung der Laserleistung in Abhängigkeit von der Stellung der Strahlablenkeinrichtung, also bei den in Fig. 2 und 3 gezeigten Beispielen in
Abhängigkeit vom Dreh- oder Schwenkwinkel des Spiegels erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann, wie ebenfalls oben beschrieben die Schwenk- oder Drehgeschwindigkeit des Spiegels variiert werden, so dass hier die axialen
Unterabschnitte 82, 84 insgesamt länger beleuchtet werden.
Eine solche, wie in Fig. 5 beispielhaft dargestellte, in axialer Richtung inhomogene Deposition der Laserleistung kann in mehrerer Hinsicht von Vorteil sein. Wird
beispielsweise eine homogene Temperaturverteilung während des Umformprozesses angestrebt, wobei aber eine inhomogene Wärmeabfuhr erfolgt, kann durch eine Einstellung eines entsprechenden Profiles der eingestrahlten Leistung die Inhomogenität der Wärmeverluste zumindest teilweise
kompensiert werden. Beispielsweise können Unterabschnitte, des Glas-Vorprodukts, die zuerst oder länger mit dem
Formwerkzeug in Berührung kommen, entsprechend stärker über die Laserstrahlung erwärmt werden, um die am Formwerkzeug zusätzlich auftretenden Wärmeverluste zu kompensieren.
Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, ein in axialer Richtung inhomogenes Temperaturprofil gerade anzustreben. Ein solches Temperaturprofil kann günstig sein, um den bei der Umformung auftretenden Materialfluss zusätzlich zu steuern. Typischerweise fließt das Glas unter
Berücksichtigung des vom Formwerkzeug ausgeübten Druckes oder Zugs tendenziell von wärmeren und damit weicheren Bereichen zu kälteren und damit zäheren Bereichen im Glas- Vorprodukt. Eine vorteilhafte Möglichkeit ist etwa, in Bereichen, in welchen vom Formwerkzeug eine starke
Verformung, insbesondere bei einer Streckung oder Biegung des Glasmaterials eine dort auftretende Abnahme der
Wandstärke eines Rohrglases zu reduzieren.
Ebenfalls sehr vorteilhaft kann ein verstärkter
Materialfluss induziert werden, wenn es aufgrund einer radialen Kompression eines Rohrglases zu einer Verdickung der Wandstärke kommt. Diese Effekte werden nachfolgend anhand der Fig. 6A bis 6F erläutert. Diese Figuren zeigen anhand von Schnittansichten eine Simulation eines erfindungsgemäßen Umformprozesses zur Ausformung eines Spritzenkonus aus einem Rohrglas 3 für die Herstellung eines Spritzenkörpers. Die Schnitte der
Darstellungen verlaufen entlang der Mittenachse des
Rohrglases 3, um welche das Rohrglas rotiert wird.
Ebenfalls zu erkennen sind die Walzen 70, 71 und der Dorn 75. Die Einstrahlung des Laserstrahls erfolgt wieder zwischen den Walzen, so dass die Einstrahlrichtung
senkrecht zur dargestellten Schnittebene verläuft.
Ebenfalls angegeben ist die jeweils seit Beginn des Umform- Prozesses verstrichene Zeit. Als Zeit-Nullpunkt für den Umform-Prozess wurde der Zeitpunkt der Reduktion der
Laserleistung gewählt.
Die in den Schnittansichten des Rohrglases eingezeichneten, anfänglich senkrecht zur Mittenachse des Rohrglases
verlaufenden Linien 20 kennzeichnen gedachte Grenzlinien von axialen Abschnitten des Rohrglases 3. Anhand dieser Linien wird der Materialfluss bei der Umformung kenntlich gemacht . Der Formdorn 75 ragt aus einem Fuß 76 heraus, der zur
Formung der vorderen Konusfläche der Spritze dient. Der Fuß 76 ist ein senkrecht zur Betrachtungsrichtung der Fig. 6A bis 6F flach ausgebildetes Bauteil. Anders als dargestellt ist in der tatsächlichen Vorrichtung der Fuß dabei um 90° um die Längsachse des Formdorns 75 gedreht, so dass der Fuß 76 zwischen die Walzen 70, 71 passt. Die Überlappung von Walzen 70, 71 und Fuß 76, wie sie ab Fig. 6C zu erkennen ist, tritt also tatsächlich nicht auf.
