WO2000056674A1 - Verfahren zur formgebung von glaskeramikteilen und/oder glasteilen - Google Patents

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WO2000056674A1
WO2000056674A1 PCT/EP2000/002505 EP0002505W WO0056674A1 WO 2000056674 A1 WO2000056674 A1 WO 2000056674A1 EP 0002505 W EP0002505 W EP 0002505W WO 0056674 A1 WO0056674 A1 WO 0056674A1
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glass
blank
radiation
glass ceramic
shaping process
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PCT/EP2000/002505
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Ulrich Fotheringham
Hauke Esemann
Bernd Hoppe
Hubertus Bader
Gerhard Hahn
Markus Garsche-Andres
Matthias Brinkmann
Norbert Greulich-Hickmann
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Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung Trading As Schott Glas
Carl-Zeiss-Stiftung
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    • C03B5/16—Special features of the melting process; Auxiliary means specially adapted for glass-melting furnaces
    • C03B5/42—Details of construction of furnace walls, e.g. to prevent corrosion; Use of materials for furnace walls

Definitions

  • the invention relates to a method for producing glass ceramic parts and / or glass parts by means of deformation from a glass ceramic blank and / or glass blank, and a device for carrying out the
  • the shaping of glass ceramics takes place according to a first method according to the state of the art, starting from the glassy preliminary product, since after the ceramization of the
  • this is typically heated to temperatures around 1000 ° Celsius, at which crystal growth takes place if nuclei have previously been formed.
  • the target temperature for example, 1000 * Celsius
  • the nucleation area in which the smallest crystallization nuclei are separated out and which is between 700 * Celsius and 800 ° Celsius is passed through.
  • the nucleation area must be traversed as quickly as possible.
  • the shaping of glasses takes place on the basis of a glass blank using the deformation processes customary for glass, such as gravity sinks or vacuum sinks, in which the glass blank is typically heated to temperatures above the softening point of, for example, 1000 ° C.
  • a rapid heating of the glass ceramic blank or the glass blank can be achieved, for example, by using high-performance surface heaters, such as gas burners.
  • Surface heaters are generally referred to as heaters in which at least 50% of the total heat output of the heating source is entered into the surface or layers near the surface of the object to be heated.
  • a special type of surface heating is the heating described above with a gas flame, the flame temperatures typically being around 1000 * Celsius. Heating by means of a gas burner is largely carried out by transferring the thermal energy of the hot gas over the surface of the glass ceramic blank or
  • Glass blanks This can result in a temperature gradient that changes the shape e.g. can adversely affect due to viscosity gradients. This applies in particular to glass thicknesses> 5 mm.
  • the post-processing of glass ceramic precursors has become known from PCT / FR96 / 00927, the rolled glass strip being subjected to the shaping directly from the melting tank when the required temperature has been reached, even before the critical area of nucleation has been reached in the glass ceramic.
  • Molded glass production must be intervened.
  • subsequent shaping which is independent of the tub operation, for example interposed glass ceramic blanks is not possible after they have cooled down by heating again.
  • Another possibility for producing three-dimensionally shaped glasses is to carry them out not from a glass blank, but rather already during or after the melting process by placing them on the appropriate shape.
  • glass can be shaped directly on the melting tank from a rolled glass band.
  • a disadvantage of such a method is that the shape of the glass is coupled to the tub operation.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for producing glass ceramic parts and / or glass parts by means of deformation from a glass ceramic blank and / or glass blank, with which the disadvantages described above are overcome.
  • the object is achieved in that, in a generic method, the shaping process using IR
  • Radiation preferably short-wave IR radiation ⁇ 2.7 microns wavelength or NIR radiation is carried out.
  • the deformation takes place during the softening of a glass blank.
  • the shaping process takes place as post-processing of a glass ceramic blank before it is ceramized. This has the advantage that the glass can be deformed offline at any time.
  • the deformation would be carried out together with the ceramization of the glass ceramic blank.
  • the glass ceramic blank and / or glass blank subjected to the deformation is a glass plate.
  • shaping methods for example shaping by means of gravity lowering, which can be supported by vacuum.
  • vacuum sinks One then speaks of vacuum sinks.
  • the lowering into the mold can be carried out with the aid of a press die or with the aid of air blowing in.
  • directed IR irradiation of the glass or glass-ceramic blank to be shaped can take place, as a result of which specific heating and thus shaping can be carried out.
  • specific areas of the blank can be heated or kept cold by introducing appropriately designed screens.
