EP4240701A1 - Glasextrusionsanordnung und glasextrusionsverfahren zur direkten herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter halbzeuge und bauteile aus glas - Google Patents

Glasextrusionsanordnung und glasextrusionsverfahren zur direkten herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter halbzeuge und bauteile aus glas

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EP4240701A1
EP4240701A1 EP21811243.1A EP21811243A EP4240701A1 EP 4240701 A1 EP4240701 A1 EP 4240701A1 EP 21811243 A EP21811243 A EP 21811243A EP 4240701 A1 EP4240701 A1 EP 4240701A1
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EP
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glass
nozzle
laser
platform
extrusion
Prior art date
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Pending
Application number
EP21811243.1A
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Inventor
Jens Bliedtner
Anne-Marie SCHWAGER
Jens Kobelke
Jan Dellith
Andreas Hopf
Volker Reichel
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Ernst-Abbe-Hochschule Jena
Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Original Assignee
Ernst-Abbe-Hochschule Jena
Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
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Publication date
Application filed by Ernst-Abbe-Hochschule Jena, Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV filed Critical Ernst-Abbe-Hochschule Jena
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    • C03B2203/42—Photonic crystal fibres, e.g. fibres using the photonic bandgap PBG effect, microstructured or holey optical fibres

Definitions

  • the invention relates to a glass extrusion arrangement and a generative glass extrusion process for the direct production of compact, three-dimensional and geometrically defined semi-finished products and components made of glass using at least one continuously supplied, commercially available and optionally coated glass fiber, the fiber material being both low-melting glass systems (Tg ⁇ 1000 °C, such as fibers for image transmission) as well as higher-melting glass systems (Tg >> 1000°C, such as pure or modified silica glass) can be used.
  • Tg ⁇ 1000 °C such as fibers for image transmission
  • Tg >> 1000°C such as pure or modified silica glass
  • Generative (additive) manufacturing processes represent a way of creating three-dimensional objects / components that differ significantly from classic removing / machining manufacturing processes, such as turning, drilling, milling, sawing or planing, in that a component is created by joining and Material quantities are joined together, which among other things leads to significantly greater freedom of form.
  • One form of assembling and assembling is the selective positioning of discrete amounts of material against and on top of each other to create a component in layers.
  • quantities of material are dispensed from an extruder in a fluid state onto a carrier, on which they then cool and solidify, which is why these 2D or 3D printing processes are referred to as extrusion processes.
  • a suitable device for a plastics extrusion process for producing three-dimensional objects is disclosed in DE 690 33 809 T2.
  • This device comprises a heatable extruder with a heatable nozzle that can be moved in the x, y, and z direction relative to a carrier plate on which the component is built.
  • the starting material is fed to the extruder in the form of a plastic rod or a flexible plastic strand, heated to its melting point in the extruder and discharged as a free-flowing fluid through a nozzle.
  • a controlled resistance heater is provided which is connected to a thermocouple to heat the feedstock just above the melting point.
  • a supplementary electrical heating device which heats the nozzle in a temperature-controlled manner.
  • the volume rate of the delivered fluid is controlled by the feed of the flexible strand.
  • Effective on/off fluid delivery can be achieved simply by stopping the feed motors.
  • the Düsseldorf Institute of Technology (KIT) is currently developing a special stereolithography process (SLA process) to print glass bodies.
  • SLA process stereolithography process
  • the green body In order to generate a pure glass component, the green body must be debound and sintered in a second process. This process removes the photopolymer, which acted as a binder, and the glass particles form a solid bond (also known as sintering).
  • Glass rods are used as filaments, which are melted using a CO 2 laser.
  • a three-dimensional body is created on the construction platform by moving a construction platform in the x-y-z direction and simultaneously laying down / applying the melted glass rod (technical approach of the Laser Center Hanover).
  • a suspension of pyrogenic silica and tetraethylene glycol dimethyl ether is extruded in layers through a nozzle onto the construction platform.
  • the Massachusetts Institute of Technology has developed a material extrusion printer for optically transparent glasses.
  • the extrudate is present as a glass melt in a melting furnace.
  • This melting furnace is arranged above the processing area and the melt is extruded in layers from the melting furnace through a heated nozzle as a glass strand onto the construction platform under pressure.
  • the process chamber has a processing temperature of approx. 550°C.
  • the process chamber is slowly cooled to avoid stress-induced glass breakage.
  • the Micron 3D company has a device structure that is analogous to that at MIT.
  • layer thicknesses of 100 ⁇ m can be achieved through special adjustments to the nozzle design, with typical extrusion materials being borosilicate glass or soda-lime glass.
  • a disadvantage of this extrusion process for glass is that a melting furnace is required to melt the extrudate.
  • This melting step is very energy- and time-consuming and therefore very cost-intensive.
  • the furnace must be thermally stable, which is particularly critical for high-melting glass types.
  • the melting furnace must be thermally decoupled from the actual processing area in order to avoid temperature gradients (which lead to undesirable tension and thus reduced mechanical stability of the extruded component) and the associated process fluctuations.
  • Another disadvantage is that due to the processing temperatures of approx. 550° C. in the process chamber and over 1000° C. in the melting furnace, the movement units have to be designed for extreme conditions, which involves a certain amount of effort and corresponding costs.
  • the extrusion volume is dependent on the capacity of the melting furnace, which is also disadvantageous.
  • a method is known from WO 2019/079 704 A1, for example, in which bulk metal glasses are treated with the aid of a laser.
  • coated glass fibers or glass strands cannot be used for glass extrusion in 3D printing techniques using the technical solution according to the teaching of WO 2019/079704 A1.
  • WO 2015/065 936 A1 discloses a method in which quartz glass can be produced additively by melting quartz glass fibers using a CO 2 laser source. In this process, combined laser heads focus laser radiation onto the glass fiber to melt it, using a three-axis system to move the printing surface and glass substrate.
  • WO 2015/065 936 A1 discloses a method in which quartz glass can be produced additively by melting quartz glass fibers using a CO 2 laser source.
  • combined laser heads focus laser radiation onto the glass fiber to melt it, using a three-axis system to move the printing surface and glass substrate.
  • direct extrusion of coated glass fibers or glass strands cannot be made possible by the technical solution according to the teaching of WO 2015/065 936 A1.
  • WO 2015/120 430 A1 teaches a method for the production of vitrified three-dimensional quartz glass molded parts, based among other things on the method of selective laser beam sintering with material-specific scan and parameter concepts.
  • WO 2015/077 262 A1 discloses the 3D printing of glass using the SLE (Selective Laser Etching) method. This procedure is a two-step, subtractive 3D process.
  • ultra-short pulsed laser radiation is focused. This happens on a micrometer-sized volume inside transparent materials.
  • the laser radiation is only absorbed in the focus by multi-photon processes. The material heats up briefly and strongly, then cools down quickly and changes locally and permanently. There are no microcracks.
  • the exposed workpiece is removed from the laser exposure system and developed in a wet-chemical etching bath.
  • the laser-modified glass is dissolved very selectively, with this etching process starting on the outside and then working its way inwards along the modification in order to create the inner structures.
  • WO 2016/198 148 A1 discloses the production of 3D-printed components with ultrasonically controlled microscale structure, with in situ manipulation of the discontinuous fiber structure during the printing process within a 3D-printed polymer composite architecture, which is a novel method for the immediate alignment of Microscale glass fibers in a selectively cured photocurable resin system.
  • Ultrasonic forces are used to align the fibers in the desired 3D architecture.
  • a switchable, focused laser module is mounted on a support of a three-axis 3D printing table over an ultrasonic alignment device containing a mixture of photocurable resin and discontinuous glass fiber reinforcement 14 ⁇ m in diameter (50 ⁇ m in length).
  • US 2017/0283297 A1 discloses a method for 3D printing of objects/components in which materials are deposited from walls by multiple print heads, while the print heads are moved along the 3D coordinates of the walls, where the operations of filling the material into the printheads, melting the material in the printheads and metering the melted material through an opening in each of the printheads are carried out simultaneously while the printheads are moved along the 3D coordinates so that the object / component is built.
  • DE 10 2018 109 131 A1 discloses a device for producing a three-dimensional object made of glass or glass ceramic, in particular by means of additive manufacturing technology, comprising at least the following components:
  • a print table for separating the print material, with the heating zone being placed between the print head and the print table and the print head and print table moving relative to each other in the x, y and z directions and the device having at least one of the following components:
  • the temperature in the heating zone is adjusted in such a way that the printing material has a viscosity in the range from 104 dPas to 107.6 dPas a device for cleaning the surface of the printing material before it enters the print head and/or - a device for treating the surface of the print material before it enters the printhead.
  • the object of the present invention is to specify a glass extrusion arrangement and a glass extrusion method for the direct production of compact, three-dimensional and geometrically defined semi-finished products and components made of glass, which avoids the disadvantages of the prior art mentioned above and in particular an extrusion of coated glass fibers or glass fiber strands with the
  • the aim of the additive production of high-quality 3-dimensional glass components is made possible, whereby the extrusion should be able to be switched on and off quickly and, as glass fiber material, both low-melting glass systems (Tg ⁇ 1000°C) and higher-melting glass systems (Tg>> 1000°C, such as pure or modified silica glass) can be used.
  • the essence of the invention is that a single-stage, continuous process using a glass extrusion system enables the direct production of compact, 3-dimensional and geometrically defined semi-finished products and components made of glass using a continuously supplied, commercially available and optionally coated glass fiber.
  • Low-melting glass systems (Tg ⁇ 1000°C, e.g. fibers for image transmission, such as oxidic crown or flint glasses) as well as higher-melting systems (Tg >> 1000°C, For example, from differently modified silica glass, such as photonic crystal fibers) are processed.
  • the glass extrusion arrangement comprises the following subsystems: - a peripheral mirror system, which is designed according to the technical teaching of DE 10 2009 021 448 B3, - a switchable, heatable nozzle, which is designed according to the technical teaching of DE 10 2016 125 166 A1 and which one Carrier plate / platform is spatially assigned, these two elements to each other in 3 axes (X, Y and Z axis) can be positioned, and - a transport system.
  • the switchable, heatable nozzle can be moved in the x, y and z direction relative to the carrier plate/platform on which the glass component is built.
  • the support plate/platform can also be movable in relation to the nozzle in the directions x, y and z, or there is also the further alternative possibility that both the nozzle and the support plate/platform can be moved in order to y and z direction to be adjustable.
  • the starting material is continuously fed to the switchable, heatable nozzle by means of the transport system through the peripheral mirror system in the form of a commercially available and optionally coated glass fiber, with the peripheral mirror system (CO 2 - or other lasers radiating for heating, alternatively also flame-based and mechanical Heating possible) preheating of the glass fiber and complete removal of any existing sheathing from the glass fiber takes place and in the nozzle (with the function of an extrusion unit) the final heating of the glass fiber to its softening range takes place, so that a free-flowing fluid made of glass is discharged via the outlet opening of the movable, heatable nozzle.
  • the peripheral mirror system CO 2 - or other lasers radiating for heating, alternatively also flame-based and mechanical Heating possible
  • At least one controlled laser is provided for heating, with a thermocouple monitoring the heating temperature during heating so that the glass fiber heated by the laser radiation is present in the nozzle as a free-flowing fluid above its softening point.
  • the volume rate of the delivered fluid glass is controlled by the feed of the glass fiber through the transport system with adjustable feed motors.
  • Precise control of the temperature to which the glass fiber is heated in the switchable nozzle in the softening region also aids in controlling the flow of the fluid glass being dispensed.
  • the peripheral mirror system according to DE 10 2009 021 448 B3 comprises at least one controlled laser (e.g. CO 2 laser) and a peripheral mirror with a peripheral mirror system axis and an optical system which couples a beam of laser light perpendicular to the peripheral mirror system axis into the peripheral mirror in such a way that that, after multiple reflections, it impinges on the glass fiber to be treated, whose axis runs in the same direction inside the peripheral mirror as the axis of the peripheral mirror system.
  • controlled laser e.g. CO 2 laser
  • This subsystem of the glass extrusion arrangement (in the form of the peripheral mirror system) is operated by coupling the laser beam bundle into the peripheral mirror for a predetermined processing time, with the glass fiber, the peripheral mirror and/or the optical system being held relatively still or moved relative to one another.
  • the switchable, heatable nozzle as a subsystem of the glass extrusion arrangement is already known per se from a device according to the technical teaching of DE 10 2016 125 166 A1 for the generative production of a three-dimensional object from a material that can be solidified by cooling and has a temperature-dependent viscosity, containing a heatable Platform as a carrier on which the three-dimensional object / component is produced in layers, and a nozzle with a nozzle opening for extrusion of the molten glass fiber (fluid), whereby the heated platform and the switchable, heated nozzle are three-dimensional in relation to each other in x, y and z direction with a feed rate are movable.
  • the temperature of the fluid and its viscosity can be specified by the laser-heated nozzle, with the energetic radiation, e.g. CO 2 laser radiation or other laser radiation, causing a controllable energy input with a specified radiation intensity over a specified emission time into the nozzle and with simultaneously controlled ejection of the fluid, in that a partial volume of the fluid in the nozzle is heated to a passage temperature that is higher than the specified temperature, at which the viscosity of the partial volume is so low that the partial volume, when subjected to a specified pressure, passes through the nozzle opening .
  • the energetic radiation e.g. CO 2 laser radiation or other laser radiation
  • the nozzle in the glass extrusion arrangement according to the present invention is supplied with a commercially available glass fiber which has already been preheated by the peripheral mirror system and has been freed from its possibly existing coating.
  • the actual melting process takes place in the switchable, heatable nozzle (fiber extrusion unit).
  • the switchable, heatable nozzle fiber extrusion unit
  • several laser sources are advantageously arranged around them. The energetic irradiation of the nozzle heats it up and at the same time melts the glass of the preheated glass fiber to be extruded.
  • the rapid switching of the laser and the associated dosing of the energy input into the switchable, heatable nozzle allows the viscosity of the material in the softening area to be set in a defined manner by the last temperature increase for the extrusion.
  • the beam guidance from the energy source(s) to the coupling point at the peripheral mirror and at the switchable nozzle can be realized in different ways.
  • the energy beam can be guided to the desired position.
  • the focus diameter and the associated intensity can be defined.
  • the focus diameter and thus the intensity can be varied and adjusted by regulating the laser power and varying the distance between the starting material and the energy source/optical components or between the energy source and the optical components. This makes it possible to define which volume is to be melted and which should be available for the construction process (3D printing).
  • the slice layer height is decisive for the dimensions of the stair step geometry and thus significantly determines the dimensional accuracy and surface quality.
  • each layer edge structure can be adjusted and manufactured depending on the required specifications.
