WO2009106110A1 - Vorrichtung zur herstellung von gegenständen aus glas durch heissformen und herstellungsverfahren - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung von gegenständen aus glas durch heissformen und herstellungsverfahren Download PDF

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WO2009106110A1
WO2009106110A1 PCT/EP2008/009926 EP2008009926W WO2009106110A1 WO 2009106110 A1 WO2009106110 A1 WO 2009106110A1 EP 2008009926 W EP2008009926 W EP 2008009926W WO 2009106110 A1 WO2009106110 A1 WO 2009106110A1
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WO
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glass
heating
temperature
functional
pressing
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PCT/EP2008/009926
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Inventor
Matthias Gremmelspacher
Günter KLEER
Peter Manns
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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Priority to AT08872942T priority patent/ATE526292T1/de
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • 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
    • C03B11/122—Heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2215/00—Press-moulding glass
    • C03B2215/50—Structural details of the press-mould assembly

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for producing objects from glass by hot forming, i. Pressing or embossing the glass in the viscoplastic state.
  • the isothermal pressing is characterized by the fact that thermal stresses in the regions of the glass close to the shape and on cooling resulting micro-displacements between the glass surface and the mold surface, which can lead to surface defects of the glass compact, are avoided.
  • Isothermal pressing is also used in other known methods of a similar kind for the reasons explained, for example according to EP 19 342 in the temperature range of the American softening point (10 7 - 6 dPas) or according to EP 78 658.
  • non-isothermal methods are known in which at the beginning of the pressing process upper or lower punch higher or lower temperatures than the glass blank.
  • the non-isothermal processes can be carried out much faster, in particular if the temperature of the glass blank at the beginning of the pressing process is significantly above T 9 and the temperature of the tool is kept lower.
  • Lower and upper punch are modular and each consist of a support body and a body receiving the supporting body.
  • the heating of upper punch and lower punch can be done via separate heaters, so each one the upper punch and a cylinder surrounding the lower punch heater.
  • a controllable heating device is provided in each of the two heat-conducting support body. The glass blank can be preheated both by the heating of the support body and outside the mold.
  • a disadvantage of the non-isothermal pressing is that it can easily come due to excessive temperatures for sticking glass and shape and thus irreparable damage to the mold.
  • Another disadvantage is the poor reproducibility and the lack of uniformity of the contours of the glass molded body produced.
  • the object of the invention is to improve the non-isothermal glass production methods and devices in such a way that the molded products can be produced cost-effectively without gluing and with a constant quality.
  • An essential feature of the invention is the radial arrangement of the heater near the functional surfaces and the execution of each as a separately controllable heater for each ram, i. E. for the lower press die and for the upper press die.
  • a temperature measuring sensor is used in each support body along the axial axis of symmetry near the functional surface. As a result, a fast and reliable temperature determination and control near the functional area is possible.
  • the heating devices for heating the functional surfaces or the glass blank to be pressed are positioned at a small distance from the support bodies / functional surfaces to be heated.
  • a small distance is understood to mean that the diameter of the rotationally symmetrical heating device is less than five times the diameter of the functional surfaces. The heating is therefore not attached to the chamber wall and thus far away from the glass to be pressed, which would lead to less heat input and thus to greater delays in the temperature setting of the functional surfaces.
  • the arrangement of the heaters in the vicinity of the functional surfaces and limited to the vicinity of the functional surfaces required for the deformation amount of heat can be quickly and very selectively supplied to the glass blank and the functional surfaces, without the body receiving the respective support body in total on the functional surfaces heated to the deformation of the glass required high temperature and after the completion of the forming process must also be cooled again to remove the molded glass compact from the mold.
  • the localized heating according to the invention reduces the time duration for heating and cooling the functional layer in the area of the functional surfaces and thereby considerably shortens the process duration for the individual press cycles in the production process.
  • the inventive arrangement of the heating elements direct heating of the functional surfaces and the glass blank is achieved.
  • the cooling of the pressed glass body can be controlled by the inventive arrangement reliable and high speed.
  • the heater is designed so that a function near-surface heating outside the support body near its outer surfaces this is arranged radially surrounding with a defined projection on the upper edge of the functional surface, so that at the same time the glass blank is heated with this heater.
  • the heater for the functional surfaces / support body is preferably a radiant heater, in particular a planar radiant heater with a large emission surface, a diffuse or planar acting lamp heater, an electrical resistance heater or a hot gas flow or an array of multiple point infrared radiation sources.
  • the heating devices at least partially enclose the functional surface on the support body.
  • Heating of the glass blank can likewise be effected via the heating devices of the functional surfaces.
  • at least one heating device can be provided for the glass blank, which likewise surrounds the latter substantially radially symmetrically.
  • This at least one heating device can be designed in the form of a planar radiant heater with a large emission surface or an arrangement of a plurality of punctiform IR radiation sources, as a laser beam, by microwaves or by one or more flames.
  • a heating device may be provided on the base body on the basis of a resistance heater, a flat radiant heater, a diffused or area-focused radiation heater or a hot gas flow.
  • the heaters are controlled and heated separately during the individual press cycles.
  • the support body can also be constructed of several parts, for example a support layer and the actual supporting body.
  • Reference dimension is the radial diameter of the molded glass body perpendicular to the axis of the pressing device, which is referred to in the accompanying figures 1 and 2 with »a «. It refers in the narrower sense to the diameter of the optically effective functional surface of the finished glass component.
  • the dimension »a « refers to the free optical diameter of the lens, which is the part of the lens that is critical for optical imaging, and that demands contouring and surface finish specifications that are similar in optical design. The strength of the curvature of the optical surface has proven to be almost negligible.
  • the dimensions of the support body the following dimensions are preferred: The diameter c of the support body in FIG.
  • the dimension b of the functional surface near heater is 2.0 to 5.0 -fold of a. This ensures that the temperature gradient in the radial direction in the functional surface formed on the support body can never become unacceptably large, so that even with faster heating of the functional surfaces by very large heat input at high heating capacity of the near-surface heater no impermissibly large contour deviations and harmful high stresses during the forming of the glass blank may arise.
  • the height h of the supporting body is preferably 1.5 to 5.0 times that of a and thus makes it possible to adapt the heat capacity of the supporting bodies to the quantity of heat introduced into the functional layer with the preheated glass blank. This ensures that neither the hot glass blank is cooled down too much at the first contact, which can lead to cracks in the glass surface, nor that the functional surface is heated too much, which can lead to the gluing of the glass.
  • the supernatant i of the support body on the base body is preferably 0.5 to 2.5 times of a, in order to achieve a sufficient heat input of the near-functional heating in the support body.
  • the supernatant k of the near-functional heating is -0.5 to 1.5 times of a, for adjusting the effective effective on the glass body radiation surface.
  • the height I of the near-surface heating is 1.0 to 7.5 times that of a, so that a sufficient radiation surface is available for heating the support body.
  • the structure of the base body is designed so that the diameter d in the transition region between the base and support body of the perpendicular to the pressing direction formed end face of the body in a defined geometric relationship to the linear dimension "a" is the functional surface formed on the support body, namely such that the diameter d of the base body in the transition region is approximately 2 to 10 times the linear dimension of the optically effective functional surface.
  • the height e of the main body is preferably 10 to 40 times that of a. This ensures that the temperature gradient in the axial direction between the functional surface formed on the support body, which must be heated to a high temperature for the deformation of the glass, and the machine side surface of the base body, which must be maintained at a substantially lower temperature by appropriate cooling devices , not too big.