  • the entire shaping process is carried out in an IR radiation cavity and the heating is carried out with the aid of IR emitters as radiation sources.
  • the glass ceramic blank and / or glass blank is partly heated directly with IR radiation from the IR radiators and partly indirectly from the walls, the ceiling and / or the bottom of the IR lamp. Radiation cavity reflected or backscattered IR radiation.
  • the proportion of indirect, ie. H. the backscattered or reflected radiation, which acts on the glass or glass ceramic blank to be heated more than 50%, preferably more than 60%, preferably more than 70%, particularly preferably more than 80%, particularly preferably more than 90%, is in particular more than 98% of the total radiation power.
  • preheating can be carried out, for example, in a conventional oven.
  • the invention also provides a device for carrying out the method, which is characterized in particular by the fact that it comprises an IR radiation cavity with walls, ceiling and / or floor reflecting the IR radiation, a large number of IR radiators are arranged in the IR radiation cavity.
  • IR radiation cavities are shown, for example, in US-A-4789771 and US Pat
  • the proportion of the infrared radiation reflected and / or scattered by the wall surfaces, the floor and / or the ceiling is preferably more than 50% of the radiation impinging on these surfaces. It is particularly preferred if the proportion of the infrared radiation reflected and / or scattered from the wall surfaces, the floor and / or the ceiling is more than 90%, in particular more than 98%.
  • a particular advantage of using an IR radiation cavity is that when using highly reflective and / or backscattering wall, floor and / or ceiling materials, it is a resonator of high quality Q, which is only subject to low losses and therefore ensures a high level of energy utilization.
  • Remitting wall material can be used, for example, ground quartz plates with a thickness of 30 mm, for example.
  • IR radiation Other materials that scatter the IR radiation are also possible as wall, ceiling and / or floor materials or coatings of the IR radiation cavity, for example one or more of the following materials:
  • the IR radiators have a color temperature greater than 1500 K, particularly preferably greater than 2000 K, very preferably greater than 2400 K, in particular greater than 2700 K, particularly preferably greater than 3000 K.
  • the IR emitters In order to prevent the IR emitters from overheating, they are advantageously cooled, in particular air or water-cooled.
  • the IR emitters can be switched off individually, in particular their electrical output can be regulated.
  • Figure 2A shows the basic structure of a heating device according to the invention with radiation cavity.
  • FIG. 2B shows the remission curve over the wavelength of Al 2 O a Sintox AL from Morgan Matroc, Troisdorf, with a degree of remission
  • FIG. 3A shows the heating curve of a glass ceramic blank to be shaped in a heating device comprising an IR radiation cavity.
  • FIG. 3B shows the heating curve of a glass blank to be shaped in a heating device comprising an IR radiation cavity
  • FIG. 8 deformation of a glass ceramic blank and / or glass blank by directional IR radiators
  • FIG. 9 deformation of a glass ceramic blank and / or glass blank in an IR radiation cavity with an aperture.
  • FIG. 1 shows the intensity distribution of an IR radiation source, as can be used for heating a glass or glass ceramic blank for a complex shaping according to the invention.
  • IR radiators used can be linear halogen IR quartz tube radiators with a nominal output of 2000 W at a voltage of 230 V, which preferably have a color temperature of 2400 K. These IR emitters have their radiation maximum at a wavelength of 1210 nm in accordance with Vienna's law of displacement
  • the heating device and the annealing material or the glass or glass ceramic raw material to be molded are located in an IR radiation cavity equipped with IR radiators. This presupposes that the quartz glass emitters themselves are sufficiently temperature-resistant or cooled accordingly.
  • Quartz glass tube can be used up to around 1100 'Celsius. It is preferred to design the quartz glass tubes considerably longer than the heating coil and to lead them out of the hot area so that the connections are in the cold area so as not to overheat the electrical connections.
  • the quartz glass tubes can be designed with and without a coating.
  • FIG. 2A shows a first embodiment of a heating device for a shaping method according to the invention with an IR radiation cavity.
  • the heating device shown in FIG. 2A comprises a large number of IR radiators 1, which are arranged below a reflector 3 made of highly reflective or highly backscattering material.
  • the reflector 3 ensures that the power emitted by the IR radiator in other directions is directed onto the glass or glass ceramic blank.
