KR102307418B1 - 유리 예비성형체의 형성 방법 - Google Patents

유리 예비성형체의 형성 방법 Download PDF

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Abstract

미리 정해진 길이의 유리 예비성형체를 형성하는 방법은 예비성형체 길이 및 나머지 길이를 형성하도록 분리될 미리 정해진 길이의 유리 물질를 제공하는 단계; 상기 유리 물질에 노치를 형성하는 단계; 상기 노치에 인접한 영역에서 유리의 인장 강도를 초과하는 인장 응력을 유도하는 단계; 및 상기 노치에서 상기 나머지 길이로부터 상기 예비성형체 길이를 분리하는 단계를 포함한다.

Description

유리 예비성형체의 형성 방법
본 발명의 구현예들은 일반적으로 유리 예비성형체의 제조 방법, 특히 소정 길이의 유리 예비성형체의 형성 방법에 관한 것이다.
유리 가닥 예를 들어 유리 섬유, 막대 또는 튜브는 전형적으로 원하는 최종 생성물의 단면 형상과 일치하는 유리 예비성형체로부터 인발된다. 예비성형체의 제조는 대형 중공 실린더가 소형 튜브로 인발되거나 또는 고온 로(furnace) 내의 코어 막대(rod) 상에 붕괴되어 원하는 직경의 예비 성형체로 인발되는 연속 공정일 수 있다. 고체 예비성형체 물질의 칼럼을 원하는 길이의 섹션, 즉 예비성형체로 분할하고, 이로부터 유리 섬유, 막대 또는 튜브를 대규모로 형성하기 위해 추가의 인발 공정(들)을 이용할 수 있다.
이상적으로, 예비성형체로 분할된 표면은 평평하고 매끄러우며 예비성형체의 축에 수직해야 하고(즉, "정사각형 절단"), 그 엣지는 깨끗하고 날카롭고 칩(chip) 또는 결점이 없어야 한다. 연속 인발 공정에서, 예비성형체와 함께 이동하거나 운행하기 위해 절삭 공구를 필요로 하지 않는 신속하거나 순간적인 예비성형체 분할 방법(즉, "스냅(snap)" 절단)을 제공하는 것이 매우 바람직하다. 고체 물질을 예비성형체로 분할하는 현재의 "스냅" 절단 방법은 부품 라인에 인접한 예비성형체의 원주 표면에 칩 및 결점이 있는 불균일하고 비-수직으로 분할된 표면을 생성하는 것으로 관찰되었다. 표면 결함, 결점, 칩 및 고르지 않은 형상을 수정하면 생산 비용이 증가하고 수율이나 생산성이 저하된다. 일부 경우에는, 상당한 길이의 예비성형체를 폐기해야 하므로 수율이 감소되고 비용이 증가한다.
따라서, 개선된 표면 특징 및 기하학적 정밀도를 갖는 미리 정해진 길이의 예비성형체를 형성하는 방법에 대한 필요성이 존재한다.
유리 예비성형체 절단 방법의 구현예가 본원에 제공된다. 일부 구현예에서, 미리 정해진 길이의 유리 예비성형체를 형성하는 방법은 예비성형체 길이 및 나머지 길이를 형성하도록 분리될 미리 정해진 길이의 유리 물질를 제공하는 단계; 상기 유리 물질에 노치(notch)를 형성하는 단계; 상기 노치에 인접한 영역에서 유리의 인장 강도를 초과하는 인장 응력을 유도하는 단계; 및 상기 노치에서 상기 나머지 길이로부터 상기 예비성형체 길이를 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 구현예 및 추가 구현예가 아래에서 기술된다.
위에서 간략하게 요약되고 아래에서 보다 상세하게 논의되는 본 발명의 구현예는 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 예시적인 구현예를 참조함으로써 이해될 수 있다. 그러나 첨부된 도면은 단지 본 발명의 전형적인 구현예를 도시한 것이므로 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 본 발명은 다른 동등한 효과의 구현예를 인정할 수 있다.
도 1은 본 방법의 구현예로 사용하기 위한 유리 막대 또는 튜브의 측면도이다.
도 2a 내지 2c는 라인 II-II를 따라 취해진 도 1의 막대 또는 튜브의 구현예의 단면도이다.
도 3a 내지 3b는 본 발명의 구현예에 따른 라인 III-III을 따라 취해진 도 1의 막대의 단면도이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 구현예에 따른 도 1의 영역 IV의 확대도이다.
도 5는 본 방법의 구현예에 따른 예비성형체의 분할 이전의 유리 막대 또는 튜브의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 구현예에 따른 도 5의 라인 VI-VI을 따라 취한 유리 막대 또는 튜브의 종단면도이다.
도 7은 유리 막대에 유도된 응력의 예시적인 플롯이다.
도 8a는 공지된 방법을 사용하여 분할되기 전의 유리 막대 또는 튜브의 일부분의 사시도이다.
도 8b는 본 방법의 일 구현예를 사용하여 분할하기 전의 유리 막대 또는 튜브의 일부분의 사시도이다.
도 9는 노치 깊이와 파단 강도 사이의 관계를 설명하는 예시적인 그래프이다.
도 10은 유리 막대 외부 직경에 대한 인장 응력을 설명하는 예시적인 그래프이다.
도 11은 충격 지점 반대쪽에 작용하는 인장 응력 대 충격 지점의 종 방향 위치를 나타내는 예시적인 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 구현예에 따른 유리 막대 또는 튜브를 유지하기 위한 장치의 예시적인 예이다.