  • each material has an absorption coefficient depending on the wavelength used and independent of the focus. This coefficient indicates how much energy can be absorbed by the material in relation to the output power. This absorbed energy is converted into heat and heats the material up to the required processing temperature. This makes it possible to switch between low-temperature and high-temperature glasses with little effort.
  • the switchable, heatable nozzle can be part of an extrusion unit, which can be designed as a single or multiple chamber system. At least one switchable, heatable nozzle is then arranged on each of these chambers.
  • a glass fiber with a different starting material or a glass fiber with the same starting material but with different doping properties can be melted through each nozzle of each of the individual process chambers.
  • this makes it possible to produce gradient workpieces that do not only consist of two components. From this, new design options and bases for three-dimensional components can be generated and derived. Because each chamber can be filled individually, composite structures can also be manufactured.
  • stepped or graduated transitions can be generated.
  • volume and cross-section can also be defined via the movement kinematics of the switchable, heatable nozzle or the heatable carrier plate.
  • the processing speed (as known from the prior art) depends on the heating power and the material feed.
  • new glass of the glass fiber must be thermally converted to the state of plastic deformability and flowability by the peripheral mirror system and the subsequent switchable nozzle and can only then be applied to the heatable carrier plate. The time required for this determines the maximum processing speed.
  • cooling also plays a role, which is understood to be a spontaneous process.
  • the currently known arrangements and methods do not allow rapid adjustment of the heating output, since the periphery and the components used are not designed for this.
  • Process temperatures that are required in a timely manner can also be set.
  • the entire construction process can be made more efficient and effective compared to conventional methods.
  • glass fibers which are used in fiber optics or telecommunications, for example, serve as the starting material for the glass extrusion process for 3D glass printing.
  • the glass fibers exist in the most varied variations (size, length, material) on the market.
  • the glass fibers can be ordered wound up to a length of several kilometers. This almost endless supply of starting material means that the glass 3D printing process can be completed without interruptions. Time-consuming refilling, as with a melting furnace, is no longer necessary.
  • Standard glass fibers typically have a diameter of 125 ⁇ m. Due to these small dimensions, very high levels of detail can be achieved during extrusion. In this way, optical elements such as lenses could be constructed with true contours.
  • thicker glass fibers e.g. 300 ⁇ m
  • Commercially available glass fibers have a protective plastic sheath. Depending on where it is used / where it is laid, this plastic coating has certain properties.
  • the result of this pre-treatment of the peripheral mirror system is a glass fiber that is cleaned and at the same time preheated for the switchable nozzle, which is used for the glass extrusion process for 3D glass printing.
  • the jacket material a wide variety of laser types can be used for the glass extrusion process.
  • the basic requirement is the absorption of the wavelength in the plastic jacket.
  • specially manufactured glass fibers can be used directly from the fiber drawing tower for the glass extrusion process.
  • Various material variations can be set here.
  • the laser energy and the clock frequency of the laser beam sources must be adjustable via a distance control (between the dosing element and the build platform). The greater the distance between platform and outlet nozzle the more volume has to be melted.
  • the distance sensor transmits a value to the control and regulation unit, which regulates the laser sources (energy, cycle time).
  • Active temperature monitoring at the plastification site controls the energy input into the starting material. This allows fluctuations in the system to be detected and compensated for.
  • a defined cooling can be implemented, for example, by means of a flow controller-controlled blowing cooling
  • the laser power can be adjusted efficiently so that the desired volume is optimally melted. Heat dissipation into the holding system can also be monitored and minimized if necessary.
  • a control-detection unit e.g. In this way, a statement about the removal of the cladding layer can be generated.
  • the advantage of this technical solution in the form of the glass extrusion arrangement and the glass extrusion process is that, starting from a wide variety of glass fibers, they can be used in a variety of ways for 3D glass printing due to the targeted interaction of the peripheral mirror system and switchable nozzle.
  • the following fiber systems can be processed: a) undoped quartz glass
  • Another advantage of the glass extrusion arrangement and the glass extrusion process is that the development and use of special fibers and dopings in the form of “printing fibers” that are adapted to the respective printing process is possible, which are taken directly from a fiber drawing tower and introduced into the arrangement and there can be edited with the method.
  • FIG. 2 a schematic detailed representation of a section of the glass extrusion arrangement according to FIG switchable, heatable nozzle, which is spatially assigned to a carrier plate,
  • Fig. 6a - h exemplary cross-sectional representations of various uncoated or coated gas fibers
  • Fig. 8a, b two exemplary cross-sectional representations of components with a support structure in the form of an axicon (a) and a concave perforated mirror (b)
  • a structured special optical fiber e.g. a photonic crystal fiber
  • the glass extrusion arrangement shown in Figures 1 and 2 for the direct extrusion of a coated glass fiber (7) for the production of compact, three-dimensional and geometrically defined semi-finished products or components (9) comprises:
  • a material feed unit (1) as material reserve and preheating unit for heating the coated glass fiber (7) by inductive heating or IR radiation,
  • a laser in the example a CO 2 laser with a wavelength of 10.6 ⁇ m
  • a peripheral mirror (62) as a stripping and preheating system system
  • a switchable nozzle (4) for 3D glass printing in the exemplary embodiment consisting of molybdenum), which indirectly via an optical system in the form of lenses, e.g. via two lasers (63) in the example a CO 2 laser radiation (with a Beam power in the kilowatt range) is heated (see Fig.
  • the nozzle (4) is in the immediate vicinity of a heated platform (42) and on their Outlet opening (41) that discharges the fluid glass (91) and deposits it on the platform (42) in two or three dimensions (with a thickness in the range from 100 ⁇ m to several 100 ⁇ m [- each depending on the material flow, which can be selected individually by the Laser power is set, and the specified traversing speed], during which the nozzle (4) and the platform (42) are moved relative to one another in the x, y and z direction in a definable manner with the traversing speed, so that the corresponding 3D - Component (9) can arise as intended, and
  • the switchable nozzle (4) is arranged in a process chamber (5) surrounding the heatable platform (42), the platform (42) being positionable in 3 axes (X, Y and Z) by a movement unit. However, it is also within the scope of the invention that the platform (42) can be positioned in 5 axes by a movement unit (not shown in the figures).
  • a gas flow controller can be provided (also not shown in the figure), which can direct cooling air to the heated platform (42) in a controlled manner.
  • the peripheral mirror system (3) is arranged outside of the process chamber (5), with the coated glass fiber (7) to be extruded passing through the transport system (2) from the material feed unit (1) through the peripheral mirror system (3) via the inlet opening (51) of the Process chamber (5) is introduced into the switchable nozzle (4) for extrusion via the outlet opening (41).
  • These subsystems can be controlled and operated simultaneously with precisely controlled parameters by a control and regulation unit in order to use the glass extrusion system to directly produce compact, 3-dimensional and geometrically defined semi-finished products and components (9) made of glass using a continuously supplied, commercially available and to enable optionally sheathed (coating) glass fiber.
  • one or more lasers (61) are used to strip the coated glass fiber (7) (see FIG. 2), in which the continuously fed glass fiber (7) is irradiated radially and thus a sufficiently high Energy is introduced in order to completely remove the cladding of the glass fiber (7) in the form of the organic coating (e.g. in the form of acrylate) from this in order to arrive at a cladding-free glass fiber (8) which is continuously fed into the switchable, heatable nozzle ( 4) is introduced to melt.
  • a detection system ensures the removal of the organic emissions that arise during this stripping (not shown in FIGS. 1 and 2).
  • the material feed unit (1) is advantageously applied to heat the glass fibers (7, 8) by inductive heating or IR radiation.
  • the switchable nozzle (4) is heated indirectly via laser beams from at least one laser (63), in the example from two lasers (63) for CO 2 laser radiation, so that the stripped glass fiber (8) in this is melted.
  • the nozzle (4) can be switched quickly by means of the laser-generated temperature control, the desired glass viscosity is set in a targeted manner, monitored by sensors and constantly adjusted to the desired value in the control loop (not shown in FIGS. 1 and 2). Temperature is readjusted, and it is also possible to switch the material flow of the glass fiber (8) melted to the fluid glass (91) on and off for 3D printing on the heatable platform (42).
  • the transport system (2) conveys the 125 ⁇ m standard glass fiber continuously into the peripheral mirror system (3) and the stripped glass fiber (8) into the following switchable nozzle (4) so that the still coated glass fiber (7) can be removed from the material feed unit (1). uninterrupted to the place of extrusion at the outlet opening (41) of the switchable nozzle (4) and fluid glass (91) is always ready for the 3D glass printing process.
  • the thermal shock resistance (TWB) of the respective Observe the type of glass, for example when using undoped or Al-doped SiO 2 as follows:
  • a special optical fiber e.g. in the form of a photonic crystal fiber with cavities of different sizes (e.g. bandgap fibers, anti-resonant fibers, evanescent sensor fibers with large internal cavities) can be produced from this preform in an adapted fiber drawing process.
  • cavities of different sizes e.g. bandgap fibers, anti-resonant fibers, evanescent sensor fibers with large internal cavities
  • an already established coated glass fiber (7) made of high-melting glass is used as the starting material (although low-melting glasses could also be used).
  • the diameter of the fiber (7) used in this exemplary embodiment is typically 250 ⁇ m (however, the nozzle geometry and the extrusion parameters can also be adapted for other fiber dimensions).
  • the glass fiber (7) is continuously unwound from a drum by means of the controlled fiber transport system (2) (designed as a roller capstan) and fed to the glass extrusion arrangement explained in the first exemplary embodiment at a defined feed speed.
  • the fiber coating is first removed without leaving any residue.
  • laser radiation is homogenized in the peripheral mirror by multiple reflections and the glass fiber is thereby irradiated peripherally.
  • the coated glass fiber (7) is heated to temperatures of approx. 400 - 600°C and the coating is thereby removed without leaving any residue.
  • the fiber material is also preheated as an offset temperature for the subsequent extrusion step.
  • the stripped and preheated glass fiber (8) is now fed to the switchable nozzle (4).
  • the nozzle (4) is heated indirectly by means of energetic radiation, in this exemplary embodiment CO 2 laser radiation, and heats the fiber (8) made of high-melting glass until it has reached the required viscosity.
  • a laser (63) with a beam power in the medium kilowatt range is used for this purpose, which is sufficient to heat the fiber (8) to temperatures of T>1000°C.
  • the material flow can be varied or stopped via the individually selectable laser power.
  • the layer thickness of the deposited fluid glass (91) can be precisely controlled and varied over a wide range from D ⁇ 100 ⁇ m to several 100 ⁇ m. Analogously, the structural width of the fluid glass (91) can also be varied.
  • the thermal shock resistance (TWB) of the respective glass type is taken into account, for example when using borosilicate glasses of this exemplary embodiment as follows:
  • the component (9) is built up as a 3D shaped body with typical dimensions of 20 mm to 50 mm in diameter or height and variably realizable structures via the sequential deposition of individual layers.
  • the component (9) is then mechanically separated from the platform (42) and removed from the process chamber (5).
  • the outer surface is smoothed using a laser polish and then slowly cooled down in a separate, temperature-controlled oven.
  • the glass fiber with the sheathing (7) is fed in analogously to the first and the second exemplary embodiment.
  • the glass fiber with the casing (7) is stripped by one or more mechanical cutters, which remove the casing from the glass fiber (7) with as little residue as possible by means of a peeling process.
  • the stripped and preheated glass fiber (8) is then fed to the switchable nozzle (4).
  • the nozzle (4) is heated directly or indirectly by means of energetic radiation and heats the fiber (8) until the required viscosity is reached.
  • a laser system (63) with a beam power in the medium kilowatt range is used, which is sufficient to heat the 3D printing fiber to temperatures of T>1000°C.
  • the material flow of the fluid glass (91) can be varied or stopped via the individually selectable laser power.
  • the layer thickness of the on the heated platform (42) preheating temperature is selected individually depending on the type of glass in order to reduce thermally induced stresses due to high To avoid cooling rates) deposited material can be precisely controlled and varied over a wide range from D ⁇ 100 microns to several 100 microns.
  • the structure width of the material can be varied analogously.
  • the component is built up as a 3D shaped body with typical dimensions of 20 mm to 50 mm in height and variably realizable structures by sequentially depositing individual layers from the fluid glass (91).
  • support structures (100) are also built up in the resulting cavities and walls during the layered construction on the platform (42) (shown in Figures 8a and 8b) .
  • the support structures (100) can be produced from different preform structures (see FIG. 6) of the same type or different materials.
  • the separation process can also take place chemically.
  • the 3D shaped body (93) is placed in a KOH bath, as a result of which the dissimilar material, which has a significantly higher etching rate than the 3D shaped body (93), separates from it.
  • the additively manufactured 3D shaped body (93) is subjected to a grinding and/or polishing process.
  • the coated fiber (7) is fed in and the cladding is removed in the same way as in exemplary embodiments 1, 2 or 3.
  • At least two switchable nozzles 4a and 4b are used in the fourth exemplary embodiment (shown in FIG. 3).
  • Both nozzles (4a and 4b) transport two fibers made of different glass materials with two different properties (91a and 91b).
  • Both nozzles (4a and 4b) can work simultaneously or sequentially, the component platform (42) and the two nozzles (4a and 4b) being moved relative to one another in the x, y and z direction by a drive system not shown in FIG.
  • a gradient component (9a; 9b) is built on the construction platform (42) with two different refractive indices n1 and n2.
  • Any graduated glass with different properties can be produced with this arrangement.
  • Extruder arrangement [(switchable nozzle (4)] for the direct and indirect laser beam melting of a glass fiber without a coating (8) in the glass extrusion arrangement
  • the glass fiber is fed without sheathing (8) to the switchable nozzle (4) via take-off rollers of the transport system (2).
  • the glass fiber (8) is transferred coaxially into the molten area in a very short time by a laser ring mirror, so that the viscosity of the material of the glass fiber (8) drops abruptly in that viscosity-temperature range (approx. 1-3 dPas) where the material is converted into a good flowable state.
  • the softened and free-flowing volume of material can thus pass through the nozzle (4) very quickly and be deposited on the platform (not shown in FIG. 4).
  • a pulsed CO 2 laser is preferably used for the partial melting process. With pulse lengths in the ps-ms range of the radiation from the laser (63), a very metered supply of fluid glass (91) can thus take place.
  • the glass fiber without a jacket (8) is conveyed into a heating container of the switchable nozzle (4) in the form of an enlarged material storage reservoir.
  • the introduced glass volume is brought to a pre-extrusion temperature by a heating source, preferably heating strips (52) in the form of resistance-heated strips (see FIG. 5).
