WO2001042646A2 - Verfahren zur herstellung eines glaskörpers - Google Patents

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Petr Vojtech
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Messer Technogas S.R.O.
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
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    • C03B11/00—Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B11/00—Pressing molten glass or performed glass reheated to equivalent low viscosity without blowing
    • C03B11/12—Cooling, heating, or insulating the plunger, the mould, or the glass-pressing machine; cooling or heating of the glass in the mould
    • C03B11/125—Cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B21/00—Severing glass sheets, tubes or rods while still plastic
    • C03B21/04—Severing glass sheets, tubes or rods while still plastic by punching out

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a vitreous body in which a softened glass mass is pierced by means of a needle, which is cooled by a coolant flow.
  • Such glass bodies are used, for example, as glass beads or glass balls in the jewelry industry.
  • the glass balls have a through hole through which a thread is pulled, for example. So far, this through hole has been produced by making a softened glass post spherical and piercing it with a metal needle.
  • the metal needle heats up by continuous immersion in the hot glass mass. To protect against thermal damage, the metal needle is therefore cooled when it is pulled out of the glass mass by passing a stream of cooling water over the metal needle.
  • the invention has for its object to modify the known method so that a better quality of the through hole of the glass balls can be achieved. Based on the method mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that the coolant stream is removed from a cold-liquefied gas.
  • cooling water adhering to the needle evaporates when it is inserted into the hot glass mass. Due to the heat of vaporization, the area around the needle inlet is cooled more than the area around the needle outlet. In addition, cooling water comes into contact with the hot glass surface, which leads to rapid cooling of the glass and cracks, particularly in the area of the freshly produced inner wall of the through hole.
  • Coolant flow is gaseous, or - in the case of a liquid coolant - by the high evaporation rate of the cold liquefied gases at the usual operating temperatures of the process.
  • Contact between the liquid coolant and the gas to be cooled is therefore ruled out and the needle has approximately the same temperature over its length of puncture before it is inserted into the hot glass mass. The This avoids the formation of cracks in the area of the inner wall of the through hole and a constant quality of the through hole is obtained.
  • the coolant flow taken from a cold liquefied gas can be as
  • a coolant flow in the form of a gas flow is preferably used to cool the needle.
  • cold liquefied gas is made available in a vacuum-insulated tank, a so-called cryocontainer.
  • the liquid coolant evaporates in the tank and forms a gas phase above the liquid.
  • the tank is provided with a removal line for the coolant.
  • the sampling line can either be immersed in the liquid coolant or end above the liquid. In the former case, liquid coolant is removed from the tank. However, this evaporates to form the gas flow at the latest in the area of the hot needle.
  • the surface temperature is understood to be that temperature which is measured on the needle surface in the area of the needle tip immediately before the puncture into the hot glass mass.
  • the quality of the through hole is improved by a uniform surface temperature.
  • the temperature of the needle surface from the tip of the needle preferably has a temperature difference of at most 50 ° C. over a length that corresponds at least to the length of the through hole.
  • Cold-liquefied gases such as air, nitrogen or oxygen are suitable for carrying out the process.
  • Nitrogen is preferably used. Nitrogen is relatively inexpensive and is inert towards most materials.
  • Figure 1 shows a device suitable for performing the method according to the invention in a plan view.
  • the metal mold 1 shows a metal mold 1 which is provided with a plurality of dome-shaped depressions 2.
  • the depressions 2 each serve to hold a softened glass mass 3 in a spherical shape with an outer diameter of approximately 6 mm.
  • a needle bank 4 is arranged to the side of the metal mold 1 and is equipped with a plurality of needles 5 made of surface-hardened stainless steel.
  • the needle bank 4 can be moved back and forth between a waiting position and a working position, as is indicated by the directional arrow 6.
  • the needles 5 are aligned horizontally and have an outer diameter of 1 mm. Each of the needles 5 corresponds to one of the dome-shaped depressions 2. In the working position (shown in FIG. 1), a needle 5 projects through one of the depressions 2. In the waiting position, the needles 5 are pulled out of the metal mold 1.
  • the needle bank 4 is connected to a line 7 for a cooling gas in the form of a nitrogen stream.
  • the nitrogen stream is taken from a vacuum-insulated cryogenic tank 8, in which liquefied nitrogen 9 at a temperature of approx. -196 ° C is maintained.
  • the line 7 ends in the gas phase 10 above the liquefied nitrogen 9.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of the method according to the invention is described below with reference to FIG. 1:
  • Spherical glass masses 3 made of colored, softened soda-lime glass are filled into the dome-shaped depressions 2 of the press mold.