이해를 돕기 위해, 가능한 경우, 도면에서 공통인 동일한 요소를 나타내기 위해 동일한 참조 번호가 사용되었다. 수치는 축척에 맞게 그려지지 않으며 명료함을 위해 단순화될 수 있다. 일 구현예의 요소 및 특징이 추가 설명 없이 다른 구현예에 유리하게 포함될 수 있음이 고려된다.
유리 막대 또는 튜브를 분리하는 방법과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 잠재적인 용도의 범위가 크고 본 발명은 이러한 많은 변형에 적용 가능하도록 의도되기 때문에 청구된 발명의 사상 및 범주 내에 있는 한 다양한 용도로 변형될 수 있다.
어떤 용어는 단지 편의상 다음의 설명에서 사용되며 제한적이지 않다. "앞", "뒤", "위" 및 "아래"라는 용어는 참조 도면에서의 방향을 나타낸다. "반경 방향 내측" 및 "반경 방향 외측"이란 용어는 참조되는 부품의 축에 대해 반경 방향으로 가까워지는 그리고 반경 방향으로 멀어지는 방향을 나타낸다. "축 방향으로" 또는 "종 방향으로"는 샤프트 또는 다른 부품의 축을 따르는 방향을 나타낸다. "예비성형체(preform)"이라는 용어는 솔리드(solid) 막대 또는 중공(hollow) 튜브를 의미할 수 있다. 용어는 위에 명시된 용어, 이의 파생어 및 유사한 이입 용어를 포함한다.
도 1은 유리 막대 또는 튜브(103)의 나머지 길이로부터 길이(L)의 예비성형체(102)를 분리하기 전에 상기 방법에 사용하기 위한 고체 유리 물질, 유리 막대 또는 튜브(100)의 일부분을 도시한다. 유리 막대 또는 튜브(100)는 비-제한적인 예로서 용융 실리카 또는 다른 유리 물질로부터 형성될 수 있다. 일부 구현예에서, 유리 막대 또는 튜브(100)는 도 2a에 도시된 바와 같이 솔리드 실린더(202)로서 형성된다. 다른 구현예에서, 유리 막대(100)는 막대(204)의 주위에 배치된 재킷 또는 중공 실린더(206) 내에 수용되는 솔리드 로드(204)로서 형성되고, 여기서, 솔리드 로드(204) 및 재킷(206)은 동일하거나 상이한 유리 물질로 형성된다. 다른 구현예에서, 유리 막대는 도 2c에 도시된 바와 같이 중공 실린더 또는 튜브(208)로서 형성될 수 있다.
일반적으로, 유리 막대 또는 튜브(100)를 제조하는 공정은 유리 막대 또는 튜브(100)가 연속 공정으로 유리 막대 또는 튜브(100)의 종방향 축(101)에 대응하는 선형 방향으로 전진하는 선형 공정이다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 유리 막대(100) 또는 튜브는 화살표(104)에 의해 도시된 하향 지향된 수직 방향으로 진행할 수 있다. 당김 휠(108)은 화살표(104)의 방향으로 유리 막대(100)의 전진을 용이하게 하기 위해 회전하는 동안 당김 휠(108)이 유리 막대(100)의 무게를 지지한다.
유리 막대 또는 튜브(102)는 예비성형체(102)가 소정 길이(L)에 도달하는 지점으로 진행할 때 노치(106)가 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 원통형 표면(110)을 통해 형성된다. 노치(106)는 비-제한적인 예로서 공기 구동 톱(미도시) 또는 연마 휠(미도시) 또는 레이저(미도시)를 포함하는 임의의 적절한 방법에 의해 형성될 수 있다. 유리 막대에 노치를 형성하기에 적합한 다른 절삭 공구가 또한 사용될 수 있다.
도 3a의 비제한적인 구현예에 도시된 바와 같이, 노치(106a)를 형성하는 절단 표면(302)은 노치(106a)에서의 유리 막대(100)의 나머지 단면이 절두 원(truncated circle)이 되도록 하는 깊이(303)를 갖는 원형 단면의 현(chord)(308)을 형성할 수 있다. 도 3b의 비제한적인 구현예에 도시된 바와 같이, 노치(106b)를 형성하는 절단 표면(304)은 절단부에서의 유리막대 또는 튜브(100)의 나머지 단면이 초승달 형상이 되도록 반원형(310)의 깊이(305)일 수 있다. 본원에서 사용되는 "직경"은 노치(106)를 형성하기 이전의 유리 막대 또는 튜브(100)의 직경으로 이해된다. 노치(106)에서의 (즉, 노치가 형성된 이후의) 유리 막대(100)의 단면은 원이 아니기 때문에, 312는 직경일 수 없다. 설명의 편의를 위해, "직경"을 312를 기술하기 위해 느슨하게 사용한다.
노치(106)는 도 3a 및 3b에서 볼 수 있는 바와 같이 유리 막대 또는 튜브(100)의 직경(312)을 통해 부분적으로 형성되어 원형 단면의 직경(312)이 절단면(302, 304)의 중간 지점에서 절단면(302, 304)에 법선(즉, 수직)이 된다. 직경(312)은 절단면(302, 304)과 교차하는 제1 단부(312a) 및 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 원통형 표면(110)으로 연장되는 제2 단부(312b)를 갖는다. 제2 단부(312b)는 노치(106)에 대향하는 것으로 기술될 수 있다.