  • the IR radiation emitted by the IR emitters partially penetrates the glass ceramic blank 5 or glass blank 5 that is semitransparent in this wavelength range and strikes a carrier plate 7 made of highly reflective or strongly scattering material. Quartzal is particularly suitable for this purpose, which also reflects about 90% of the incident radiation in the infrared.
  • Al 2 0 3 could also be used, which has a reflectance of approximately 98%.
  • the glass ceramic blank 5 or glass blank 5 is placed on the carrier plate 7 with the aid of, for example, quartzal or Al 2 O 3 strips 9.
  • the temperature of the underside can be measured through a hole 11 in the support plate using a pyrometer.
  • the walls 10 can, together with the reflector 3 as the ceiling and the support plate 7 as the floor, with an appropriate configuration with reflective or diffusely backscattering material or quartz or Al 2 O 3, form an IR radiation cavity of high quality.
  • FIG. 3A shows the heating curve of a glass ceramic blank to be shaped in accordance with a method according to the invention, the glass ceramic blank to be shaped having dimensions of approximately 200 mm and a thickness of 4 mm.
  • FIG. 3B shows the heating curve of a glass blank to be formed in accordance with a method according to the invention, the glass sample to be shaped having dimensions of approximately 200 mm and a thickness of 4 mm.
  • the heating process or heat treatment was carried out as described below:
  • the heating of the glass ceramic blanks to be reshaped and optionally to be ceramized or the glass blanks to be shaped was initially carried out in an IR radiation cavity with a quartzal construction according to FIG. 2A, the ceiling of which was formed by an aluminum reflector with IR radiators underneath.
  • the samples were appropriately stored on quartzal.
  • the glass or glass ceramic blanks were directly illuminated by several halogen IR radiators, which were at a distance of 10 mm to 150 mm above the glass or glass ceramic blanks to be formed.
  • the predominant part of the radiation initially transmitted through the glass or glass ceramic blank after reflection or scattering on the wall, floor and / or ceiling again reaches the object to be heated and is in turn partially absorbed.
  • the path of the radiation which is also transmitted through the glass or glass ceramic blank during the second pass continues analogously. This process not only achieves homogeneous heating in depth, but also the energy used is used much better than with a simple passage through the glass or glass ceramic blank.
  • FIGS. 4A and 4B show the structure for shaping a glass or glass ceramic blank 5 in an IR radiation cavity with IR radiant heaters 1 using gravity sinks.
  • the IR radiators 1 are arranged in the radiation cavity above the glass ceramic blank 5 or glass blank 5 to be shaped.
  • Reflectors 3 are located above the IR radiators 1.
  • the IR radiators 1 heat the glass ceramic blank 5 or glass blank 5 from the top.
  • the mold 50 into which the blank 5 sinks, is coated with IR-reflecting material, as are the walls 10 of the IR radiation cavity.
  • the IR radiation impinging on the walls 10 or the mold 50 is reflected in a proportion of more than 50%, preferably 90 or 95%, particularly preferably 98%.
  • the radiation reflected back heats up the glass ceramic blank or the glass blank again when it is passed through again.
  • the shaping process can be carried out either before the ceramization or together with the
  • the shaped glass or glass ceramic part is removed from the mold after the heating has been switched off by means of the IR radiators.
  • the shaping process can be supported by applying a vacuum, as shown in FIGS. 5A and 5B.
  • a vacuum for this purpose, provision is made to provide a vacuum connection 52 in the mold below the glass ceramic blank 5 or glass blank 5 to be molded.
  • the lowering of gravity after heating by the IR radiators is supported by applying a vacuum.
  • FIGS. 6A and 6B it can be provided, as shown in FIGS. 6A and 6B, to support the deformation process with a press ram 54.
  • a press ram 54 For this purpose, after the plate has been heated, the IR radiators which are located above the plate to be heated are advantageously moved and then the heated plate 5 is lowered into the mold with the aid of the pressing tool or press die 52.
  • the mold could also be moved with the heated plate.
  • FIG. 8 shows the selective heating of a glass ceramic blank or glass blank with the aid of directional IR radiators 100.
  • Glass blanks are set in motion.
  • the directional IR radiator 100 By individually controlling the directional IR radiator 100, it is possible to produce temperature profiles distributed over an area in the glass ceramic blank or glass tube to be shaped and thus to give the glass ceramic or the glass an arbitrary predetermined shape.
  • diaphragms 102 can also be provided, which are introduced between the IR emitters 1 and the top of the plate 5 to be heated.
  • FIG. 9 Such an embodiment of the invention is shown in FIG. 9.