  • the heated height f of the main body is preferably 3 to 10 times that of a and the unheated supernatant g of the main body is 0 to 7 times that of a, whereby an adapted heat sink for the controlled cooling of the glass body after completion of the forming process is achieved becomes.
  • the high quality of the optical lenses produced and especially the high contour accuracy of the hot-formed glass surfaces is achieved in particular by low (flat) temperature gradients in the functional surface of the support body and thus in the formed glass, in particular in the radial direction.
  • the low temperature gradient in the functional layer is inventively achieved in that the heat input from the support body into the functional layer takes place in the axial direction.
  • thermal conduction within the support body of the radial temperature profile is homogenized.
  • a glass blank having the highest possible surface quality such as in a viscous state in undisturbed glass.
  • Such a highest surface quality can be ensured in an embodiment of the invention in a simple manner by using a glass blank whose intended for the optically active surfaces of the glass molded body surface areas have been generated by thermal splitting.
  • the method is carried out in a clean room in which a particle content in the air of less than 10 4 per m 3 is present. It has been found that the occurrence of hitherto inexplicable micro defects in the surface of the produced glass compact can be virtually completely avoided.
  • a total pressure of less than 1 Pa is maintained during the pressing in the vicinity of the mold. This largely avoids possible chemical interactions between the materials and gaseous materials used in the process. It is particularly expedient if a partial pressure of reducing or oxidizing gases, in particular oxygen, of less than 10 -1 Pa or preferably even less than 10 -3 Pa is maintained during the pressing in the vicinity of the mold.
  • reducing or oxidizing gases in particular oxygen
  • even reducing gases can have a disturbing effect, eg in the case of optical glasses with very high optical powers, darkening of the surface can be caused by reduction of heavy metal oxides to metallic heavy metals.
  • the temperature control it is expedient to keep the temperature of the functional surface in the vicinity of the glass transition temperature T 9 at the beginning of the pressing and to use the glass blank at a higher temperature. This can be advantageous in particular when pressing glass lenses with large geometric differences between the geometry of the glass blank and the final geometry of the glass molded body in order to combine a high pressing speed with a relatively rapid cooling.
  • the special procedures described can also be used in particular if, in the known manner, the glass blank is in a mold with two opposing press dies (each having a functional surface) at the beginning of pressing on one of the press dies, usually on the lower punch of a vertically arranged press, is placed. It is accordingly appropriate to bring the glass blank together with this press die to a temperature which is higher than the temperature of the other press ram.
  • the temperature difference provided according to the invention can be applied in this way by the fact that when in use a mold with two opposing press punches the functional surfaces of the ram are kept at different temperatures. It is expedient to maintain this temperature difference until the end of the pressing so that the detachment of the glass from the functional surfaces is facilitated.
  • the temperature differences used are matched to the viscosity profile of the glass to be pressed and are preferably at least 50K.
  • the cooling in the mold is already started during the deformation of the glass, preferably already in an initial phase of the forming process. This is readily possible in the presence of a correspondingly high initial temperature.
  • the process of the invention does not require working at very low temperatures and correspondingly high glass viscosities;
  • all advantages with regard to production speed can be utilized, which result from the choice of a relatively high initial temperature of the glass blank.
  • the removal of the glass compact from the mold can be done early as soon as the glass compact has assumed a sufficiently high structural strength.
  • the glass compact is removed from the mold, if it has a temperature at least in the vicinity of the functional surface, which corresponds to a viscosity of the glass of at least IfJ 13 dPas.
  • the mold according to the invention offers particular advantages with regard to the surface quality and shape accuracy of the molded glass body pressed therewith, independently of the particular process control according to the invention.
  • the dimensional accuracy of the product and the pressing time are of crucial importance.
  • a low glass viscosity allows a large deformation of the glass blank with a very short pressing time.
  • the invention solves the problem that, disadvantageously, glass at low viscosity forms an intimate bond with the mold and sticks to the mold surface, so that the tool and the workpiece can no longer be separated trouble-free or in an economically expedient time.
  • the invention allows the temperature of the contact surface in the functional layer to be controlled so that no sticking occurs.
  • the deviation of the contour of the optically effective surface from the desired contour generated by this method is directly dependent on the closing time or holding period of the glass compact in the mold.
  • the diagram in FIG. 3 shows the dependence of the deviation of the surface contour of pressed lenses from the nominal contour of the lenses as a function of the mold closing time (holding period) for a selected parameter set (mold temperatures, glass transition temperature, center thickness of the glass lenses, etc.).
  • a glass blank is used, which is unprocessed body with respect to the desired shape of the glass mold to be produced and a high surface quality at least in the serving to form optically active surfaces areas at least about corresponding to a Feuerpolitur.
  • the glass blank is pressed at a sufficiently high temperature for pressing in the mold and cooled the glass compact produced in the mold until reaching a sufficient structural strength, then removed from the mold and finished by fine cooling to the glass molded body, the hot mold in one Inert gas atmosphere or vacuum is maintained.
  • optical lenses for imaging optics or illumination optics with refrak- spherical, aspheric or free-form contours as well as optical components with diffractive surfaces or a combination of refractive and diffractive surfaces, such as components for endoscopes, for projection systems and components for beam shaping in lasers and for light guidance and distribution systems, and also components which Spacers, adjusting elements, encapsulants, sensors, fluid management systems, optionally using a joining or soldering process of several individual components serve manufacture.
  • FIG. 2 shows a partial view of the mold with the geometrical variables a - I drawn in
  • FIG. 3 shows the dependence of the deviation of the surface contour of pressed lenses from the nominal contour of the lenses as a function of the mold closing time
  • FIG. 4 details for producing a focusing lens.
  • Fig. 1 shows schematically a mold with a lower punch 3 and a relative thereto along a vertical axis 5 movable upper punch 7.
  • the punch 3, 7 each comprise a base body 1, 2 and a support body 21, 23.
  • Aufrap aligned thin functional layers 9 and 11 are applied to the support members 21, 23 firmly adhering.
  • These form on their outer surfaces functional surfaces 17 and 19, which correspond to the surface quality of the optically active surfaces and the shape of a glass compact to be produced, taking into account the thermal expansions.
  • the support bodies 21 and 23, which consist of a thermally conductive material such as a metal or a ceramic, are fixed in recesses of the base body 1 and 2, respectively.
  • the functional surfaces 17, 19 are surrounded radially by a respective heating device 16, 18.
  • the heating devices 16, 18 are used for direct heating the functional surfaces 17, 19 in particular via radiation transport.
  • a temperature measuring sensor 29, 31 is provided centro-symmetrically along the axis 5 (on the axis 5) near the functional layer 9, 11.
  • a radially surrounding the glass blank 61 heater 20 is provided which serves the direct heating of the glass blank 61, in particular by means of radiation transport.
  • the carrier bodies 21, 23 consist of low-structured material which is amorphous or monocrystalline or polycrystalline with a particle size of less than 0.5 micrometers.
  • functional layers 9 and 11 are applied as unstructured thin films, e.g. by reactive sputtering, and have a uniform thickness of less than 5 microns, e.g. 4 micron, and a roughness of less than 0.1 micron, so that the functional surfaces 17 and 19 have exactly the shape of the underlying surface regions 57 and 59, respectively, but any polishing micro-surface defects of the surface regions 57 and 59 are smoothed.
  • the functional layer consists of a ceramic hard material layer, which preferably contains nitrogen in addition to metalloid substances.
  • heaters 33 and 35 for example, electric heating wires, induction heating or the like, arranged.
  • the mold is arranged in a housing 45 which can be evacuated via lines 47, 49 or filled or purged with any desired gas atmosphere.