노치(106) 프로파일은 톱날에 의한 것처럼 커프(kerf)로서 형성될 수 있다. 도 4a는 도 1의 IV로 표시되는 유리 막대(100)의 부분 확대도이다. 도 4a는 유리 막대 또는 튜브의 종방향 축(101)에 수직으로 보여지며, 구현예에서의 커프 프로파일을 나타낸다. 노치는 종방향 축(101)에 수직인 일반적으로 평행한 상부 및 하부 벽(402, 404) 및 종방향 축(101)에 평행한 평평한 바닥(406)을 갖는 깊이(403)로 형성된다. 대안적으로, 노치(106)의 프로파일은 도 4b에 도시된 바와 같이 내측 방향으로(종방향 축(101)을 향해) 테이퍼될(tapered) 수 있다. 테이퍼는 도 6에 도시 된 바와 같이 외부 표면(110)에서 시작하여 노치(106)의 깊이(405)에 대해 계속될 수 있다. 대안적으로, 노치(106)는 외부 표면(110)으로부터 테이퍼되기 시작하여 노치 깊이(407)까지 계속되는 제1 깊이까지 종방향 축(101)에 수직인 일반적으로 평행한 상부 및 하부 벽(412, 414)을 포함할 수 있다. 도 4b 또는 4c의 테이퍼된 노치 중 어느 하나는 도시된 바와 같은 지점에서 종료되거나 테이퍼 부의 최내측 단부에서 절두되거나 둥글게 형성될 수 있다.
도 4a 내지 4c는 단지 도시의 용이함을 위해 노치(106)를 대칭적으로 도시한다. 대칭성이 없는 다른 노치도 유사한 유익한 결과를 가지므로 사용될 수 있다.
바람직한 구현예에서, 노치(106)는 유리 막대 또는 튜브(100)가 화살표(104)에 대응하는 방향으로 이동하는 동안 형성된다. 이는 절삭 공구 경로가 종방향 축(101)을 횡단하고 그 사이에서 이격되고 전진하는 유리 막대 또는 튜브(100)를 방해하지 않는 바람직한 노치-형성 공정(예를 들어, 절단 공정)에 의해 달성될 수 있다. 대안적으로, 절삭 공구는 노치가 형성될 때 유리 막대 또는 튜브(100)의 종방향(즉, 화살표(104)의 방향)으로 이동할 수 있다.
본 발명자들은 예비성형체(102)가 상기한 바와 같이 형성된 노치(106)에서 유리 막대 또는 튜브(100)에 응력을 가함으로써 유리 막대 또는 튜브(100)로부터 분할되어 인장 응력이 유리 막대 또는 튜브(100)를 형성하는 물질의 인장 강도를 초과하여 노치(106)의 영역에서 유도되도록 할 수 있다는 것을 관찰하였다. 전술한 바와 같이 노치(106)를 사용하여 분리될 때, 예비성형체(102)의 분할된 표면 및 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)의 대응 표면은 공지된 방법으로 달성된 표면 특징보다 우수한 표면 특징으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분할된 표면은 깨끗한 엣지로 형성될 수 있고 측면 칩 또는 흠이 없고 보다 부드럽고 보다 평평해질(또는 더욱 거울-유사) 수 있을 뿐만 아니라 예비성형체 축에 더 수직일 수 있다.
본원 전반에 걸쳐 사용된 "분할된 표면(들)"은 예비성형체(102)가 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)로부터 분리될 때 일반적으로 노치(106)에 형성된 표면들 중 하나 또는 둘 다를 의미한다. "분할된 단부"는 예비성형체(102)가 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)로부터 분할된 후에 나머지 유리 막대 또는 튜브(103) 또는 예비성형체(102)의 단부를 지칭한다.
또한, 예비성형체(102) 및 나머지 길이의 유리 막대 또는 튜브(103)의 분할된 단부에서 원통형 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 표면(110)은 공지된 방법을 사용하여 달성된 생성 표면에 대해 강화된 표면 특징을 가질 수 있다. 예를 들어, 원통형 유리 막대의 외부 표면(110)상의 칩 형성 또는 불균일한 엣지는 분할된 단부에 인접하여 최소화될 수 있다.
상기 응력은 유리 막대 또는 튜브(100)를 편향시켜 유리로드의 일부가 종방향 축(101)에 대체로 수직인 방향으로의 편향 성분, 즉 횡방향 편향을 갖도록 유도될 수 있다. 비제한적인 구현예에서, 편향은 전술한 바와 같이 노치(106)에 대향하는 위치에서 유리 막대 또는 튜브(100)를 충격하는 공구(502)(도 5)에 의해 달성될 수 있다. 편향을 야기하기 위해 유리 막대 또는 튜브(100)를 충격하는 종방향 위치는 노치(106)로부터 변위되거나 노치(106)와 정렬될 수 있다. 유리 막대의 편향은 예비성형체(102)를 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)로부터 분리시키기에 충분한 노치(106)에서 인장 응력을 유도하기에 충분하다. 상기 편향은 노치에 대향하는 힘을 가한 결과일 수 있다. 바람직한 구현예에서, 편향은 노치(106)에 대향하는 충격의 결과이다.
바람직한 구현예에서, 유리 막대 또는 튜브(100)를 편향시키는 데 사용되는 공구(502)는 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 형상에 대응하도록 형성된 충격면(504)을 갖는다. 도 6에 도시된 바와 같이, 도 5의 라인 VI-VI을 따라 취해진 유리 막대(100) 또는 튜브의 종단면도가 도시되어 있고, 충격면(504)은 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 원통형 표면(110)에 대응하는 곡률로 구성된다. 일부 구현예에서, 충격면(504)의 곡률은 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 원통형 표면(110)과 기하학적으로 일치한다. 이와 같이 구성된 충격면(504)은 공지된 방법에 사용되는 날카로운 엣지의 공구보다 넓은 영역에 충격력을 분배하고, 이는 예비성형체의 충격 표면 영역에서의 압축 응력으로 유도된 칩 또는 손상을 감소시킨다.