  • a heating source preferably heating strips (52) in the form of resistance-heated strips (see FIG. 5).
  • a typical preheating range can be between 400 °C and 1,500 °C.
  • the glass volume has a viscosity between 4 - 10 dPas, for example.
  • the radiation from the laser (63) now applies a defined laser energy to a radiation converter (72).
  • the radiation converter (72) has a very good transmission of the optical radiation into thermal energy in order to bring the provided glass volume very quickly into a viscosity-temperature range (approx. 1-3 dPas) where the material [the fluid glass ( 91)] is converted into a readily flowable state.
  • a switchable nozzle (4) in this embodiment with a variable nozzle diameter (41), can the diameter of the fluid glass (91) can be adjusted accordingly in a range from 200 ⁇ m to several millimeters.
  • the arrangement shown in FIG. 7 for the online-monitored and online-controlled outlet of fluid glass (91) as part of the overall glass extrusion arrangement has a temperature measuring device (70) in the area at the outlet opening (41) of the switchable nozzle (4), preferably a pyrometer.
  • the temperature of the fluid glass (91) is measured online with this pyrometer.
  • the measured, calibrated temperature signal is used to determine the viscosity of the fluid glass (91) in order to control the outlet of the fluid glass (91) in a controlled operation.
  • the power of the lasers (63) and the two fiber feed devices (73) of the transport system (2) are controlled as a function of the measured temperature.
  • This control circuit ensures that a homogeneous flow of glass can be ensured throughout the entire construction process.
  • a disadvantage of additive manufacturing can be the relatively long processing times when dealing with large-volume or simple geometric shapes. This disadvantage is overcome by the hybrid production concept with an arrangement as shown in FIG. 9, for example.
  • the starting point is the provision of a prefabricated blank, semi-finished product or finished component (94a).
  • the Areas (94b) that have a more complicated shape and can only be produced to a limited extent or not at all by conventional separating processes such as milling and grinding are built up layer by layer by the first switchable nozzle (4a).
  • Such typical contours include, for example, internal contours, undercuts, thin webs, contours with a high aspect ratio (the ratio of height to width) or special free-form surfaces.
  • the processing sequence includes the following steps:
  • the component (94) is cooled with a temperature-time function known to those skilled in the art, also referred to as fine cooling.
  • connection areas (joining zones) (95) can be partially heated to the required process temperature by a laser beam (64). In this case, the heating of the entire component volume (94a) in the process chamber can be omitted.
  • the joining zone (95) shown in FIG. 9 represents a peripheral area of the component (94a), which is quasi-simultaneously through the Beam deflection between the maximum areas (64a) and (64b) is heated.
  • glass transition solders are used to solve this problem.
  • a second switchable nozzle (4b) is additionally used for this purpose, which discharges a second glass strand with a glass transition solder.
  • a zone with glass transition solder (94c) is now applied between the component (94a) and the area (94b) to be produced additively using (4b)
  • components (94) made of different materials can also be connected.
  • a material combination of a glass ceramic (94a) and a silica glass (94b) is also possible.
  • a metal-glass composite can also be built up with the available glass transition solders.
  • the arrangement according to FIG. 9 makes it possible to combine the advantages of subtractive manufacturing (grinding, lapping, polishing) and additive manufacturing.
  • prepared semi-finished products can be used as components (94a), which are finished after the additive process stage by form grinding and polishing to form the complete component (94).
  • you can Components are inserted into the extrusion system after the complete subtractive process stage in order to build up or add additional contour elements or to repair component defects.
  • the advantage of the provided technical solutions of the glass extrusion arrangement and the glass extrusion process is that by means of the method using the glass extrusion arrangement, both standard glass fiber systems with a complete or partial sheathing and standard glass fiber systems without sheathing are converted into semi-finished products and components of all kinds using 3D glass printing so that these products can be put to a wide variety of uses or further processing.
  • the glass extrusion arrangement and the glass extrusion process are particularly interesting for the production of modified glass fibers (e.g. for image transmission), of components or semi-finished products made of glass.
  • the process for example, commercially available and optionally coated glass fibers are fed in continuously.
  • the process can also be used to process both low-melting glass systems (Tg ⁇ 1000°C, e.g. for glass fibers for image transmission) and higher-melting systems (Tg >> 1000°C).
  • the glass extrusion arrangement and the method using this arrangement can be used for different, fusible fiber systems (in addition to the most diverse types of glass fibers, such as undoped or doped quartz glass fibers, soft glass fibers).
  • the scope of the invention is not tied to starting materials in the same way as other methods which can only use special starting materials.

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Abstract

Eine Glasextrusionsanordnung umfasst ein Umfangsspiegelsystem (3), eine schaltbare, beheizbare Düse (4) mit einer Austrittsöffnung (41) und ein Transportsystem (2). Die Düse (4) ist in einer, eine beheizbare Plattform (42) umgebenden Prozesskammer angeordnet. Die Düse (4) und die Plattform (42) sind in drei Achsen durch eine Bewegungseinheit zueinander positionierbar. Das Umfangsspiegelsystem (3) ist außerhalb der Prozesskammer (5) angeordnet. Die zu extrudierende Glasfaser (7, 8) ist aus einer Materialzuführeinheit (1) kontinuierlich vermittels des Transportsystems (2) durch das Umfangsspiegelsystem (3) hindurch über eine Eintrittsöffnung (51) der Prozesskammer (5) in die Düse (4) zur Extrusion einführbar. Die Düse (4) ist zum Zweck der Erwärmung mit mindestens einem geregelten Laser (63) bestrahlbar, wobei ein Thermoelement im Betriebszustand die Heiztemperatur bei der Erwärmung der Düse (4) überwacht, damit die vom Laserlicht erwärmte Glasfaser oberhalb ihres Schmelzpunktes als fließfähiges Fluid in der Düse (4) vorliegt und aus der Austrittsöffnung (41) in Richtung der Plattform (42) fließen kann. Die Teilsysteme sind simultan sowie präzise durch eine Steuer- und Regeleinheit ansteuer- / betreibbar sind und in dem diese Glasextrusionsanordnung bestimmungsgemäß betrieben wird.

Description

Glasextrusionsanordnung und Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas
Die Erfindung betrifft eine Glasextrusionsanordnung und ein generatives Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas mittels mindestens einer kontinuierlich zugeführten, kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten (Coating) Glasfaser, wobei als Fasermaterial sowohl niedrigschmelzende Glassysteme (Tg << 1000°C, wie bspw. Fasern zur Bildübertragung) als auch höherschmelzende Glassysteme (Tg >> 1000°C, wie bspw. reine oder modifizierte Kieselgläser) zum Einsatz kommen können.
Generative (additive) Herstellungsverfahren stellen eine Möglichkeit zur Erzeugung von dreidimensionalen Objekten / Bauteilen dar, die sich von klassischen abtragenden / zerspanenden Herstellungsverfahren, wie bspw. Drehen, Bohren, Fräsen, Sägen oder Hobeln, signifikant unterscheiden, indem ein Bauteil durch das Aneinander- und Aufeinanderfügen von Materialmengen hergestellt wird, was u.a. zu einer deutlich höheren Formfreiheit führt.
Eine Form des Aneinander- und Aufeinanderfügens ist das selektive Positionieren von diskreten Materialmengen aneinander und übereinander, um so lagenweise ein Bauteil herzustellen. Hierfür werden aus einem Extruder Materialmengen in einem fluiden Zustand auf einen Träger portioniert abgegeben, auf dem sie anschließend erkalten und verfestigen, weshalb diese 2D- oder 3D- Druckverfahren als Extrusions- verfahren bezeichnet werden.
Eine geeignete Vorrichtung für ein Kunststoffextrusions verfahren zum Erzeugen dreidimensionaler Objekte offenbart die DE 690 33 809 T2. Diese Vorrichtung umfasst einen gegenüber einer Trägerplatte, auf der das Bauteil aufgebaut wird, in x-, y-, und z-Richtung bewegbaren, heizbaren Extruder mit einer heizbaren Düse. Das Ausgangsmaterial wird dem Extruder in Form eines Kunststoffstabes oder eines flexiblen Kunststoffstranges zugeführt, in diesem auf seinen Schmelzpunkt erwärmt und als fließfähiges Fluid über eine Düse abgegeben.
Zum Zweck der Erwärmung des Extruders ist eine geregelte Widerstandsheizvorrichtung vorgesehen, die mit einem Thermoelement verbunden ist, um das Ausgangsmaterial nur wenig oberhalb des Schmelzpunktes zu erwärmen.
Um zu sichern, dass das Ausgangsmaterial als Fluid durch die Düse des Abgabekopfes ausgestoßen wird, ist eine ergänzende, die Düse temperaturgeregelt beheizende elektrische Heizvorrichtung vorhanden.
Die Volumenrate des abgegebenen Fluids wird dabei über den Vorschub des flexiblen Stranges gesteuert. Je kleiner der Durchmesser des flexiblen Stranges ist, desto genauer kann die Volumen- Strömungsgeschwindigkeit der Abgabe des Fluids gesteuert werden.
Die effektive Ein/Aus-Fluidabgabe kann einfachdurch das Anhalten der Vorschubmotoren erreicht werden.
Eine genaue Temperatursteuerung, auf die der flexible Strang im Abgabekopf erwärmt wird, unterstützt außerdem das Regeln seiner Strömung.
Der Nachteil dieser Anordnung und dieses Verfahrens besteht darin, dass es auf die Verwendung von Thermoplasten und somit niederen Temperaturen unter 200°C beschränkt ist.
Der 3D-Druck mit Glas ist im Allgemeinen noch wenig verbreitet und weitestgehend unerforscht.
Aktuell entwickelt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein spezielles Stereolithografie-Verfahren (SLA-Verfahren), um Glaskörper zu drucken.
Dazu wird ein Kompositmaterial aus Photopolymer und Glaspulver entwickelt, welches durch UV- Bestrahlung verfestigt wird. Dadurch entsteht ein Grünling.
Um ein reines Glasbauteil zu generieren, muss der Grünling in einem zweiten Prozess entbindert und gesintert werden. Durch diesen Prozess wird das Photopolymer, welches als Binder fungierte, entfernt und die Glaspartikel gehen eine feste Verbindung (auch Sintern genannt) ein.
Die Missouri University of Science and Technology verfolgt einen anderen technischen Ansatz, der an die etablierten Verfahren des „Schweißens mit Zusatzdraht“ und des „Laserauftragsschweißens mit Draht“ angelehnt ist.
Dabei kommen Glasstäbe als Filament zum Einsatz, welche mit Hilfe eines CO2-Lasers aufgeschmolzen werden.
Durch das Verfahren einer Bauplattform in x-y-z-Richtung und das gleichzeitige durchgehende Auflegen / Aufträgen des aufgeschmolzenen Glasstabes entsteht ein dreidimensionaler Körper auf der Bauplattform (technischer Ansatz des Laserzentrums Hannover).
Das Lawrence Livermore National Laboratory verwendet für den 3D- Glasdruck das „Direct Ink Writing“.
Hierzu wird eine Suspension aus pyrogener Kieselsäure und Tetraethylenglycoldimethylether durch eine Düse schichtweise auf die Bauplattform extrudiert.
Durch einen anschließenden Verdichtungs- und Sinterprozess können annähernd transparente und dichte Glasbauteile generiert werden.
Ein Materialextrusionsdrucker für optisch transparente Gläser hat das Massachusetts Institut of Technology (MIT) entwickelt.
Das Extrudat liegt dabei als Glasschmelze in einem Schmelzofen vor.
Dieser Schmelzofen ist oberhalb des Bearbeitungsraums angeordnet und die Schmelze wird unter Druckbeaufschlagung aus dem Schmelzofen durch eine beheizte Düse als Glasstrang auf die Bauplattform schichtweise extrudiert.
Die Prozesskammer weist dabei eine Bearbeitungstemperatur von ca. 550°C auf.
Wenn der Bauprozess abgeschlossen ist, wird die Prozesskammer langsam abgekühlt, um spannungsbedingten Glasbruch zu vermeiden.
Bedingt durch den Aufbau am MIT können mit dieser technischen Lösung lediglich minimale Schichtstärken von 4 mm generiert werden, so dass durch diesen sehr geringen Detailierungsgrad der Objekte lediglich Kunstgegenstände hergestellt werden können.
Die Firma Micron 3D hat einen zum Aufbau am MIT analogen Geräteaufbau.
Durch spezielle Anpassungen des Düsendesigns können bei dieser technischen Lösung Schichtstärken von 100 μm erreicht werden, wobei typische Extrusionsmaterialien Borosilikatglas oder Kalk-Natron-Glas sind.
Bei diesen Extrusionsverfahren für Glas ist von Nachteil, dass ein Schmelzofen zum Aufschmelzen des Extrudats benötigt wird.
Dieser Schritt des Aufschmelzens ist sehr Energie- und Zeit-aufwendig und daher sehr kostenintensiv.
Zum einen muss der Ofen thermisch stabil ausgelegt werden, was besonders kritisch bei hochschmelzenden Glasarten ist.
Zum anderen muss der Schmelzofen thermisch vom eigentlichen Bearbeitungsraum entkoppelt sein, um Temperaturgradienten (welche zu unerwünschten Verspannungen und damit verminderter mechanischer Stabilität des extrudierten Bauteils führen) und damit einhergehende Prozess Schwankungen zu vermeiden.
Um dreidimensionale Bauteile generieren zu können, wird der gesamte massive Schmelzofen in x-y-Richtungen verfahren, was ebenfalls von Nachteil ist. (Eine z-Achse ist in der Prozesskammer integriert.)
Nachteilig ist auch, dass durch die Bearbeitungstemperaturen von ca. 550°C in der Prozesskammer und über 1000°C im Schmelzofen die Bewegungseinheiten für extreme Bedingungen ausgelegt sein müssen, was mit gewissen Aufwand und entsprechenden Kosten verbunden ist.
Hinzu kommt, dass das Extrusionsvolumen dabei abhängig vom Fassungsvermögen des Schmelzofens ist, was ebenfalls nachteilig ist.
Wird neues Glasmaterial für den Prozess benötigt, muss der Ofendeckel abgenommen und Glasschmelze in den Schmelzofen positioniert werden. Diese diskontinuierliche Zuführung geschieht unter höchsten Sicherheitsmaßnahmen und mit Equipment aus der Glasgießerei, was einen weiteren Nachteil darstellt. Ebenso bedeutet dieser Prozessschritt, dass geschmolzenes Glas in einen separierten Ofen für den Prozess bereitstehen muss, was wiederum den Aufwand und die Kosten des gesamten Extrusionsverfahrens erhöht.