Eine Berührung der Walzen 70, 71 und die beginnende
Verformung erfolgt ab der in Fig. 6C gezeigten Position. Es erfolgt nun eine Kompression des Rohrglases 3 durch die radial einwärts zur Mittenachse des Rohrglases bewegten Walzen 70, 71. Bei dem in Fig. 6E gezeigten Stadium berührt der Formdorn 75 innenseitig das Rohrglas und formt den Kanal des Spritzenkonus. Bei dem in Fig. 6F gezeigten
Stadium schließlich ist die Ausformung des Spritzenkonus bereits beendet. Anschließend werden die Formwerkzeuge vom ausgeformten Spritzenkonus 35 weggefahren. Alle
Formungsschritte zur Ausformung des Spritzenkonus 35 wurden mithin mit den gleichen Formwerkzeugen 70, 71, 75 und dem
Fuß 76 durchgeführt. Eine derartige Umformungsstation führt daher alle Heiß-Umformungsschritte an einem Abschnitt des Glas-Vorprodukts aus. Es kann sich nun eine Ausformung des Spritzenflansches, beziehungsweise der Fingerauflage am anderen Ende des Rohrglases erfolgen.
Ab dem Verformungsstadium, wie es in Fig. 6E dargestellt ist, ist gut zu erkennen, dass die radiale Kompression am Spritzenkonus 35 zu einer Verdickung der Wandstärke führt. Hier besteht nun die Möglichkeit, durch die Einstellung einer entsprechenden Temperaturverteilung wie oben
beschrieben, einen gewissen Materialfluss vom Ende 30 weg zu erzeugen. Ebenso kann es an den umlaufenden Kanten des ausgeformten Rohrglases im Übergangsbereich zwischen
Spritzenzylinder 37 und Spritzenkonus 35 zu einer
verminderten Wandstärke kommen. Auch diesem Effekt kann durch Einstellung eines axial inhomogenen Leistungseintrags über die Regelung der axialen Verteilung der Laserleistung begegnet werden.
Allgemein kann also mit der durch den Laser ermöglichten Temperaturführung die Glasflussrichtung beeinflusst werden. Insbesondere ist dies auch in Bezug auf den Volumenanteil und die Richtung des Glasflusses möglich.
Anhand der Fig. 6A bis 6F wird weiterhin deutlich, dass die gesamten Umformungsschritte an einem Abschnitt des Glas- Vorprodukts, hier speziell eines Spritzenkonus innerhalb weniger Sekunden vollendet werden können. Die gesamte
Umformungszeit beträgt bei dem Beispiel der Fig. 6A bis 6F sogar weniger als zwei Sekunden.
Die Verwendung von Formdornen 75, umfassend
temperaturstabile keramische Werkstoffe oder ebensolche mit temperaturstabilen keramischen Werkstoffen in dem
Kontaktbereich zu dem Glas-Vorprodukt bringt noch weitere Vorteile mit sich, insbesondere im Hinblick auf die
Herstellung von Pharmapackmitteln, wie Spritzen, Karpulen, Ampullen, Fläschchen, etc. Aufgrund der bisherigen häufigen Verwendung von wolfram-haltigen Materialien, insbesondere auch im Kontaktbereich zu dem Glas-Vorprodukt, können sich Wolfram-Ablagerungen bilden, die durch Abrieb von den
Formwerkzeugen, insbesondere vom Formdorn entstehen. Die Erfindung ist daher besonders geeignet für wolframfreie oder wolframarme Pharmapackmittel , wie insbesondere
Spritzen, da aufgrund der Verwendung unbedenklicher
keramischer Werkstoffe im Kontaktbereich die Kontamination durch die Formwerkzeuge reduziert wird. Auch werden im Allgemeinen die Formwerkzeuge durch den erfindungsgemäßen Prozess weniger erwärmt, was ebenfalls die Kontamination reduziert .