공구(502)는 일반적으로 도 6에 도시된 화살표(602)로 표시된 방향으로 유리 막대 또는 튜브(100)의 종방향 축(101)에 수직으로 연장되고 후퇴될 수 있다. 공구(502)는 노치(106)에서 유리 막대 또는 튜브(100)의 인장 강도를 초과하는 인장 응력을 유도하기에 충분한 편향 또는 충격을 생성하기에 적합한 임의의 액추에이터(actuator)(510)에 의해 연장 및 후퇴되도록 작동될 수 있다. 비제한적인 구현예에서, 액추에이터(510)는 유리 막대 또는 튜브(100)를 구부리고 필요한 인장 응력을 유도하기에 충분한 충격으로 노치(106)에 대향하는 유리 막대 또는 튜브(100)와 접촉시키기 위해 공구(502)를 연장시키도록 구성된 공압 또는 유압 실린더일 수 있다.
바람직한 구현예에서, 충격면(504)은 충격면(504)과 유리 막대 또는 튜브(100) 사이의 접촉 시간을 연장시킴으로써 공구(502)의 충격에 의해 야기되는 접촉 영역에서 바람직하지 않은 압축 응력 및 칩 또는 손상을 감쇠시키는 탄성 층(506)을 포함한다. 일부 구현예에서, 충격면(504)은 탄성 층(506)으로 형성된다. 또 다른 구현예에서, 탄성 층은 충격면(504)을 위한 백킹(backing)을 제공한다. 예를 들어, 탄성 층은 약 10 내지 100 또는 약 30 내지 80, 또는 약 50 내지 60의 쇼어 A 경도를 가질 수 있다.
유리 막대 또는 튜브(100)를 진동기(미도시)와 같은 진동-유도 공구와 접촉시키고 공진 주파수가 달성되도록 유리 막대 또는 튜브(100)를 진동시킴으로써 노치(106)에서 충분한 인장 응력을 유도할 수 있다. 유리 막대 또는 튜브(100)가 진동함에 따라, 편향 진폭이 진동기를 조정함으로써 노치(106)에서 최대에 도달하도록 조정될 수 있다. 공진 주파수에서, 예비성형체 내의 진동 진폭은 노치(106)에서의 유리 막대 또는 튜브(100)의 인장 강도를 초과하는 인장 응력을 유도하기에 충분히 큰 노치(106)에서의 편향을 달성하기에 충분할 수 있다는 것이 관찰되었다. 전술한 바와 같이, 이러한 응력 조건은 예비성형체(102)가 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)로부터 분리되게 할 수 있다. 부분 예비성형체에 대한 진동 방법은 충격 방법에서 발생할 수 있는 압흔(indentation)에 의해 유도된 칩 또는 손상이 실질적으로 없거나 완전히 없는 분할된 표면에 인접한 원통형 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 표면(110)을 제공할 수 있으며, 여기서, 노치(106) 또는 다른 충격 위치에 대향하는 충격으로부터의 압흔에 의해 야기된 응력은 유리 파단 강도보다 높을 수 있다.
도 13에 도시된 본 발명의 일 구현예에서, 2개 이상의 대향하는 쌍의 그리퍼(gripper)(두 쌍의 1302/1304 및 1308/1310이 도시됨)가 유리 막대 또는 튜브(100) 주위로 배치되고, 각각 막대(1309, 1311)를 통해 액추에이터(1306, 1312)로의 연결을 통해 화살표(1314)로 도시된 바와 같이 유리 막대 또는 튜브(100) 쪽으로 또는 그로부터 멀어지는 방향으로 변위되도록 조정된다. 그리퍼(1302/1304 및 1308/1310)가 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 원통형 표면(110)의 일부와 맞물리도록 내측(유리 막대 쪽으로) 변위가 제공된다. 유리 막대(100)와 결합하는 그리퍼 부분은 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 원통형 표면(110)에 대응하는 결합 표면을 가질 수 있다.
각 쌍의 그리퍼(1302/1304 및 1308/1310)는 화살표(1316)로 표시된 바와 같이 유리 막대 또는 튜브(100)의 종방향 축(101)에 평행한 제어된 이동을 위해 지지된다. 바람직한 구현예에서, 화살표(1316)에 의해 표시된 바와 같은 변위의 속도는 조정 가능하고, 104 방향으로 유리 막대 또는 튜브(100)의 축 방향 변위 속도와 실질적으로 일치하거나 일치할 수 있다. 그리퍼 쌍(1308/1310)의 종방향 변위는 그리퍼 쌍(1302/1304)의 종방향 변위와 별도로 제어될 수 있다.
적어도 한 쌍의 그리퍼(1308/1310) 및 관련 액추에이터(1312)는 화살표 (1318)로 도시된 바와 같이 종방향 축(101)에 수직인 성분을 갖는 변위를 위해 지지될 수 있다.