Additive Fertigungsverfahren zur Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas sind jedoch eine vielversprechende Ergänzung bereits etablierter Produktionsverfahren und haben aufgrund ihrer hohen Flexibilität sowie der „werkzeuglosen“ Fertigung eine große Bedeutung für die individualisierte Produktion, so dass es von großem Interesse ist, diese Verfahren weiter zu verbessern.
Dabei ist die direkte additive Erzeugung von Komponenten aus Glas jedoch bislang kaum etabliert. Erste Ansätze beruhen auf Pulverbettmethoden, wie dem selektiven Laserschmelzen (SLM) oder dem selektiven Lasersintern (SLS).
Stereolithographische Methoden (SLA) mit pulvergefüllten Bindersystemen wurden bereits erfolgreich getestet, befinden sich jedoch derzeit noch im Versuchs stadium.
Bekannte Extrusionsmethoden fokussieren derzeit die Verarbeitung von niedrigschmelzenden Glassystemen unter der Verwendung von Extrusionsmasken, u.a. zur Herstellung komplexer Preformen.
Aus der WO 2019/079 704 A1 ist bspw. ein Verfahren bekannt, bei dem Bulk-Metallgläser mit Hilfe eines Lasers behandelt werden.
Ummantelte Glasfasern oder Glasstränge können jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2019/079 704 A1 für die Glasextrusion bei 3D- Drucktechniken eingesetzt werden.
WO 2015/065 936 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem durch das Schmelzen von Quarzglasfasem mittels einer CO2- Laserquelle eine additive Fertigung von Quarzglas möglich ist. Bei diesem Verfahren fokussieren kombinierte Laserköpfe die Laserstrahlung auf die Glasfaser, um diese zu schmelzen, wobei ein drei-Achsen-System verwendet wird, um die Druckfläche und das Glassubstrat zu bewegen. Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glas stränge kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2015/065 936 A1 ermöglicht werden.
WO 2015/120 430 A1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von verglasten dreidimensionalen Quarzglasformteilen, u.a. basierend auf der Methode des selektiven Laserstrahlsinterns mit materialspezifischen Scan- und Parameterkonzepten.
Die Verwendung von synthetischen und natürlichen Kieselglaspulvern ermöglicht dabei eine additive Herstellung durch selektives Hochtemperatur-Lasersintem (HT-SLS).
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glas stränge kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2015/120 430 A1 ermöglicht werden.
WO 2015/077 262 A1 offenbart den 3D-Druck von Glas durch das SLE- (Selective Laser Etching)- Verfahren. Dieses Verfahren ist ein zweistufiger, subtraktiver 3D-Prozess.
In einem ersten Schritt wird ultrakurz gepulste Laserstrahlung fokussiert. Dies geschieht auf ein mikrometerkleines Volumen im Inneren von transparenten Materialien. Dabei wird ausschließlich im Fokus die Laserstrahlung durch Mehrphotonenprozesse absorbiert. Das Material erhitzt sich kurzzeitig und stark, kühlt anschließend schnell ab und verändert sich lokal sowie dauerhaft. Dabei treten keine Mikrorisse auf.
Für den zweiten Prozessschritt wird das belichtete Werkstück der Laserbelichtungsanlage entnommen und in einem nasschemischen Ätzbad entwickelt. Das lasermodifizierte Glas wird dabei sehr selektiv aufgelöst, wobei dieser Ätzprozess außen startet und sich dann entlang der Modifizierung in das Innere vorarbeitet, um die Innenstrukturen zu erzeugen.
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glas stränge kann jedoch durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2015/077 262 A1 nicht ermöglicht werden. WO 2016/198 148 A1 offenbart die Herstellung von 3D-gedruckten Komponenten mit ultraschallgesteuerter mikroskaliger Struktur, wobei eine in-situ- Manipulation der diskontinuierlichen Faserstruktur während des Druckvorgangs innerhalb einer 3D- gedruckten Polymer- verbundarchitektur erfolgt, was eine neuartige Methode zur sofortigen Ausrichtung von Glasfasern im Mikromaßstab in einem selektiv gehärteten photohärtbaren Harzsystem darstellt.
Dabei werden Ultraschallkräfte verwendet, um die Fasern in der gewünschten 3D-Architektur auszurichten. Um dies zu erreichen, wird ein schaltbares, fokussiertes Lasermodul auf einem Träger eines dreiachsigen 3D-Drucktisches über einem Ultraschall-Ausrichtgerät montiert, das eine Mischung aus photohärtbarem Harz und diskontinuierlicher Glasfaserverstärkung mit 14 μm Durchmesser (50 μm Länge) enthält.
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glas stränge kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der WO 2016/198 148 A1 ermöglicht werden.
Zum Thema 3D- Druck von Glas offenbart die US 2017/0283297 A1 ein Verfahren zum 3D- Drucken von Objekten / Bauteilen, bei dem Materialien von Wänden durch mehrere Druckköpfe abgeschieden werden, während die Druckköpfe entlang der 3D- Koordinaten der Wände bewegt werden, wobei die Vorgänge des Einfüllens des Materials in die Druckköpfe, des Schmelzens des Materials in den Druckköpfen und des dosierten Zuführens des geschmolzenen Materials durch jeweils eine Öffnung in den Druckköpfen gleichzeitig ausgeführt werden, während die Druckköpfe entlang der 3D- Koordinaten bewegt werden, so dass das Objekt / Bauteil aufgebaut wird.
US 2017/0283297 A1 offenbart darüber hinaus eine Vorrichtung zum 3D- Drucken von Objekten / Bauteilen, die einen Druckkopf und den Mechanismus zur 3D- Positionierung des Druckkopfes enthält, wobei ein Glasschmelzofen als Druckkopf und eine Ausrichtungsvorrichtung zum Ausrichten einer Ebene der Wand verwendet werden, die so angeordnet ist, dass die Bildung der Ebene der Wand (2D oder 3D) ermöglicht wird, nachdem das Material durch eine Öffnung im Druckkopf abgeschieden (=extrudiert) wurde.
Dieses Verfahren zum Druck von Wänden und Strukturen aus Glas soll gemäß der US 2017/0283297 A1 für die Bauwirtschaft von besonderem Interesse sein, denn Glas ist im Gegensatz zu Beton leichter und detailgenauer zu verarbeiten. Mehrschichtige Glaswände sollen dabei optional mit Wärmeleitfähigkeiten, Farben und Lichtreflexionen ausgestattet werden.
Da Glas resistent gegen Keime und fast wartungsfrei ist, sollen die Wände und Strukturen aus 3-D-gedrucktem Glas für Kühleinrichtungen und Krankenhäuser einsetzbar sein.
Eine direkte Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasstränge zum 3D- Druck von Glas kann jedoch nicht durch die technische Lösung gemäß der Lehre der US 2017/0283297 A1 ermöglicht werden.
DE 10 2018 109 131 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus Glas- oder Glaskeramik, insbesondere mittels additiver Fertigungstechnik, umfassend zumindest die folgenden Bauteile:
• zumindest einen Druckkopf mit zumindest einer Druckdüse,
• einer Vorrichtung zur Zuführung von Druckmaterial aus einem Reservoir zum Druckkopf,
• zumindest einer Laserquelle zur Bildung einer Heizzone,
• einem Drucktisch zur Abscheidung des Druckmaterials, wobei die Heizzone zwischen dem Druckkopf und dem Drucktisch platziert ist und Druckkopf und Drucktisch eine Relativbewegung in x-, y- und z-Richtung ausführen und die Vorrichtung zumindest eine der folgenden Komponenten aufweist:
- eine Vorrichtung zur Messung der Temperatur in der Heizzone sowie eine Vorrichtung zur Regelung und/oder Steuerung der Temperatur in der
- Heizzone, wobei die Temperatur in der Heizzone so eingestellt wird, dass das Druckmaterial eine Viskosität im Bereich von 104 dPas bis 107,6 dPas aufweist eine Vorrichtung zur Reinigung der Oberfläche des Druckmaterials vor Eintritt in den Druckkopf und/oder - eine Vorrichtung zur Behandlung der Oberfläche des Druckmaterials vor Eintritt in den Druckkopf.
Gemäß der technischen Lehre der DE 10 2018 109 131 A1 ist die Extrusion nicht schnell an- und abschaltbar und es ist keine direkte Extrusion ummantelter, kommerziell erhältlicher Glasfasern oder Glasstränge (s.g. Endlosfasem) zum 3D- Druck von Glas möglich.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Glasextrusionsanordnung und ein Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas anzugeben, welche die zuvor stehend genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet und insbesondere eine Extrusion ummantelter Glasfasern oder Glasfaserstränge mit dem Ziel der additiven Erzeugung hochqualitativer 3- dimensionaler Glaskomponenten ermöglicht, wobei die Extrusion schnell an- und abschaltbar sein soll und als Glasfasermaterial sowohl niedrigschmelzende Glassysteme (Tg<< 1000°C) als auch höherschmelzende Glassysteme (Tg>> 1000°C, wie bspw. reine oder modifizierte Kieselgläser) zum Einsatz kommen können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des 1. und der 3. Patentanspruchs gelöst.
Weitere günstige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Erfindung sind in den nachgeordneten Patentansprüchen angegeben.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass ein einstufiges, kontinuierliches Verfahren vermittels einer Glasextrusionsanordnung die direkte Herstellung kompakter, 3- dimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile aus Glas mittels einer kontinuierlich zugeführten, kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten Glasfaser ermöglicht.
Als Fasermaterial können dabei niedrigschmelzende Glassysteme (Tg << 1000°C, bspw. Fasern zur Bildübertragung, wie z.B. oxidische Kron- oder Flintgläser) sowie auch höherschmelzende Systeme (Tg >> 1000°C, bspw. aus unterschiedlich modifiziertem Kieselglas, wie z.B. photonische Kristallfasern) verarbeitet werden.
Das Verfahren beruht technologisch auf einer Glasextrusionsanordnung, die sich aus mehreren, individuell ansteuerbaren Teilsystemen zusammensetzt. Erst die Kombination dieser Teilsysteme und deren simultaner Betrieb mit präzise gesteuerten Parametern ermöglicht das genannte Verfahren.
Die Glasextrusionsanordnung umfasst die folgenden Teilsysteme: - ein Umfangsspiegelsystem, welches gemäß der technischen Lehre der DE 10 2009 021 448 B3 ausgeführt ist, - eine schaltbare, beheizbare Düse, welche gemäß der technischen Lehre der DE 10 2016 125 166 A1 ausgeführt ist und welche einer Trägerplatte / Plattform räumlich zugeordnet ist, wobei diese beiden Elemente zueinander in 3 Achsen (X-, Y- und Z- Achse) positionierbar sind, und - ein Transportsystem.
Die schaltbare, beheizbare Düse ist gegenüber der Trägerplatte / Plattform, auf der das Bauteil aus Glas aufgebaut wird, in x-, y-, und z- Richtung bewegbar.
Alternativ dazu kann aber auch die Trägerplatte /Plattform gegenüber der Düse in den Richtungen x, y und z bewegbar sein oder es besteht auch die weitere alternative Möglichkeit, dass sowohl die Düse als auch die Trägerplatte / Plattform bewegbar sind, um zueinander in x-, y-, und z- Richtung verstellbar zu sein.
Das Ausgangsmaterial wird der schaltbaren, beheizbaren Düse vermittels des Transportsystems durch das Umfangsspiegelsystem hindurch in Form einer kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten Glasfaser kontinuierlich zugeführt, wobei durch das Umfangsspiegelsystem (CO2- oder andere Laser strahlen dabei zur Erwärmung ein, alternativ dazu auch Flammenbasierte und mechanische Erwärmung möglich) eine Vorwärmung der Glasfaser und ein vollständiges Entfernen der gegebenenfalls vorhandenen Ummantelung von der Glasfaser erfolgt und in der Düse (mit der Funktion einer Extrusionseinheit) das endgültige Aufwärmen der Glasfaser auf ihren Erweichungsbereich erfolgt, so dass ein fließfähiges Fluid aus Glas über die Austrittsöffnung der bewegbaren, heizbaren Düse abgegeben wird.
Zum Zweck der Erwärmung der Düse ist mindestens ein geregelter Laser zum Heizen vorgesehen, wobei ein Thermoelement die Heiztemperatur bei der Erwärmung überwacht, damit die von der Laserstrahlung erwärmte Glasfaser oberhalb ihres Erweichungspunktes als fließfähiges Fluid in der Düse vorliegt.
Die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases wird dabei über den Vorschub der Glasfaser durch das Transportsystem mit regelbaren Vorschubmotoren gesteuert. Je kleiner der Durchmesser der verwendeten Glasfaser ist, desto genauer kann die Volumen- Strömungsgeschwindigkeit der Abgabe des fluiden Glases gesteuert werden.
Eine genaue Steuerung der Temperatur, auf welche die Glasfaser in der schaltbaren Düse im Erweichungsbereich erwärmt wird, unterstützt außerdem das Regeln der Strömung des abgegebenen fluiden Glases.
Das Umfangs spiegelsystem gemäß der DE 10 2009 021 448 B3 umfasst dabei mindestens einen geregelten Laser (bspw. CO2-Laser) sowie einen Umfangsspiegel mit einer Umfangsspiegelsystemachse und ein optisches System, welches ein Strahlenbündel von Laserlicht senkrecht zur Umfangsspiegelsystemachse so in den Umfangsspiegel einkoppelt, dass es nach mehrfachen Reflexionen auf der zu behandelnden Glasfaser auftrifft, deren Achse in gleicher Richtung innerhalb des Umfangsspiegels verläuft wie die Umfangsspiegelsystemachse.
Betrieben wird diese Teilsystem der Glasextrusionsanordnung (in Form des Umfangsspiegelsystems), indem das Laserstrahlenbündel über eine vorgegebene Bearbeitungszeit in den Umfangsspiegel eingekoppelt wird, wobei die Glasfaser, der Umfangsspiegel und / oder das optische System zueinander in relativer Ruhe gehalten oder bewegt werden. Die schaltbare, beheizbare Düse als Teilsystem der Glasextrusions- anordnung ist an sich schon bekannt aus einer Vorrichtung gemäß der technischen Lehre der DE 10 2016 125 166 A1 zum generativen Herstellen eines dreidimensionalen Objektes aus einem durch Abkühlung verfestigbaren Material mit einer temperaturabhängigen Viskosität, beinhaltend eine beheizbare Plattform als Träger, auf dem das dreidimensionale Objekt / Bauteil schichtweise hergestellt wird, und eine Düse mit einer Düsenöffnung zur Extrusion der geschmolzenen Glasfaser (Fluid), wobei beheizbare Plattform und die schaltbare, beheizbare Düse zueinander dreidimensional im Raum in x-, y- und z- Richtung mit einer Vorschubgeschwindigkeit bewegbar sind.