Ein weiterer Vorteil der vergleichsweise sehr kurzen
Bearbeitungszeit liegt bei der Verarbeitung alkalihaltiger Gläser im verminderten Alkali-Austrieb. Bei der Erwärmung der Gläser über den Erweichungspunkt kommt es im
Allgemeinen zu einer Diffusion von Alkali-Ionen an die Oberfläche. Gerade bei Pharmapackmitteln kann dieser Effekt störend sein, da verschiedene Pharmazeutika empfindlich gegenüber Alkalimetallen sind. Da die Umformzeit mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erheblich kürzer ist als bei einer herkömmlichen Umformung mit den einzelnen
Umformstationen vorgeschalteten Brennern, ist auch die Alkali-Anreicherung an der Oberfläche deutlich reduziert.
Schließlich kann der Einsatz von Brennern auch zum Eintrag von Verbrennungsrückständen und Feinstäuben führen.
Anhand der vorstehend beschriebenen Effekte wird deutlich, dass ein mit der Erfindung hergestelltes Glasprodukt auch anhand von chemischen Merkmalen an der Glasoberfläche von bisher unter Verwendung von Brennern umgeformten
Glasprodukten unterschieden werden kann. Fig. 7 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer
Umformanlage 10 mit mehreren Umformstationen in Gestalt der oben beschriebenen Vorrichtung 1. Anders als bei den im oben genannten Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, bei welchen die Glas-Vorprodukte nacheinander in einer Vielzahl von Umformungs-Stationen in mehreren Schritten umgeformt werden, basiert das Konzept der in Fig. 7 gezeigten Ausführungsform darauf, dass die Rohrglas- Abschnitte während des gesamten Umformungsprozesses für einen Abschnitt des Rohrglases, beispielsweise der
Ausformung des Spritzenkonus in einer Umformungsstation, beziehungsweise Vorrichtung 1 verbleiben.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Umformanlage 10 ähnlich wie aus dem Stand der Technik bekannte Anlagen zur Herstellung von Glasspritzen ein Karussell 100 auf. Auf dem Karussell 100 sind mehrere, beispielsweise wie dargestellt acht Vorrichtungen 1 zum Umformen von Glasprodukten
installiert. An einer Eingabestation 102 werden die
Vorrichtungen 1 mit Glas-Vorprodukten, wie insbesondere Rohrglas-Abschnitten beladen. Während nun die beladenen Vorrichtungen 1 auf dem Karussell 100 zu einer
Entnahmestation 103 rotieren, wird in den Vorrichtungen 1 an den Glas-Vorprodukten die Umformung, wie etwa die anhand der Fig. 1, 3, 4, 6A - 6F beschriebene Formung von
Spritzenkoni durchgeführt. Anders als bei bekannten
Umformanlagen mit Karussell können die Umformwerkzeuge hier also auch auf dem Karussell selber angeordnet sein. Auch ist eine Konstruktion der Umformanlage denkbar, bei welcher die Umformstationen 1 stationär sind und parallel beladen und entladen werden. Eine solche Variante zeigt Fig. 8. Die Rohrgläser 3 werden über eine Zuführeinrichtung 104, beispielsweise einem Förderband einer Be- und
Entladevorrichtung 106 zugeführt.
Diese verteilt die Rohrgläser 3 auf die Vorrichtungen 1, in welchen die lasergestützte Ausformung der Spritzenkoni erfolgt. Nach der Umformung werden die Zwischen- oder
Endprodukte in Form von Rohrgläsern 4 mit ausgeformten Spritzenkonus von der Be- und Entladevorrichtung 106 einer Abführeinrichtung 107 zugeführt, welche die umgeformten Rohrgläser 4 abtransportiert.