한 쌍의 그리퍼(1302/1304)는 유리 막대 또는 튜브(103)의 나머지 길이와 결합하고, 제2 쌍(1308/1310)은 예비성형체(102)와 결합하고 나머지 유리 길이(103)를 편향으로부터 지지할 수 있다. 추가적인 그리퍼 쌍은 유리 막대 또는 튜브(103) 또는 예비성형체(102) 또는 둘 다의 나머지 길이와 결합하도록 구성될 수 있다. 그리퍼는 노치(106)의 형성 이전 또는 이후에 유리 막대 또는 튜브(100)와 결합할 수 있고, 유리 막대 또는 튜브(100)와 결합한 후 일정 거리 동안 유리 막대 또는 튜브(100)를 104 방향으로 전진시킬 수 있다.
유리 막대 또는 튜브(100)가 전진할 때의 소정 지점에서, 그리퍼(1308/1310)는 유리 막대 또는 튜브(100)를 노치(106)의 영역에 장력을 가하기 위해 동일한 방향으로 변위시킨다. 상기 변위는 적어도 1318에 대체로 평행한 측면 성분을 갖는다. 도 13에 도시된 바와 같이, 그리퍼(1308)는 그리퍼(1310)가 동일한 속도로, 동일한 지속 시간으로 그리퍼(1308)와 동일한 거리로 1318을 따라 오른쪽으로 변위 됨과 동시에 1318을 따라 오른쪽으로 변위된다.
측 방향 변위는 액추에이터(1312)의 지지부(1320)가 도 13에 도시된 바와 같이 오른쪽으로 변위됨으로써 야기될 수 있다. 일 구현예에서, 측 방향 변위는 액추에이터(1312)를 통한 그리퍼(1308/1310)의 제어된 측면 운동에 의해 야기될 수 있다. 이 구현예에서, 그리퍼(1312)용 막대(1311)가 도시된 바와 같이 우측으로 이동함에 따라(즉, 액추에이터(1312)로부터 연장됨에 따라) 그리퍼(1308) 용 막대(1309)는 도시된 바와 같이 우측으로 이동한다(즉, 액추에이터(1312)로 후퇴한다). 바람직한 구현예에서, 그리퍼(1308/1310)는 유리 막대 또는 튜브(100)와의 결합을 유지하기 위해 동일한 속도 및 동일한 지속 시간으로 동일한 방향으로 이동한다.
유리 막대 또는 튜브를 분할하는 하나의 최신 방법은 유리 막대 또는 튜브의 원주가 원하는 위치에서 잘라내는 수동 스냅-컷(snap-cut) 방법으로 기술될 수 있다. 그런 다음, 막대 또는 튜브에 해머의 쐐기 모양의 핀과 같이 날카로운 엣지의 단단한 표면에 의해 흠집에 충격을 가한다. 이 방법은 전형적으로 편리하고 빠르지만, 불완전하게 절단된 예비성형체 또는 균일하지 않은 단면(분할된 표면) 및 측면 칩을 갖는 튜브를 종종 초래하여 예비성형체의 사용 가능한 길이를 단축시키고 예비성형체 유리 수율을 감소시킨다.
종종 종래의 스냅-컷 방법에서 충격 영역 또는 충격 영역 근처에 불필요한 유리 조각 또는 칩이 형성된다. 이것은 충격 측이 유리 막대 또는 튜브의 굽힘으로 인한 압축 응력에 더하여 날카로운 엣지의 해머의 충격에 의해 야기된 높은 압축 응력을 겪기 때문이다.
파단 메커니즘에 대한 일반적인 오해와는 반대로, 파단은 충격 지점의 반대쪽에서 실제로 시작되어 인장 응력이 굽힘으로 인해 충격 부위의 반대쪽으로 먼저 최대로 도달하기 때문에 충격 부위를 향해 이동한다. 균열이 충격 부위 쪽으로 전파됨에 따라 압축 응력은 파단 방향을 변화시켜 바람직하지 못한 측면 칩 및 균일하지 않은 파단면을 생성할 수 있다. 실제로, 날카로운 엣지 충격은 충격 부위 근처에서 높은 압축 응력을 초래하여 분할된 표면의 깨끗하고 매끄럽고 수직인 분리를 방해하고, 또한 충격 부위에서 추가적인 압흔 균열이나 균열을 일으킨다.
충격 부위에서 발생하는 압축 응력을 감소시키는 것이 바람직하게는 측면 칩 및 균열의 발생을 감소시키고 파단 방향의 변화를 제한함으로써 파단면의 표면 특징을 개선시킨다. 실험 및 분석은, 유리 막대에 유도된 압축 응력이 유리 막대 또는 튜브(100)의 외부 표면(예를 들어, 110)의 일부분과 대응하도록 윤곽이 형성된 충격면(예를 들어, 504)을 갖는 공구(예를 들어, 공구(502))를 사용함으로써 충격 부위에서 유리하게 감소될 수 있는 결과를 제공하였다.
도 7은 공지된 방법(도 8a) 및 방법(도 8b)을 사용하여 유리 막대에 유도된 응력을 시간(밀리초)과 비교하는 예시적인 플롯(700)이다. 도 8a에 도시된 공지된 방법에서, 쐐기-형상의 면을 갖는 날카로운 엣지의 공구(802)는 원통형 유리 막대(800)에 충격을 가하기 위해 사용된다.
도 7에 도시된 바와 같이, 곡선(702)은 충격력 F(예를 들어, 4000 N 힘)로 충격될 때 충격 부위(806)에서 공지된 충격 공구(802)에 의해 유도된 대표적인 압축 응력의 플롯이다. 곡선(704)은 동일한 충격력 F의 충격 부위(806)에 대향하는 위치(804)에서 유도된 인장 응력을 나타낸다.