  • the housing 45 is arranged in a clean room 51, which is accessible via a lock 53. Ventilation 55 ensures that there is air in the clean room 51 of a desired freedom from particle impurities, in particular less than 10 4 particles per m 3 .
  • the lying under the functional layers 9 and 11 surface portions 57 and 59 of the support body 21, 23 are formed as accurately as possible and with the highest possible surface quality corresponding to the optically active surfaces of the glass compact to be produced, for example in the usual way by grinding and polishing.
  • the process can be carried out either with a relatively cold glass blank 61 (variant 1) or with a glass blank 61 (variant 2) preheated in a special device.
  • the cold glass blank 61 is placed on the hot mold and after a lying time of 5 to 300 s, during which the glass is heated in the mold to the desired temperature formed.
  • the heaters 16, 18 of the support bodies 21, 23 which are close to the functional area are simultaneously used to heat the glass blank 61.
  • the functional surface near heater 16, 18 in the form of a flat radiant heater, a diffuse or area focused focused lamp heater or a hot gas flow can be performed.
  • a heater 33, 35 of the base body 1, 2 a resistance heater, a flat radiant heater, a diffuse or area focused focused lamp heater or a hot gas flow can be provided.
  • the heating device 20 of the glass blank 61 can be embodied by a laser beam, by microwaves, by focused lamp heaters or a hot gas flow or by one or more flames.
  • the glass blank 61 is first heated in a separate heater to a temperature T3, which is between the lower limit temperature of the shaping interval Tl and the upper limit temperature of the shaping interval T2, the limit temperatures are dependent on the temperature profile of the viscosity of the selected glass.
  • the preheated glass blank 61 is transported by means of a transfer system to the actual pressing device and formed after a lying time of 0 s to 300 s.
  • a preform heating is additionally present outside the actual pressing device, in which the preform can be heated to a temperature T3 between Tl and T2. From the parison heating of the preform is spent by means of a transfer system to the actual pressing device.
  • the heating of the glass blank can be done by a laser beam, by microwaves, a flat radiant heater, a diffused or focused radiant lamp heater or a hot gas flow.
  • a focusing lens having an aspherical convex surface and an acylindrical concave surface of the glass type F2 is produced as shown in FIG.
  • the total diameter of the optical lens is 6.0 mm, the free diameter of the aspherical convex surface is 5.2 mm.
  • the radius of curvature of the aspheric convex surface in the center is 5.84 mm, the radius of curvature of the acicular convex surface is -100 mm in the center, the center thickness of the lens is 2.0 mm.
  • a contour accuracy of better than 330 nm P / V is achieved with the described method, the variation of the center thickness in serial pressing is less than ⁇ 0.02 mm.
  • meniscus lenses are manufactured, diameter of the functional surface 5 mm, radius of the concave surface 5 mm, radius of the convex surface 10 mm, center thickness 1 mm.
  • the achieved contour accuracy is better than 300 nm, the variation of the center thickness is smaller than + 0.02 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen aus Glas durch Heißformen, bei der ein Glasrohling (61) in einem Raum zwischen einem oberen Pressstempel (7) und einem unteren Pressstempel (3) einbringbar ist, wobei oberer (7) und unterer (3) Pressstempel modular aufgebaut sind und jeweils wenigstens aus einem Tragkörper (21, 23) und einem den Tragkörper (21, 23) aufnehmenden Grundkörper (1, 2) bestehen, wobei an jedem Tragkörper (21, 23) eine Funktionsfläche (17, 19) ausgebildet ist, und die Vorrichtung jeweils eine getrennte Heizeinrichtung (16, 18) zum Aufheizen der Funktionsfläche (17, 19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, wobei jeweils eine die Funktionsflächen (17, 19) der Tragkörper (21, 23) im Wesentlichen radial umgebende Heizeinrichtung (16, 18) vorgesehen ist, die zur direkten Beheizung der Funktionsflächen (17, 19) dient.

Description

Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen aus Glas durch Heißformen und Herstellungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Glas durch Heißformen, d.h. Pressen oder Prägen des Glases im zähplastischen Zustand.
Es sind Vorrichtungen zum Heißformen von Glas bekannt, bei denen der Formgebungsprozess im Wesentlichen isotherm durchgeführt wird, d.h. Glas und beide Pressstempel werden im Wesentlichen auf gleiche Temperatur gebracht und auch im Verlauf des Umformvorgangs auf gleicher Temperatur gehalten. Dieser isotherme Zustand wird dadurch erreicht, dass die gesamte Umgebung des umzuformenden Glasrohlings zusammen mit beiden Formwerkzeugen mittels einer ausgedehnten Heizvorrichtung auf die Arbeitstemperatur aufgeheizt wird und nach der Umformung mittels dieser Heizvorrichtung auch wieder abgeheizt wird, d.h. mit einer bestimmten Rate auf eine niedrigere Temperatur gebracht wird. Eine solche Vorrichtung zum isothermen Heißformen mit einer gemeinsamen Heizvorrichtung für Ober- und Unterstempel und Glasrohling ist aus der US 5 346 522 und der US 6 003 339 bekannt. Eine gezielte und variable Beheizung der einzelnen Funktionsflächen während des Umformvorgangs ist bei dieser Vorrichtung nicht möglich, da die Funktionsflächen von Ober- und Unterstempel nur durch eine einzige Heizvorrichtung beheizt werden.
Auch in der DE-OS 2 639 259 ist ein Heißformungsverfahren beschrieben, bei dem isotherm gepresst wird, d.h. vor Beginn des Pressens werden der Glasrohling und die auf ihn einwirkenden Teile der Presse auf im Wesentlichen gleiche Temperaturen gebracht, und es wird in einem Endabschnitt des Pressens die Temperatur der Pressform und des darin weiter unter Druckbelastung gehaltenen Glaspresslings so allmählich abgekühlt, dass die Temperaturen der Pressform und des Glaspresslings auch beim Abkühlen im Wesentlichen gleich bleiben.
Das isotherme Pressen zeichnet sich dadurch aus, dass thermische Spannungen in den formnahen Bereichen des Glases und beim Abkühlen resultierende MikroVerschiebungen zwischen Glasoberfläche und Formoberfläche, durch die es zu Oberflächenfehlern des Glaspresskörpers kommen kann, vermieden werden.
Auch bei anderen bekannten Verfahren ähnlicher Art wird aus den dargelegten Gründen ein isothermes Pressen angewandt, so zum Beispiel nach der EP 19 342 im Temperaturbereich des American softening point (107-6 dPas) oder nach der EP 78 658.
Allerdings sind für das isotherme Pressen lange Presszeiten erforderlich, die vom Start des Verformungsvorgangs bis zur Entnahme aus der Form 10 Minuten und mehr betragen können.
Es sind andererseits auch Verfahren zum Pressen von Glasformkörpern für optische Zwecke bekannt, bei denen in herkömmlicher Weise ein genügend erhitzter Glasrohling zwischen erheblich kühleren Pressform- Funktionsflächen gepresst wird (DE-PS 397427), ohne dass auf be- stimmte Beziehungen zwischen den Temperaturen des Glasrohlings und der Pressform-Funktionsflächen geachtet worden wäre. Die auf diese Weise hergestellten gepressten Glasformkörper, insbesondere Linsen, sind für präzisionsoptische Anwendungen und bildgebende Systeme nicht geeignet und werden z.B. in der Beleuchtungsoptik für Kondensorlinsen verwendet.