Fig. 9 schließlich zeigt eine Schnittansicht durch ein Rohrglas im Verlauf des Umformprozesses unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Formdorns 95. Der Formdorn 95 ragt aus einem Fuß 96 heraus, der zur Formung der vorderen
Konusfläche der Spritze dient. Der Fuß 96 ist ein senkrecht zur Betrachtungsrichtung der Fig. 9 flach ausgebildetes Bauteil. Anders als dargestellt ist in der tatsächlichen Vorrichtung der Fuß dabei um 90° um die Längsachse des Formdorns 95 gedreht, so dass der Fuß 96 zwischen die
Walzen 70, 71 passt. Der abgebildete Formdorn 95 umfasst einen metallischen Kern 93. Weiterhin umfasst der Formdorn 95 im Bereich der
Kontaktfläche 92 zu dem Rohrglas 3 zumindest einen
temperaturstabilen, keramischen Werkstoff 94. Der
temperaturstabile, keramische Werkstoff kann beispielsweise in Form einer umschließenden Schicht auf den metallischen Kern des Formdorns 95 aufgebracht sein. Die Schicht kann beispielsweise mittels thermischer Spritzverfahren
aufgebracht sein. Des Weiteren kann auch der Fuß 96 im Bereich der Kontaktfläche mit dem Rohrglas 3 mit einem temperaturstabilen, keramischen Werkstoff (nicht
dargestellt) ausgebildet sein. Ebenso kann der Formdorn 95 auch vollständig aus einem hochtemperaturstabilen
keramischen Werkstoff ausgebildet sein. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend anhand der Figuren beschriebenen
lediglich beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise im Rahmen des Gegenstandes der Patentansprüche variiert werden kann. Insbesondere können auch die Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden.
So wurde die Erfindung in den Figuren anhand der Ausformung des Spritzenkonus eines Glas-Spritzenkörpers beschrieben. Die Erfindung ist aber in entsprechender Weise nicht nur auf die Ausformung der Fingerauflage von Spritzenkörpern, sondern auch auf die Umformung anderer Glas-Vorprodukte anwendbar. Insbesondere ist die Erfindung allgemein für die Herstellung von Pharma-Packmitteln aus Glas geeignet.
Hierzu zählen neben Spritzen auch Karpulen, Fläschchen und Ampullen. Weiterhin ist die Verwendung des Lasers als Heizeinrichtung nicht ausschließlich. Vielmehr können zusätzlich auch andere Heizeinrichtungen Anwendung finden. So ist es möglich und aufgrund der hohen Heizleistung gegebenenfalls auch vorteilhaft, eine Vorerwärmung mit einem Brenner durchzuführen, um die anfängliche
Aufheizdauer vor dem Umformprozess zu reduzieren.
Bezugs zeichenliste
I Vorrichtung zum Umformen von Glasprodukten 3 Rohrglas
4 Rohrglas mit ausgeformten Spritzenkonus
5 Laser
6 Optik
7 Formwerkzeug
9 Rotationseinrichtung
10 Umformanlage
II Pyrometer
13 Steuereinrichtung
20 gedachte Grenzlinien von axialen Abschnitten eines Rohrglases 3
30 umzuformendes Ende von 3
33 beleuchteter Bereich von 3
35 Konus
37 Spritzenzylinder
50 Laserstrahl
51 Fächerstrahl
61 Umlenkspiegel
63 Zylinderlinse
64 Ringspiegel
65 Motor für 64
66 Schwenkspiegel
67 Galvanometerantrieb
70, 71 Walzen
75 Formdorn
76 Fuß von 75
80 erwärmter axialer Abschnitt von 3
81-85 Unterabschnitte von 80
90 Antrieb von 9 91 Futter
92 Kontaktfläche
93 metallischer Kern
94 keramischer Werkstoff
95 Formdorn mit metallischen Kern
96 Fuß von 95
100 Karussell
102 Eingabestation
103 Entnahmestation
104 Zuführeinrichtung
106 Be- und Entladevorrichtung

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Umformen von Glasprodukten, umfassend
- eine Einrichtung zur lokalen Erhitzung eines Bereichs eines Glas-Vorprodukts bis über dessen Erweichungspunkt, und
- zumindest ein Formwerkzeug zum Umformen
wenigstens eines Abschnittes eines mit der
Einrichtung zur lokalen Erhitzung erhitzten Bereichs eines Glas-Vorprodukts,