In der Glasextrusionsanordnung sind die Temperatur des Fluides sowie deren Viskosität durch die laserbeheizte Düse vorgebbar, wobei durch die energetische Strahlung, bspw. CO2-Laserstrahlung oder andere Laserstrahlung, ein steuerbarer Energieeintrag mit einer vorgegebenen Strahlungsintensität über eine vorgegebene Emissionszeit in die Düse erfolgt und diese bei gleichzeitig gesteuertem Ausstoß des Fluides erhitzt, indem ein Teilvolumen des Fluides in der Düse auf eine gegenüber der vorgegebenen Temperatur erhöhte Durchlas stemperatur aufgeheizt wird, bei der die Viskosität des Teilvolumens so gering ist, dass das Teilvolumen, beaufschlagt mit einem vorgebbaren Druck die Düsenöffnung passiert.
Hierzu wird der Düse in der Glasextrusionsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eine kommerziell erhältliche, bereits durch das Umfangsspiegelsystem vorgewärmte und von ihrer ggf. vorhandenen Ummantelung befreite Glasfaser zugeführt.
Der eigentliche Schmelzprozess findet in der schaltbaren, erwärmbaren Düse (Faserextrusionseinheit) statt. Hierfür werden vorteilhaft mehrere Laserquellen um diese angeordnet. Durch die energetische Bestrahlung der Düse wird diese erwärmt und damit einhergehend das zu extrudierende Glas der vorgewärmten Glasfaser geschmolzen.
Wichtig und wesentlich ist dabei, dass das Vorwärmen der Glasfaser und das Entfernen der ggf. vorhanden Ummantelung der Glasfaser durch das Umfangsspiegelsystem in der Glasextrusionsanordnung vor dem Eintritt in die geschaltete Düse, wie zuvor stehend bereits beschrieben, erfolgt, indem in diesem Spiegelsystem eine energetische Strahlung, bspw. eine Laserstrahlung eingekoppelt wird und durch Mehrfachreflexion an dem hoch reflektierenden Material im Inneren eine Homogenisierung der Strahlung stattfindet, wodurch es möglich ist, die Glasfaser umfänglich mit dem Strahlbündel zu bestrahlen und damit einhergehend zu erwärmen.
Durch das schnelle Schalten des Lasers und der damit verbundenen Dosierung der Energieeinkopplung in die schaltbare, erwärmbare Düse kann durch die letzte Temperaturerhöhung für die Extrusion die Viskosität des Materials im Erweichungsbereich definiert eingestellt werden.
Die Strahlführung von der Energiequelle / den Energiequellen zum Einkopplungspunkt beim Umfangsspiegel und bei der schaltbaren Düse kann auf verschiedenen Wegen realisiert werden.
Mit Hilfe von optischen Bauelementen (Kollimations- und Fokussieroptiken) kann der Energiestrahl an die gewünschte Position geführt werden. In Abhängigkeit der Strahlparameter in Kombination mit optischen Bauteilen kann der Fokusdurchmesser und damit einhergehend die Intensität festgelegt werden.
Durch Laserleistungsregelung und Variation des Abstandes zwischen Ausgangsmaterial und Energiequelle / optischen Komponenten bzw. zwischen Energiequelle und optischen Komponenten kann der Fokusdurchmesser und damit die Intensität variiert und eingestellt werden. Dadurch kann definiert werden, welches Volumen aufgeschmolzen wird und für den Bauprozess (3D-Druck) zur Verfügung stehen soll.
Allein durch diese technischen Maßnahmen kann eine sehr flexible Fertigung, welche bis dato bei den Rapid- Technologien nicht gegeben ist, generiert werden. Bei den additiven Verfahren ist es notwendig, das zu erstellende Bauteil in verfahrensabhängige Einzelschicht- Filamentabschnitte einzuteilen. Durch die zur Verfügung gestellte neue technische Lösung in Form der Glasextrusionsanordnung und des Glasextrusionsverfahrens ist es nun möglich, jede einzelne Schicht Bauteil- und Geometrie- abhängig zu variieren.
Ebene Flächen können mit einem hohen Volumen aufgetragen werden, weil hier der Treppenstufenaspekt nicht zum Tragen kommt.
Sobald die Geometrie dreidimensionale Konturen annimmt, ist die Slice- Schichthöhe entscheidend für die Abmaße der Treppenstufengeometrie und bestimmt damit erheblich die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte.
Durch Variation des Volumens kann mit Hilfe der vorliegenden neuen technischen Lösung jede Schicht- Kantenstruktur in Abhängigkeit der geforderten Spezifikationen eingestellt und gefertigt werden.
Ebenfalls kann durch die Variation der Laserwellenlänge und das Fokussieren des Belichtungsfleckes der Laserstrahlung auf verschiedene Ausgangsmaterialien reagiert werden. - Jedes Material besitzt einen Absorptionskoeffizienten in Abhängigkeit der verwendeten Wellenlänge und unabhängig vom Fokus. Dieser Koeffizient gibt an, wieviel Energie bezogen auf die Ausgangsleistung vom Material aufgenommen werden kann. Diese aufgenommene Energie wird in Wärme umgewandelt und erhitzt das Material bis zur nötigen Bearbeitungstemperatur. Dadurch ist es möglich ohne großen Aufwand zwischen Niedrigtemperatur- und Hochtemperaturgläsern zu wechseln.
Die schaltbare, erwärmbare Düse kann Bestandteil einer Extrusionseinheit sein, die als Einfach- oder Mehrfachkammersystem ausgelegt sein kann. An jeder dieser Kammern ist dann mindestens eine schaltbare, erwärmbare Düse angeordnet.
Durch jede Düse jeder der einzelnen Prozesskammern kann dabei eine Glasfaser mit einem anderen Ausgangsmaterial oder eine Glasfaser mit dem gleichen Ausgangsmaterial aber mit unterschiedlichen Dotierungseigenschaften aufgeschmolzen werden. Dadurch ist es zum einen möglich, Gradientenwerkstücke herzustellen, welche nicht nur aus zwei Komponenten bestehen. Daraus können neuartige Gestaltungsmöglichkeiten und -grundlagen für dreidimensionale Bauteile generiert und abgeleitet werden. Dadurch, dass jede Kammer individuell befüllt werden kann, können auch Composite-Strukturen gefertigt werden.
Ebenso besteht zum anderen die Möglichkeit, kontinuierliche Materialkomponentenverläufe und demzufolge Eigenschaftsverläufe genau zu definieren.
Je nach Zu- und Abschalten der Laserquellen für die einzelnen Kammern können stufenförmige oder graduierte Übergänge generiert werden.
Durch die kompakte Bauweise der einzelnen Prozesskammern mit je einer schaltbaren, beheizbaren Düse inklusive der jeweiligen Laserquelle können eine Vielzahl von Kammersystemen zu einem Komplettsystem zusammengefasst werden. Dadurch besteht keine Limitierung hinsichtlich unterschiedlicher Materialkombinationen.
Des Weiteren kann dabei über die Verfahrkinematik der schaltbaren beheizbaren Düse oder der heizbaren Trägerplatte ebenfalls Volumen und Querschnitt definiert werden.
Bei dieser Vorgehens weise hängt die Bearbeitungsgeschwindigkeit (wie aus dem Stand der Technik bekannt) von der Heizleistung und der Materialzuführung ab. Bei der Glasextrusionsanordnung und dem Glasextrusionsverfahren muss neues Glas der Glasfaser durch das Umfangspiegelsystem und die nachfolgende schaltbare Düse thermisch in den Zustand plastischer Verform- und Fließfähigkeit überführt werden und kann erst danach auf die heizbare Trägerplatte aufgebracht werden. Die notwendige Zeitspanne dafür bestimmt die maximale Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Neben der Heizleistung spielt auch die Abkühlung eine Rolle, welche als ein spontaner Prozess aufgefasst wird. Im Rahmen der Erfindung liegt aber auch, den Abkühlprozess (bspw. durch Ausblasen oder Luftkühlung) zu stimulieren, um die Bearbeitungszeit und die Strukturgenauigkeit zu verbessern. Bei den derzeit bekannten Anordnungen und Verfahren ist, im Gegensatz zur Glasextrusionsanordnung und dem Glasextrusions- verfahren, eine schnelle Anpassung der Heizleistung nicht möglich, da die Peripherie und die verwendeten Bauteile dafür nicht ausgelegt sind.
Durch die Möglichkeit des schnellen Ein- und Aus schaltens der schaltbaren, erwärmbaren Düse mittels der Laserstrahlquellen (dadurch ist ein Wechsel zwischen Aufheiz- und Abkühlphase sehr schnell möglich) sowie der zeitnahen Regelung der ihr zugeführten Energie, können höhere Bearbeitungsgeschwindigkeiten für das erfindungs- gemäße Glasextrusionsverfahren erreicht werden, was ein sehr großer Vorteil gegenüber den bisher bekannten Verfahren ist.
Ebenso können zeitnah benötigte Prozesstemperaturen eingestellt werden. Der gesamte Bauprozess kann dadurch im Vergleich zu konventionellen Verfahren effizienter und effektiver gestaltet werden.
Als Ausgangsmaterial für das Glasextrusionsverfahren für den 3D- Druck von Glas dienen kommerziell erwerbliche Glasfasern, welche bspw. in der Faseroptik oder Telekommunikation eingesetzt werden.
Diese Fasern existieren in verschiedensten Variationen (Größe, Länge, Material) auf den Markt. Die Glasfasern können bis zu einer Länge von mehreren Kilometern gewickelt bestellt werden. Durch diesen nahezu endlosen Vorrat an Ausgangsmaterial kann der 3D- Druckprozess von Glas ohne Unterbrechungen vollzogen werden. Ein aufwendiges Nachfüllen, wie bei einem Schmelzofen, ist nicht mehr notwendig.
Standardglasfasem haben einen Durchmesser von typischerweise 125 μm. Durch diese kleinen Dimensionen können sehr hohe Detailgenauigkeiten beim Extrudieren entstehen. Optische Elemente wie bspw. Linsen könnten dadurch konturtreu aufgebaut werden.
Dabei ist zu bedenken, dass 1 Kilometer Standardfaser mit 125 μm Durchmesser nur für einen Formkörper von 12,27 cm3 Volumen ausreicht.
Für höhere Volumenraten, bspw. für große Bauteile, sehen auch dickere Glasfasern (bspw. 300μm) zur Verfügung. Handelsübliche Glasfasern weisen einen Schutzmantel aus Kunststoff auf. Je nach Anwendungsort / Verlegungsort weist dieser Kunststoff- überzug gewisse Eigenschaften auf.
Dieser Kunststoffmantel würde den Druckprozess stören. Aus diesem Grund wird ein Entfernung des Kunststoffmantels vermittels des Umfangspiegelsystems dem eigentlichen 3D- Druckprozess vorge- schaltet, bei welcher der Kunststoffmantel durch gezielte Energieeinbringung abgetragen wird, wobei vorteilhaft die Glasfaser auch gleichzeitig vorgewärmt wird.
Als Ergebnis dieser Umfangspiegelsystemvorbehandlung entsteht eine gesäuberte und gleichzeitig für die schaltbare Düse vorgewärmte Glasfaser, welche für das Glasextrusionsverfahren zum 3D-Druck von Glas eingesetzt wird.
In Abhängigkeit des Mantelmaterials können für das Glasextrusionsverfahren verschiedenste Lasertypen eingesetzt werden. Grundvoraussetzung ist die Absorption der Wellenlänge im Kunststoffmantel.
Ebenso können für das Glasextrusionsverfahren auch speziell hergestellte Glasfasern direkt aus dem Faserziehturm verwendet werden. Hier können verschiedenste Materialvariationen eingestellt werden.
Durch diese Materialvielfalt an einsetzbaren Glasfasern und durch die schnelle sowie flexible Ansteuerung der schaltbaren Düse mittels Laserstrahlung für die eigentliche Extrusion des Glases kann somit ein breites Portfolio an druckbaren Gläsern mit der Glasextrusionsanordnung und dem Glasextrusionsverfahren erzielt werden.
Um das Glasextrusionsverfahren an die jeweilige Anforderung anzupassen, müssen bestimmte Parameter überwacht und geregelt werden.
So müssen über eine Abstandsregelung (zwischen Dosierelement und Aufbauplattform) die Laserenergie und die Taktfrequenz der Laserstrahlquellen einstellbar sein. Umso größer der Abstand zwischen Plattform und Austrittsdüse desto mehr Volumen muss aufgeschmolzen werde.
Der Abstandssensor übermittelt dabei einen Wert an die Steuer- und Regeleinheit, welche die Laserquellen (Energie, Taktzeit) regeln.
Ebenso ist eine Kommunikation zwischen der Verfahrkinematik und Lasersystem erforderlich.
Auch hier müssen Energie und Taktzeit der Vorschubbewegung angepasst sein. Werden Bauteile aus Gradientenmaterial und / oder Materialkombinationen gefordert müssen die einzelnen Laserquellen (pro Kammer) so geschaltet werden, dass keine Fehlstellen oder andere Artefakte entstehen.
Eine aktive Temperaturüberwachung am Plastifizierungsort kontrolliert den Energieeintrag in das Ausgangsmaterial. Dadurch können Schwankungen im System detektiert und ausgeglichen werden. Eine definierte Kühlung ist dabei bspw. durch eine Flow-Controller- gesteuerte Anblaskühlung realisierbar
Des Weiteren kann die Laserleistung effizient eingestellt werden, so dass ein optimales Aufschmelzen des gewünschten Volumens erfolgt. Ebenso können Wärmeableitungen in das Haltesystem überwacht werden und gegebenenfalls minimiert werden.
Für die Entfernung der Ummantelung einer Glasfaser im Umfangspiegelsystem kann ebenfalls eine Kontroll-Detektionseinheit, bspw. Durchmesserkontrolle, in den Aufbau integriert werden. So kann eine Aussage über das Entfernen der Mantelschicht generiert werden.
Der Vorteil dieser technischen Lösung in Form der Glasextrusions- anordnung und des Glasextrusionsverfahrens besteht darin, dass sie ausgehend von verschiedensten Glasfasern vielseitig zum 3D-Drucken von Glas auf Grund des gezielten Zusammenwirkens von Umfangspiegelsystem und schaltbarer Düse einsetzbar sind.
Konkret können folgende Fasersysteme verarbeitet werden: a) undotiertes Quarzglas
Vorteil: keine Abdampfreaktionen beim Aufschmelzen / Aufschweißen, sehr kleiner TEC, hohe Temperaturwechsel- beständigkeit
Nachteil: hohe Temperatur, aber durch geringe Masse in Folge des Faserdurchmessers kein Problem b) dotierte Quarzglasfaser
Vorteil: geringere Aufschmelztemperatur, kleiner mittlerer TE;
Gläser höherer Brechzahl
Nachteil: unkontrollierte Dotandenabdampfung, Blasen (z.B.
