WO2025201936A1 - Herstellungssystem und verfahren zur hochtemperaturumformung von glasrohlingen zur herstellung von optischen linsen - Google Patents

Herstellungssystem und verfahren zur hochtemperaturumformung von glasrohlingen zur herstellung von optischen linsen

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WO2025201936A1
WO2025201936A1 PCT/EP2025/057167 EP2025057167W WO2025201936A1 WO 2025201936 A1 WO2025201936 A1 WO 2025201936A1 EP 2025057167 W EP2025057167 W EP 2025057167W WO 2025201936 A1 WO2025201936 A1 WO 2025201936A1
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WO
WIPO (PCT)
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temperature
chamber
forming
glass
temperature chamber
Prior art date
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Application number
PCT/EP2025/057167
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulf Reinhardt
Pascal Jost
Paul-Alexander VOGEL
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Vitrum Technologies GmbH
Original Assignee
Vitrum Technologies GmbH
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/0013—Re-forming shaped glass by pressing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/0086—Heating devices specially adapted for re-forming shaped glass articles in general, e.g. burners
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B23/00—Re-forming shaped glass
    • C03B23/0093—Tools and machines specially adapted for re-forming shaped glass articles in general, e.g. chucks
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B2215/00—Press-moulding glass
    • C03B2215/40—Product characteristics
    • C03B2215/46—Lenses, e.g. bi-convex

Definitions

  • the invention relates to a manufacturing system and a method for high-temperature forming of glass blanks, preferably quartz glass blanks, in particular for the production of lenses, preferably optical lenses.
  • Manufacturing systems for high-temperature forming of glass blanks are generally known. Glasses with a high forming temperature cannot be formed using conventional forming methods, or can only be formed to a limited extent, because the temperature resistance of the machine technology is insufficient. Furthermore, the cycle time and tool wear can be excessive. Many glasses can be formed at a forming temperature below 800°C.
  • glasses with a high forming temperature examples include high-temperature glasses, such as quartz glass and ceramics.
  • the forming temperature of such glasses is typically in the range between 1,400°C and 1,700°C. Due to the high forming temperatures of such glasses, they are still not manufactured on an industrial scale by forming, but rather by conventional manufacturing processes.
  • a glass blank is subjected to grinding and polishing processes until it achieves a predetermined shape and predetermined surface properties.
  • the grinding and polishing processes required for this process require complex process kinematics, which is complex due, among other things, to the punctual intervention during processing.
  • the machine tools required for this are cost-intensive, and the production time is long.
  • the individual process steps require intermediate cleaning of the glass.
  • the glass blank When using single-station glass presses, the glass blank is heated to the forming temperature and then formed within a bell jar.
  • the glass blank, the forming tool, and the bell jar are heated externally by radiation and secondarily by convection.
  • This type of bell jar is made from a high-temperature glass. Since the required forming temperatures of the glass blank can reach or exceed the softening temperature of the bell jar, this approach is not suitable for high-temperature forming, for example, of quartz glass. While the use of cooling systems allows for cooling of the bell jar, this cooling is generally not sufficient to prevent softening of the bell jar at forming temperatures well above 1,000°C.
  • a further disadvantage of single-station glass presses is that they require time-consuming heating and subsequent cooling. The cycle time of single-station glass presses is therefore in the range of, for example, 20 to 30 minutes. Furthermore, energy efficiency is low due to heating and cooling.
  • furnaces have a A closed heating zone is thermally isolated from the environment by thermal insulation.
  • the thermal insulation typically consists of thick insulating layers made of ceramics or flint.
  • Such furnaces have a high thermal mass, which leads to a long heating and cooling rate. At the same time, this high thermal mass results in good temperature stability of the furnace, allowing the glass produced to be of high quality.
  • the heating elements used in such furnaces are typically made of molybdenum, molybdenum disilicide, tungsten, or graphite. Since the heating elements often have to reach temperatures of more than 1,800°C to provide the required heat output, a controlled atmosphere must be created within the furnace. For this reason, the furnace chamber is usually gas-tight.
  • the entire forming process chain is essentially replicated within the batch furnace. First, the glass blank is moved into the cooled batch furnace and, as a next step, tempered there, thus implementing a preheating process. The glass blank is then heated to the forming temperature and formed. The cooling process then takes place in the batch furnace. Both preheating and cooling must take place within the batch furnace, as a glass blank at a high temperature cannot be moved separately, as this would lead to contamination and possibly deformation.
  • the invention is based on the finding that a further optimization of batch furnaces with regard to their cycle time and a further optimization of Transfer machines are not effective with regard to the maximum forming temperature.
  • the invention was further based on the discovery that a clever combination of transfer machine and batch furnace approaches makes high-temperature forming of glass blanks possible on an industrial scale.
  • a clever combination of transfer machine and batch furnace approaches makes high-temperature forming of glass blanks possible on an industrial scale.
  • Within the tempering chamber in the manner of a transfer machine, efficient preheating of the glass blank and efficient cooling of the formed glass blank are possible.
  • the cycle time can be reduced significantly.
  • the inventors discovered that the glass blank only needs to remain within the high-temperature chamber for a few minutes for tempering and forming. This allows the cycle time to be reduced from several hours to just a few minutes.
  • the manufacturing system comprises the tempering chamber for tempering the glass blank below the forming temperature of the glass blank.
  • the glass blanks can be moved through the tempering chamber in a horizontal feed direction.
  • the tempering chamber preferably has one, two, or more preheating stations. Furthermore, it is preferred that the tempering chamber has one, two, or more cooling stations. In the context of glass forming, a cooling station is understood in particular to mean that, although it cools the glass to a lower temperature, it also has heating elements.
  • the preheating and/or cooling stations can, in particular, have heating cartridges, which are, for example, electrically operated.
  • the tempering chamber is particularly arranged and designed to temper the glass blanks to a temperature of up to 800°C, preferably up to 1,000°C.
  • the tempering chamber can have insulation known from transfer machines.
  • the tempering chamber is particularly designed to be substantially fluid-tight.
  • the tempering chamber preferably comprises an inlet lock for loading the production system with glass blanks and/or an outlet lock for removing the formed glass blanks from the production system.
  • the formed glass blanks are, in particular, glass products, for example, optical lenses.
  • the manufacturing system further comprises the high-temperature chamber with the heating unit.
  • the high-temperature chamber and the heating unit are arranged and designed to temper the glass blank to the forming temperature, wherein this forming temperature is in particular more than 1,400°C.
  • the heating unit is therefore in particular arranged and designed to enable such tempering.
  • the heating unit generally comprises heating elements that can be tempered to a higher temperature than the forming temperature so that the glass blank itself can be tempered to the forming temperature.
  • the high-temperature chamber is in particular arranged and designed to be accessible during ongoing operation of the manufacturing system, in particular at a temperature of more than 1,400°C.
  • the heating unit preferably comprises graphite, tungsten, molybdenum, and/or molybdenum disilicide, in particular heating elements made of or containing these materials.
  • the heating unit can also be designed inductively.
  • the high-temperature chamber is preferably fluid-tight, so that a predefined atmosphere can be formed within the high-temperature chamber. This is particularly necessary, taking into account the temperatures prevailing in the high-temperature chamber, in order to avoid or reduce undesired chemical reactions, particularly in the heating unit.
  • the high-temperature chamber and the tempering chamber are connected in a fluid-tight manner. This ensures that the high-temperature chamber is not damaged by oxidation, particularly by oxygen ignition, and that the glass blank is not contaminated when the glass blank is moved from the tempering chamber to the high-temperature chamber.
  • the fluid-tight connection between the temperature control chamber and the high-temperature chamber be provided outside of any thermal insulation of the high-temperature chamber and/or the temperature control chamber, so that the fluid-tight seal is exposed to lower temperatures.
  • conventional sealing elements for example, designed for temperatures between 20°C and 500°C, can be used.
  • the transfer opening through which the glass blanks can be moved, is located between the tempering chamber and the high-temperature chamber.
  • the transfer opening is dimensioned such that pressing tools can be moved through it.
  • the manufacturing system further comprises the forming device, which is arranged and designed to move the glass blank from the tempering chamber through the transfer opening into the high-temperature chamber with a vertical movement.
  • the forming device can, for example, have a lower punch, the arrangement surface of which is located substantially on the same plane as the arrangement surfaces of the stations in the tempering chamber, at least in an initial situation. After the glass blank has been pressed, in particular with a pressing tool, onto the Once the die has been arranged on the arrangement surface of the forming device or the punch, it can be moved upwards in a vertical direction and thus moved through the transfer opening into the high-temperature chamber.
  • the forming device is arranged and configured to form the glass blank in the high-temperature chamber. This forming takes place, in particular, after the glass blank has been tempered to the forming temperature, in particular more than 1,400°C.
  • the forming device is arranged and configured, in particular, to move the glass blank back into the tempering chamber with a vertical movement after the forming process.
  • the vertical movement can ideally be vertical or inclined to a vertical line. This inclination can be, for example, +/- 30°, +/- 20°, or +/- 10°.
  • a vertical movement is understood to mean a movement that encloses an angle with the horizontal feed direction, in particular a 90° angle. This ensures that the glass blank is temporarily separated from the main movement of the glass blanks in the tempering chamber into the high-temperature chamber.
  • the vertical movement can also be horizontal, but encloses an angle of, for example, 90° with the horizontal feed direction.
  • the forming device has a pressing axis and the vertical movement is aligned parallel, in particular coaxially, with the pressing axis.
  • the glass blank is arranged within a pressing tool and that the glass blank is moved with the pressing tool through the tempering chamber, into the high-temperature chamber and formed in the high-temperature chamber.
  • the glass blank is movable with a main movement from an inlet to an outlet through the tempering chamber
  • the tempering chamber comprises a preheating section adjacent to the inlet, a cooling section adjacent to the outlet and a cooling section between the preheating section and the Cooling section provided transfer section
  • the forming device is arranged and designed to move the glass blank from the transfer section into the high-temperature chamber.
  • the preheating section and the cooling section preferably each have at least one preheating station and one cooling station. At these stations, the glass blank is arranged on an arrangement surface, in particular by means of the pressing tool.
  • the forming device in the transfer section also has an arrangement surface. In particular, these surfaces are arranged in one plane.
  • the main movement with which the glass blanks are moved through the tempering chamber is preferably discontinuous.
  • the glass blank is first transferred to a first preheating station, remains there for a predetermined period of time, and is then transferred to the next station, such as the transfer section. From there, the glass blank is moved into the high-temperature chamber, where it is further tempered, formed, and moved back to the transfer section and transferred to the subsequent cooling station.
  • These processes are preferably synchronized so that a discontinuous main movement can be determined for all glass blanks arranged within the production system.
  • the inlet lock mentioned above is located specifically at the inlet.
  • the outlet lock mentioned above is located specifically at the outlet.
  • the arrangement of the glass blanks in the tempering chamber is significantly simpler than in high-temperature chambers, since the temperature here is many times lower.