Bei den neueren Verfahren wird aber gerade das Pressen von Glasformkörpern für bildgebende Optiksysteme angestrebt und die Entwicklung der Technik hat gezeigt, dass es dafür auch auf die Einhaltung bestimmter Temperaturen ankommen kann. So ist insbesondere in der schon genannten EP 78 658 ein Verfahren beschrieben, bei dem das Pressen bei einer so hohen Viskosität des Glases, d.h. bei so niedrigen Temperaturen, erfolgt, dass der Glasrohling in akzeptablen Presszeiten nur minimal verformt werden kann und deshalb schon recht genau in der für den zu fertigenden Pressform körper gewünschten Gestalt vorliegen muss. Diese Notwendigkeit, genau vorgearbeitete Glasrohlinge zu verwenden, erhöht den erforderlichen Aufwand. Die niedrigen Presstemperaturen erfordern lange Presszeiten und hohe Pressdrücke, so dass das Verfahren leicht unwirtschaftlich wird und/oder zu fehlerhaften Produkten führen kann.
Weiterhin sind nicht-isotherme Verfahren bekannt, bei denen zu Beginn des Pressvorgangs Ober- bzw. Unterstempel höhere oder niedrigere Temperaturen aufweisen als der Glasrohling. Die nicht-isothermen Prozesse können weitaus schneller durchgeführt werden, insbesondere wenn die Temperatur des Glasrohlings zu Beginn des Pressvorgangs deutlich über T9 liegt und die Temperatur des Werkzeugs niederer gehalten wird.
Bei der aus der DE 37 29 281 Al bekannten Pressform werden Unter- und Oberstempel mit separaten Heizeinrichtungen erhitzt, anschließend werden die Stempel zusammengefahren und der Pressvorgang eingeleitet, wobei während des Pressens die Temperaturen von Ober- und Unterstempel abgesenkt werden. Unterer und oberer Pressstempel sind hierbei modular aufgebaut und bestehen jeweils aus einem Tragkörper und einem den Tragkörper aufnehmenden Grundkörper. Die Aufheizung von Oberstempel und Unterstempel kann über separate Heizungen erfolgen, also je eine den Oberstempel und eine den Unterstempel zylinderförmig umgebende Heizvorrichtung. Weiterhin ist jeweils eine steuerbare Heizeinrichtung in jedem der beiden wärmeleitenden Tragkörper vorgesehen. Der Glasrohling kann sowohl über die Heizung des Tragkörpers als auch außerhalb der Pressform vorgeheizt werden.
Nachteilig an dem nicht-isothermen Pressen ist, dass es infolge überhöhter Temperaturen leicht zum Verkleben von Glas und Form und somit zu irreparablen Schäden der Form kommen kann. Nachteilig sind auch die schlechte Reproduzierbarkeit und die mangelnde Gleichmäßigkeit der Konturen der hergestellten Glasformkörper.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die nicht-isothermen Glasherstellungsverfahren und Vorrichtungen dahingehend zu verbessern, dass sich die geformten Produkte ohne Verkleben und mit gleich bleibender Qualität kostengünstig herstellen lassen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass jeweils eine die Funktionsflächen der Tragkörper im Wesentlichen radial umgebende Heizeinrichtung an jedem Tragkörper vorgesehen ist, die zur direkten Beheizung der jeweiligen Funktionsflächen dient.
Durch die direkte Beheizung der Funktionsflächen kann ein schnellerer Eintrag der erforderlichen Wärmemenge in die Formwerkzeuge erfolgen und dabei die Gefahr des Überhitzens der Funktionsflächen wirksam verhindert werden, und es werden kürzere Taktzeiten erreicht.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die radiale Anordnung der Heizung nahe der Funktionsflächen und die Ausführung derselben jeweils als separat steuerbare Heizvorrichtung für jeden Pressstempel, d.h. für den unteren Pressstempel und für den oberen Pressstempel.
Hierdurch wird ermöglicht, für die Formgebung von Glaspresslingen wie z.B. von optischen Linsen mit ungleichen Flächenkonturen auf den beiden Seiten und den daher erforderlichen ungleich großen, in vielen Fällen sogar stark asymmetrischen Umformgraden, einen unterschiedlich hohen Wärmeeintrag an beiden Funktionsflächen zu erreichen und während des Pressvorgangs entsprechend der im weiteren Verlauf noch erforderlichen Umformung gezielt zu regeln, ohne dabei die Temperaturen in den Funktionsflächen über die Grenze zum Kleben hinaus zu erhöhen.
Um eine genaue Temperaturregelung der funktionsflächennahen Heizungen zu gewährleisten, ist in jedem Tragkörper jeweils entlang der axialen Symmetrieachse nahe der Funktionsfläche ein Temperaturmesssensor eingesetzt. Hierdurch ist eine schnelle und zuverlässige Temperaturbestimmung und -regelung nahe der Funktionsfläche möglich.
Erfindungsgemäß werden die Heizvorrichtungen zur Beheizung der Funktionsflächen bzw. des zu verpressenden Glasrohlings in einem geringen Abstand von den zu erhitzenden Tragkörpern/Funktionsflächen positioniert. Unter einem geringen Abstand wird verstanden, dass der Durchmesser der rotationssymmetrischen Heizvorrichtung weniger als das Fünffache des Durchmessers der Funktionsflächen beträgt. Die Beheizung ist also nicht an der Kammerwand angebracht und somit weit entfernt von dem zu verpressenden Glas, was zu geringerem Wärmeeintrag und damit zu größeren zeitlichen Verzögerungen bei der Temperatureinstellung der Funktionsflächen führen würde.
Durch die Anordnung der Heizvorrichtungen in der Nähe der Funktionsflächen und beschränkt auf die Nähe der Funktionsflächen kann die für die Umformung erforderliche Wärmemenge schnell und sehr gezielt dem Glasrohling und den Funktionsflächen zugeführt werden, ohne dass der den jeweiligen Tragkörper aufnehmende Grundkörper insgesamt auf die in den Funktionsflächen für die Umformung des Glases erforderliche hohe Temperatur erhitzt und nach der Beendigung des Umformvorgangs auch wieder abgekühlt werden muss, um den geformten Glaspressling aus der Pressform zu entnehmen. Durch die erfindungsgemäße lokalisierte Beheizung wird die Zeitdauer für das Erhitzen und Abkühlen der Funktionsschicht im Bereich der Funktionsflächen verringert und die Prozessdauer für die einzelnen Presszyklen im Produktionsablauf dadurch erheblich verkürzt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Heizelemente wird eine direkte Beheizung der Funktionsflächen und des Glasrohlings erreicht. Die bislang erforderliche Wärmeleitung vom Grundkörper über weitere Grenz- und Kontaktflächen in den Funktionsflächenbereich und die damit verbundene große Trägheit der Beheizung und die zeitlichen Schwankungen der Temperatur der Funktionsflächen als Folge von Veränderungen der Wärmeleitungsbedingungen in den Grenz- und Kontaktflächen bei den nicht-isotherm arbeitenden Pressstempeln fallen fort und die Steuermöglichkeit der im Glas und im unmittelbaren Funktionsflächenbereich einwirkenden Wärme wird entscheidend verbessert.
Durch die erfindungsgemäße Art der Beheizung kommt es auch nicht mehr zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Verkleben der Form und zu Mängeln in der Gleichmäßigkeit und Reproduzierbarkeit. Auch die Abkühlung des gepressten Glaskörpers lässt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung zuverlässiger und mit hoher Geschwindigkeit steuern.