도 8b에 도시된 방법의 일 구현예에서, 충격 공구(502)(도 5 및 6 참조)는 윤곽면(504)을 갖는다. 윤곽화된 충격면(504)은 유리 막대(800)의 외부 원통형 벽(810)과 대응하도록 구성되고, 일부 경우에 충격면(504)은 외부 원통형 벽(810)과 기하학적으로 일치할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 윤곽화된 충격면은 전술한 바와 같은 탄성 층(506)을 포함한다.
곡선(706)은 본 발명에 따른 충격 공구(502)에 의해 유도된 대표적인 압축 응력의 플롯이다. 충격 공구(502)는 상술한 동일한 힘 F로 충격 부위(806)에서 유리 막대(800)를 충격한다.
곡선(708)은 유리 막대(800)가 동일한 충격력 F로 충돌될 때 충격 부위(806)에 대향하는 위치(804)에서 충격 공구(502)에 의해 유도된 인장 응력을 나타낸다. 본 발명자들의 분석 및 관찰에 따르면, 생성되는 인장 응력은 곡선(704)으로 나타낸 공지된 방법에 의해 유도된 인장 응력과 실질적으로 동일하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 곡선(708)은 본질적으로 곡선(704)을 따르며 도 7에서 하나의 곡선으로 나타난다.
충격 부위에 대향하여 형성된 노치(106)의 깊이는 유리 예비성형체(100)의 파단 강도를 감소시켰다. 도 9는 도시된 시험 샘플(900)에 대한 노치 깊이와 파단 강도 사이의 관계를 예시한다. 시험 샘플은 도 4b에 도시된 것과 유사한 노치를 갖지만, 다른 노치 형태(예를 들어, 도 4a 또는 4c에 도시된 형태)에 대해서도 유사한 결과가 발견될 수 있다.
도 9는 공지된 구조의 유리 막대(100)에 대한 노치 깊이와 파단 강도 사이의 관계를 도시한다. 도 9는 도시된 예시적인 노치(106) 구성을 갖는 특정 물질에 대한 노치 깊이(C)의 증가에 따른 파단 강도의 실질적인 감소의 플롯(902)을 나타낸다. 다른 노치 구성 및 유리 막대 구조도 비슷한 결과를 나타낼 수 있다. 도 9에 예시된 노치 깊이와 파단 강도 사이의 예시적인 관계 또는 특정 노치 형상 및 물질에 대한 대응 플롯은 유리 예비성형체(100)를 파단시키는 데 필요한 인장 강도를 평가하기 위해 사용될 수 있다. 이렇게 함으로써, 최적화된 노치 깊이가 특정 물질에 대해 결정될 수 있다.
도 10은 유리 막대 또는 예비성형체의 외경(OD)과 주어진 충격력에 대한 충격 부위 반대편에서 유도된 인장 응력의 크기 간의 관계를 보여준다. 도 10은 공지된 충격력 F를 받을 때 다양한 외경의 유리 막대(100) 또는 예비성형체(102)에 대한 충격 부위(예를 들어, 806) 반대 위치(예를 들어, 804)에서의 인장 응력을 도시한 플롯(1002)이다. 도 9 및 10의 데이타는 주어진 직경의 유리 막대에 대한 노치 깊이를 최적화하는 데 사용되었다.
도 11은 예비성형체(102)를 분리하기 위해 유리 막대(100)를 충격하는 효율적인 위치를 결정함으로써 상기 방법을 최적화하는 데 사용될 수 있다. 플롯(1102)은 종방향 축(101)을 따라 다양한 지점에서 인가된 힘을 갖는 주어진 충격력 F에 대한 충격 부위(예를 들어, 806)에 대향하는 지점(예를 들어, 804)에서 유도된 인장 응력을 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 당김 휠(108)은 유리 막대(100)의 종방향 축(101)에 대해 고정된다. 당김 휠(108)은 그 중심(109)을 중심으로 회전하도록 지지되며, 이들은 편향을 억제한다.
도 11은 당김 휠(108)의 중심(109) 아래의 다양한 거리에서 공지된 충격력이 가해질 때 충격 부위(예를 들어, 806)에 대향하는 지점(예를 들어, 804)에서 유도된 최대 인장 응력을 도시한다. 도 11의 예시적인 플롯(1102)을 참조하면, 충격 부위(806)가 당김 휠(108) 아래에서 약 1050 mm 이격될 때 최대 인장 응력이 유리 막대(100)에 유도된다. 도 11의 플롯을 전개하는 데 사용된 예시적인 유리 막대를 참조하면, 당김 휠(108)의 중심(109) 아래 약 1050 mm에 위치된 충격 부위(806)는 충격 부위(306)의 맞은 편에 있는 유리 막대에서 최대 인장 응력을 생성할 것이다.
주어진 유리 막대의 경우, 도 9, 10 및 11로부터의 데이터는 효율적인 작동 매개변수 세트를 산출하기 위해 조합될 수 있다. 작동 매개변수는, 노치 프로파일 및 깊이를 포함하는 노치 형상; 유리 막대를 파단시키기에 충분한 유리 막대에 가해진 충격력의 크기; 및 충격력을 가하는 위치를 포함한다. 본원에 사용된 "효율적인 작동 매개변수"는 최적의 최종 생성물을 달성하는 매개변수들의 조합을 의미한다.
이 방법의 목적은 분할된 면과 분할 선에 인접한 예비성형체의 원주 표면상에 향상된 표면 특징을 갖는 유리 예비성형체의 제조이었다. 이 목적을 달성하는 한 가지 방법은 유리 막대에 유도된 압축 응력을 최소화하는 것이었다. 유리 막대의 파단 메커니즘과 파단-유발 응력에 대한 새로운 이해를 바탕으로, 이 방법은 표면 특징이 개선된 유리 예비성형체 또는 튜브를 제조하기 위한 효율적인 작동 매개변수를 제공하는 것으로 나타났다.