GeO, P4O10, B2O3, etc.)
Dotand Al2O3 (oder Kombination Al2O3-TiO2 Dotierung) -> hier gibt es keine abdampfgefährdenden Effekte durch Al2O3 oder TiO2. c) Softglas (Fasern zur Bildübertragung, Kron-/Flintglas)
Vorteil: sehr niedrige Aufschmelztemperatur
Nachteil: hoher TEC, niedrigere Temperaturwechselbeständigkeit, geringere Festigkeit im Vergleich zu a)
Ein weiterer Vorteil der Glasextrusionsanordnung und des Glasextrusionsverfahrens besteht darin, dass die Entwicklung und der Einsatz von Spezialfasern und - dotierungen in Form von „Druckfasern“, die auf den jeweiligen Druckprozess angepasst sind, möglich ist, welche direkt aus einem Faserziehturm entnommen in die Anordnung eingeführt und dort mit dem Verfahren bearbeitet werden können die.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen und der Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung,
Fig. 2: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts der Glasextrusionsanordnung gemäß Fig. 1 mit einem Umfangsspiegelsystem, einem ein Transportsystem und einer schaltbaren, beheizbaren Düse, welche einer Trägerplatte räumlich zugeordnet ist,
Fig. 3: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit zwei schaltbaren Düsen,
Fig. 4: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit einer schaltbaren Düse zum direkten Schmelzen einer nicht ummantelten Glasfaser,
Fig. 5: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit einer schaltbaren Düse zum indirekten Schmelzen eines vorgewärmten Glasvolumens, dem eine nicht ummantelte Glasfaser zugeführt wird,
Fig. 6a - h: beispielhafte Querschnittsdarstellungen verschiedener nicht ummantelter oder ummantelter Gasfasem,
Fig. 7: eine schematische Detaildarstellung eines Ausschnitts einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnung mit der schaltbaren Düse gemäß Fig. 4 mit online- Überwachung und
Fig. 8a, b): zwei beispielhafte Querschnittsdarstellungen von Bauteilen mit Stützstruktur in Form eines Axikons (a) und eines konkaven Lochspiegels (b)
Fig. 9: eine schematische Darstellung einer Anordnung mit zwei erfindungsgemäßen Glasextrusionsanordnungen.
Erstes Ausführungsbeispiel
Aufbau der Glasextrusionsanordnung sowie direkte Extrusion (3D- Glasdruck) für die Herstellung eines kompakten, dreidimensionalen sowie geometrisch definierten Bauteils (9) in Form einer Preform für eine strukturierte optische Spezialfaser (bspw. einer photonischen Kristallfaser) aus einer ummantelten 125 pm Standardglasfaser (7) aus undotiertem oder Al-dotierten SiO2 unter Verwendung der Glasextrusionsanordnung Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Glasextrusionsanordnung zur direkten Extrusion einer ummantelten Glasfaser (7) für die Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge oder Bauteile (9) aus umfasst:
- eine Materialzuführeinheit (1) als Materialreservat und Vorerwärmung- seinheit zur Erwärmung der ummantelten Glasfaser (7) durch induktive Heizung oder IR-Strahlung,
- ein Transportsystem (2) als unterbrechungsfreien Materialzuführung zur kontinuierlichen Zuführung einer ummantelten Glasfaser (7), im Ausführungsbeispiel eine 125 μm Standardglasfaser (SiO2-Faser mit Al-Dotierung zwischen 0 und 20 mol% Al2O3, wobei die Auf Schmelz- temperatur bei undotiertem SiO2 bei ca. 1750°C liegt und sich pro Mol% Al2O3 um etwa 60K reduziert), welche kontinuierlich von einer Trommel innerhalb der Materialzuführeinheit (1) abgespult wird,
- ein Umfangsspiegelsystem (3) mit einem Laser (61), im Beispiel ein CO2- Laser mit einer Wellenlänge von 10,6 μm, und einem Umfangspiegel (62) als Entmantelungs- und Vorwärmsystemsystem, durch welches mit dem aus der Materialzuführeinheit (1) vermittels des Transportsystems (2) kontinuierlich eine ummantelte Glasfaser (7) hindurchgeführt / -bewegt wird und dabei radial bestrahlt wird, wobei ein so ausreichend hoher Energieeintrag erfolgt, dass bei einer Temperatur von ca. 400 bis 600°C die organische Ummantelung (Schichtdicke im Bereich von weniger als 100 nm) vollständig von der Glasfaser (8) entfernt wird,
- eine schaltbare Düse (4) für den 3D- Glasdruck, im Ausführungs- beispiel bestehend aus Molybdän), welche indirekt über ein optisches System in Form von Linsen bspw. über zwei Laser (63) im Beispiel ein CO2-Laserstrahlung (mit einer Strahlleistung im Kilowattbereich) erhitzt wird (siehe Fig. 2) und mit welcher die gewünschten Temperatur für den Übergang der Glasfaser (8) in fluides Glas (91) gezielt bei T > 1000°C eingestellt wird und dabei der Materialfluss ein- und ausgeschaltet werden kann, wobei sich die Düse (4) in unmittelbarer Nähe einer beheizbaren Plattform (42) befindet und über ihre Austrittsöffnung (41) das fluide Glas (91) ausbringt und auf der Plattform (42) zwei- oder dreidimensional ablegt (mit einer Dicke im Bereich von 100 μm bis mehrere 100 μm [- jeweils in Abhängigkeit von dem Materialfluss, welcher durch die individuell wählbare Laserleistung eingestellt wird, und der festgelegten Verfahrge- schwindigkeit], währenddessen die Düse (4) und die Plattform (42) relativ zueinander in x-, y- und z- Richtung in vorgebbarer Weise zueinander mit der Verfahrgeschwindigkeit bewegt werden, damit das entsprechende 3D- Bauteil (9) wie vorgesehen entstehen kann, und
- ein Mess- und Regelsystem mit Temperatur- und Bewegungssensoren sowie computerbasierter Steuer- und Regeltechnik verbunden mit den Lasern (61, 63), der Materialzuführeinheit (1) und dem Transport- system (2), um eine konstanten Zuführung der Glasfaser (7, 8) in die Düse (4) und eine Überwachung sowie Einstellung der erforderlichen Temperatur(en) für einen konstanten Austrag von flüssigem Glas (91) aus der Austrittsöffnung (41) der schaltbaren Düse (4) zu gewährleisten.
Die schaltbare Düse (4) ist dabei in einer, die beheizbare Plattform (42) umgebende Prozesskammer (5) angeordnet, wobei die Plattform (42) in 3 Achsen (X, Y und Z) durch eine Bewegungseinheit positionierbar ist. Im Rahmen der Erfindung liegt dabei aber auch, dass die Plattform (42) in 5- Achsen durch eine Bewegungseinheit positionierbar ist (in den Figuren nicht dargestellt).
Des Weiteren kann ein Gas-Fluss-Controller vorgesehen sein (in der Figur ebenfalls nicht dargestellt), der gesteuert Kühlluft auf die beheizbare Plattform (42) leiten kann.
Das Umfangsspiegelsystem (3) ist außerhalb der Prozesskammer (5) angeordnet, wobei die ummantelte, zu extrudierende Glasfaser (7) durch das Transportsystem (2) aus der Materialzuführeinheit (1) durch das Umfangsspiegelsystem (3) hindurch über die Eintrittsöffnung (51) der Prozesskammer (5) in die schaltbare Düse (4) zur Extrusion über die Austrittsöffnung (41) eingeführt wird. Diese Teilsysteme sind simultan mit präzise gesteuerten Parametern durch eine Steuer- und Regeleinheit ansteuer- und betreibbar, um vermittels der Glasextrusionsanordnung die direkte Herstellung kompakter, 3-dimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile (9) aus Glas mittels einer kontinuierlich zugeführten, kommerziell verfügbaren und gegebenenfalls ummantelten (Coating) Glasfaser zu ermöglichen.
Im Umfangsspiegelsystem (3) erfolgt dazu der Einsatz eines oder mehrerer Laser (61), um die ummantelte Glasfaser (7) zu entmanteln (siehe Fig. 2), in dem die kontinuierlich zugeführte Glasfaser (7) radial bestrahlt wird und so ein ausreichend hoher Energieeintrag erfolgt, um die Ummantelung der Glasfaser (7) in Form des organischen Coatings (bspw. in Form von Acrylat) vollständig von dieser zu entfernen, um zu einer mantelfreien Glasfaser (8) zu gelangen, die kontinuierlich in die schaltbare, beheizbare Düse (4) zum Schmelzen eingeführt wird .
Zusätzlich und vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass ein Erfassungssystem für den Abtransport der organischen Emissionen sorgt, die bei dieser Entmantelung entstehen (nicht in den Figuren 1 und 2 dargestellt).
Die Materialzuführeinheit (1) wird vorteilhaft zur Erwärmung der der Glasfaser (7, 8) durch induktive Heizung oder IR-Strahlung beaufschlagt.
Die eigentliche intensive Vorwärmung der Glasfaser (7, 8) erfolgt jedoch durch das Umfangs spiegelsy stem (3).
Die schaltbaren Düse (4) wird, wie in Fig. 2 dargestellt, indirekt über Laserstrahlen von mindestens einem Laser (63), im Beispiel von zwei Lasern (63) für CO2-Laserstrahlung beheizt, so dass die entmantelte Glasfaser (8) in dieser aufgeschmolzen wird.
Dadurch dass die Düse (4) vermittels der Laser- generierten Temperierung schnell schaltbar ist, wird die gewünschte Glasviskosität gezielt eingestellt, von Sensoren überwacht und im Regelkreis (in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt) ständig auf die gewünschte Temperatur nachreguliert, wobei es darüber hinaus möglich ist, den Materialfluss der zum fluiden Glas (91) aufgeschmolzenen Glasfaser (8) für den 3D-Druck auf der beheizbaren Plattform (42) ein- und auszuschalteten.
Das Transportsystem (2) befördert dabei die 125 μm Standardglasfaser kontinuierlich in das Umfangsspiegelsystem (3) und die entmantelte Glasfaser (8) in die nachfolgende schaltbare Düse (4), damit die noch ummantelte Glasfaser (7) aus der Materialzuführeinheit (1) unter- brechungsfrei zum Ort der Extrusion an der Austrittsöffnung (41) der schaltbare Düse (4) gelangt und immer fluides Glas (91) für den 3D- Glasdruckprozess bereit ist.
Das Mess- und Regelsystem in Form der Kontroll- und Detektionseinheit (in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt) dient dabei der Steuerung des gesamten Glasextrusionsverfahrens durch die individuell ansteuerbaren Teilsysteme der Glasextrusionsanordnung für den konstanten Materialein und -austrag vermittels des Transportsystems (2), wobei gleichzeitig eine Temperaturüberwachungseinheit sowie Bewegungs- und Abstandsensoren (in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt) eingekoppelt und mit dem Steuer- und Regelsystem (in den Figuren 1 und 2 ebenfalls nicht dargestellt) des mindestens einen Lasers (63), [im Ausführungsbeispiel sind es zwei] der schaltbaren Düse (4) und dem Laser (61) des Umfangsspiegelsystems (3) sowie mit der der Materialzuführung (1) verbunden sind, um den gesamten 3D- Druckprozess definiert vorgebbar und kontinuierlich zu gestalten, so dass über das sequenzielle Ablegen von Einzelschichten eine Preform als 3-D-Formkörper [= Bauteil (9) in Fig. 1] mit typischen Dimensionen von 20 mm bis 50 mm Höhe bzw. Durchmesser mit vorgebbaren Strukturen entsteht.
Die Abscheidung der Einzelschichten des 3-D-Formkörpers [= Bauteil (9)] erfolgt auf der beheizten Plattform (42), wobei die Vorwärmtemperatur je nach Glassorte individuell ausgewählt wird, um thermisch induzierte Spannungen infolge hoher Kühlraten zu vermeiden. Hierzu wird die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) der jeweiligen Glassorte beachtet, beispielsweise bei der Verwendung von undotiertem oder Al-dotierten SiO2 wie folgt:
Der 3-D-Formkörper [= Bauteil (9) in Fig. 1] wird anschließend von der Plattform (42) getrennt und bspw. mit Laserpolitur Oberflächengelättet.
Aus dieser Preform ist eine optische Spezialfaser bspw. in Form einer photonischen Kristallfaser mit unterschiedlich großen Hohlräumen (z.B. Bandgap-Faser, antiresonnante Faser, evanescente Sensorfasem mit großen inneren Hohlräumen) in einem angepassten Faserziehprozess herstellbar.
Zweites Ausführungsbeispiel
Direkte Extrusion (3D- Glasdruck) einer ummantelter Glasfaser (7) in der Glasextrusionsanordnung für die Herstellung eines dichten und transparenten optischen Halbzeugs oder optischen Bauteils (9) aus Borosilikatglas
Als Ausgangsmaterial wird in diesem Ausführungsbeispiel eine bereits etablierte ummantelte Glasfaser (7) aus hochschmelzendem Glas verwendet (wobei auch niedrigschmelzende Gläser verwendet werden könnten). Typischerweise liegt der Durchmesser der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Faser (7) bei 250 μm (jedoch ist eine Anpassung der Düsengeometrie und der Extrusionsparameter auch für andere Fasermaße möglich).
Die Glasfaser (7) wird mittels des geregelten Fasertransportsystems (2) (als Rollencapstan ausgeführt) kontinuierlich von einer Trommel abgespult und der im ersten Ausführungsbeispiel erläuterten Glasextrusionsanordnung mit einer definierten Vorschub geschwindigkeit zugeführt. Im Umfangsspiegelsystem (3), erfolgt zunächst das rückstandsfreie Entfernen des Fasercoatings. Dazu wird Laserstrahlung im Umfangsspiegel durch Mehrfachreflexionen homogenisiert und die Glasfaser dadurch umfänglich bestrahlt. Die ummantelte Glasfaser (7) wird dabei auf Temperaturen von ca. 400 - 600°C erhitzt und das Coating wird dadurch rückstandsfrei entfernt. Daneben erfolgt in diesem Schritt ein Vorwärmen des Fasermaterials als Off-set Temperatur für den nachfolgenden Extrusions schritt.