Vorzugsweise ist die Heizung so ausgeführt, dass eine funktionsflä- chennahe Heizung außerhalb der Tragkörper nahe deren Außenflächen diese radial umgebend angeordnet ist mit einem definierten Überstand über die Oberkante der Funktionsfläche, so dass mit dieser Heizvorrichtung gleichzeitig auch der Glasrohling beheizt wird.
Die Heizung für die Funktionsflächen/Tragkörper ist vorzugsweise eine Strahlungsheizung, insbesondere ein flächiger Heizstrahler mit großer Emissionsfläche, ein diffus oder flächig wirkender Lampenheizer, eine elektrische Widerstandsheizung oder eine heiße Gasströmung oder eine Anordnung von mehreren punktförmigen Infrarot-Strahlungsquellen.
Wichtig ist, dass der Wärmeeintrag im Wesentlichen radialsymmetrisch erfolgt, d.h. dass die Heizvorrichtungen die Funktionsfläche an dem Tragkörper wenigstens teilweise umschließen. Über die Heizeinrichtungen der Funktionsflächen kann ebenfalls eine Beheizung des Glasrohlings bewirkt werden. Zusätzlich zu der Erhitzung des Glasrohlings über die Heizungen der Funktionsflächen kann auch wenigstens eine Heizeinrichtung für den Glasrohling vorgesehen sein, die diesen ebenfalls im Wesentlichen radialsymmetrisch umgibt. Diese wenigstens eine Heizeinrichtung kann in Form eines flächigen Heizstrahlers mit großer Emissionsfläche oder einer Anordnung von mehreren punktförmigen IR-Strahlungsquellen ausgebildet sein, als Laserstrahl, durch Mikrowellen oder durch eine oder mehrere Flammen.
Weiterhin kann eine Heizeinrichtung am Grundkörper auf der Basis eines Widerstandsheizers, eines flächigen Heizstrahlers, eines diffus oder flächig fokussiert wirkenden Strahlungsheizers oder einer heißen Gasströmung vorgesehen sein.
Die Heizvorrichtungen werden während der einzelnen Presszyklen getrennt voneinander angesteuert und beheizt.
Der Tragkörper kann auch aus mehreren Teilen, beispielsweise einer Tragschicht und dem eigentlichen Tragkörper, aufgebaut sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass besonders hochwertige Glasprodukte erhalten werden, wenn bestimmte geometrische Bedingungen in Bezug auf den Aufbau und die Dimensionierung von Grund- und Tragkörper und der Größe der herzustellenden Glaslinsen erfüllt sind.
Referenzmaß ist der radiale Durchmesser des geformten Glaskörpers senkrecht zur Achse der Pressvorrichtung, der in den zugehörigen Figuren 1 und 2 mit »a« bezeichnet wird. Er bezieht sich im engeren Sinn auf den Durchmesser der optisch wirksamen Funktionsfläche der fertigen Glas-Komponente. Das Maß »a« bezeichnet den freien optischen Durchmesser der Linse, das ist der Teil der Linse, der für die optische Abbildung entscheidend ist, und für den vom Optik-Design her entsprechende Spezifikationen für die Konturgenauigkeit und Oberflächengüte gefordert werden. Dabei hat sich die Stärke der Krümmung der optischen Fläche als nahezu unerheblich herausgestellt. Bezüglich der Abmessungen des Tragkörpers werden folgende Maße bevorzugt: Der Durchmesser c des Tragkörpers in Figur 2 beträgt vorzugsweise das 1,0 bis 2,5-fache von a und die Abmessung b der funktionsflä- chennahen Heizung beträgt das 2,0 bis 5,0-fache von a. Hierdurch wird erreicht, dass der Temperaturgradient in radialer Richtung in der am Tragkörper ausgebildeten Funktionsfläche zu keiner Zeit unzulässig groß werden kann, so dass auch bei schneller Aufheizung der Funktionsflächen durch sehr großen Wärmeeintrag bei hoher Heizleistung der funkti- onsflächennahen Heizvorrichtung keine unzulässig großen Konturabweichungen und schädlich hohe Spannungen bei der Umformung des Glasrohlings entstehen können.
Die Höhe h des Tragkörpers beträgt vorzugsweise das 1,5 bis 5,0-fache von a und ermöglicht damit, die Wärmekapazität der Tragkörper auf die mit dem vorgeheizten Glasrohling in die Funktionsschicht eingetragene Wärmemenge anzupassen. Dadurch wird erreicht, dass beim ersten Kontakt weder der heiße Glasrohling zu stark abgekühlt wird, was zu Rissen in der Glasoberfläche führen kann, noch dass die Funktionsfläche zu stark erhitzt wird, was zum Kleben des Glases führen kann.
Der Überstand i des Tragkörpers über den Grundkörper beträgt vorzugsweise das 0,5 bis 2,5-fache von a, um einen ausreichenden Wärmeeintrag der funktionsflächennahen Heizung in den Tragkörper zu erreichen.
Der Überstand k der funktionsflächennahen Heizung beträgt das -0,5 bis 1,5-fache von a, zum Einstellen der effektiv auf den Glaskörper wirkenden Strahlungsfläche.
Die Höhe I der funktionsflächennahen Heizung beträgt das 1,0 bis 7,5- fache von a, damit eine ausreichende Strahlungsfläche zum Beheizen des Tragkörpers verfügbar ist.
Erfindungsgemäß ist der Aufbau des Grundkörpers so ausgeführt, dass der Durchmesser d im Übergangsbereich zwischen Grund- und Tragkörper der senkrecht zur Pressrichtung ausgebildeten Stirnfläche des Grundkörpers in einer definierten geometrischen Beziehung zur Linear- abmessung »a« der am Tragkörper gebildeten Funktionsfläche steht, nämlich derart, dass der Durchmesser d des Grundkörpers im Übergangsbereich etwa das 2 bis 10-fache der Linearabmessung der optisch wirksamen Funktionsfläche beträgt.
Bezüglich der Abmessungen des Grundkörpers werden folgende Maße bevorzugt: Die Höhe e des Grundkörpers beträgt vorzugsweise das 10 bis 40-fache von a. Hierdurch wird erreicht, dass der Temperaturgradient in axialer Richtung zwischen der am Tragkörper ausgebildeten Funktionsfläche, die für die Umformung des Glases auf eine hohe Temperatur erhitzt werden muss, und der maschinenseitigen Fläche des Grundkörpers, die auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur durch entsprechende Kühlvorrichtungen gehalten werden muss, nicht zu groß wird. Die beheizte Höhe f des Grundkörpers beträgt vorzugsweise das 3 bis 10-fache von a und der unbeheizte Überstand g des Grundkörpers beträgt das 0 bis 7-fache von a, wodurch eine angepasste Wärmesenke für die kontrollierte Abkühlung des Glaskörpers nach dem Abschluss des Umform Vorgangs erreicht wird.
Die hohe Qualität der hergestellten optischen Linsen und speziell die hohe Konturgenauigkeit der heißgeformten Glasoberflächen wird insbesondere durch geringe (flache) Temperaturgradienten in der Funktionsfläche des Tragkörpers und damit im umgeformten Glas, und zwar insbesondere in radialer Richtung, erreicht.
Der geringe Temperaturgradient in der Funktionsschicht wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Wärmeeintrag aus dem Tragkörper in die Funktionsschicht in axialer Richtung erfolgt. Durch Wärmeleitung innerhalb des Tragkörpers wird der radiale Temperaturverlauf homogenisiert.