  • the surface temperature of the glass masses 3 is about 600 ° C.
  • the needle bank 4 is then moved from the waiting position into the working position (shown in FIG. 1).
  • the needles 5 pierce the still soft glass mass 3.
  • the diameter of the through hole thus produced is 1 mm and its length corresponds in each case to the outer diameter of the spherical glass mass, that is to say approximately 6 mm in the exemplary embodiment.
  • each of the needles 5 is provided with its own nitrogen supply for cooling.
  • An average surface temperature of approximately 200 ° C. is established in the area of the needle tip 11.
  • the gaseous nitrogen ensures uniform cooling of the needles 5, so that a constant surface temperature is established over the length of the needles 5. At a distance of 6 mm from the needle tip, the temperature is about 215 ° C.
  • the needle bank 4 is brought back into the working position in order to carry out the next work step. There is no liquid on the needle surface. The problems associated with the sudden evaporation of liquid (rapid and uneven cooling of needle 5 and through hole) are avoided.
  • the inventive proposed uniform cooling of the needles 5 before contact with the hot glass mass 3 results in a through hole with good surface quality. Only a few cracks can be seen, which have only a small depth, so that post-processing by polishing or etching is not necessary. In addition, the surface quality of the through hole is essentially equally good over its entire length.

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Abstract

Es ist ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers bekannt, bei welchem eine erweichte Glasmasse mittels einer Nadel, die von einem Kühlmittelstrom gekühlt wird, durchbohrt wird. Um das bekannte Verfahren so zu modifizieren, daß eine bessere Qualität der Durchgangsbohrung der Glaskugeln erzielt werden kann, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Kühlmittelstrom (7) aus einem kaltverflüssigten Gas (9) entnommen wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers, indem eine erweichte Glasmasse mittels einer Nadel, die von einem Kühlmittelstrom gekühlt wird, durchbohrt wird.
Derartige Glaskörper werden zum Beispiel als Glasperlen oder Glaskugeln in der Schmuckindustrie eingesetzt. Die Glaskugeln weisen eine Durchgangsbohrung auf, durch die beispielsweise ein Faden gezogen wird. Bisher wird diese Durchgangsbohrung erzeugt, indem ein erweichter Glasposten in Kugelform gebracht und mit einer Metallnadel durchbohrt wird. Beim maschinellen Herstellungsverfahren erwärmt sich die Metallnadel durch kontinuierliches Eintauchen in die heiße Glasmasse. Zum Schutz vor thermischer Beschädigung wird die Metallnadel daher beim Herausziehen aus der Glasmasse gekühlt, indem ein Kühlwasserstrom über die Metallnadel geleitet wird.
Bei dem bekannten Herstellungsverfahren bilden sich im Bereich der Innenwandung der Durchgangsbohrung kleine Risse aus. Diese werden je nach Anforderung an die Qualität der Glaskugeln aufwendig durch Polieren und/oder Säure-Ätzen entfernt. Die als Ätzmittel eingesetzten Säuren fallen in großen Mengen an und müssen anschließend entsorgt werden. Darüber hinaus zeigt sich, daß sich die Beschaffenheit der Innenwandung im Bereich des Nadel-Eintritts zu dem Bereich um den Austritt der Nadel unterscheidet. Üblicherweise ist jedoch eine gleichbleibende Qualität der Durchgangsbohrung über ihre gesamte Länge erwünscht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannten Verfahren so zu modifizieren, daß eine bessere Qualität der Durchgangsbohrung der Glaskugeln erzielt werden kann. Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kühlmittelstrom aus einem kaltverflüssigten Gas entnommen wird.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß eine Kühlung der Nadel mit einem Kühlmittelstrom aus einem kaltverflüssigten Gas nicht nur die thermische Beständigkeit der Nadel gewährleistet, sondern sich auch in mehrfacher Hinsicht positiv auf die Qualität der Durchgangsbohrung auswirkt. Es wird eine Durchgangsbohrung mit einer - im Vergleich zum bekannten Verfahren - deutlich besseren Oberflächenqualität erhalten. Die Häufigkeit und Tiefe von Rissen ist geringer, und die Oberflächenqualität der Durchgangsbohrung ist über ihre gesamte Länge im wesentlichen konstant. Dadurch kann eine aufwendige Nachbearbeitung der Innenwandung ganz oder teilweise entfallen.