  • the temperature of the shaped glass-ceramic or glass is preferably less than 250 degrees Celsius, the cooling rate of the glass-ceramic or glass when the radiator is switched off is preferably above 150 degrees Celsius per minute.
  • the heating of a glass ceramic or glass blank using the IR radiation method preferably takes less than 60 seconds, and the cooling preferably takes less than 180 seconds.
  • the cooling can take place both outside and inside the unit. This enables cycle times of 60 seconds for cooling outside the unit and less than 5 minutes for cooling inside the unit.
  • channel-shaped components with a circular arc cross-section of r less than 150 mm can be realized with a width of the component less than 200 mm, and channel-shaped components made of glass ceramic or glass with a rectangular or trapezoidal cross-section can be formed, for example.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glaskeramikteilen und/oder Glasteilen mittels Verformung aus einem Glaskeramikrohling und/oder Glasrohling. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungsverfahren unter Einsatz von IR-Strahlung durchgeführt wird.

Description

Verfahren zur Formgebung von Glaskeramikteilen und/oder Glasteilen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Glaskeramikteilen und/oder Glasteilen mittels Verformung aus einem Glaskeramikrohling und/oder Glasrohling sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
Die Formgebung von Glaskeramiken, insbesondere die 3D-Formgebung erfolgt nach einem ersten Verfahren gemäß dem Stand der Technik ausgehend vom glasigen Vorprodukt, da nach erfolgter Keramisierung des
Glases eine Verformung im allgemeinen nur über den Umweg über die Schmelze wieder möglich ist.
Um das Ausgangsglas der Glaskeramik mit den für Glas üblichen Verformungsverfahren wie beispielsweise Schwerkraftsenken oder
Vakuumsenken verformen zu können, wird dieses typischerweise auf Temperaturen um 1000° Celsius erhitzt, bei denen Kristallwachstum stattfindet, wenn vorher Keime gebildet worden sind. Beim Erwärmen des Ausgangsglases auf die Zieltemperatur von beispielsweise 1000* Celsius, bei der Kristallwachstum erfolgen kann, muß unvermeidbarerweise der
Keimbildungsbereich, in dem kleinste Kristallisationskeime ausgeschieden werden und der zwischen 700* Celsius und 800° Celsius liegt, durchfahren werden.
Um zu verhindern, daß im kritischen Bereich der Keimbildung eine Keimung, die inhomogen sein kann, einsetzt und die Eigenschaften der aus dem nachfolgenden Keramisierungsprozeß hervorgehenden Glaskeramik negativ beeinflußt werden, oder daß es durch die Vorkeimung im anschließenden Formgebungsverfahren zur Kristallisation kommt und dieses dadurch unmöglich wird, muß der Keimbildungsbereich so schnell als möglich durchfahren werden. Die Formgebung bei Gläsern erfolgt ausgehend von einem Glasrohling mit den für Glas üblichen Verformungsverfahren wie beispielsweise Schwerkraftsenken oder Vakuumsenken, in dem der Glasrohling typischerweise auf Temperaturen oberhalb des Erweichungspunktes von beispielsweise 1000° C erhitzt wird.
Eine schnelle Aufheizung des Glaskeramikrohlinges bzw. des Glasrohlinges kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß leistungsstarke Oberflächenheizungen, wie beispielsweise Gasbrenner, verwendet werden.
Als Oberflächenheizung werden ganz allgemein solche Heizungen bezeichnet, bei denen mindestens 50 % der gesamten Wärmeleistung der Heizquelle in die Oberfläche beziehungsweise oberflächennahen Schichten des zu erwärmenden Objektes eingetragen werden.
Eine besondere Art einer Oberflächenheizung ist die oben beschriebene Erwärmung mit einer Gasflamme, wobei typischerweise die Flammtemperaturen bei 1000* Celsius liegen. Eine Erwärmung mittels Gasbrenner erfolgt zum größten Teil durch Übertragung der Wärmeenergie des heißen Gases über die Oberfläche des Glaskeramikrohlings bzw.
Glasrohlings. Hierbei kann sich ein Temperaturgradient ergeben, der die Formgebung z.B. aufgrund von Viskositätsgradienten nachteilig beeinflussen kann. Insbesondere gilt dies für Glasdicken > 5 mm.