Mit Hilfe des schnellen Eintrags der erforderlichen Wärmemengen in den Glaskörper und in die Funktionsfläche des Tragkörpers werden erfindungsgemäß kurze Taktzeiten und damit geringere Produktionskosten für die geformten optischen Glaslinsen erreicht. Damit eine hohe Oberflächengüte der heißgeformten Funktionsflächen der Glaskomponenten erzielt werden können, ist es erforderlich, Glasrohlinge mit mindestens ebenso hoher Oberflächenqualität einzusetzen.
Es wird deshalb vorzugsweise ein Glasrohling mit einer höchstmöglichen Oberflächenqualität verwendet, etwa wie sie bei ungestörtem Glas im zähflüssigen Zustand vorliegt. Eine solche höchste Oberflächenqualität kann in Ausgestaltung der Erfindung in einfacher Weise dadurch sichergestellt werden, dass man einen Glasrohling verwendet, dessen für die optisch wirksamen Flächen des Glasformkörpers vorgesehene Oberflächenbereiche durch thermisches Spalten erzeugt worden sind.
Wesentlich ist auch, dass alle Teile einschließlich des Glasrohlings vor dem Pressvorgang bestmöglich gereinigt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verfahren in einem Reinraum durchgeführt wird, in welchem ein Teilchengehalt in der Luft von unter 104 pro m3 vorliegt. Es hat sich gezeigt, dass sich dadurch das Auftreten von bisher unerklärlichen MikroFehlstellen in der Oberfläche des hergestellten Glaspresskörpers praktisch vollständig vermeiden lässt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Pressens in der Umgebung der Pressform ein Gesamtdruck von weniger als 1 Pa aufrechterhalten. Dadurch werden mögliche chemische Wechselwirkungen zwischen den bei dem Verfahren verwendeten Materialien und gasförmigen Stoffen weitgehend vermieden. Besonders zweckmäßig ist es, wenn während des Pressens in der Umgebung der Pressform ein Partialdruck an reduzierenden oder oxidierenden Gasen, insbesondere Sauerstoff, von weniger als 10"1 Pa oder vorzugsweise sogar weniger als 10"3 Pa eingehalten wird. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, dass auch reduzierende Gase störend wirken können, z.B. bei optischen Gläsern mit sehr hohen optischen Brechwerten eine Dunkelfärbung der Oberfläche durch Reduktion von Schwermetalloxiden zu metallischem Schwermetall hervorrufen können. In Untersuchungen hat sich gezeigt, dass eine gezielt nicht-isotherme Verfahrensführung wirksam dazu beiträgt, ein unerwünschtes Haften zwischen dem Glaspressling und den Funktionsflächen auszuschließen. Deshalb ist die Anwendung einer Temperaturdifferenz zwischen dem Glasrohling und der Pressform vorgesehen, wobei diese Temperaturdifferenz so bemessen ist, dass zwar das Ablösen des Glaspresslings von den Funktionsflächen der Pressform begünstigt wird, die Temperaturdifferenz aber andererseits nicht so groß ist, dass unerwünschte Inhomogenitäten in dem Glaspressling zu befürchten wären.
Hinsichtlich der Temperaturführung gilt, dass es zweckmäßig ist, zu Beginn des Pressens die Temperatur der Funktionsfläche in der Nähe der Glasübergangstemperatur T9 zu halten und den Glasrohling mit einer höheren Temperatur einzusetzen. Dies kann insbesondere beim Pressen von Glaslinsen mit großen geometrischen Unterschieden zwischen der Geometrie des Glasrohlings und der Endgeometrie des Glasformkörpers vorteilhaft sein, um eine hohe Pressgeschwindigkeit mit einer verhältnismäßig raschen Kühlung zu vereinigen. Andererseits ist es aber auch möglich, zu Beginn des Pressens die Temperatur des Glasrohlings mindestens gleich der Glasübergangstemperatur Tg zu halten und die Funktionsflächen auf eine höhere Temperatur einzustellen. Auf diese Weise kann in vielen Fällen, besonders beim Pressen bei einer hohen anfänglichen Viskosität des Glasrohlings, die Pressgeschwindigkeit erhöht werden.
Die beschriebenen besonderen Verfahrensweisen lassen sich insbesondere auch dann anwenden, wenn in der bekannten Weise der Glasrohling in einer Pressform mit zwei gegenüberliegenden Pressstempeln (die jeweils eine Funktionsfläche aufweisen) zu Beginn des Pressens auf einen der Pressstempel, meist auf den Unterstempel einer vertikal angeordneten Presse, gelegt wird. Es ist dann dementsprechend zweckmäßig, den Glasrohling zusammen mit diesem Pressstempel auf eine Temperatur zu bringen, die höher ist als die Temperatur des anderen Pressstempels. Insbesondere kann auf diese Weise die erfindungsgemäß vorgesehene Temperaturdifferenz dadurch angewandt werden, dass bei Verwendung einer Pressform mit zwei gegenüberliegenden Pressstempeln die Funktionsflächen der Pressstempel auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Es ist zweckmäßig, diese Temperaturdifferenz bis zum Ende des Pressens aufrechtzuerhalten, damit das Ablösen des Glases von den Funktionsflächen erleichtert wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die angewandten Temperaturdifferenzen auf den Viskositätsverlauf des zu pressenden Glases abgestimmt und betragen vorzugsweise mindestens 5OK.
Um die Produktionsgeschwindigkeit zu erhöhen, ist es in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn das Kühlen in der Pressform schon während der Verformung des Glases begonnen wird, und zwar vorzugsweise bereits in einer Anfangsphase des Umformvorgangs. Dies ist bei Vorliegen einer entsprechend hohen Anfangstemperatur ohne weiteres möglich. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich ist, bei sehr niedrigen Temperaturen und demgemäß hohen Glasviskositäten zu arbeiten; im Gegenteil können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren alle Vorteile bezüglich Produktionsgeschwindigkeit ausgenutzt werden, die sich aus der Wahl einer verhältnismäßig hohen Anfangstemperatur des Glasrohlings ergeben.
Das Herausnehmen des Glaspresslings aus der Pressform kann frühzeitig erfolgen, sobald der Glaspressling eine genügend hohe Gestaltfestigkeit angenommen hat. Vorzugsweise wird der Glaspressling der Pressform entnommen, wenn er zumindest in der Nähe der Funktionsfläche eine Temperatur aufweist, die einer Viskosität des Glases von mindestens IfJ13 dPas entspricht.
Die erfindungsgemäße Pressform bietet besondere Vorteile hinsichtlich der Oberflächenqualität und Gestaltgenauigkeit der damit gepressten Glasformkörper auch unabhängig von der besonderen erfindungsgemäßen Verfahrensführung. Für den wirtschaftlichen Einsatz eines Formgebungsverfahrens sind die Formgenauigkeit des Produktes und die Pressdauer von entscheidender Bedeutung. Eine niedrige Glasviskosität ermöglicht eine große Umformung des Glasrohlings bei sehr kurzer Pressdauer. Mit der Erfindung wird das Problem gelöst, dass in nachteiliger Weise Glas bei geringer Viskosität eine innige Verbindung mit dem Formwerkzeug eingeht und an der Formenoberfläche anklebt, so dass sich Werkzeug und Werkstück nicht mehr störungsfrei oder in wirtschaftlich zweckmäßiger Zeit trennen lassen. Die Erfindung erlaubt die Temperatur der Kontaktfläche in der Funktionsschicht so zu steuern, dass kein Kleben auftritt.