- wobei das Formwerkzeug einen Formdorn zum Umformen des Glas-Vorproduktes umfasst,
- wobei der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des Umformens die
Kontaktfläche zu dem Glas-Vorprodukt bildet, zumindest einen temperaturstabilen, keramischen Werkstoff umfasst,
- wobei die Einrichtung zur lokalen Erhitzung einen Laser umfasst,
- wobei eine Rotationseinrichtung vorgesehen ist, um das Formwerkzeug und das Glas-Vorprodukt relativ zueinander zu rotieren, und wobei
- das Formwerkzeug so ausgebildet ist, dass ein Oberflächenbereich des umzuformenden Abschnittes des Glas-Vorproduktes nicht durch das Formwerkzeug abgedeckt wird, wobei der Laser oder eine dem Laser nachgeschaltete Optik so angeordnet ist, dass das Laserlicht bei der Umformung auf den nicht vom Formwerkzeug abgedeckten Bereich eingestrahlt wird, und wobei eine Steuereinrichtung (13) vorgesehen ist, welche den Laser so ansteuert, dass ein Glas- Vorprodukt zumindest zeitweise während der Umformung durch das Laserlicht erwärmt wird.
Vorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (7) ein Walzenpaar umfasst, welches so angeordnet ist, dass die Walzen (70, 71) des Walzenpaares auf der Oberfläche eines mittels der Rotationseinrichtung in Rotation versetzten Glas-Vorproduktes abrollen, wobei von dem Laserlicht ein zwischen den Walzen liegender Bereich auf dem Umfang des Glas- Vorproduktes beleuchtet wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Formwerkzeug (7) zur Kompression eines Abschnitts eines hohlkörperförmigen Glas- Vorprodukts ausgebildet ist .
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Optik (6), welche dem Laser (5) vorgeschaltet ist und die Laserleistung auf dem Glas-Vorprodukt innerhalb des zu
erwärmenden Abschnitts des Glas-Vorprodukts
verteilt .
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zumindest eine Umformungsstation mit allen
Formwerkzeugen zur Durchführung aller Heiß- Umformungsschritte zur Herstellung des Endprodukts an einem Abschnitt des Glas-Vorprodukts aufweist. Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Temperatur-Messeinrichtung zur Messung der Temperatur eines Glas-Vorprodukts vor oder während des Umformens, wobei in der
Steuereinrichtung (13) ein Regelprozess
implementiert ist, welcher die Laserleistung anhand der mittels der Temperatur-Messeinrichtung
gemessenen Temperatur regelt, um eine vorgegebene Temperatur oder ein vorgegebenes Temperatur/Zeit- Profil an einem Glas-Vorprodukt einzustellen.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn aus einem temperaturstabilen, keramischen Werkstoff
hergestellt ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des
Umformens die Kontaktfläche zu dem Glasprodukt bildet, Oxid- und/oder Nichtoxid-Keramiken und/oder hierauf basierenden Verbundwerkstoffe und/oder metallkeramische Verbundwerkstoffe umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn zumindest einen temperaturstabilen, keramischen Werkstoff auf der Basis von Zirkonoxid und/oder
Aluminiumtitanat und/oder Silikatkeramik und/oder Aluminiumnitrid, besonders bevorzugt Aluminiumoxid und/oder Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid umfasst . Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des
Umformens die Kontaktfläche zu dem Glasprodukt bildet, frei von den Materialien Wolfram und
Rhodium ist.
Formdorn zum Umformen von Glasprodukten mittels einer Vorrichtung nach einem der vorstehenden
Ansprüche, umfassend einen Formdorn, wobei der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des Umformens die Kontaktfläche zu dem Glas-Vorprodukt bildet, zumindest einen
temperaturstabilen, keramischen Werkstoff umfasst.