상기 방법은, 유리 막대 또는 튜브의 외부 표면에 대응하거나, 또는 경우에 따라, 기하학적으로 일치하는 곡률로 구성된 충격면을 갖는 충격 공구를 사용하는 단계, 및 노치 형상(예를 들어, 프로파일 및 깊이), 충격력 위치 및 충격력 크기의 가장 효율적인 조합을 결정하기 위해 특정 유리 막대 또는 튜브에 대해 전개된 데이터를 적용하는 단계를 포함한다.
도 12는 본 발명에 따른 방법의 흐름도(1200)이다. 1202에서, 유리 물질 예를 들어 유리 막대 또는 튜브(100)가 유리 예비성형체 길이(102)와 나머지 유리 길이(103)로 분리되도록 제공된다. 유리 막대 또는 튜브(100)는 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 수직 하향으로 전진하는 선형 방식으로 전진한다. 당김 휠(108)은 유리 막대 또는 튜브(100)를 안내하고 지지하도록 제공될 수 있다.
전진하는 유리 막대 또는 튜브(100)가 유리 막대 또는 튜브(100)가 분할되어 길이 L의 예비성형체(102)를 형성할 수 있는 지점에 이르게 되면, 노치(106)가 1204에서 형성된다. 노치 (106)는 도 4a 내지 4c에 도시된 바와 같은 측면 프로파일을 가질 수 있고 각각 깊이(403 내지 407)로 형성될 수 있다. 대안적으로, 노치(106)는 임의의 다른 편리한 프로파일 및 깊이를 가질 수 있다.
노치(106)는 일반적으로 유리 막대 또는 튜브(100)의 종방향 축(101)에 수직으로 형성되고 임의의 편리한 수단 예를 들어 공기 구동 톱, 연마 휠 또는 레이저에 의해 형성될 수 있다. 노치(106)는, 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 절단면(302, 304)의 중간 지점에서 유리 막대(100)의 단면의 직경(312)에 수직인 절단면(302, 304)을 가질 수 있다.
예비성형체(102)를 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)로부터 분리 또는 분할하기 위해, 유리 막대 또는 튜브(100)는 1206에서 응력을 받는다. 인장 응력은, 인장 응력이 노치(106)에서 유리 막대를 파단시키기에 충분한 크기가 되도록 노치(106)에서 또는 노치(106)에 인접한 영역에서 유리 막대 또는 튜브(100)에 유도된다. 바람직한 구현예에서, 상기 방법은 노치에서 파단을 일으키는 데 필요한 최소 응력을 제공한다.
이 방법의 구현예에서, 인장 응력은 노치(106)에 대향하는 공구(502)로 유리 막대 또는 튜브(100)를 충격시킴으로써 유도된다. 유리 막대를 충격함으로써, 공구(502)는 유리 막대 또는 튜브(100)를 충분히 편향시켜 그 위치에서 유리 막대의 인장 강도를 초과하여 노치(106)에 인장 응력을 유도한다.
공구(502)는 전술한 바와 같은 탄성 층(506)을 포함하는 윤곽화된 충격면(504)을 갖는 것이 바람직하다. 공구(502)는 예를 들어 유압 또는 공압 실린더와 같은 적절한 충격력 F를 제공할 수 있는 임의의 액추에이터(510)에 의해 유리 막대의 종방향 축(101)에 수직으로 전진 및 후퇴될 수 있다.
충격의 위치, 즉 충격 부위(예를 들어, 806)는 유리 막대 또는 튜브에서의 파단 메커니즘 및 파단-유발 응력의 새로운 이해를 적용하는 전술한 방법에 의해 결정될 수 있다. 충격 부위는 노치(106)로부터 종방향으로 변위되거나, 노치(106)로부터 직경 방향으로 반대일 수 있다.
노치(106)의 형상, 충격 부위(806) 및 충격력 F의 크기는 특정 용도 및 분할 작업의 특정 목적에 따라 달라질 수 있다.
적절한 인장 응력이 다른 방법으로 노치(106)에 유도되어 유사한 결과를 가져올 수 있다. 예를 들어, 예비성형체 길이(102)는 전술한 바와 같이 공진 주파수에서 진동될 수 있으므로, 유리 막대(100)의 인장 강도를 초과하는 인장 응력이 노치(106)에서 초과된다.
본 방법의 일 구현예에서, 인장 응력은, 유리성형체 부분(102)과 나머지 유리 길이(103)에서(즉, 노치(106)의 양측에) 대향하게 작용하는 한 쌍의 그리퍼로 유리 막대 또는 튜브(100)를 파지하고, 노치(106)에서의 유리 막대 또는 예비성형체의 강도를 초과하도록 노치(106)에서 또는 그에 인접하여 충분한 응력이 발생하도록 예비성형체 부분(103)을 편향시킴으로써 유도된다. 그리퍼는 도 13과 같이 쌍으로 배열되고(2쌍으로 도시되어 있음), 각각의 그리퍼는 다른 한 쌍과 대향하여 작용한다. 그리퍼(1302)는 그리퍼(1304)에 대향하여 작용하고, 그리퍼(1308)는 그리퍼(1310)에 대 향하여 작용한다.