Die entmantelte und vorgewärmte Glasfaser (8) wird nun der schaltbaren Düse (4) zugeführt. Die Düse (4) wird dabei mittels energetischer Strahlung, in diesem Ausführungsbeispiel CO2- Laserstrahlung, indirekt beheizt und erwärmt die Faser (8) aus hochschmelzendem Glas, bis es die erforderliche Viskosität erreicht hat. Zum Einsatz kommt dafür ein Laser (63) mit einer Strahlleistung von im mittleren Kilowattbereich die ausreicht, die Faser (8) auf Temperaturen von T > 1000°C zu erwärmen. Über die individuell wählbare Laserleistung kann dabei der Materialfluss variiert bzw. gestoppt werden. In Verbindung mit der Verfahrgeschwindigkeit kann so die Schichtdicke des deponierten fluiden Glases (91) präzise gesteuert und über einen breiten Bereich von D < 100 μm bis mehrere 100 μm variiert werden. Analog dazu kann auch die Strukturbreite des fluiden Glases (91) variiert werden.
Die Abscheidung des fluiden Glases (91) (= Extrudates) erfolgt dabei auf der beheizten Plattform (42), wobei die Vorwärmtemperatur je nach Glassorte individuell ausgewählt wird, um thermisch induzierte Spannungen infolge hoher Kühlraten zu vermeiden. Hierzu wird die Temperaturwechselbeständigkeit (TWB) der jeweiligen Glassorte beachtet, beispielsweise bei der Verwendung von Borosilikatgläsern dieses Ausführungsbeispiels wie folgt: Über das sequentielle Ablegen von Einzelschichten wird das Bauteil (9) als 3D- Formkörper mit typischen Dimensionen von 20 mm bis 50 mm Durchmesser bzw. Höhe und variabel realisierbaren Strukturen aufgebaut.
Das Bauteil (9) wird anschließend mechanisch von der Plattform (42) getrennt und aus der Prozesskammer (5) entnommen. Die Außenfläche wird mittels einer Laserpolitur geglättet und abschließend erfolgt ein langsames Abkühlen in einem separaten, Temperatur- gesteuerten Ofen.
Drittes Ausführungsbeispiel
Direkte Extrusion (3D- Glasdruck) einer ummantelten Glasfaser (7) aus hochschmelzendem Glas in der Glasextrusionsanordnung für die Herstellung eines Glaskörpers (9) mit Innenkonturen
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel erfolgt die Zuführung der Glasfaser mit Ummantelung (7) analog dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das Entmanteln der Glasfaser mit Ummantelung (7) erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch eine oder mehrere mechanische Schneiden, die durch einen Schälprozess die Ummantelung möglichst rückstandlos von der Glasfaser (7) entfernen.
Die entmantelte und vorgewärmte Glasfaser (8) wird anschließende der schaltbaren Düse (4) zugeführt. Die Düse (4) wird dabei mittels energetischer Strahlung direkt oder indirekt beheizt und erwärmt die Faser (8) bis die erforderliche Viskosität erreicht ist. Zum Einsatz kommt dafür in diesem Ausführungsbeispiel ein Lasersystem (63) mit einer Strahlleistung von im mittleren Kilowattbereich die ausreicht, die 3D- Druckfaser auf Temperaturen von T > 1000°C zu erwärmen.
Über die individuell wählbare Laserleistung kann der Materialfluss des fluiden Glases (91) variiert bzw. gestoppt werden. In Verbindung mit der Verfahrgeschwindigkeit kann so die Schichtdicke des auf der beheizten Plattform (42) (Vorwärmtemperatur wird je nach Glas Sorte individuell ausgewählt, um thermisch induzierte Spannungen infolge hoher Kühlraten zu vermeiden) deponierten Materials präzise gesteuert und über einen breiten Bereich von D < 100 μm bis mehrere 100 μm variiert werden. Analog kann die Strukturbreite des Materials variiert werden.
Über das sequentielle Ablegen von Einzelschichten aus dem fluiden Glas (91) wird das Bauteil als 3D- Formkörper mit typischen Dimensionen von 20 mm bis 50 mm Höhe und variabel realisierbaren Strukturen aufgebaut.
Um Innenkonturen oder steile Übergänge in dem 3D- Formkörper (93) realisieren zu können, werden Stützstrukturen (100) in den sich ergebenden Hohlräumen und Wandungen während des schichtweisen Aufbaus auf der Plattform (42) mit aufgebaut (dargestellt in den Figuren 8a und 8b).
Die Stützstrukturen (100) können aus verschiedenen Preformen- strukturen (siehe Fig. 6) artgleichen oder verschiedenen Materials erzeugt werden.
Nach dem Bauprozess und Abkühlen des 3D- Formkörpers (93) wird dieser von der Plattform (42) getrennt und aus der Prozesskammer entnommen.
Im Falle der Verwendung eines artfremden Materials als Stützstruktur kann der Trennprozess auch chemisch erfolgen. Dazu wird der 3D- Formkörper (93) in ein KOH- Bad gelegt, wodurch sich das artfremde Material, was eine wesentlich höhere Ätzrate aufweist als der 3D- Formkörper (93), von diesem ab getrennt.
Wenn eine hohe Oberflächenqualität und oder Bauteilformgenauigkeit erzielt werden sollen, wird der additiv gefertigte 3D- Formkörper (93) einem Schleif- und oder Polierprozess zugeführt.
Um Teile mit einer hohen Homogenität zu erzielen können weitere Prozess schritt, wie Druckverglasung und Feinkühlen vorgenommen werden. Viertes Ausführungsbeispiel
Direkte Extrusion (3D- Glasdruck) einer ummantelten Glasfaser (7) aus hochschmelzendem Glas in der Glasextrusionsanordnung für die Herstellung eines Glaskörpers (9) in Form eines Gradientenbauteils
In einem vierten Ausführungsbeispiel erfolgen die Zuführung der ummantelten Faser (7) und das Entmanteln analog den Ausführungs- beispielen 1, 2 oder 3.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen 1, 2 oder 3 kommen bei dem vierten Ausführungsbeispiel mindestens zwei schaltbare Düsen 4a und 4b zum Einsatz (dargestellt in Fig. 3).
Beide Düsen (4a und 4b) transportieren zwei Fasern aus unterschied- lichen Glasmaterialien mit zwei verschiedenen Eigenschaften (91a und 91b).
Beide Düsen (4a und 4b) können simultan oder sequentiell arbeiten, wobei die Bauteilplattform (42) und die beiden Düsen (4a und 4b) zueinander durch ein in Fig. 3 nicht dargestelltes Antriebssystem in x, y und z- Richtung bewegt werden.
In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Gradientenbauteil (9a; 9b) auf der Bauplattform (42) mit zwei unterschiedlichen Brechzahlen n1 und n2 aufgebaut.
Mit dieser Anordnung lassen sich beliebig graduierte Gläser mit unterschiedlichen Eigenschaften (bspw. unterschiedlicher Brechzahlen) erzeugen.
Wenn die Brechzahl im Inneren des Bauteils (9b) hoch (bspw. n2 = 1,8) und in dem äußeren Bereich kleiner ist, (bspw. n1 = 1,5), dann können somit Gradientengläser für Preformen (für das Faserziehen) oder auch im umgekehrten Fall optische Platten für die Korrektur von sphärischen Aberrationen hergestellt werden. Um wenig innere Spannungen im Bauteil zu erzeugen ist es vorteilhaft, in der Prozesskammer (5) Temperaturen größer 450 °C einzustellen und das Bauteil nach dem Bauprozess einer kontrollierten Abkühlung T (t) zu unterziehen. Auch sollten die linearen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Glasmaterialien keine zu große Differenz aufweisen.
Das Arbeiten mit einer Anordnung von mehreren Düsen (4) gemäß der Darstellung in Fig. 3 gestattet auch das Verwenden eines anderen Stützmaterials. Weist dieses Stützmaterial (ULE) im Gegensatz zum Grundmaterial (Quarzglas) ein anderes Ätzverhalten auf, kann die Stützgeoemtrie nach dem Bauprozess auch in einer Säure oder Lauge durch Einlagen in diese entfernt werden. Vorteilhaft ist dabei die Verwendung einer 45% KOH-Lösung. (8 μm/min Abtrag für Quarzglas und 1 μm/min Abtrag für ULE).
Fünftes Ausführungsbeispiel
Extruderanordnung [(schaltbare Düse (4)] zum direkten und zum indirekten Laserstrahlschmelzen einer Glasfaser ohne Ummantelung (8) in der Glasextrusionsanordnung
Bei der in den Figuren 4 und 5 dargestellten schaltbare Düsen (4) (= Extruderanordnungen) sind je nach verwendetem Durchmesser der Glasfaser ohne Ummantelung (8) (typischerweise 150 μm bis 1 mm) Glasstränge (91) in den Dimensionen des Faserdurchmesser (durch den glasig erschmolzenen Zustand ca. um den Faktor 1,15 vergrößert) auf der Plattform (42) abgelegt.
Dabei wird die Glasfaser ohne Ummantelung (8) über Abzugsrollen des Transportsystems (2) der schaltbaren Düse (4) zugeführt.
Durch einen Laserringspiegel wird die Glasfaser (8) in sehr kurzer Zeit koaxial in den schmelzflüssigen Bereich überführt, so dass sich die Viskosität des Materials der Glasfaser (8) schlagartig erniedrigt, in jenem Viskositäts-Temperaturbereich (ca. 1-3 dPas), wo das Material in einen gut fließfähigen Zustand überführt wird. Damit kann das erweichte und fließfähige Materialvolumen die Düse (4) sehr schnell passieren und auf der Plattform (in Fig. 4 nicht dargestellt) abgelegt werden. Vorzugsweise wird für den partiellen Schmelzprozess ein gepulster CO2- Laser verwendet. Bei Pulslängen im ps-ms Bereich der Strahlung der Laser (63) kann somit eine sehr dosierte Zuführung von fluidem Glas (91) erfolgen.
Dies ist eine Voraussetzung für die Prozessführung, um während des Bauprozess die Materialzuführung von fluidem Glas (91) bei einem Konturwechsel schnell stoppen und wieder starten zu können sowie ebenso für die Verwendung von mehreren Extrudern in einem Bauprozess (siehe viertes Ausführungsbeispiel und Fig. 3).
Bei der Extruderanordnung zum indirekten Schmelzen eines vorgewärmten Glas Volumens, dargestellt in der Fig. 5, wird die Glasfaser ohne Ummantelung (8) in einen Erwärmungsbehälter der schaltbaren Düse (4) in Form eines vergrößerten Material Vorrats Speichers gefördert.
In diesem vergrößerten Materialvorratsspeicher (Erwärmungsbehälter) wird das eingebrachte Glasvolumen durch eine Heizquelle, vorzugsweise Heizbänder (52) in Form widerstandsbeheizter Bänder, auf eine Vorextrusionstemperatur überführt (siehe Fig. 5). Je nach verwendeter Glasart kann ein typischer Vorwärmbereich zwischen 400 °C und 1.500 °C liegen.
Am Ende des Erwärmungsbehälters verfügt das Glasvolumen bspw. über eine Viskosität zwischen 4 - 10 dPas. Durch die Strahlung der Laser (63) wir nun ein Strahlungswandler (72) mit einer definierten Laserenergie beaufschlagt.
Der Strahlungs wandler (72) verfügt über eine sehr gute Übertragung der optischen Strahlung in eine thermische Energie, um das bereitgestellte Glasvolumen sehr schnell in einen Viskositäts- Temperaturbereich (ca. 1-3 dPas) zu bringen, wo das Material [das fluides Glas (91)] in einen gut fließfähigen Zustand überführt wird.
In dieser Extrusionsanordnung kann aufgrund des bereitgestellten vorerwärmten Glas Volumens ein wesentlich größerer Glas sträng ausgetragen werden. Über eine schaltbare Düse (4), in diesem Ausführungsbeispiel mit einem variablen Düsendurchmesser (41), kann das fluide Glas (91) im Durchmesser in einem Bereich von 200 μm bis mehrere Millimeter entsprechend eingestellt werden.
Sechstes Ausführungsbeispiel
Anordnung zum online- überwachten und zum online- geregelten Glasaustritt
Die in Fig. 7 dargestellte Anordnung zum online- überwachten und online- geregelten Austritt von fluidem Glas (91) als Bestandteil der gesamten Glasextrusionsanordnung verfügt im Bereich an der Austrittöffnung (41) der schaltbaren Düse (4) über ein Temperaturmessgerät (70), vorzugsweise ein Pyrometer.
Mit diesem Pyrometer wird die Temperatur des fluiden Glases (91) online gemessen. Das gemessene, kalibrierte Temperatursignal dient der Bestimmung der Viskosität des fluiden Glases (91), um in einem geregelten Betrieb den Austritt des fluiden Glases (91) zu regeln.
Geregelt wird dabei in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur die Leistung der Laser (63) sowie die beiden Faservorschubeinrichtungen (73) des Transportsystems (2).
Durch diesen Regelkreis wird sichergestellt, dass ein homogener Glasfluss während des gesamten Bauprozesses sichergestellt werden kann.
Siebendes Ausführungsbeispiel
Anordnung mit mehreren Extrudern zur additiven Bearbeitung von Teilbereichen bereitgestellter Volumenkörper
Ein Nachteil der additiven Fertigung können die relativ langen Bearbeitungszeiten sein, wenn es sich um großvolumige oder einfache geometrische Formen handelt. Dieser Nachteil wird durch das hybride Fertigungskonzept mit einer Anordnung, wie bspw. in der Fig.9 dargestellt, überwunden.
Ausgangspunkt dabei ist die Bereitstellung eines vorgefertigten Rohlings, Halbzeugs oder fertig bearbeiteten Bauteils (94a). Die Bereiche (94b), die eher eine komplizierte Form aufweisen und durch die konventionellen trennenden Verfahren, wie Fräsen und Schleifen nur eingeschränkt oder gar nicht gefertigt werden können, werden durch die erste schaltbare Düse (4a) Schicht für Schicht aufgebaut.
Zu solchen typischen Konturen, wie in der Fig. 9 am Beispiel einer Innenkühlung dargestellt, zählen bspw. Innenkonturen, Hinterschneidungen, dünne Stege, Konturen mit einem hohen Aspektverhältnis (das Verhältnis von Höhe zu Breite) oder spezielle Freiformflächen .
Um einen exakten Übergang zwischen den beiden Formkörpem (94a) und (94b) zu erlangen ist eine Referenzierung und Ausrichtung der Achssysteme X,Y,Z und X' Y', Z' erforderlich. Dies erfolgt mit Hilfe der Referenzierungseinheit (101), die vorzugsweise optisch und/oder taktil ausgestaltet ist.