  • the preheating section preferably has one, two, or more preheating stations, which preferably also have heating blocks with heating cartridges. Thus, sequential temperature control occurs, with the temperature increasing from station to station.
  • the cooling section preferably has one, two, or more cooling stations, which preferably also have heating blocks with heating cartridges. With more than one cooling station, the temperature decreases from station to station.
  • the transfer section is designed to be thermally decoupled from the preheating section and/or the cooling section, so that heat transfer from the high-temperature chamber and/or the transfer section to the preheating section and/or the cooling section is reduced.
  • the thermal decoupling of the transfer section from the preheating section and/or the cooling section can be achieved, in particular, by means of a lock, in particular a convection lock. Since heat transfer from the high-temperature chamber to the tempering chamber occurs during the movement of the glass blank between the tempering chamber and the high-temperature chamber, it is preferable to thermally decouple the transfer section provided below the high-temperature chamber from the preheating section and the cooling section, so that heat does not reach the preheating section and the cooling section. This increases the energy efficiency of the production system, and the preheating section and the cooling section enable defined temperature control.
  • a preferred development of the production system is further characterized in that the high-temperature chamber is arranged vertically above the tempering chamber and preferably vertically above the transfer section, and the tempering chamber and the high-temperature chamber are mounted to one another in a floating manner, in particular in the horizontal direction.
  • a further preferred embodiment of the production system is characterized in that the forming device is arranged and designed to partially close the transfer opening during the vertical movement, so that a gap is formed between the chambers in order to compensate for thermal expansion and/or to reduce heat losses.
  • Such a forming device reduces heat transfer through the gap between the high-temperature chamber and the tempering chamber. This enables a more constant and/or homogeneous temperature distribution in the high-temperature chamber. At the same time, the remaining gap between the high-temperature chamber and the tempering chamber allows for thermal expansion as well as chemical and physical processes.
  • the gap preferably has a cross-section that is many times smaller than the cross-sectional area of the transfer opening. In order to at least partially close the transfer opening during the vertical movement and in particular during the forming process, the forming device preferably has a collar on the punch and/or shielding plates.
  • the high-temperature chamber is surrounded by thermal insulation which is arranged and designed to thermally insulate the high-temperature chamber from an environment, and the thermal insulation is surrounded by a fluid-tight housing which is arranged and designed to reduce or prevent fluid exchange between the high-temperature chamber and the environment.
  • the thermal insulation is preferably multi-layered.
  • the layers of the multi-layer insulation are preferably arranged so that they can move relative to one another. It is particularly preferred that the multi-layer insulation be shaded in the area of the transfer opening.
  • the multi-layer insulation preferably does not completely surround the high-temperature chamber in order to keep the transfer opening clear.
  • the thermal insulation is designed to prevent or reduce heat transfer from the high-temperature chamber to the environment of the High-temperature chamber.
  • the high-temperature chamber has a fluid-tight housing.
  • the fluid-tight housing is, in particular, designed to be gas-tight.
  • Fluid-tight or gas-tight means, in particular, that they are essentially fluid-tight or gas-tight, since 100 percent fluid-tightness is not possible at the temperatures prevailing here.
  • the thermal insulation has an insulation opening on an upper side of the high-temperature chamber, which is arranged and designed to guide the forming device, in particular an upper forming unit, through, wherein the insulation opening is closed with an insulation cover consisting of or comprising insulation material, preferably the same insulation material as the thermal insulation, wherein the insulation cover preferably has an insulation passage which is arranged and designed to guide a punch of the upper forming unit through.
  • the manufacturing system it is arranged and configured to create a protective gas atmosphere within the temperature control chamber and/or the high-temperature chamber.
  • the temperature control chamber and/or the high-temperature chamber have corresponding locks at the inlets and outlets.
  • the housings of the high-temperature chamber and/or the temperature control chamber are designed to be substantially fluid-tight.
  • the temperature control chamber and/or the high-temperature chamber have a protective gas supply.
  • the protective gas can, in particular, be argon.
  • a further preferred embodiment of the production system comprises a protective gas unit which is arranged and designed to fill the temperature control chamber and/or the high-temperature chamber with a protective gas, wherein a protective gas atmosphere formed by means of the protective gas in the temperature control chamber and/or the high-temperature chamber has an overpressure, so that fluid ingress from the environment into the temperature control chamber and/or the high-temperature chamber is reduced or prevented in order to This is to avoid contamination of the glass blank and to prevent unwanted chemical processes in the high-temperature chamber. Oxidation of the heating elements and other components such as the pressing tools must be avoided in particular. Otherwise, graphite, for example, can self-ignite in contact with oxygen at temperatures above approximately 600°C.
  • the manufacturing system has one, two or more pressure relief valves for the controlled discharge of the protective gas, in particular to specifically cool and/or to specifically adjust an overpressure in the tempering chamber and/or the high-temperature chamber.
  • the protective gas unit is arranged and designed to provide a protective gas supply on an upper side of the high-temperature chamber.
  • the pressure relief valve(s) are arranged on an underside of the tempering chamber, in particular of the transfer section.
  • the protective gas supply is set up by means of the forming device, so that the forming device is additionally cooled by means of the protective gas. Furthermore, the pressing tool and/or the glass blank can thus be cooled if necessary.
  • the upper and/or lower forming unit be cooled. This cooling can be achieved, in particular, by means of the protective gas. Since the upper forming unit constantly remains in the high-temperature chamber and the lower forming unit is moved in and out of the high-temperature chamber, separate cooling of the upper and lower forming units may be advisable in order to cool them as required.
  • the protective gas is preheated, in particular by means of the protective gas unit. Furthermore, the protective gas can be preheated by using the protective gas in the preheating section. Furthermore, the hot protective gas from the high-temperature chamber can be used in the cooling area.
  • the forming device has a lower forming unit and an upper forming unit, the lower forming unit is arranged and designed to form the vertical movement, in particular to move the glass blank from the transfer section into the high-temperature chamber.
  • the lower forming unit and the upper forming unit each have distal ends that protrude into the high-temperature chamber or are movable into the high-temperature chamber. At the distal ends, the lower forming unit and/or the upper forming unit has a flange that is particularly arranged and configured to cooperate with a pressing tool.
  • the second vertical movement is preferably directed vertically downward.
  • the second vertical movement is preferably directed vertically upward.
  • the upper and lower forming units are particularly arranged and configured such that their pressing axes are aligned parallel, preferably coaxially.
  • the second vertical movement allows the vertical position of the glass blank within the temperature chamber to be changed during forming. Since vertically adjacent temperature zones can be formed in the high-temperature chamber, the temperature can be varied during forming, thereby achieving advantageous physical and/or chemical effects during forming.
  • the high-temperature chamber and the heating unit are arranged and designed to maintain a constant temperature within the high-temperature chamber during normal operation.
  • a constant temperature is understood in particular to mean that there is no deliberate heating up and/or down, for example, to carry out preheating and/or cooling processes.
  • the temperature within the high-temperature chamber will fluctuate within certain ranges due to the regular movement of the glass blank in and out.
  • a constant temperature is understood to be a temperature that remains constant over time. By maintaining a constant temperature within The energy efficiency of the production system is increased by the high-temperature chamber, and in particular by avoiding regular heating and cooling cycles.
  • a constant temperature can also be achieved in high-temperature chambers that, for example, have two or more temperature layers, as explained below.
  • the heating unit is arranged and designed to form a temperature profile in the high-temperature chamber, so that the glass blank can be tempered depending on a position in the high-temperature chamber in order to set a predetermined temperature profile in the glass blank by means of an entry speed of the forming device.
  • the temperature profile preferably has two or more vertically adjacent temperature layers.
  • the temperature layer adjacent to the transfer opening has a lower temperature than the temperature layers provided above this temperature layer.
  • the heating unit forms two or more heating zones within the high-temperature chamber, wherein the heating zones are formed by separate heating elements. It is preferred that each heating element forms a heating zone. Furthermore, it may be preferred that two or more heating elements form a heating zone.
  • two or more heating zones be formed vertically adjacent to one another. Two or more heating zones, in particular two or more vertically adjacent heating zones, create an advantageous temperature profile in the high-temperature chamber. It is further preferred that the heating elements be arranged offset from one another in the horizontal direction. It is particularly preferred that the heating elements extend further into the high-temperature chamber in an upper region than in a lower region. Thus, the heating elements radiate less energy to one another, and wear is reduced.
  • the manufacturing system comprises a control unit arranged and configured to control the movement and/or speed and/or forming force of the forming device, wherein the vertical movement is preferably controlled such that the glass blank is tempered according to a predefined temperature curve.
  • the high-temperature chamber preferably has a lower temperature in a lower region, so that by slowly moving it in, heating is initially carried out at a lower temperature than in the middle or upper region.
  • control unit is configured to adjust the vertical position of the glass blank during forming according to a predefined movement pattern by controlling the forming device, preferably the upper and lower forming units.
  • the temperature can be adjusted during forming, thereby achieving positive physical and/or chemical effects.
  • control unit is configured to control the heating unit such that the temperature within the high-temperature chamber remains constant.
  • a control unit configured in this way may, but need not, have the functions described above for controlling the forming, movement, and/or speed.
  • the object mentioned at the outset is achieved by a method for the high-temperature forming of glass blanks, preferably glass blanks made of quartz glass, in particular for the production of lenses, preferably with a production system according to one of the preceding described embodiments, in particular optical lenses, comprising the steps of: tempering the glass blank below a forming temperature within a tempering chamber through which the glass blank is moved in a horizontal feed direction, in particular a discontinuous feed direction, vertically moving the glass blank from the tempering chamber into a high-temperature chamber fluid-tightly connected to the tempering chamber and tempering the glass blank to a forming temperature and forming the glass blank within the high-temperature chamber.
  • the vertical movement of the glass blank from the tempering chamber into a high-temperature chamber fluid-tightly connected to the tempering chamber occurs, in particular, during a time period in which the other glass blanks within the tempering chamber are not moving.
  • these additional glass blanks can be arranged in a preheating section and/or a cooling section on a preheating station and/or a cooling station.
  • it comprises the step or steps: vertically moving the formed glass from the high-temperature chamber into the tempering chamber and preferably horizontally moving the formed glass into a cooling section.
  • it comprises the step or steps: setting a constant temperature within the high-temperature chamber, and/or setting local temperature gradients, in particular along a vertical axis within the high-temperature chamber.
  • Figures 1 to 3 schematic, two-dimensional views of an exemplary embodiment of a manufacturing system in different states of the forming device
  • Figures 4 to 9 schematic, two-dimensional views of exemplary embodiments of
  • Figure 10 a schematic, two-dimensional detailed view of a temperature chamber and a high-temperature chamber.
  • Figure 11 a schematic view of an exemplary method.
  • Figures 1 to 3 show a manufacturing system 100 for high-temperature forming of glass blanks 130, wherein the glass blank 130 consists, for example, of quartz glass.
  • the manufacturing system 100 comprises a tempering chamber 102 and a high-temperature chamber 152.