Die Abweichung der durch dieses Verfahren erzeugten Kontur der optisch wirksamen Oberfläche von der Sollkontur ist direkt abhängig von der Schließzeit bzw. Haltedauer des Glaspresslings in der Pressform. Das Diagramm in Figur 3 zeigt die Abhängigkeit der Abweichung der Oberflächenkontur gepresster Linsen von der Sollkontur der Linsen als Funktion der Formenschließzeit (Haltedauer) für einen gewählten Parametersatz (Formentemperaturen, Glastemperatur, Mittendicke der Glaslinsen, etc.).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Glasformkörpers für präzisionsoptische, insbesondere abbildende Zwecke, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Glasrohling eingesetzt, der bezüglich der gewünschten Gestalt des herzustellenden Glasform körpers unbearbeitet ist und zumindest in den zur Bildung von optisch wirksamen Flächen dienenden Bereichen eine hohe Oberflächenqualität mindestens etwa entsprechend einer Feuerpolitur aufweist. Dabei wird der Glasrohling bei einer zum Pressen ausreichend hohen Temperatur in der Pressform gepresst und der hergestellte Glaspressling in der Pressform bis zum Erreichen einer ausreichenden Gestaltfestigkeit abgekühlt, dann aus der Pressform entnommen und durch Feinkühlen zu dem Glasformkörper fertig gestellt, wobei die heiße Pressform in einer Schutzgasatmosphäre oder Vakuum gehalten wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beispielsweise optische Linsen für abbildende Optiken oder Beleuchtungsoptiken mit refrak- tiven sphärischen, asphärischen oder Freiform-Konturen, sowie Optikkomponenten mit diffraktiven Oberflächen oder mit einer Kombination aus refraktiven und diffraktiven Flächen, wie Bauteile für Endoskope, für Projektionssysteme und Bauteile zur Strahlformung bei Lasern sowie für Lichtlenkungs- und -Verteilungssysteme und ebenso Komponenten, die als Abstandshalter, Justierelemente, Verkapselungen, Sensoren, Fluid- führungssysteme, gegebenenfalls unter Anwendung eines Füge- oder auch Lötprozesses aus mehreren Einzelkomponenten dienen, herstellen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung der Pressform im Schnitt,
Figur 2 eine Teilansicht der Pressform mit den eingezeichneten geometrischen Größen a - I,
Figur 3 die Abhängigkeit der Abweichung der Oberflächenkontur ge- presster Linsen von der Sollkontur der Linsen als Funktion der Formenschließzeit und
Figur 4 Angaben zur Herstellung einer Fokussierlinse.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Pressform mit einem Unterstempel 3 und einem relativ dazu entlang einer vertikalen Achse 5 bewegbaren Oberstempel 7. Die Stempel 3, 7 umfassen jeweils einen Grundkörper 1, 2 und einen Tragkörper 21, 23. Aufeinander ausgerichtete dünne Funktionsschichten 9 bzw. 11 sind auf den Tragkörpern 21, 23 fest haftend aufgebracht. Diese bilden an ihren Außenflächen Funktionsflächen 17 bzw. 19, die der Oberflächengüte der optisch wirksamen Flächen und der Gestalt eines herzustellenden Glaspresskörpers unter Berücksichtigung der Wärmedehnungen entsprechen. Die Tragkörper 21 bzw. 23, die aus einem wärmeleitenden Material wie einem Metall oder einer Keramik bestehen, sind in Ausnehmungen der Grundkörper 1 bzw. 2 befestigt.
Die Funktionsflächen 17, 19 sind radial von jeweils einer Heizeinrichtung 16, 18 umgeben. Die Heizeinrichtungen 16, 18 dienen zur direkten Be- heizung der Funktionsflächen 17, 19 insbesondere über Strahlungstransport.
In einem jeden Tragkörper 21, 23 ist entlang der Achse 5 zentro- symmetrisch (auf der Achse 5) nahe der Funktionsschicht 9, 11 ein Temperaturmesssensor 29, 31 vorgesehen.
Weiterhin ist eine radial den Glasrohling 61 umgebende Heizeinrichtung 20 vorgesehen, die der direkten Beheizung des Glasrohlings 61, insbesondere mittels Strahlungstransport dient.
Damit eine hohe Oberflächenqualität auf den gepressten Glasformkörpern erzielt wird, bestehen die Tragkörper 21, 23 aus strukturarmem Material, das amorph oder monokristallin oder polykristallin mit einer Korngröße kleiner als 0,5 Mikrometer ist. Auf diese Oberflächenbereiche 57 bzw. 59 sind Funktionsschichten 9 und 11 als unstrukturierte Dünnschichten aufgebracht, z.B. durch reaktives Sputtern, und haben eine gleichmäßige Dicke von unter 5 Mikrometer, z.B. 4 Mikrometer, und eine Rauheit von weniger als 0,1 Mikrometer, so dass die Funktionsflächen 17 und 19 genau die Gestalt der unterliegenden Oberflächenbereiche 57 bzw. 59 haben, jedoch etwaige vom Polieren verbliebene Mikro- Oberflächenfehler der Oberflächenbereiche 57 und 59 geglättet werden.
Die Funktionsschicht besteht aus einer keramischen Hartstoffschicht, die neben metalloiden Substanzen vorzugsweise Stickstoff enthält.
Auf den Außenseiten der Pressstempel 3 und 7 sind zusätzlich Heizeinrichtungen 33 bzw. 35, beispielsweise elektrische Heizdrähte, Induktionsheizeinrichtungen oder dergleichen, angeordnet.
Die Pressform ist in einem Gehäuse 45 angeordnet, das über Leitungen 47, 49 evakuiert oder mit einer beliebigen Gasatmosphäre gefüllt oder gespült werden kann. Das Gehäuse 45 ist in einem Reinraum 51 angeordnet, der über eine Schleuse 53 zugänglich ist. Eine Be- und Entlüftung 55 sorgt dafür, dass in dem Reinraum 51 Luft einer gewünschten Freiheit von Teilchen-Verunreinigungen, insbesondere weniger als 104 Teilchen pro m3, vorliegt. Die unter den Funktionsschichten 9 und 11 liegenden Oberflächenbereiche 57 bzw. 59 der Trag körper 21, 23 sind möglichst genau und mit möglichst hoher Oberflächenqualität entsprechend den optisch wirksamen Flächen des herzustellenden Glaspresskörpers geformt, z.B. in der üblichen Weise durch Schleifen und Polieren.
Die Durchführung des Verfahrens kann entweder mit einem relativ kalten Glasrohling 61 erfolgen (Variante 1) oder mit einem in einer speziellen Vorrichtung vorgeheizten Glasrohling 61 (Variante 2).
Bei der Verfahrensvariante 1 wird der kalte Glasrohling 61 auf das heiße Formwerkzeug aufgelegt und nach einer Liegezeit von 5 bis 300 s, während der das Glas in der Form auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird, umgeformt.
Zur Durchführung des Verfahrens nach Variante 1 werden die funktions- flächennahen Heizungen 16, 18 der Tragkörper 21, 23 gleichzeitig auch zur Erhitzung des Glasrohlings 61 genutzt.
Hierbei kann die funktionsflächennahe Heizung 16, 18 in Form eines flächigen Heizstrahlers, eines diffus oder flächig fokussiert wirkenden Lampenheizers oder einer heißen Gasströmung ausgeführt sein.
Als Heizung 33, 35 der Grundkörper 1, 2 kann ein Widerstandsheizer, ein flächiger Heizstrahler, ein diffus oder flächig fokussiert wirkender Lampenheizer oder eine heiße Gasströmung vorgesehen sein.