In der Abfolge der Bearbeitung sind folgende Schritte vorgesehen:
- Positionieren und Ausrichten des Bauteils (94a) auf der Bauplattform (42),
- Referenzierung der Bauteillage mit den Extrudersystemen, [hier in Fig. 9 nur dargestellt, die schaltbaren Düsen (4a und 4b) mit dem Transportsystem (2) und Glasfaser mit Ummantelung (7)],
- Heizen des Bauteils (94a) auf die erforderliche Prozesstemperatur,
- Starten des Druckprozesses mit erster schaltbarer Düse (4a),
- Schichtweiser Aufbau des Bereiches (94b),
- nach Fertigstellung des additiven Prozesses wird das Bauteil (94) mit einer dem Fachmann bekannten Temperatur-Zeit-Funktion, auch als Feinkühlen bezeichnet, spannungsarm abgekühlt.
Im Falle, dass die additiv aufzubauenden Bereiche (94b) verhältnismäßig klein zum Bauteil volumen (94a) sind, können diese erbindungsbereiche (Fügezonen) (95) durch einen Laserstrahl (64) partiell auf die erforderliche Prozesstemperatur erwärmt werden. In diesem Fall kann das Aufwärmen des gesamten Bauteilvolumens (94a) in der Prozesskammer entfallen. Die in Fig. 9 gezeigte Fügezone (95) stellt einen Umfangsbereich des Bauteil (94a) dar, der durch eine schnelle periodische Bewegung des Scanspiegls (65) quasisimultan durch die Strahlauslenkung zwischen den maximalen Bereichen (64a) und (64b) erwärmt wird.
Oftmals gestaltet sich der Übergang zwischen zwei Fügepartner mit unterschiedlichen linearen Ausdehnungskoeffizienten schwierig und ist teilweise gar nicht möglich.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden für die Lösung dieser Problemstellung Glasübergangslote eingesetzt. In der Anordnung gemäß Fig. 9 wird dazu zusätzliche eine zweite schaltbare Düse (4b) zum Einsatz gebracht, die einen zweiten Glasstrang mit einem Glasübergangslot austrägt. Wird nun zwischen dem Bauteil (94a) und dem additiv zu fertigenden Bereich (94b) eine Zone mit Glasübergangslot (94c) mit Hilfe von (4b) aufgetragen, können auch Bauteile (94) aus unterschiedlichen Materialien verbunden werden. So ist bspw. auch eine Werkstoffkombination aus einer Glaskeramik (94a) und einem Kieselglas (94b) möglich. Ebenso kann mit den verfügbaren Glasübergangsloten ein Metall-Glasverbund aufgebaut werden.
Oftmals kommt es zu fertigungsbedingte Fehlem, die zu Ausbrüchen, Kantenverletzungen oder aber größere Oberflächenfehler führen und somit Glassubstrate und fertigbearbeitete Komponenten unbrauchbar machen. Bei größeren Bauteilen, bspw. Teleskopspiegeln führt dies zu erheblichen Materialverlusten.
Mit der Anordnung gemäß Fig. 9 besteht die Möglichkeit, solche Defekte durch einen partiellen Schichtauftrag (94d) mit der schaltbaren Düse (4a) [die Bearbeitung ist im Bild nicht dargestellt] zu heilen. Vorzugsweise wird in diesem Fall artgleiches Material (91a) zum Bauteil (94a) verwendet. Ein anschließender Finishingprozess durch Feinschleifen und Polieren des Bereiches (94d) ist in den meisten Fällen erforderlich.
Durch die Anordnung gemäß Fig. 9 ist es möglich, mit die Vorteile der subtraktiven Fertigung (Schleifen, Läppen, Polieren) und der additiven Fertigung zu kombinieren. Dabei können einerseits zugerichtete Halbzeuge als Bauteile (94a) zum Einsatz kommen, die nach der additiven Prozessstufe durch Formschleifen und Polieren zum kompletten Bauteil (94) gefinisht werden. Andererseits können aber auch Bauteile nach der kompletten subtraktiven Prozessstufe in die Extrusionsanlage eingesetzt werden, um zusätzliche Konturelemente additiv aufzubauen bzw. hinzuzufügen oder aber Bauteildefekte auszubessern.
Vorteilhaft an den bereitgestellten technischen Lösungen der Glasextrusionsanordnung und des Glasextrusionsverfahrens ist, dass mittels des Verfahrens unter Verwendung der Glasextrusionsanordnung sowohl Standart- Glasfasersysteme mit einer vollständigen bzw. teilweisen Ummantelung als auch Standart-Glasfasersysteme ohne Ummantelung per 3D-Glasdruck in Halbzeuge und Bauteile aller Art überführt werden, damit diese Produkte den unterschiedlichsten Verwendungen oder Weiterverarbeitungen zugeführt werden können.
Gerade für die Herstellung von modifizierten Glasfasern (bspw. zur Bildübertragung), von Bauteilen oder auch von Halbzeugen aus Glas sind die Glasextrusionsanordnung und das Glasextrusionsverfahren besonders Interessant.
Bei dem Verfahren werden beispielsweise kommerziell verfügbare und gegebenenfalls ummantelte (Coating) Glasfasern kontinuierlich zugeführten. Ebenso sind mit dem Verfahren sowohl niedrigschmelzende Glassysteme (Tg << 1000°C, bspw. für Glasfasern für Bildübertragung) und höherschmelzende Systeme (Tg >> 1000°C) verarbeitbar.
Ein weiterer positiver Aspekt der vorliegenden technischen Lösung besteht darin, dass die Glasextrusionsanordnung und das Verfahren unter Verwendung dieser Anordnung für verschiedene, aufschmelzbare Fasersysteme (neben den unterschiedlichsten Glasfasertypen, wie bspw. undotierte oder dotierte Quarzglasfasem, Softglasfasern) genutzt werden können. Dadurch ist der Anwendungsbereich der Erfindung nicht derart an Ausgangsstoffe gebunden, wie andere Verfahren, welche nur spezielle Ausgangsstoffe nutzen können.
Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 - Materialzuführeinheit
2 - Transportsystem
3 - Umfangspiegelsystem
4 - schaltbare Düse
4a - erste schaltbare Düse
4b - zweite schaltbare Düse
41 - Austrittsöffnung
42 - Plattform
5 - Prozesskammer
51 - Eintrittsöffnung
52 - Heizbänder
61 - Laser des Umfangspiegelsystems
62 - Umfangspiegel
63 - Laser der schaltbare Düse
64 - Laserstrahl
64a - erster maximaler Bereich
64b - zweiter maximaler Bereich
65 - Scanspiegel
7 - Glasfaser mit Ummantelung
70 - Temperaturmessgerät
72 - Strahlungs wandler
73 - Faservorschubeinrichtung
8 - Glasfaser ohne Ummantelung
9 - Bauteil
9a; 9b - Bauteile mit verschiedenen Brechzahlen
91 - fluides Glas
91a - erste Eigenschaft des fluiden Glases
91b - zweite Eigenschaft des fluiden Glases
93 - 3D- Formkörper
94 - Bauteil 94a - fertig bearbeitetes Bauteil (Glaskeramik)
94b - Bereich mit komplizierter Form (Kieselglas)
94c - Glasübergangslot
94d - schichtweise aufgebauter Bereich 95 - Verbindungsbereich (Fügezone)
101 - Referenzierungseinheit
100 - Stützstruktur n1 - erste Brechzahl n2 - zweite Brechzahl
X, Y, Z - Raumachsen x, y, z - Richtungen im 3D- Raum

Claims

Patentansprüche
1. Glasextrusionsanordnung zur direkten Extrusion einer Glasfaser (8) oder einer ummantelten Glasfaser (7) für die Herstellung eines kompakten, 3- dimensionalen sowie geometrisch definierten Halbzeugs oder Bauteils (9) aus Glas, welche mehrere, individuell ansteuerbare Teilsysteme in Form
- eines Umfangsspiegelsystems (3),
- einer schaltbaren, beheizbaren Düse (4) mit einer Austritts- öffnung (41),
- und eines Transportsystems (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass
• die Düse (4) in einer, eine beheizbare Plattform (42) umgebenden Prozesskammer (5) angeordnet ist,
• die Düse (4) und die Plattform (42) in 3 Achsen in der x-, y- und z- Richtung durch eine Bewegungseinheit zueinander positionierbar sind,
• das Umfangsspiegelsystem (3) außerhalb der Prozesskammer (5) angeordnet ist, wobei die zu extrudierende Glasfaser (7, 8) aus einer Materialzuführeinheit (1) kontinuierlich vermittels des Transportsystems (2) durch das Umfangsspiegelsystem (3) hindurch über eine Eintrittsöffnung (51) der Prozesskammer (5) in die Düse (4) zum Aufschmelzen und zur anschließenden Extrusion von fluidem Glas (91) einführbar ist,
• durch die Austrittsöffnung (41) das fluide Glas (91) zur Generierung des Bauteils (9) in Richtung der die Plattform (42) abführbar ist und
• die Teilsysteme simultan und präzise durch eine Steuer- und Regeleinheit ansteuer- und betreibbar sind, wobei
• das Umfangsspiegelsystem (3) mindestens einen geregelten Laser (61) sowie einen Umfangsspiegel (62) mit einer Umfangsspiegelsystemachse und einem optischen System umfasst, welches im Betriebszustand ein Strahlenbündel von Laserlicht senkrecht zur Umfangsspiegelsystemachse so in den Umfangsspiegel (62) einkoppelt, dass es nach mehrfachen Reflexionen auf der zu behandelnden Glasfaser (7) auftrifft, deren Achse in gleicher Richtung innerhalb des Umfangsspiegels (62) verläuft wie die Umfangsspiegelsystemachse.
• die Düse (4) zum Zweck der Erwärmung mit mindestens einem geregelten Laser (63) bestrahlbar ist, wobei ein Thermoelement im Betriebszustand die Heiztemperatur bei der Erwärmung der Düse (4) überwacht, damit die vom Laserlicht erwärmte Glasfaser (8) oberhalb ihres Schmelzpunktes als fließfähiges Fluid in der Düse (4) vorliegt und aus der Austrittsöffnung (41) in Richtung der Plattform (42) fließen kann, und
• die Düse (4) durch schnelles Ein- und Ausschalten des Lasers (63) schaltbar ist, in dem durch dieses schnelle Ein- und Ausschalten ein Wechsel zwischen Aufheiz- und Abkühlphase sehr schnell generierbar ist.
2. Glasextrusionsanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportsystem (2) mindestens einen regelbaren Vorschubmotor umfasst, wobei der Vorschubmotor im Betriebszustand des Transportsystems (2) die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases (91) über den Vorschub der Glasfaser (8) steuert.
3. Glasextrusionsverfahren zur direkten Herstellung kompakter, dreidimensionaler sowie geometrisch definierter Halbzeuge und Bauteile (9) aus Glas, unter Verwendung einer Glasextrusions- anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren ein generatives Druckverfahren ist, bei dem eine kontinuierlich zugeführte, kommerziell verfügbare und gegebenenfalls ummantelte Glasfaser (7, 8) vermittels des Transportsystems (2) durch das Umfangsspiegelsystem (3) hindurchgeführt, dabei vorgewärmt sowie vollständig von der gegebenenfalls vorhandenen Ummantelung befreit und anschließend durch die schaltbare, beheizbare Düse (4) innerhalb der Prozesskammer (5) zu fluidem Glas (91) geschmolzen und extrudiert wird, in dem das fluide Glas (91) über die Austrittsöffnung (41) der Düse (4) in Richtung der Plattform (42) abgegeben wird und dabei die Düse (4) sowie die Plattform (42) vorgebbar in x-, y-, und z- Richtung zueinander bewegt werden, wobei die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases (91) über den Vorschub der durch das Transportsystem (2) beförderten Glasfaser (8) und den Durchmesser der Austrittsöffnung (41) der schaltbaren Düse (4) gesteuert wird, so dass vorgebbare Glasmengen im fluiden Zustand auf die beheizbare Plattform (42) portioniert abgegeben werden, auf der sie anschließend erkalten und zu dem Bauteil (9) verfestigen, wobei als Material der Glasfaser (7, 8) sowohl niedrigschmelzende als auch höher-schmelzende Glassysteme umfasst.
4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Steuer- und Regeleinheit
- ein schnelles Schalten des Lasers (61) und der damit verbundenen Dosierung der Energieeinkopplung im Umfangsspiegelsystem (3) erfolgt, um die Viskosität der Glasfaser (7, 8) vor dem Eintritt in die Düse (4) definiert einzustellen und die gegebenenfalls vorhandene Ummantelung der Glasfaser (7) vollständig zu entfernen,
- eine Steuerung der Temperatur beim Heizen der Düse (4) vermittels des mindestens einen geregelten Lasers (63) erfolgt, wobei mindestens ein Temperatursensor unter Rückkopplung die Heiztemperatur bei der Erwärmung der schaltbaren Düse (4) überwacht, und
- eine Steuerung des Vorschubmotors des Transportsystems (2) für den Vorschub der Glasfaser (7, 8) unter Rückkopplung mindestens eines Temperatursensors und mindestens eines Bewegungssensors erfolgt, wobei die Volumenrate des abgegebenen fluiden Glases (91) über den Vorschub der Glasfaser (8) gesteuert wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Heizen der Düse (4) vermittels des mindestens einen geregelten Lasers (63) durch die Variation des Abstandes zwischen Düse (4) und Laser (63) der Brennfleckdurchmesser und damit die Intensität des Lasers (63) variiert wird, um einzustellen, welches Volumen der Glasfaser (8) in der Düse (4) aufgeschmolzen wird, das für den 3D- Druck des fluiden Glases (91) auf der Plattform (42) zur Verfügung stehen soll.
6. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem schichtweisen Aufbau des Bauteils (9), bestehend aus dem fluiden Glas (91), welches auf der Plattform (42) abgelegt und dort abgekühlt wird, neben einem 3D-Formkörper (93) auch Stützstrukturen (100) mit aufgebaut werden, in dem die Schichtdicke des Aufbaus durch Veränderungen der Leistung des Lasers (63) der schaltbaren Düse (4) sowie der Verfahr- geschwindigkeit der Bewegung der Düse (4) und der Plattform (42) zueinander im Bereich von < 100 μm bis zu mehreren 100 μm variiert wird.
7. Verfahren gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei schaltbare Düsen (4a und 4b) unterschiedliche fluide Gläser (91) mit verschiedenen Eigenschaften (91a und 91b) auf der Plattform (42) abscheiden.
8. Verfahren gemäß Anspruch 10, dass die verschiedenen Eigenschaften (91a und 91b) unterschiedliche Brechzahlen (n1 und n2) für den Aufbau optischer Strukturen oder unterschiedliches Grund- und Stützmaterial für den Aufbau des 3D-Formkörpers (93) und der Stützstruktur (100) sind.
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