그리퍼(1302/1304 및 1308/1310)는 막대 또는 튜브(100)를 파지할 수 있고 거리를 두고 상기 막대 또는 튜브(100)의 종방향 축(101)에 평행하게 상기 막대 또는 튜브와 함께 전진할 수 있다. 그리퍼가 전진함에 따라, 예를 들어 1308/1310과 같은 한 쌍이 종방향 축(101)을 가로지르는 구성요소와 같은 방향으로 함께 편향되어 유리 막대 또는 튜브가 구부러질 수 있다. 다른 그리퍼 한쌍(예를 들어, 1308/1310)은 편향에 대해 나머지 유리 길이(103)를 안정화시킬 수 있다.
1208에서, 인가된 인장 응력은 노치(106)에서 유리 막대 또는 튜브(100)를 파단시킨다. 분할된 유리 예비성형체(102)는 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)로부터 분리되고, 예비성형체(102)는 공지된 메커니즘 예를 들어 조작기 또는 로봇 팔에 의해 상기 위치로부터 이동된다.
나머지 유리 막대 또는 튜브(103)는 계속되는 예비성형체 길이(102) 및 나머지 유리 막대 또는 튜브(103)를 제공하기 위해 연속적인 공정으로 계속 진행할 수 있다.
본 발명을 상세히 기술하였지만, 본 발명의 상세한 설명에서 단지 몇몇만 예시된 많은 물리적 변화가 본원에서 구현된 본 발명의 개념 및 원리를 변경하지 않고서도 행해질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 또한, 이들의 부분과 관련하여 본 발명의 개념 및 원리를 변경하지 않는 바람직한 구현예의 일부만을 포함하는 다수의 구현예가 가능하다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 구현예 및 선택적 구성들은 모든 면에서 예시적 및/또는 도시적이며 제한적이지는 않고, 본 발명의 범주는 전술한 설명 및 본 구현예에 대한 모든 대안적인 구현예들 및 변경들에 의해서가 아니라 첨부된 청구범위에 의해 표시되며, 따라서, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에 있는 것은 본원에 포함되어야 한다.

Claims (15)

  1. 미리 정해진 길이의 유리 예비성형체의 형성 방법으로서,
    예비성형체 길이 및 나머지 길이를 형성하도록 분리될 미리 정해진 길이의 유리 물질을 제공하는 단계;
    상기 유리 물질에 노치(notch)를 형성하는 단계;
    상기 유리 물질의 외부 표면의 일부분과 대응하도록 윤곽이 형성된 충격면을 포함하는 충격 공구를 이용하여 상기 유리 물질의 일부분을 편향시킴으로써, 상기 노치에 인접한 영역에서 상기 유리의 인장 강도를 초과하는 인장 응력을 유도하는 단계; 및
    상기 노치에서 상기 예비성형체 길이를 상기 나머지 길이로부터 분리시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 미리 정해진 길이의 유리 물질은, 상기 방법이 수행될 때, 상기 유리 물질의 종방향 축의 방향으로 연속적으로 진행하는, 방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 유리 물질은 수직 하방으로 진행하는, 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 미리 정해진 길이의 유리 물질은 솔리드(solid) 또는 중공(hollow) 원통형인, 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 유리 물질은 성분적으로 2종 이상의 유리 물질로 구성되는, 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 유리 물질은 용융(fused) 실리카를 포함하는, 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 노치는 상기 미리 정해진 길이의 유리 물질의 종방향(longitudinal) 축에 수직으로 형성되는, 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 편향은 상기 유리 물질의 횡방향 편향(transverse deflection)인, 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 충격 공구는 탄성 층을 포함하는, 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 충격 공구는 진동 유도 공구인, 방법.
  11. 청구항 2에 있어서, 상기 충격 공구는 상기 방법이 수행될 때에 상기 유리 물질의 종방향 축의 방향으로 상기 유리 물질과 함께 진행하지 않는 것인, 방법.
  12. 미리 정해진 길이의 유리 예비성형체의 형성 방법으로서,
    예비성형체 길이 및 나머지 길이를 형성하도록 분리될 미리 정해진 길이의 유리 물질를 제공하는 단계;
    상기 유리 물질에 노치(notch)를 형성하는 단계;
    노치의 양측에서 2개 이상의 서로 대향한 그리퍼의 세트를 이용하여 상기 유리 물질의 일부분을 편향시킴으로써 상기 노치에 인접한 영역에서 상기 유리의 인장 강도를 초과하는 인장 응력을 유도하는 단계로서, 상기 2개 이상의 서로 대향한 그리퍼는 상기 유리 물질을 파지하는 결합 표면을 각각 구비하며, 각 결합 표면은 상기 유리 물질의 외부 표면의 일부분에 대응하도록 윤곽이 형성되며, 상기 2개 이상의 서로 대향한 그리퍼는 상기 유리 물질의 종방향 축에 수직하게 서로에 대해 변위하여 상기 편향을 유발하는 것인 단계; 및
    상기 노치에서 상기 예비성형체 길이를 상기 나머지 길이로부터 분리시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  13. 청구항 12에 있어서, 상기 미리 정해진 길이의 유리 물질은, 상기 방법이 수행될 때에, 상기 유리 물질의 종방향 축의 방향으로 연속적으로 진행하는 것인 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 2개 이상의 그리퍼의 세트는, 상기 예비성형체 길이를 상기 나머지 길이로부터 분리하기 전에, 상기 미리 정해진 길이의 유리 물질이 상기 유리 물질의 종방향 축의 방향으로 연속적으로 진행할 때 상기 미리 정해진 길이의 유리 물질를 파지하여 함께 이동하는 것인 방법.
  15. 삭제
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