Bei dem bekannten Verfahren verdampft an der Nadel anhaftendes Kühlwasser beim Einstich in die heiße Glasmasse. Durch die Verdampfunsgwärme wird der Bereich um den Nadel-Eintritt stärker gekühlt, als der Bereich um den Austritt der Nadel. Darüberhinaus gelangt Kühlwasser in Kontakt mit der heißen Glasoberfläche, was insbesondere im Bereich der frisch erzeugten Innenwandung der Durchgangsbohrung zu einer raschen Abkühlung des Glases und zu Rissen führt.
Demgegenüber bewirkt die Kühlung der Nadel mit einem Kühlmittelstrom aus einem kaltverfiüssigten Gas eine im wesentlichen gleichmäßige Kühlung der Nadel. Denn vor dem Einstich in die heiße Glasmasse haftet auf der Nadeloberfläche keinerlei verdampfbare Flüssigkeit. Dies wird entweder dadurch erreicht, daß der
Kühlmittelstrom gasförmig ist, oder - im Falle eines flüssigen Kühlmittels - durch die hohe Verdampfungsrate der kaltverflüssigten Gase bei den üblichen Betriebstemperaturen des Verfahrens. Ein Kontakt von flüssigem Kühlmittel und dem zu kühlenden Gas ist daher ausgeschlossen und die Nadel weist vor dem Einstich in die heiße Glasmasse über ihre Einstichlänge eine etwa gleiche Temperatur auf. Die Bildung von Rissen im Bereich der Innenwandung der Durchgangsbohrung wird dadurch vermieden und es wird eine gleichbleibende Qualität der Durchgangsbohrung erhalten.
Der aus einem kaltverflüssigten Gas entnommene Kühlmittelstrom kann als
Gasstrom oder als Flüssigkeitsstrom auf die Nadel einwirken. Bevorzugt wird jedoch zur Kühlung der Nadel ein Kühlmittelstrom in Form eines Gasstromes eingesetzt. Hierzu wird zum Beispiel kaltverflüssigtes Gas in einem vakuumisolierten Tank, einem sogenannten Kryobehälter, bereitgestellt. Im Tank verdampft das flüssige Kühlmittel und bildet oberhalb der Flüssigkeit eine Gasphase. Der Tank ist mit einer Entnahmeleitung für das Kühlmittel versehen. Die Entnahmeleitung kann sowohl in das flüssige Kühlmittel eintauchen, oder oberhalb der Flüssigkeit enden. Im erstgenannten Fall wird zwar flüssiges Kühlmittel aus dem Tank entnommen. Dieses verdampft aber unter Bildung des Gasstromes spätestens im Bereich der heißen Nadel.
Es hat sich als günstig erweisen, die Nadel auf eine Oberflächentemperatur im Bereich zwischen 150 °C und 250 °C zu kühlen. Unter der Oberflächentemperatur wird dabei diejenige Temperatur verstanden, die auf der Nadeloberfläche im Bereich der Nadelspitze unmittelbar vor dem Einstich in die heiße Glasmasse gemessen wird.
Die Qualität der Durchgangsbohrung wird durch eine gleichmäßige Oberflächentemperatur verbessert. Bevorzugt weist die Temperatur der Nadeloberfläche von der Spitze der Nadel über eine Länge, die mindestens der Länge der Durchgangsbohrung entspricht, eine Temperaturdifferenz von höchstens 50 °C auf. Zur Durchführung des Verfahrens sind kaltverflüssigte Gase wie Luft, Stickstoff oder Sauerstoff geeignet. Vorzugsweise wird Stickstoff eingesetzt. Stickstoff ist verhältnismäßig preiswert und verhält sich gegenüber den meisten Werkstoffen inert.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Als einzige Figur der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung.
Figur 1 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung in einer Draufsicht.
In der Draufsicht von Figur 1 ist eine Metallform 1 ersichtlich, die mit einer Vielzahl kalottenförmiger Vertiefungen 2 versehen ist. Die Vertiefungen 2 dienen jeweils zur Aufnahme einer erweichten Glasmasse 3 in Kugelform mit einem Außendurchmesser von etwa 6 mm.
Seitlich zur Metallform 1 ist eine Nadelbank 4 angeordnet, die mit einer Vielzahl von Nadeln 5 aus oberflächengehärtetem Edelstahl bestückt ist. Die Nadelbank 4 ist zwischen einer Wartestellung und einer Arbeitsstellung hin- und herbewegbar, wie dies durch den Richtungspfeil 6 angedeutet ist.