  • the tempering chamber 102 is enclosed by a tempering housing 103.
  • the tempering chamber 102 extends from an inlet 104 to an outlet 106.
  • An inlet lock 108 is provided at the inlet 104, and an outlet lock 110 is provided at the outlet 106, through which the blanks 130 can be moved into and out of the manufacturing system 100.
  • the glass blanks 130 are moved with a discontinuous main movement 112.
  • the tempering chamber 102 has a total of five stations. Adjacent to the inlet 104 is a preheating section 114, in which two preheating stations are arranged for preheating the glass blanks 130.
  • the structure of a station is described using preheating station 120 as a representative example of the other stations.
  • the heating station 120 has an upper heating unit 122 and a lower heating unit 124, between which a forming tool 128 can be arranged, with the glass blank 130 arranged within the forming tool 128.
  • the heating units 122, 124 have a plurality of electric heating cartridges 126 with which the heating units 122, 124 are heated and can thus heat the forming tool 128 and the glass blank 130.
  • Adjacent to the outlet 106 is a cooling section 118 with two cooling stations.
  • a transfer section 116 is provided between the cooling section 118 and the preheating section 114.
  • the transfer section 116 is thermally and/or fluidically separated from the cooling section 118 and the preheating section 114 by locks 140.
  • a forming tool 128, 132-138 each with a glass blank 130, is arranged. According to a discontinuous movement, after a certain time, each of the forming tools 128, 132-138 is moved one station further in the main movement direction 112.
  • the forming device 142 operates in the transfer section 116. However, in contrast to known devices, no forming takes place within the tempering chamber 102.
  • the forming device 142 has a lower forming unit 144 and an upper forming unit 148.
  • the lower forming unit 144 has a lower forming flange 146 at its distal end, and the upper forming unit 148 has an upper forming flange 150 at its distal end.
  • the lower forming unit 144 is arranged and configured to move the glass blank 130, here with the forming tool 134, from the tempering chamber 102, i.e., here from the transfer section 116, through the transfer opening 158 into the high-temperature chamber 152. This movement is carried out with a vertical movement 143.
  • the forming tool 134 arranged on the lower forming flange 146 is moved upwards by the vertical movement 143. The forming tool 134 is thus initially guided through the transfer opening 158 and then moved into the interior 153 of the high-temperature chamber
  • the high-temperature chamber 152 is further surrounded by a housing 154, which separates the high-temperature chamber 152 and, in particular, the interior 153 from the environment of the manufacturing system 100.
  • a defined atmosphere for example, made of argon, can be established within the temperature control chamber 102 and the high-temperature chamber 152, in particular with a slight overpressure compared to the environment.
  • Figure 1 shows the state of the manufacturing system 100 in which the forming tools 128, 132-138 have just been moved from one station to the next.
  • the lower forming unit 144 is in a lower position in which the forming tool 134 is movable onto the lower forming flange 146.
  • the surface of the lower forming flange 146 is substantially flush with the other assembly surfaces in the preheating section 114 and the cooling section 118.
  • Figure 3 shows that the forming tool 134 with the glass blank 130 is arranged within the high-temperature chamber 152 or the interior space 153.
  • Figure 4 shows that, due to physical effects, vertically adjacent temperature zones 164, 166, 168, 170 are formed in the interior 153 of the high-temperature chamber 152. Therefore, the heating element 162 of the heating unit 160 is generally heated to a higher temperature than the Forming temperature of the glass blank 130, which can be achieved in the fourth temperature range 170.
  • FIG. 5 shows a multi-layer thermal insulation 156.
  • the thermal insulation 156 comprises an outer insulation 172, a middle insulation 174, and an inner insulation 176.
  • the insulations 172, 174, 176 are arranged so as to be movable relative to one another, so that thermal expansion can be compensated.
  • the insulations 172, 174, 176 adjacent to the transfer opening 158 are designed such that the transfer opening 158 widens toward the temperature control chamber 102.
  • the inner insulation 176 forms an inner opening diameter 178
  • the middle insulation 174 forms a middle opening diameter 180
  • the outer insulation 172 forms an outer opening diameter 182.
  • the inner opening diameter 178 is smaller than the middle opening diameter 180, which in turn is smaller than the outer opening diameter 182.
  • Figure 10 shows that a guide groove 200, in which the thermal insulation 156 is arranged, can be provided in the temperature control housing 103 of the temperature control chamber 102.
  • the housing 154 is provided next to the guide groove 200. Upon thermal expansion of the thermal insulation 156, it is advantageously guided within the guide groove 200.
  • Figure 11 shows an exemplary method.
  • the glass blank 130 is tempered below a forming temperature within the tempering chamber 102.
  • the glass blank 130 is moved vertically from the tempering chamber 102 into the high-temperature chamber 152.
  • a local temperature gradient is established along a vertical axis within the high-temperature chamber 152 so that the glass blank 130 is advantageously tempered.
  • the glass blank 130 is moved vertically from the high-temperature chamber 152 into the tempering chamber 102.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Herstellungssystem (100) zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen (130), vorzugsweise von Glasrohlingen (130) aus Quarzglas, insbesondere zur Herstellung von optischen Linsen, umfassend eine Temperierkammer (102) zur Temperierung des Glasrohlings unterhalb einer Umformtemperatur, durch die die Glasrohlinge in einer horizontalen Vorschubrichtung hindurchbewegbar sind, eine Hochtemperaturkammer (152) mit einer Heizeinheit (160) zur Temperierung des Glasrohlings auf eine Umformtemperatur, die vorzugsweise größer 1.400°C beträgt, wobei die Temperierkammer (102) und die Hochtemperaturkammer (152) fluiddicht miteinander verbunden sind und eine Übergabeöffnung (158) aufweisen, durch die die Glasrohlinge hindurchbewegbar sind, eine Umformvorrichtung (142), die angeordnet und ausgebildet ist, den Glasrohling (130) von der Temperierkammer (102) durch die Übergabeöffnung (158) in die Hochtemperaturkammer (152) mit einer vertikalen Bewegung zu bewegen und den Glasrohling (130) in der Hochtemperaturkammer (152) umzuformen.

Description

Herstellungssystem und Verfahren zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen zur Herstellung von optischen Linsen
Die Erfindung betrifft ein Herstellungssystem und ein Verfahren zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen, vorzugsweise von Glasrohlingen aus Quarzglas, insbesondere zur Herstellung von Linsen, vorzugsweise von optischen Linsen. Herstellungssysteme zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen sind grundsätzlich bekannt. Gläser mit einer hohen Umformtemperatur können mit konventionellen Umformverfahren nicht oder lediglich eingeschränkt umgeformt werden, da die Temperaturfestigkeit der Maschinentechnik nicht ausreicht. Ferner können die Zykluszeit und der Werkzeugverschleiß zu hoch sein. Viele Gläser können mit einer Umformtemperatur von unter 800°C umgeformt werden.
In der Industrie besteht jedoch ein Bedarf nach Produkten, die aus Gläsern mit einer hohen Umformtemperatur hergestellt sind. Derartige Gläser sind beispielsweise Hochtemperaturgläser, beispielsweise Quarzglas und Keramik. Die Umformtemperatur von derartigen Gläsern ist üblicherweise im Bereich zwischen 1.400°C bis 1.700°C. Aufgrund der hohen Umformtemperaturen von derartigen Gläsern werden diese bis heute im industriellen Maßstab nicht umformend hergestellt, sondern mit konventionellen Fertigungsverfahren erzeugt. Hierfür wird ein Glasrohling mit schleifenden und polierenden Verfahren so lange bearbeitet, dass dieser eine vorbestimmte Form und vorbestimmte Oberflächeneigenschaften aufweist. Das hierfür erforderliche Schleifverfahren und Polierverfahren erfordert eine komplexe Prozesskinematik, die unter anderem aufgrund des punktuellen Eingriffs bei der Bearbeitung aufwendig ist. Die hierfür benötigten Werkzeugmaschinen sind kostenintensiv und die Herstellungsdauer ist lang. Darüber hinaus erfordern die einzelnen Prozessschritte eine zwischenzeitige Reinigung des Glases.
Ein Ansatz zur Warmumformung von Glasrohlingen besteht in der Anwendung von Einzelstation-Glaspressen, welche beispielsweise für das Präzisionsblankpressen angewendet werden. Eine solche Einzelstation-Glaspress ist in der US5938807A offenbart.
Bei der Anwendung von Einzelstation-Glaspressen erfolgt die Temperierung des Glasrohlings auf die Umformtemperatur sowie die anschließende Umformung innerhalb einer Glasglocke. Der Glasrohling, das Umformwerkzeug und die Glasglocke werden von außen durch Strahlung und sekundär konvektiv erwärmt. Eine derartige Glasglocke wird aus einem Hochtemperaturglas bereitgestellt. Da die erforderlichen Umformtemperaturen des Glasrohlings die Erweichungstemperatur der Glasglocke erreichen oder übersteigen können, ist dieser Ansatz nicht geeignet zur Hochtemperaturumformung, beispielsweise von Quarzglas. Der Einsatz von Kühlsystemen ermöglicht zwar eine Kühlung der Glasglocke, jedoch reicht diese Kühlung in der Regel nicht aus, um bei Umformtemperaturen von deutlich über 1.000°C eine Erweichung der Glasglocke zu vermeiden. Ein weiterer Nachteil von Einzelstation-Glaspressen besteht darin, dass ein zeitintensives Aufheizen und ein anschließendes zeitintensives Kühlen erforderlich ist. Die Zykluszeit von Einzelstation-Glaspressen ist somit im Bereich von beispielsweise 20 bis 30 Minuten. Ferner ist die Energieeffizienz durch das Aufheizen und Kühlen gering.
Ein weiterer Ansatz zur Heißumformung von Glasrohlingen besteht in der Anwendung von sogenannten Batchöfen. Derartige Öfen weisen eine geschlossene Heizzone auf, die mit einer Wärmeisolierung thermisch gegenüber der Umgebung abgekoppelt ist. Die Wärmeisolierung besteht in der Regel aus dicken Isolierschichten, die aus Keramiken beziehungsweise Feuerstein hergestellt sind. Derartige Öfen weisen eine hohe thermische Masse auf, die zu einer langen Aufheiz- und Abkühlrate führt. Gleichzeitig führt diese hohe thermische Masse zu einer guten Temperaturstabilität des Ofens, sodass die herzustellenden Gläser eine hohe Qualität aufweisen können.