Die Heizeinrichtung 20 des Glasrohlings 61 kann durch einen Laserstrahl, durch Mikrowellen, durch fokussiert wirkende Lampenheizer oder eine heiße Gasströmung oder eine oder mehrere Flammen ausgeführt sein.
Bei der Verfahrensvariante 2 wird der Glasrohling 61 zunächst in einer separaten Heizvorrichtung auf eine Temperatur T3 erwärmt, die zwischen der unteren Grenztemperatur des Formgebungsintervalls Tl und der oberen Grenztemperatur des Formgebungsintervalls T2 liegt, wobei die Grenztemperaturen abhängig sind vom Temperaturverlauf der Viskosität der jeweils gewählten Glasart. Der vorgeheizte Glasrohling 61 wird mittels eines Transfersystems zur eigentlichen Pressvorrichtung verbracht und nach einer Liegezeit von 0 s bis 300 s umgeformt. Zur Durchführung des Verfahrens nach Variante 2 ist zusätzlich außerhalb der eigentlichen Pressvorrichtung eine Vorformlingsheizung vorhanden, in der der Vorformling auf eine Temperatur T3 zwischen Tl und T2 erwärmt werden kann. Von der Vorformlingsheizung wird der Vorformling mittels eines Transfersystems zur eigentlichen Pressvorrichtung verbracht.
Die Heizung des Glasrohlings kann durch einen Laserstrahl, durch Mikrowellen, einen flächigen Heizstrahler, einen diffus oder fokussiert strahlenden Lampenheizer oder eine heiße Gasströmung erfolgen.
Herstellung einer Fokussierlinse
Mittels dem beschriebenen Verfahren in der beschriebenen Vorrichtung wird eine Fokussierlinse mit einer asphärischen Konvexfläche und einer azylindrischen Konkavfläche aus der Glasart F2 gemäß der Abbildung in Figur 4 hergestellt.
Der Gesamtdurchmesser der optischen Linse beträgt 6,0 mm, der freie Durchmesser der asphärischen Konvexfläche beträgt 5,2 mm. Der Krümmungsradius der asphärischen Konvexfläche im Zentrum beträgt 5,84 mm, der Krümmungsradius der azylindrischen Konvexfläche beträgt -100 mm im Zentrum, die Mittendicke der Linse beträgt 2,0 mm. Bei einer Umformdauer von 15 - 2O s wird mit dem beschriebenen Verfahren eine Konturgenauigkeit von besser als 330 nm P/V erreicht, die Variation der Mittendicke bei Serienpressungen ist kleiner als ±0,02 mm.
Herstellung einer Meniskuslinse
Mittels der beschriebenen Vorrichtung werden Meniskuslinsen hergestellt, Durchmesser der Funktionsfläche 5 mm, Radius der konkaven Fläche 5 mm, Radius der konvexen Fläche 10 mm, Mittendicke 1 mm. Die erreichte Konturgenauigkeit ist besser als 300 nm, die Variation der Mittendicke ist kleiner als + 0,02 mm.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung von Gegenständen aus Glas durch Heißformen, bei der ein Glasrohling (61) in einem Raum zwischen einem oberen Pressstempel (7) und einem unteren Pressstempel (3) einbringbar ist, wobei oberer (7) und unterer (3) Pressstempel modular aufgebaut sind und jeweils wenigstens aus einem Tragkörper (21, 23) und einem den Tragkörper (21, 23) aufnehmenden Grundkörper (1, 2) bestehen, wobei an jedem Tragkörper (21, 23) eine Funktionsfläche (17, 19) ausgebildet ist, und die Vorrichtung jeweils eine getrennte Heizeinrichtung (16, 18) zum Aufheizen der Funktionsfläche (17, 19) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine die Funktionsflächen (17, 19) der Tragkörper (21, 23) im Wesentlichen radial umgebende Heizeinrichtung (16, 18) vorgesehen ist, die zur direkten Beheizung der Funktionsflächen (17, 19) dient.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (16, 18) auf die Nähe der Funktionsflächen (17, 19) beschränkt ist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine den Glasrohling (61) im Wesentlichen radial umgebende Heizeinrichtung (16, 18, 20) vorgesehen ist, die zur direkten Beheizung des Glasrohlings (61) dient.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (16, 18, 20) in einem geringen Abstand von den zu erhitzenden Tragkörpern (21, 23) positioniert ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in den Tragkörpern (21, 23), insbesondere in der Achse (5) nahe der Funktionsflächen (17, 19), Temperaturmessvorrichtungen (29, 31) vorgesehen sind.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (16, 18, 20) eine Strahlungsheizung, insbesondere ein flächiger Heizstrahler mit Emissionsflächen, ein diffus oder flächig wirkender Lampenheizer, oder eine elektrische Widerstandsheizung oder eine Anordnung von mehreren punktförmigen Infrarot-Strahlungsquellen ist oder eine heiße Gasströmung, ein Laserstrahl, Mikrowellen oder eine oder mehrere Flammen ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtungen (16, 18, 20) während des Presszykluss getrennt voneinander ansteuerbar und beheizbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser c des Tragkörpers (21, 23) das 1,0 bis 2,5-fache des freien optischen Durchmessers a des geformten Glaskörpers (61) beträgt.
9. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung b der funktionsflä- chennahen Heizung (16, 18) das 2,0 bis 5,0-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt.
10. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe h des Tragkörpers (21, 23) das 1,5- bis 5,0-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt.
11. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand i des Tragkörpers (21, 23) über den Grundkörper (1, 2) das 0,5 bis 2,5-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt.
12. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überstand k der funktionsflä- chennahen Heizung (16, 18) das -0,5 fache bis 1,5-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt.
13. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe I der Heizvorrichtung (16, 18) das 1,0 bis 7,5-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt.
14. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d im Übergangsbereich zwischen Grundkörper ( 1, 2) und Tragkörper (21, 23) der senkrecht zur Pressrichtung ausgebildeten Stirnfläche (40, 42) des Grundkörpers (1, 2) das 2 bis 10-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt.
15. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe e des Grundkörpers (1, 2) das 10 bis 40-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt. lö.Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizte Höhe f des Grundkörpers (1, 2) das 3 bis 10-fache und der unbeheizte Überstand g des Grundkörpers (1, 2) das 0 bis 7-fache des freien optischen Durchmessers a der Linse (61) beträgt.
17.Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung im Presszyklus über voneinander getrennt ausgebildete Heizvorrichtungen (16, 18, 20) erfolgt.
18. Heißformverfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Glas mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nicht-isotherm durchgeführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Funktionsflächen (17, 19) zu Beginn des Pressens in der Nähe der Glasübergangstemperatur TG gehalten wird und der Glasrohling (61) mit einer höheren Temperatur eingesetzt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Glasrohlings (61) zu Beginn des Pressens mindestens gleich der Glasübergangstemperatur TG ist und die Funktionsflächen (17, 19) auf eine höhere Temperatur eingestellt sind.
21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Glasrohling zunächst in einer separaten Heizvorrichtung auf eine Temperatur T3 erwärmt wird, die zwischen der unteren Grenztemperatur des Formgebungsintervalls Tl und der oberen Grenztemperatur des Formgebungsintervalls T2 liegt, wobei die Grenztemperaturen abhängig sind vom Temperaturverlauf der Viskosität der jeweils gewählten Glasart, der vorgeheizte Glasrohling mittels eines Transfersystems zur eigentlichen Pressvorrichtung verbracht und nach einer Liegezeit von 0 s bis 300 s umgeformt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21 zur Herstellung von optischen Komponenten aus anorganischen Gläsern für präzisionsoptische und/oder bildgebende Systeme.
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