Die Nadeln 5 sind horizontal ausgerichtet und weisen einen Außendurchmesser von 1 mm auf. Jede der Nadeln 5 korrespondiert mit einer der kalottenförmigen Vertiefungen 2. In der Arbeitsstellung (in Figur 1 dargestellt) ragt jeweils eine Nadel 5 durch eine der Vertiefungen 2 hindurch. In der Wartestellung sind die Nadeln 5 aus der Metallform 1 herausgezogen.
Die Nadelbank 4 ist mit einer Leitung 7 für ein Kühlgas in Form eines Stickstoffstromes verbunden. Der Stickstoffstrom wird aus einem vakuumisolierten Kryotank 8 entnommen, in dem verflüssigter Stickstoff 9 bei einer Temperatur von ca. -196 °C gehalten wird. Die Leitung 7 endet in der Gasphase 10 oberhalb des verflüssigten Stickstoffes 9.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren anhand Figur 1 beschrieben:
In die kalottenförmigen Vertiefungen 2 der Preßform werden jeweils kugelförmige Glasmassen 3 aus einem gefärbten, erweichten Kalknatronglas gefüllt. Die Oberflächentemperatur der Glasmassen 3 beträgt dabei etwa 600 C°. Zur Erzeugung einer Durchgangsbohrung in jeder der Glasmassen 3 wird anschließend die Nadelbank 4 von der Wartestellung in die (in Figur 1 dargestellte) Arbeitsstellung bewegt. Dabei durchstoßen die Nadeln 5 die noch weiche Glasmasse 3. Der Durchmesser der so erzeugten Durchgangsbohrung beträgt 1 mm und ihre Länge entspricht jeweils dem Außendurchmesser der kugelförmigen Glasmasse, im Ausführungsbeispiel also etwa 6 mm.
Danach wird die Nadelbank 4 in die Wartestellung zurückbewegt. Über die Leitung 7 wird dabei tiefkalter, gasförmiger Stickstoff aus dem Kryotank 8 abgezogen und den Nadeln 5 geregelt zugeführt. Um eine gleichmäßige Kühlung zu gewährleisten, ist jede der Nadeln 5 mit einer eigenen Stickstoff-Zufuhr für die Kühlung versehen. Im Bereich der Nadelspitze 11 stellt sich dabei eine mittlere Oberflächentemperatur von etwa 200 °C ein. Der gasförmige Stickstoff gewährleistet eine gleichmäßige Kühlung der Nadeln 5, so daß sich über die Länge der Nadeln 5 eine konstante Oberflächentemperatur einstellt. In eine Abstand von 6 mm von der Nadelspitze beträgt die Temperatur etwa 215 °C.
Nach dem Entleeren und Wiederbefüllen der Metallform 1 wird die Nadelbank 4 zur Durchführung des nächsten Arbeitsganges wieder in die Arbeitsstellung gebracht. Dabei ist keine Flüssigkeit an der Nadeloberfläche vorhanden. Die mit einem plötzlichen Verdampfen anhaftender Flüssigkeit einhergehenden Probleme (rasches und ungleichmäßiges Abkühlen von Nadel 5 und Durchgangsbohrung) werden so vermieden.
Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene, gleichmäßige Kühlung der Nadeln 5 vor dem Kontakt mit der heißen Glasmasse 3 wird eine Durchgangsbohrung mit guter Oberflächenqualität erhalten. Es sind nur wenige Risse erkennbar, die auch nur eine geringe Tiefe aufweisen, so daß eine Nachbearbeitung durch Polieren oder Ätzen nicht erforderlich ist. Darüber hinaus ist die Oberflächenqualität der Durchgangsbohrung über ihre gesamte Länge im wesentlichen gleich gut.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Glaskörpers, indem eine erweichte Glasmasse mittels einer Nadel, die von einem Kühlmittelstrom gekühlt wird, durchbohrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelstrom (7) aus einem kaltverflüssigten Gas (9) entnommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittelstrom (7) ein Gasstrom eingesetzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nadel (5) auf einer Oberflächentemperatur im Bereich von 150 °C und 250 °C gekühlt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Temperatur der Nadeloberfläche von der Spitze (11) der Nadel (5) über eine Länge, die mindestens der Länge der Durchgangsbohrung entspricht, um höchstens 50 °C unterscheidet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als kaltverflüssigtes Gas Stickstoff eingesetzt wird.
PCT/IB2000/002070 1999-12-10 2000-11-23 Verfahren zur herstellung eines glaskörpers WO2001042646A2 (de)

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