Die in derartigen Öfen eingesetzten Heizelemente bestehen üblicherweise aus Molybdän, Molybdändisilizid, Wolfram oder Graphit. Da die Heizelemente häufig Temperaturen von mehr als 1.800°C aufweisen müssen, um die erforderliche Heizleistung bereitzustellen, ist eine kontrollierte Atmosphäre innerhalb des Ofens zu erzeugen. Daher ist die Ofenkammer in der Regel gasdicht abgeschlossen. Innerhalb des Batchofens wird im Wesentlichen die vollständige Prozesskette der Umformung abgebildet. Zunächst wird der Glasrohling in den abgekühlten Batchofen bewegt und als nächsten Schritt dort temperiert, wodurch ein Vorwärmprozess realisiert wird. Im Anschluss wird der Glasrohling auf die Umformtemperatur erwärmt und umgeformt. Anschließend erfolgt in dem Batchofen der Kühlprozess. Das Vorwärmen sowie auch das Kühlen muss innerhalb des Batchofens erfolgen, da ein Glasrohling mit einer hohen Temperatur nicht separat bewegbar ist, da dies zu Kontamination und ggf. zu Verformungen führen würde.
Aufgrund der hohen thermischen Masse eines solchen Ofens führt das Vorwärmen sowie auch das Abkühlen zu einer langen Dauer des Umformprozesses. In der Regel dauert die Durchführung des vollständigen Umform prozesses mehrere Stunden. Trotz intensiver Forschungen konnte die Zykluszeit nicht wesentlich verringert werden. Ferner ist die Kontamination der Formwerkzeuge und der Werkzeugverschleiß nachteilig. Für die Herstellung von umgeformten Glasrohlingen, insbesondere optischen Linsen, im industriellen Maßstab ist ein Batchofen somit nicht geeignet.
Ein Ansatz zur Umformung von Glasrohlingen mit einer geringeren Temperatur, beispielsweise 800°C, ist die Anwendung von sogenannten Transfermaschinen, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 10 2022 130 329.2 beschrieben ist. Transfermaschinen sind jedoch in der Regel nicht zur
Bereitstellung von hohen Temperaturen im Bereich von über 1.000°C geeignet.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungssystem und ein Verfahren zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen bereitzustellen, die einen oder mehrere der genannten Nachteile vermindern oder beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen im industriellen Maßstab zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Herstellungssystem und einem Verfahren nach den Merkmalen der unabhängigen Patenansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Aspekte sind in den jeweiligen abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen offenbarten Merkmale sind einzeln, in beliebiger, technologisch sinnvollerweise miteinander kombinierbar, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Herstellungssystem zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen vorzugsweise von Glasrohlingen aus Quarzglas, insbesondere zur Herstellung von Linsen, vorzugsweise von optischen Linsen, umfassend eine Temperierkammer zur Temperierung des Glasrohlings unterhalb einer Umformtemperatur, durch die die Glasrohlinge in einer horizontalen Vorschubrichtung hindurchbewegbar sind, eine Hochtemperaturkammer mit einer Heizeinheit zur Temperierung des Glasrohlings auf eine Umformtemperatur, die vorzugsweise größer 1.000°C, größer 1.100°C, größer 1.200°C, größer 1.300°C und/oder größer 1.400°C beträgt, wobei die Temperierkammer und die Hochtemperaturkammer fluiddicht miteinander verbunden sind und eine Übergabeöffnung aufweisen, durch die die Glasrohlinge hindurchbewegbar sind, eine Umformvorrichtung, die angeordnet und ausgebildet ist, den Glasrohling von der Temperierkammer durch die Übergabeöffnung in die Hochtemperaturkammer mit einer vertikalen Bewegung zu bewegen und den Glasrohling in der Hochtemperaturkammer umzuformen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine weitere Optimierung von Batchöfen hinsichtlich deren Zykluszeit und eine weitere Optimierung von Transfermaschinen hinsichtlich der maximalen Umformtemperatur nicht zielführend ist.
Der Erfindung lag ferner die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geschickte Kombination der Ansätze für Transfermaschinen und für Batchöfen eine Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen im industriellen Maßstab möglich ist. Innerhalb der Temperierkammer kann im Sinne einer Transfermaschine ein effizientes Vorheizen des Glasrohlings und eine effiziente Kühlung des umgeformten Glasrohlings ermöglicht werden. Durch die geschickte Kopplung der Temperierkammer mit einer Hochtemperaturkammer, in der die Glasrohlinge auf die hohe Umformtemperatur erwärmt werden und auch dort umgeformt werden, kann die Zykluszeit um ein Vielfaches reduziert werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass der Glasrohling lediglich wenige Minuten innerhalb der Hochtemperaturkammer zur Temperierung und Umformung zu verbleiben hat. Somit kann die Zykluszeit von mehreren Stunden auf wenige Minuten reduziert werden.
Das Herstellungssystem ist zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen ausgebildet. Die Hochtemperaturumformung zeichnet sich insbesondere durch Umformtemperaturen von deutlich über 1.000°C, insbesondere im Bereich von mehr als 1.400°C aus. Bei den Glasrohlingen handelt es sich insbesondere um Glasrohlinge aus einem Glasmaterial, das eine derartig hohe Umformtemperatur erfordert, beispielsweise Quarzglas oder ein Keramikmaterial.
Das Herstellungssystem umfasst die Temperierkammer zur Temperierung des Glasrohlings unterhalb der Umformtemperatur des Glasrohlings. Die Glasrohlinge sind durch die Temperierkammer in einer horizontalen Vorschubrichtung hindurchbewegbar. Die Temperierkammerweist vorzugsweise ein, zwei oder mehr Vorheizstationen auf. Ferner ist es bevorzugt, dass die Temperierkammer eine, zwei oder mehr Kühlstationen aufweist. Unter einer Kühlstation ist im Sinne der Glasumformung insbesondere zu verstehen, dass diese das Glas zwar auf eine niedrigere Temperatur kühlen, jedoch ebenfalls Heizelemente aufweisen. Die Vorheiz- und/oder Kühlstationen können insbesondere Heizpatronen aufweisen, die beispielsweise elektrisch betrieben werden. Die Temperierkammer ist insbesondere angeordnet und ausgebildet, um die Glasrohlinge auf eine Temperatur bis 800°C, vorzugsweise bis 1.000°C zu temperieren. Die Temperierkammer kann eine von Transfermaschinen bekannte Isolation aufweisen. Die Temperierkammer ist insbesondere im Wesentlichen fluiddicht ausgebildet. Vorzugsweise umfasst die Temperierkammer eine Einlassschleuse zum Bestücken des Herstellungssystems mit Glasrohlingen und/oder eine Auslassschleuse, um die umgeformten Glasrohlinge aus dem Herstellungssystem entnehmen zu können. Die umgeformten Glasrohlinge sind insbesondere Glasprodukte, beispielsweise optische Linsen.
Die Temperierkammer weist vorzugsweise Transfermittel auf, die angeordnet und ausgebildet sind, die Glasrohlinge in der horizontalen Vorschubrichtung zu bewegen. Insbesondere sind die Transfermittel angeordnet und ausgebildet, Presswerkzeuge von einer Station zur nächsten Station diskontinuierlich zu bewegen, wobei die Presswerkzeuge mindestens einen Glasrohling enthalten. Unter einer horizontalen Vorschubrichtung ist beispielsweise eine Richtung zu verstehen, die ideal horizontal und/oder geneigt zu einer Horizontalen ist, beispielsweise um +/- 30°, insbesondere +/- 20°, ferner vorzugsweise +/- 10°, gegenüber der Horizontalen geneigt ist. Die geneigte horizontale Vorschubrichtung kann beispielsweise getreppt ausgebildet sein, wobei eine nachfolgende Station geringfügig niedriger angeordnet ist als eine vorhergehende Station, beispielsweise um weniger als 10 mm niedriger angeordnet.
Ferner umfasst das Herstellungssystem die Hochtemperaturkammer mit der Heizeinheit. Die Hochtemperaturkammer und die Heizeinheit sind angeordnet und ausgebildet, um den Glasrohling auf die Umformtemperatur zu temperieren, wobei diese Umformtemperatur insbesondere mehr als 1.400°C beträgt. Die Heizeinheit ist daher insbesondere derart angeordnet und ausgebildet, um eine derartige Temperierung zu ermöglichen. Hierfür umfasst die Heizeinheit in der Regel Heizelemente, die auf eine höhere Temperatur temperierbar sind als die Umformtemperatur, damit der Glasrohling an sich auf die Umformtemperatur temperierbar ist. Die Hochtemperaturkammer ist insbesondere angeordnet und ausgebildet, im laufenden Betrieb des Herstellungssystems zugänglich zu sein, insbesondere bei einer Temperatur von mehr als 1.400°C. Die Heizeinheit weist vorzugsweise Graphit, Wolfram, Molybdän und/oder Molybdändisilizid auf, insbesondere Heizelemente aus oder mit diesen Materialien. Die Heizeinheit kann ferner induktiv ausgebildet sein. Die Hochtemperaturkammer ist vorzugsweise fluiddicht ausgebildet, sodass eine vordefinierte Atmosphäre innerhalb der Hochtemperaturkammer ausbildbar ist. Dies ist insbesondere unter Berücksichtigung der in der Hochtemperaturkammer herrschenden Temperaturen erforderlich, um ungewünschte chemische Reaktionen insbesondere der Heizeinheit zu vermeiden oder zu verringern.
Die Hochtemperaturkammer und die Temperierkammer sind fluiddicht miteinander verbunden. Somit wird gewährleistet, dass bei der Bewegung des Glasrohlings von der Temperierkammer in die Hochtemperaturkammer keine Beschädigung der Hochtemperaturkammer durch Oxidation, insbesondere durch eine Entzündung von Sauerstoff, und keine Kontamination des Glasrohlings erfolgt.
Insbesondere ist es bevorzugt, dass die fluiddichte Verbindung zwischen der Temperierkammer und der Hochtemperaturkammer außerhalb einer thermischen Isolierung der Hochtemperaturkammer und/oder der Temperierkammer vorgesehen ist, sodass die fluiddichte Abdichtung geringeren Temperaturen ausgesetzt ist. Somit können insbesondere konventionelle Dichtelemente verwendet werden, die beispielsweise für Temperaturen zwischen 20°C und 500°C ausgebildet sind.
Zwischen der Temperierkammer und der Hochtemperaturkammer ist die Übergabeöffnung vorgesehen, durch die die Glasrohlinge hindurchbewegbar sind. Insbesondere ist die Übergabeöffnung derart dimensioniert, dass Presswerkzeuge durch diese hindurchbewegbar sind.
Das Herstellungssystem umfasst ferner die Umformvorrichtung, die angeordnet und ausgebildet ist, den Glasrohling von der Temperierkammer durch die Übergabeöffnung in die Hochtemperaturkammer mit einer vertikalen Bewegung zu bewegen. Hierfür kann die Umformvorrichtung beispielsweise einen unteren Stempel aufweisen, dessen Anordnungsoberfläche sich im Wesentlichen auf der gleichen Ebene befindet wie die Anordnungsoberflächen der Stationen in der Temperierkammer, zumindest in einer Ausgangssituation. Nachdem der Glasrohling, insbesondere mit einem Presswerkzeug, auf der Anordnungsoberfläche der Umformvorrichtung beziehungsweise des Stempels angeordnet wurde, kann dieser nach oben in vertikaler Richtung bewegt werden, und somit durch die Übergabeöffnung in die Hochtemperaturkammer verfahren werden.