Formdorn nach vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn aus einem
temperaturstabilen, keramischen Werkstoff
hergestellt ist.
Formdorn nach einem der vorstehenden Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des Umformens die Kontaktfläche zu dem Glasprodukt bildet, Oxid- und/oder Nichtoxid-Keramiken und/oder hierauf basierenden Verbundwerkstoffe und/oder metallkeramische Verbundwerkstoffe umfasst.
Formdorn nach einem der vorstehenden Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn zumindest einen temperaturstabilen, keramischen Werkstoff auf der Basis von Zirkonoxid und/oder Aluminiumtitanat und/oder Silikatkeramik und/oder Aluminiumnitrid, besonders bevorzugt Aluminiumoxid und/oder Siliziumkarbid und/oder Siliziumnitrid umfasst .
15. Formdorn nach einem der vorstehenden Ansprüchen 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Formdorn zumindest in demjenigen Bereich, welcher während des Umformens die Kontaktfläche zu dem Glasprodukt bildet, nur einen sehr geringen Anteil von Wolfram und/oder Rhodium aufweist, der bevorzugt bei weniger als 0,5 Gew.-%, besonders bevorzugt bei weniger als 0,1 Gew.-% liegt.
16. Verfahren zum Umformen von Glasprodukten, bei
welchem
-lokal ein Bereich eines Glas-Vorprodukts bis über dessen Erweichungspunkt erhitzt, und
- mit zumindest einem Formwerkzeug wenigstens ein Abschnitt eines mit einer Einrichtung zur lokalen Erhitzung erhitzten Bereichs des Glas-Vorprodukts umgeformt wird,
- wobei das Formwerkzeug einen Formdorn nach einem der vorstehenden Ansprüchen 11 bis 15 umfasst, wobe die Einrichtung zur lokalen Erhitzung
- einen Laser umfasst, welcher
- Licht einer Wellenlänge emittiert, für welche das Glas höchstens teiltransparent ist, so dass das Licht zumindest teilweise im Glas absorbiert wird, und welches auf das Glas-Vorprodukt gerichtet wird,
- wobei das Formwerkzeug und das Glas-Vorprodukt relativ zueinander mittels einer
Rotationseinrichtung rotiert werden, und wobei
- das Formwerkzeug so ausgebildet ist, dass ein Oberflächenbereich des umzuformenden Abschnittes des Glas-Vorproduktes nicht durch das Formwerkzeug abgedeckt wird, und wobei
- der Laser oder eine dem Laser nachgeschaltete Optik so angeordnet ist, dass das Laserlicht bei der Umformung auf den nicht vom Formwerkzeug abgedeckten Bereich eingestrahlt wird, und wobei mittels einer Steuereinrichtung (13) der Laser so angesteuert wird, dass zumindest zeitweise das Glas-Vorprodukt während der Umformung durch das Laserlicht erwärmt wird .
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (7) ein
Walzenpaar umfasst, welches so angeordnet ist, dass die Walzen (70, 71) des Walzenpaares auf der
Oberfläche eines mittels der Rotationseinrichtung in Rotation versetzten Glas-Vorproduktes abrollen, wobei vom Laserlicht ein zwischen den Walzen liegender Bereich auf dem Umfang des Glas- Vorproduktes beleuchtet wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Laserstrahlung örtlich oder zeitlich geregelt oder eingestellt wird, so dass ein vordefiniertes
Temperaturprofil entlang des erwärmten Abschnitts des Glas-Vorprodukts eingestellt wird. 19. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Glas-Vorprodukts gemessen und die Laserleistung des Lasers mittels der Steuereinrichtung (13) anhand der gemessenen Temperatur des Glas- Vorprodukts gesteuert wird.
20. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 12 bis 15, bei welchem die während des Umformprozesses eingestrahlte Laserleistung gegenüber der
Laserleistung bei einer dem Umformen vorangehenden Aufheizphase reduziert wird.
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