Ferner ist die Umformvorrichtung angeordnet und ausgebildet, den Glasrohling in der Hochtemperaturkammer umzuformen. Dieses Umformen erfolgt insbesondere nachdem der Glasrohling auf die Umformtemperatur, insbesondere mehr als 1.400°C, temperiert wurde. Die Umformvorrichtung ist insbesondere angeordnet und ausgebildet, den Glasrohling nach der Umformung mit einer vertikalen Bewegung wieder in die Temperierkammer zu bewegen.
Die vertikale Bewegung kann ideal vertikal sein oder auch zu einer Vertikalen geneigt sein. Diese Neigung kann beispielsweise +/- 30°, +/- 20° oder +/- 10° betragen. Insbesondere ist unter einer vertikalen Bewegung eine Bewegung zu verstehen, die mit der horizontalen Vorschubrichtung einen Winkel einschließt, insbesondere einen 90°-Winkel. Somit kann gewährleistet werden, dass der Glasrohling aus der Hauptbewegung der Glasrohlinge der Temperierkammer temporär in die Hochtemperaturkammer ausgesondert wird. In Abhängigkeit der Ausrichtung des gesamten Herstellungssystems kann die vertikale Bewegung somit auch horizontal ausgerichtet sein, die jedoch einen Winkel von beispielsweise 90° mit der horizontalen Vorschubrichtung einschließt.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass die Umformvorrichtung eine Pressachse aufweist und die vertikale Bewegung parallel, insbesondere koaxial, mit der Pressachse ausgerichtet ist.
Es ist insbesondere bevorzugt, dass der Glasrohling innerhalb eines Presswerkzeugs angeordnet ist und der Glasrohling mit dem Presswerkzeug durch die Temperierkammer hindurchbewegt, in die Hochtemperaturkammer bewegt und in der Hochtemperaturkammer umgeformt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass der Glasrohling mit einer Hauptbewegung von einem Einlass zu einem Auslass durch die Temperierkammer bewegbar ist, die Temperierkammer einen an den Einlass angrenzenden Vorheizabschnitt, einen an den Auslass angrenzenden Kühlabschnitt und einen zwischen dem Vorheizabschnitt und dem Kühlabschnitt vorgesehenen Übergabeabschnitt aufweist, und die Umformvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, den Glasrohling von dem Übergabeabschnitt in die Hochtemperaturkammer zu bewegen.
Der Vorheizabschnitt und der Kühlabschnitt weisen vorzugsweise jeweils mindestens eine Vorheizstation und eine Kühlstation auf. Auf diesen Stationen wird der Glasrohling, insbesondere mittels des Presswerkzeugs, auf einer Anordnungsoberfläche angeordnet. Vorzugsweise weist die Umformvorrichtung in dem Übergabeabschnitt ebenfalls eine Anordnungsoberfläche auf. Insbesondere sind diese Flächen in einer Ebene angeordnet.
Die Hauptbewegung, mit der die Glasrohlinge durch die Temperierkammer bewegt werden, ist vorzugsweise diskontinuierlich ausgebildet. Mit der diskontinuierlichen Hauptbewegung wird beispielsweise der Glasrohling zunächst auf eine erste Vorheizstation verbracht, verbleibt dort eine vorbestimmte Zeitdauer, und wird anschließend auf die nächste Station, beispielsweise den Übergabeabschnitt, verbracht. Von dort aus wird der Glasrohling in die Hochtemperaturkammer bewegt und dort weiter temperiert, umgeformt und wieder zurück zu dem Übergabeabschnitt bewegt und auf die nachfolgende Kühlstation verbracht. Diese Vorgänge sind vorzugsweise getaktet, sodass eine diskontinuierliche Hauptbewegung für alle innerhalb des Herstellungssystems angeordneten Glasrohlinge bestimmbar ist.
Die im Vorherigen genannte Einlassschleuse ist insbesondere an dem Einlass angeordnet. Die im Vorherigen genannte Auslassschleuse ist insbesondere an dem Auslass angeordnet. Im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen Batchöfen ist die Anordnung der Glasrohlinge in der Temperierkammer deutlich einfacher als in Hochtemperaturkammern, da die Temperatur hier um ein Vielfaches geringer ist.
Der Vorheizabschnitt weist vorzugsweise ein, zwei oder mehr Vorheizstationen auf, die ferner vorzugsweise Heizblöcke mit Heizpatronen aufweisen. Somit erfolgt eine sequenzielle Temperierung, wobei die Temperatur von Station zu Station steigt. Der Kühlabschnitt weist vorzugsweise ein, zwei oder mehr Kühlstationen auf, die ferner vorzugsweise Heizblöcke mit Heizpatronen aufweisen. Bei mehr als einer Kühlstation wird die Temperatur von Station zu Station geringer. In einer weiteren bevorzugen Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass der Übergabeabschnitt thermisch abgekoppelt von dem Vorheizabschnitt und/oder dem Kühlabschnitt ausgebildet ist, sodass ein Wärmeübergang von der Hochtemperaturkammer und/oder dem Übergabeabschnitt auf den Vorheizabschnitt und/oder den Kühlabschnitt verringert ist.
Die thermische Abkopplung des Übergabeabschnitts von dem Vorheizabschnitt und/oder dem Kühlabschnitt kann insbesondere durch eine Schleuse, insbesondere eine Konvektionsschleuse, erfolgen. Da bei der Bewegung des Glasrohlings zwischen der Temperierkammer und der Hochtemperaturkammer ein Wärmeübergang von der Hochtemperaturkammer in die Temperierkammer erfolgt, ist es bevorzugt, den unter der Hochtemperaturkammer vorgesehenen Übergabeabschnitt von dem Vorheizabschnitt und dem Kühlabschnitt thermisch abzukoppeln, sodass die Wärme nicht in den Vorheizabschnitt und den Kühlabschnitt gelangt. Dies erhöht die Energieeffizienz des Herstellungssystems und der Vorheizabschnitt und der Kühlabschnitt ermöglichen eine definierte Temperierung.
Eine bevorzugte Fortbildung des Herstellungssystems zeichnet sich ferner dadurch aus, dass die Hochtemperaturkammer vertikal über der Temperierkammer und vorzugsweise vertikal über dem Übergabeabschnitt angeordnet ist, und die Temperierkammer und die Hochtemperaturkammer schwimmend, insbesondere in horizontaler Richtung, miteinander gelagert sind.
Durch die hohen Temperaturen der Hochtemperaturkammer und der Temperierkammer ist mit thermisch bedingten Ausdehnungen zu rechnen. Insbesondere die Hochtemperaturkammer wird hinsichtlich der Hochtemperaturelemente, beispielsweise der thermischen Isolierung, eine thermische Ausdehnung im Bereich von mehr als 1 cm aufweisen. Eine schwimmende Lagerung der Temperierkammer und der Hochtemperaturkammer kann somit weiterhin zu einer guten Isolation und insbesondere auch zu einer Fluiddichtigkeit führen. Die schwimmende Lagerung verhindert eine Beschädigung der Komponenten durch Wärmeausdehnung. Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Herstellungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass die Umformvorrichtung angeordnet und ausgebildet ist, die Übergabeöffnung während der vertikalen Bewegung teilweise zu verschließen, sodass ein Spalt zwischen den Kammern ausgebildet wird, um thermische Ausdehnungen auszugleichen und/oder um Wärmeverluste zu verringern.
Eine derartige Umformvorrichtung reduziert durch den Spalt zwischen der Hochtemperaturkammer und Temperierkammer den Wärmeübergang. Dadurch wird eine konstantere und/oder homogenere Temperaturverteilung in der Hochtemperaturkammer ermöglicht. Gleichzeitig ermöglicht der verbleibende Spalt zwischen der Hochtemperaturkammer und der Temperierkammer die Berücksichtigung von thermischen Ausdehnungen sowie von chemischen und physikalischen Vorgängen. Der Spalt weist vorzugsweise einen Querschnitt auf, der um ein Vielfaches geringer ist als die Querschnittfläche der Übergabeöffnung. Um die Übergabeöffnung während der vertikalen Bewegung und insbesondere auch während der Umformung zumindest teilweise zu verschließen, weist die Umformvorrichtung vorzugsweise einen Kragen an dem Stempel und/oder Abschirmbleche auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass die Hochtemperaturkammer von einer thermischen Isolierung umgeben ist, die angeordnet und ausgebildet ist, die Hochtemperaturkammer thermisch gegenüber einer Umgebung zu isolieren, und die thermische Isolierung von einem fluiddichten Gehäuse umgeben ist, das angeordnet und ausgebildet ist, einen Fluidaustausch zwischen der Hochtemperaturkammer und der Umgebung zu verringern oder zu vermeiden.
Die thermische Isolierung ist vorzugsweise mehrschichtig ausgebildet. Vorzugsweise sind die Schichten der mehrschichtigen Isolierung beweglich zueinander angeordnet. Es ist insbesondere bevorzugt, dass im Bereich der Übergabeöffnung eine Abschattung der mehrschichtigen Isolierung ausgebildet ist. Die mehrschichtige Isolierung umgibt vorzugsweise nicht 100 % der Hochtemperaturkammer, um die Übergabeöffnung freizuhalten.
Die thermische Isolierung ist zur Vermeidung oder zur Verringerung eines Wärmeübergangs von der Hochtemperaturkammer zu der Umgebung der Hochtemperaturkammer ausgebildet. Um eine definierte Atmosphäre in der Hochtemperaturkammer und/oder der Temperierkammer zu gewährleisten, weist die Hochtemperaturkammer das fluiddichte Gehäuse auf. Das fluiddichte Gehäuse ist insbesondere gasdicht ausgebildet. Fluiddicht beziehungsweise gasdicht bedeutet insbesondere, dass diese im Wesentlichen fluiddicht beziehungsweise gasdicht ausgebildet sind, da bei den hier vorliegenden Temperaturen keine 100- prozentige Fluiddichtigkeit ausbildbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass die thermische Isolierung an einer Oberseite der Hochtemperaturkammer eine Isolationsöffnung aufweist, die angeordnet und ausgebildet ist, um die Umformvorrichtung, insbesondere eine obere Umformeinheit, hindurchzuführen, wobei die Isolationsöffnung mit einem Isolationsdeckel, bestehend aus oder umfassend Isolationsmaterial, vorzugsweise das gleiche Isolationsmaterial wie die thermische Isolierung, verschlossen wird, wobei der Isolationsdeckel vorzugsweise einen Isolationsdurchtritt aufweist, der angeordnet und ausgebildet ist, einen Stempel der oberen Umformeinheit hindurchzuführen.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass dieses angeordnet und ausgebildet ist, eine Schutzgasatmosphäre innerhalb der Temperierkammer und/oder der Hochtemperaturkammer auszubilden. Hierfür weist die Temperierkammer und/oder die Hochtemperaturkammer entsprechende Schleusen an den Ein- und Auslässen auf. Die Gehäuse der Hochtemperaturkammer und/oder der Temperierkammer sind im Wesentlichen fluiddicht ausgebildet. Vorzugsweise weisen die Temperierkammer und/oder die Hochtemperaturkammer eine Schutzgaszuführung auf. Das Schutzgas kann insbesondere Argon sein.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsvariante des Herstellungssystems umfasst eine Schutzgaseinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, die Temperierkammer und/oder die Hochtemperaturkammer mit einem Schutzgas zu befüllen, wobei eine mittels des Schutzgases ausgebildete Schutzgasatmosphäre in der Temperierkammer und/oder der Hochtemperaturkammer einen Überdruck aufweist, sodass ein Fluideintritt aus der Umgebung in die Temperierkammer und/oder die Hochtemperaturkammer verringert oder verhindert wird, um eine Kontamination des Glasrohlings zu vermeiden und um ungewünschte chemische Prozesse in der Hochtemperaturkammer zu vermeiden. Eine Oxidation der Heizelemente und anderer Komponenten wie den Presswerkzeugen ist insbesondere zu vermeiden. Anderenfalls kann sich beispielsweise Graphit an Sauerstoff ab ca. 600°C selbstentzünden.
Es ist bevorzugt, dass das Herstellungssystem ein, zwei oder mehr Überdruckventile zum kontrollierten Auslass des Schutzgases aufweist, um insbesondere gezielt zu kühlen und/oder um einen Überdruck in der Temperierkammer und/oder der Hochtemperaturkammer gezielt einzustellen. Es ist bevorzugt, dass die Schutzgaseinheit angeordnet und ausgebildet ist, eine Schutzgaszufuhr an einer Oberseite der Hochtemperaturkammer bereitzustellen. Ferner ist es bevorzugt, dass das oder die Überdruckventile an einer Unterseite der Temperierkammer, insbesondere des Übergabeabschnitts, angeordnet sind. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass die Schutzgaszufuhr mittels der Umformvorrichtung eingerichtet ist, sodass die Umformvorrichtung zusätzlich mittels des Schutzgases gekühlt wird. Ferner kann somit gegebenenfalls das Presswerkzeug und/oder der Glasrohling gekühlt werden.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die im weiteren Verlauf noch näher beschriebene obere und/oder untere Umformeinheit gekühlt wird beziehungsweise werden. Diese Kühlung kann insbesondere mittels des Schutzgases erfolgen. Da die obere Umformeinheit konstant in der Hochtemperaturkammer verbleibt und die untere Umformeinheit in die Hochtemperaturkammer rein- und rausbewegt wird, kann eine separate Kühlung der oberen und unteren Umformeinheit angezeigt sein, um diese anforderungsgerecht zu kühlen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass das Schutzgas vorgewärmt wird, insbesondere mittels der Schutzgaseinheit. Ferner kann eine Vorwärmung des Schutzgases durch Verwendung des Schutzgases in dem Vorheizabschnitt erfolgen. Ferner kann das heiße Schutzgas aus der Hochtemperaturkammer in dem Kühlbereich verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Umformvorrichtung eine untere Umformeinheit und eine obere Umformeinheit aufweist, die untere Umformeinheit angeordnet und ausgebildet ist, die vertikale Bewegung auszuführen, insbesondere den Glasrohling von dem Übergabeabschnitt in die Hochtemperaturkammer zu bewegen.
Es ist bevorzugt, dass die obere Umformeinheit angeordnet und ausgebildet ist, eine zweite vertikale Bewegung auszuführen, die entgegengesetzt zu der vertikalen Bewegung ausrichtbar ist.
Die untere Umformeinheit und die obere Umformeinheit weisen jeweils distale Enden auf, die in die Hochtemperaturkammer hineinragen oder in die Hochtemperaturkammer hineinbewegbar sind. An den distalen Enden weist die untere Umformeinheit und/oder die obere Umformeinheit einen Flansch auf, der insbesondere angeordnet und ausgebildet ist, mit einem Presswerkzeug zusammenzuwirken. Die zweite vertikale Bewegung ist vorzugsweise vertikal nach unten ausgerichtet. Die vertikale Bewegung ist vorzugsweise vertikal nach oben ausgerichtet.
Die obere und untere Umformeinheit sind insbesondere angeordnet und ausgebildet, dass deren Pressachsen parallel, vorzugsweise koaxial, ausgerichtet sind. Die zweite vertikale Bewegung ermöglicht, dass während der Umformung die vertikale Position des Glasrohlings innerhalb der Temperaturkammer veränderbar ist. Da in der Hochtemperaturkammer vertikal benachbarte Temperaturzonen ausbildbar sind, kann somit die Temperatur während der Umformung variiert werden, wodurch vorteilhafte physikalische und/oder chemische Effekte bei der Umformung erreicht werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass die Hochtemperaturkammer und die Heizeinheit angeordnet und ausgebildet sind, im bestimmungsgemäßen Betrieb eine konstante Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer zu halten.
Unter einer konstanten Temperatur wird insbesondere verstanden, dass nicht gezielt hoch- und/oder runtergeheizt wird, um beispielsweise Vorheiz- und/oder Kühlvorgänge auszuführen. Selbstverständlich wird die Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer durch das regelmäßige Hineinbewegen und Herausbewegen des Glasrohlings in gewissen Bandbreiten schwanken.
Unter einer konstanten Temperatur wird insbesondere eine zeitlich konstante Temperatur verstanden. Durch das Halten einer konstanten Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer und insbesondere der Vermeidung von regelmäßigem Hoch- und Runterheizen wird die Energieeffizienz des Herstellungssystems gesteigert. Eine zeitlich konstante Temperatur kann auch in solchen Hochtemperaturkammern eingestellt werden, die beispielsweise zwei oder mehr Temperaturschichten aufweisen, wie sie im Folgenden erläutert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass die Heizeinheit angeordnet und ausgebildet ist, ein Temperaturprofil in der Hochtemperaturkammer auszubilden, sodass der Glasrohling in Abhängigkeit einer Position in der Hochtemperaturkammer temperierbar ist, um mittels einer Einfahrgeschwindigkeit der Umformvorrichtung einen vorbestimmten Temperaturverlauf in dem Glasrohling einzustellen.
Das Temperaturprofil weist vorzugsweise zwei oder mehr vertikal benachbarte Temperaturschichten auf. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die an die Übergabeöffnung angrenzende Temperaturschicht eine geringere Temperatur aufweist als die oberhalb dieser Temperaturschicht vorgesehenen Temperaturschichten. Somit kann durch ein langsames Einfahren des Glasrohlings in die Hochtemperaturkammer zunächst eine geringere Temperatur auf den Glasrohling bewirkt werden, währenddessen diese Temperatur durch ein weiteres vertikales Einfahren in die Hochtemperaturkammer gesteigert wird. Dadurch kann eine zunächst geringere Heizrate und/oder ein geringerer Temperaturgradient eingestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass die Heizeinheit zwei oder mehr Heizzonen innerhalb der Hochtemperaturkammer ausbildet, wobei die Heizzonen mittels separater Heizelemente ausgebildet sind. Es ist bevorzugt, dass je ein Heizelement eine Heizzone ausbildet. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass zwei oder mehr Heizelemente eine Heizzone ausbilden.
Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass zwei oder mehr Heizzonen vertikal benachbart zueinander ausgebildet sind. Durch zwei oder mehr Heizzonen, insbesondere durch zwei oder mehr vertikal benachbarte Heizzonen, wird ein vorteilhaftes Temperaturprofil in der Hochtemperaturkammer ausgebildet. Es ist darüber hinaus bevorzugt, dass die Heizelemente in horizontaler Richtung versetzt zueinander angeordnet sind. Es ist insbesondere bevorzugt, dass in einem oberen Bereich der Hochtemperaturkammer die Heizelemente weiter in die Hochtemperaturkammer hineinragen als in einem unteren Bereich der Hochtemperaturkammer. Somit bestrahlen sich die Heizelemente weniger gegenseitig und der Verschleiß wird verringert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass dieses eine Steuereinheit umfasst, die angeordnet und ausgebildet ist, die Bewegung und/oder Geschwindigkeit und/oder Umformkraft der Umformvorrichtung zu steuern, wobei vorzugsweise die vertikale Bewegung derart gesteuert wird, dass der Glasrohling mit einer vordefinierten Temperaturkurve temperiert wird. Die Hochtemperaturkammer weist vorzugsweise in einem unteren Bereich eine geringere Temperatur auf, sodass durch ein langsames Einfahren zunächst mit einer geringeren Temperatur geheizt wird als im mittleren oder oberen Bereich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, eine vertikale Position des Glasrohlings während des Umformens gemäß einem vordefinierten Bewegungsmuster durch eine Ansteuerung der Umformvorrichtung, vorzugsweise der oberen und unteren Umformeinheit, einzustellen. Somit kann die Temperatur während des Umformens eingestellt werden, wodurch positive physikalische und/oder chemische Wirkungen erzielbar sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Herstellungssystems ist vorgesehen, dass die Steuereinheit ausgebildet ist, die Heizeinheit derart zu steuern, dass die Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer konstant ist. Eine derartig ausgebildete Steuereinheit kann, jedoch muss nicht, die im Vorherigen beschriebenen Funktionen zur Steuerung des Umformens, der Bewegung und/oder der Geschwindigkeit aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen, vorzugsweise von Glasrohlingen aus Quarzglas, insbesondere zur Herstellung von Linsen, vorzugsweise mit einem Herstellungssystem nach einer der im Vorherigen beschriebenen Ausführungsvarianten, insbesondere optischen Linsen, umfassend die Schritte: Temperieren des Glasrohlings unterhalb einer Umformtemperatur innerhalb einer Temperierkammer, durch die der Glasrohling in einer horizontalen Vorschubrichtung, insbesondere einer diskontinuierlichen Vorschubrichtung, bewegt wird, vertikales Bewegen des Glasrohlings von der Temperierkammer in einem mit der Temperierkammer fluiddicht verbundene Hochtemperaturkammer und Temperieren des Glasrohlings auf eine Umformtemperatur und Umformen des Glasrohlings innerhalb der Hochtemperaturkammer.
Das vertikale Bewegen des Glasrohlings von der Temperierkammer in eine mit der Temperierkammer fluiddicht verbundene Hochtemperaturkammer erfolgt insbesondere in einem Zeitabschnitt, in dem die weiteren Glasrohlinge innerhalb der Temperierkammer nicht bewegt werden. Beispielsweise können diese weiteren Glasrohlinge in einem Vorheizabschnitt und/oder in einem Kühlabschnitt auf einer Vorheizstation und/oder einer Kühlstation angeordnet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass dieses den Schritt oder die Schritte umfasst: vertikales Bewegen des umgeformten Glases von der Hochtemperaturkammer in die Temperierkammer und vorzugsweise horizontales Bewegen des umgeformten Glases in einen Kühlabschnitt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante des Verfahrens ist vorgesehen, dass dieses den Schritt oder die Schritte umfasst: Einstellen einer konstanten Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer, und/oder Einstellen von lokalen Temperaturgradienten, insbesondere entlang einer vertikalen Achse innerhalb der Hochtemperaturkammer.
Für weitere Vorteile, Ausführungsvarianten und Ausführungsdetails der einzelnen Aspekte und ihrer möglichen Fortbildungen wird auch auf die erfolgte Beschreibung zu den weiteren Aspekten, den entsprechenden Merkmalen und Fortbildungen verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden exemplarisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Es zeigen: Figuren 1 bis 3: schematische, zweidimensionale Ansichten einer beispielhaften Ausführungsform eines Herstellungssystems in verschiedenen Zuständen der Umformvorrichtung;
Figuren 4 bis 9: schematische, zweidimensionale Ansichten von beispielhaften Ausführungsformen von
Hochtemperaturkammern;
Figur 10: eine schematische, zweidimensionale Detailansicht einer Temperierkammer und einer Hochtemperaturkammer; und
Figur 11 : eine schematische Ansicht eines beispielhaften Verfahrens.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen funktionsgleiche beziehungsweise -ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen ein Herstellungssystem 100 zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen 130, wobei der Glasrohling 130 beispielsweise aus Quarzglas besteht.
Das Herstellungssystem 100 umfasst eine Temperierkammer 102 und eine Hochtemperaturkammer 152. Die Temperierkammer 102 wird von einem Temperiergehäuse 103 umschlossen. Die Temperierkammer 102 erstreckt sich von einem Einlass 104 zu einem Auslass 106. An dem Einlass 104 ist eine Einlassschleuse 108 und an dem Auslass 106 eine Auslassschleuse 110 vorgesehen, durch die die Rohlinge 130 in das Herstellungssystem 100 hinein- und herausbewegt werden können. Zwischen dem Einlass 104 und dem Auslass 106 werden die Glasrohlinge 130 mit einer diskontinuierlichen Hauptbewegung 112 bewegt. Die Temperierkammer 102 weist insgesamt fünf Stationen auf. Angrenzend an den Einlass 104 ist ein Vorheizabschnitt 114 vorgesehen, in dem zwei Vorwärmstationen zum Vorwärmen der Glasrohlinge 130 angeordnet sind. Stellvertretend für die weiteren Stationen wird der Aufbau einer Station anhand der Vorwärmstation 120 beschrieben.
Die Heizstation 120 weist eine obere Heizeinheit 122 und eine untere Heizeinheit 124 auf, zwischen denen ein Umformwerkzeug 128 anordenbar ist, wobei der Glasrohling 130 innerhalb des Umformwerkzeugs 128 angeordnet ist. Die Heizeinheiten 122, 124 weisen mehrere elektrische Heizpatronen 126 auf, mit denen die Heizeinheiten 122, 124 erwärmt werden und somit das Umformwerkzeug 128 und den Glasrohling 130 erwärmen können.
Angrenzend an den Auslass 106 ist ein Kühlabschnitt 118 mit zwei Kühlstationen vorgesehen. Zwischen dem Kühlabschnitt 118 und dem Vorheizabschnitt 114 ist ein Übergabeabschnitt 116 vorgesehen. Der Übergabeabschnitt 116 ist mittels Schleusen 140 von dem Kühlabschnitt 118 und dem Vorheizabschnitt 114 thermisch und/oder fluidisch getrennt. An jeder der fünf Stationen ist ein Umformwerkzeug 128, 132-138 jeweils mit einem Glasrohling 130 angeordnet. Entsprechend einer diskontinuierlichen Bewegung wird nach einer bestimmten Zeit jedes der Umformwerkzeuge 128, 132-138 jeweils um eine Station weiterbewegt in der Hauptbewegungsrichtung 112.
In dem Übergabeabschnitt 116 wirkt die Umformvorrichtung 142. Im Gegensatz zu bekannten Vorrichtungen findet jedoch innerhalb der Temperierkammer 102 keine Umformung statt. Die Umformvorrichtung 142 weist eine untere Umformeinheit 144 und eine obere Umformeinheit 148 auf. Die untere Umformeinheit 144 weist an ihrem distalen Ende einen unteren Umformflansch 146 und die obere Umformeinheit 148 weist an ihrem distalen Ende einen oberen Umformflansch 150 auf. Die untere Umformeinheit 144 ist angeordnet und ausgebildet, den Glasrohling 130, hier mit dem Umformwerkzeug 134, von der Temperierkammer 102, also hier von dem Übergabeabschnitt 116, durch die Übergabeöffnung 158 in die Hochtemperaturkammer 152 zu bewegen. Diese Bewegung erfolgt mit einer vertikalen Bewegung 143. Das auf dem unteren Umformflansch 146 angeordnete Umformwerkzeug 134 wird durch die vertikale Bewegung 143 nach oben bewegt. Das Umformwerkzeug 134 wird so zunächst durch die Übergabeöffnung 158 hindurchbewegt und anschließend in den Innenraum 153 der Hochtemperaturkammer 152 bewegt.
Innerhalb der Hochtemperaturkammer 152 wird eine deutlich höhere Temperatur erreicht als in der Temperierkammer 102. Dies wird mittels der Heizeinheit 160 und mittels einer entsprechend abgestimmten thermischen Isolierung 156 erreicht. Die Heizeinheit 160 weist Heizelemente 162 auf, die derart ausgebildet sind, dass diese eine Hochtemperaturumformung innerhalb der Hochtemperaturkammer 152 ermöglichen. Insbesondere ist der Glasrohling 130 in der Hochtemperaturkammer 152 auf eine Temperatur von mehr als 1.400°C zu erwärmen.
Die Hochtemperaturkammer 152 ist ferner von einem Gehäuse 154 umgeben, das die Hochtemperaturkammer 152 und insbesondere den Innenraum 153 von der Umgebung des Herstellungssystems 100 separiert. Somit kann innerhalb der Temperierkammer 102 und der Hochtemperaturkammer 152 eine definierte Atmosphäre, beispielsweise aus Argon, insbesondere mit einem geringfügigen Überdruck gegenüber der Umgebung, eingerichtet werden.
In Figur 1 ist der Zustand des Herstellungssystems 100 gezeigt, in dem die Umformwerkzeuge 128, 132-138 gerade von einer zur nächsten Station bewegt wurden. In diesem Zustand befindet sich die untere Umformeinheit 144 in einer unteren Position, in der das Umformwerkzeug 134 auf den unteren Umformflansch 146 bewegbar ist. Insbesondere bildet die Oberfläche des unteren Umformflansches 146 im Wesentlichen eine Ebene mit den weiteren Anordnungsoberflächen in dem Vorheizabschnitt 114 und dem Kühlabschnitt 118 aus.
In Figur 2 wird die vertikale Bewegung 143 durchgeführt, wodurch das Umformwerkzeug 134 durch die Übergabeöffnung 158 bewegt wird.
In Figur 3 ist gezeigt, dass das Umformwerkzeug 134 mit dem Glasrohling 130 innerhalb der Hochtemperaturkammer 152 beziehungsweise dem Innenraum 153 angeordnet ist.
In Figur 4 ist gezeigt, dass im Innenraum 153 der Hochtemperaturkammer 152 aufgrund physikalischer Effekte vertikal benachbarte Temperaturbereiche 164, 166, 168, 170 ausgebildet werden. Aufgrund dessen ist das Heizelement 162 der Heizeinheit 160 in der Regel auf eine höhere Temperatur zu heizen als die Umformtemperatur des Glasrohlings 130, welche im vierten Temperaturbereich 170 zu erzielen ist.
In Figur 5 ist eine mehrschichtige thermische Isolierung 156 gezeigt. Die thermische Isolierung 156 umfasst eine äußere Isolierung 172, eine mittlere Isolierung 174 und eine innere Isolierung 176. Die Isolierungen 172, 174, 176 sind insbesondere relativ zueinander bewegbar angeordnet, sodass thermische Ausdehnungen ausgeglichen werden können. Darüber hinaus sind die Isolierungen 172, 174, 176 angrenzend an die Übergabeöffnung 158 so gestaltet, dass sich die Übergabeöffnung 158 hin zur Temperierkammer 102 aufweitet. Hierfür bildet die innere Isolierung 176 einen inneren Öffnungsdurchmesser 178, die mittlere Isolierung 174 einen mittleren Öffnungsdurchmesser 180 und die äußere Isolierung 172 einen äußeren Öffnungsdurchmesser 182 aus. Der innere Öffnungsdurchmesser 178 ist kleiner als der mittlere Öffnungsdurchmesser 180, welcher wiederum kleiner ist als der äußere Öffnungsdurchmesser 182.
In Figur 6 ist eine spezifische Ausführung der Heizeinheit 160 gezeigt, nämlich mit drei vertikal übereinander angeordneten Heizelementen 184, 186, 188. Mit den Heizelementen 184, 186, 188 sind drei übereinander angeordnete Heizzonen auszubilden. Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass die mit dem Heizelement 188 bewirkte Heizzone eine geringere Temperatur aufweist als die Heizzonen bewirkt durch das Heizelement 186 und das Heizelement 184. Somit kann das Werkzeug 134 langsam in die Hochtemperaturkammer 152 einfahren und wird somit mit einer geringeren Temperatur beaufschlagt.
In Figur 7 ist gezeigt, dass die Heizelemente 184-188 in horizontaler Richtung versetzt zueinander angeordnet werden können. Das Heizelement 184 im oberen Bereich ist weiter einer Mittelachse der Hochtemperaturkammer 152 zugewandt als die unteren Heizelemente 186, 188. Somit sind die Heizelemente 184, 186, 188 gegeneinander teilweise abgeschirmt, sodass diese sich gegenseitig weniger beeinflussen.
In Figur 8 ist gezeigt, dass das Gehäuse 154 der Hochtemperaturkammer 152 beabstandet von der thermischen Isolierung 156 angeordnet ist und ferner gegenüber dem Temperiergehäuse 103 mit einer Dichtung 192 abgedichtet ist. Ferner ist ein Kühlkanal 190 in dem Gehäuse 154 gezeigt. In Figur 9 ist gezeigt, dass im Deckenbereich der thermischen Isolierung 156 eine Isolationsöffnung 194 vorgesehen ist, wobei die Isolationsöffnung 194 ein derartigen Öffnungsquerschnitt aufweist, dass der obere Umformflansch 150 durch diese Isolationsöffnung 194 hindurchführbar ist. Um die thermischen Verluste möglichst gering zu halten, wird die Isolationsöffnung 194 nach Durchführung des oberen Umformflansches 150 mittels eines Isolationsdeckels 196 im Wesentlichen verschlossen. Der Isolationsdeckel 196 weist einen Isolationsdurchtritt 198 auf, durch den der Stempel der oberen Umformeinheit 148 hindurchgeführt ist. Somit ergibt sich eine gute Montagemöglichkeit der Hochtemperaturkammer 152, ohne dass wesentliche Verluste im oberen Bereich der thermischen Isolierung 156 entstehen.
In Figur 10 ist gezeigt, dass in dem Temperiergehäuse 103 der Temperierkammer 102 eine Führungsnut 200 vorgesehen sein kann, in der die thermische Isolierung 156 angeordnet ist. Das Gehäuse 154 ist neben der Führungsnut 200 vorgesehen. Bei thermischer Ausdehnung der thermischen Isolierung 156 wird diese innerhalb der Führungsnut 200 in vorteilhafterweise geführt.
Figur 11 zeigt ein exemplarisches Verfahren. In Schritt 300 wird der Glasrohling 130 unterhalb einer Umformtemperatur innerhalb der Temperierkammer 102 temperiert. In Schritt 302 wird der Glasrohling 130 von der Temperierkammer 102 in die Hochtemperaturkammer 152 vertikal bewegt. In Schritt 304 wird ein lokaler Temperaturgradient entlang einer vertikalen Achse innerhalb der Hochtemperaturkammer 152 eingestellt, sodass der Glasrohling 130 in vorteilhafterweise temperiert wird. In Schritt 306 wird der Glasrohling 130 von der Hochtemperaturkammer 152 in die Temperierkammer 102 vertikal bewegt.
In Schritt 308 wird der Glasrohling 130 auf die Umformtemperatur temperiert. Anschließend wird in Schritt 310 der umgeformte Glasrohling 130 von der Hochtemperaturkammer 152 in die Temperierkammer 102 vertikal zurückbewegt und anschließend horizontal in einen Kühlabschnitt 118 verbracht.
Durch das im Vorherigen beschriebene Herstellungssystem 100 und das entsprechende Verfahren wird eine Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen 130, insbesondere Quarzglas, im industriellen Maßstab ermöglicht. Eine Zykluszeit von wenigen Minuten ermöglicht die Herstellung von umgeformten Glasrohlingen 130 aus Hochtemperaturglas mit einer geringen Zykluszeit. Auf geschickte Art und Weise werden die Konzepte der Transfermaschine und des Batchofens miteinander kombiniert, um die Vorteile zu nutzen und insbesondere die bestehenden Nachteile zu beseitigen.
BEZUGSZEICHEN
100 Herstellungssystem
102 Temperierkammer
103 Temperiergehäuse
104 Einlass
106 Auslass
108 Einlassschleuse
110 Auslassschleuse
112 Hauptbewegung
114 Vorheizabschnitt
116 Übergabeabschnitt
118 Kühlabschnitt
120 Heizstation
122 obere Heizeinheit
124 untere Heizeinheit
126 elektrische Heizpatrone
128 Umformwerkzeug
130 Glasrohling
132 Umformwerkzeug
134 Umformwerkzeug
136 Umformwerkzeug
138 Umformwerkzeug
140 Schleuse
142 Umformvorrichtung 143 vertikale Bewegung
144 untere Umformeinheit
146 unterer Umformflansch
148 obere Umformeinheit
150 oberer Umformflansch
152 H ochtem peraturkam mer
153 Innenraum
154 Gehäuse
156 thermische Isolierung
158 Übergabeöffnung
160 Heizeinheit
162 Heizelement
164 erster T emperaturbereich
166 zweiter Temperaturbereich
168 dritter T emperaturbereich
170 vierter Temperaturbereich
172 äußere Isolierung
174 mittlere Isolierung
176 innere Isolierung
178 innerer Öffnungsdurchmesser
180 mittlerer Öffnungsdurchmesser
182 äußerer Öffnungsdurchmesser
184 Heizelement
186 Heizelement 188 Heizelement
190 Kühlkanal
192 Dichtung
194 Isolationsöffnung 196 Isolationsdeckel
198 Isolationsdurchtritt
200 Führungsnut

Claims

ANSPRÜCHE
1. Herstellungssystem (100) zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen (130), vorzugsweise von Glasrohlingen (130) aus Quarzglas, insbesondere zur Herstellung von optischen Linsen, umfassend eine Temperierkammer (102) zur Temperierung des Glasrohlings (130) unterhalb einer Umformtemperatur, durch die die Glasrohlinge (130) in einer horizontalen Vorschubrichtung (112) hindurchbewegbar sind, eine Hochtemperaturkammer (152) mit einer Heizeinheit (160) zur Temperierung des Glasrohlings (130) auf eine Umformtemperatur, die vorzugsweise größer 1.400°C beträgt,
- wobei die Temperierkammer (102) und die Hochtemperaturkammer (152) fluiddicht miteinander verbunden sind und eine Übergabeöffnung (158) aufweisen, durch die die Glasrohlinge (130) hindurchbewegbar sind, eine Umformvorrichtung (142), die angeordnet und ausgebildet ist, den Glasrohling (130) von der Temperierkammer (102) durch die Übergabeöffnung (158) in die Hochtemperaturkammer (152) mit einer vertikalen Bewegung (143) zu bewegen und den Glasrohling (130) in der Hochtemperaturkammer (152) umzuformen.
2. Herstellungssystem (100) nach Anspruch 1, wobei der Glasrohling (130) mit einer Hauptbewegung von einem Einlass (104) zu einem Auslass (106) durch die Temperierkammer (102) bewegbar ist, die Temperierkammer (102) einen an den Einlass (104) angrenzenden Vorheizabschnitt (114), einen an den Auslass (106) angrenzenden Kühlabschnitt (118) und einen zwischen dem Vorheizabschnitt (114) und dem Kühlabschnitt (118) vorgesehenen Übergabeabschnitt (116) aufweist, und die Umformvorrichtung (142) angeordnet und ausgebildet ist, den Glasrohling (130) von dem Übergabeabschnitt (116) in die Hochtemperaturkammer (152) zu bewegen.
3. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Übergabeabschnitt (116) thermisch abgekoppelt von dem Vorheizabschnitt (114) und/oder dem Kühlabschnitt (118) ausgebildet ist, sodass ein Wärmeübergang von der Hochtemperaturkammer (152) und/oder dem Übergabeabschnitt (116) auf den Vorheizabschnitt (114) und/oder den Kühlabschnitt (118) verringert ist.
4. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hochtemperaturkammer (152) vertikal über der Temperierkammer (102) und vorzugsweise vertikal über dem Übergabeabschnitt (116) angeordnet ist, und die Temperierkammer (102) und die Hochtemperaturkammer (152) schwimmend, insbesondere in horizontaler Richtung, miteinander gelagert sind.
5. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umformvorrichtung (142) angeordnet und ausgebildet ist, die Übergabeöffnung (158) während der vertikalen Bewegung (143) teilweise zu verschließen, sodass ein Spalt zwischen den Kammern (102, 152) ausgebildet wird, um thermische Ausdehnungen auszugleichen.
6. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hochtemperaturkammer (152) von einer thermischen Isolierung (156) umgeben ist, die angeordnet und ausgebildet ist, die Hochtemperaturkammer (152) thermisch gegenüber einer Umgebung zu isolieren, und die thermische Isolierung (156) von einem fluiddichten Gehäuse (154) umgeben ist, das angeordnet und ausgebildet ist, einen Fluidaustausch zwischen der Hochtemperaturkammer (152) und der Umgebung zu verringern.
7. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Umformvorrichtung (142) eine untere Umformeinheit (144) und eine obere Umformeinheit (148) aufweist, die untere Umformeinheit (144) angeordnet und ausgebildet ist, die vertikale Bewegung (143) auszuführen, insbesondere den Glasrohling (130) von dem Übergabeabschnitt (116) in die Hochtemperaturkammer (152) zu bewegen, und
- vorzugsweise die obere Umformeinheit (148) angeordnet und ausgebildet ist, eine zweite vertikale Bewegung auszuführen, die entgegengesetzt zu der vertikalen Bewegung (143) ausgerichtet ist.
8. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Hochtemperaturkammer (152) und die Heizeinheit (160) angeordnet und ausgebildet sind, im bestimmungsgemäßen Betrieb eine konstante Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer (152) zu halten.
9. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Heizeinheit (160) angeordnet und ausgebildet ist, ein Temperaturprofil in der Hochtemperaturkammer (152) auszubilden, sodass der Glasrohling (130) in Abhängigkeit einer Position in der Hochtemperaturkammer (152) temperierbar ist, um mittels einer Einfahrgeschwindigkeit der Umformvorrichtung (142) einen vorbestimmten Temperaturverlauf in dem Glasrohling (130) einzustellen.
10. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Heizeinheit (160) zwei oder mehr Heizzonen innerhalb der Hochtemperaturkammer (152) ausbildet, wobei die Heizzonen mittels separater Heizelemente (184, 186, 188) ausgebildet sind,
- vorzugsweise die zwei oder mehr Heizzonen vertikal benachbart zueinander ausgebildet sind, und
- vorzugsweise die Heizelemente (184, 186, 188) in horizontaler Richtung versetzt zueinander angeordnet sind.
11. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, umfassend eine Steuereinheit, die angeordnet und ausgebildet ist, die Bewegung und/oder Geschwindigkeit der Umformvorrichtung (142) zu steuern,
- wobei vorzugsweise die vertikale Bewegung (143) derart gesteuert wird, dass basierend auf der Geschwindigkeit der Glasrohling (130) mit einer vordefinierten Temperaturkurve temperiert wird.
12. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, eine vertikale Position des Glasrohlings (130) während des Umformens gemäß einem vordefinierten Bewegungsmuster durch eine Ansteuerung der Umformvorrichtung (142), vorzugsweise der oberen und unteren Umformeinheit, einzustellen.
13. Herstellungssystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist, die Heizeinheit (160) derart zu steuern, dass die Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer (152) konstant ist.
14. Verfahren zur Hochtemperaturumformung von Glasrohlingen (130), vorzugsweise von Glasrohlingen (130) aus Quarzglas, insbesondere zur Herstellung von optischen Linsen, vorzugsweise mit einem Herstellungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche 1-13, umfassend die Schritte:
- Temperieren des Glasrohlings unterhalb einer Umformtemperatur innerhalb einer Temperierkammer (102), durch die der Glasrohling (130) in einer horizontalen Vorschubrichtung bewegt wird,
- Vertikales Bewegen des Glasrohlings von der Temperierkammer (102) in eine mit der Temperierkammer (102) fluiddicht verbundene Hochtemperaturkammer (152), und
- Temperieren des Glasrohlings auf eine Umformtemperatur und Umformen des Glasrohlings innerhalb der Hochtemperaturkammer (152).
15. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch 14, umfassend den Schritt oder die Schritte:
- Vertikales Bewegen des umgeformten Glases von der Hochtemperaturkammer (152) in die Temperierkammer (102), und
- vorzugsweise horizontales Bewegen des umgeformten Glases in einen Kühlabschnitt.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 14-15, umfassend den Schritt oder die Schritte:
Einstellen einer konstanten Temperatur innerhalb der Hochtemperaturkammer (152), und/oder
Einstellen von lokalen Temperaturgradienten, insbesondere entlang einer vertikalen Achse, innerhalb der Hochtemperaturkammer (152).
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