Um eine schnelle Durchwärmung des Glas- bzw. Glaskeramikrohlinges mit
Hilfe von Wärmeleitung zu erreichen, ist beim Gasbrenner ein hoher Leistungseintrag erforderlich. Eine derartige Erwärmung ist auf kleine Flächen beschränkt, da eine vollflächige Einbringung der erforderlichen Leistungsdichte mit Hilfe von Gasbrennern nicht möglich ist. Die Erwärmung mit Gasbrennern ist somit, insbesondere nicht zur Herstellung komplexer 3D-Glaskeramiken geeignet, sondern auf einfache Geometrien beschränkt.
Weitere Nachteile der Erwärmung mit Gasbrennern sind beispielsweise: eine relativ unkontrollierte Beflammung, das Eintragen von Störgasen,
die die Materialbeschaffenheit unerwünscht beeinflussen können.
Eine andere Möglichkeit der Herstellung dreidimensional verformter Glaskeramiken besteht darin, diese während des Keramisierungsprozesses durch Auflegen auf die geeignete Form durchzuführen. Da hierbei jedoch nicht die eigentlich erforderlichen niedrigen Viskositäten auftreten, können zwar komplexe Geometrien geformt werden, jedoch nur mit sehr großen
Biegeradien.
Aus der PCT/FR96/00927 ist die Nachverarbeitung von Glaskeramikvorstufen bekanntgeworden, wobei direkt an der Schmelzwanne das gewalzte Glasband bei Erreichen der erforderlichen Temperatur von hohen Temperaturen herkommend der Formgebung unterzogen wurde, noch bevor der kritische Bereich der Keimbildung bei der Glaskeramik erreicht wurde.
Nachteilig an dem aus der PCT/FR96/00927 bekannten Verfahren ist der außerordentlich hohe Aufwand, da direkt in den kontinuierlichen Prozeß der
Formglasherstellung eingegriffen werden muß. Zudem ist eine vom Wannenbetrieb unabhängige, nachfolgende Formgebung beispielsweise zwischengelagerter Glaskeramikrohiinge nach deren Abkühlung durch erneutes Aufheizen nicht möglich. Eine andere Möglichkeit der Herstellung dreidimensional verformter Gläser besteht darin, diese nicht aus einem Glasrohling, sondern bereits während des oder nach dem Schmelzprozeß durch Auflegen auf die geeignete Form durchzuführen.
So kann Glas direkt an der Schmelzwanne beispielsweise aus einem gewalzten Glasband einer Formgebung unterzogen werden.
Nachteilig an einem derartigen Verfahren ist, daß die Formgebung des Glases an den Wannenbetrieb gekoppelt ist.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Glaskeramikteilen und/oder Glasteilen mittels Verformung aus einem Glaskeramikrohling und/oder Glasrohling anzugeben, mit dem die zuvor beschriebenen Nachteile überwunden werden. Insbesondere soll das
Verfahren folgende Möglichkeiten eröffnen:
* einen vom Wannenbetrieb unabhängigen, beispielsweise nachgeschalteten Betrieb * komplexe 3D-Verformungen auch mit kleinsten Biegeradien
* weitgehende Vermeidung störender Vorkeramisierung
* weitgehende Vermeidung störender Temperaturgradienten
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einem oberbegrifflichen Verfahren das Formgebungsverfahren unter Einsatz von IR-
Strahlung, vorzugsweise kurzwelliger IR-Strahlung < 2,7 μm Wellenlänge bzw. NIR-Strahlung, durchgeführt wird.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die Verformung während des Erweichens eines Glasrohlings erfolgt. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Formgebungsverfahren als Nachverarbeitung eines Glaskeramikrohlinges vor dessen Keramisierung erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß das Glas jederzeit offline einer Verformung unterzogen werden kann.
Alternativ hierzu wäre die Durchführung der Verformung zusammen mit der Keramisierung des Glaskeramikrohlings.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der der Verformung unterzogene Glaskeramikrohling und/oder Glasrohling eine Glasplatte ist.
Als Formgebungsverfahren sind sämtliche üblichen Formgebungsverfahren der Glasverarbeitung denkbar, beispielsweise das Verformen mittels Schwerkraftabsenkung, das durch Vakuum unterstützt sein kann. Man spricht dann von Vakuumsenken. Alternativ hierzu kann das Absenken in die Form mit Hilfe eines Pressstempeis oder mit Hilfe des Einbiasens von Luft erfolgen.
Neben einem Formgebungsprozeß durch Absenken in eine Form kann alternativ oder kombiniert mit dem Absenkungsprozeß eine gerichtete IR- Bestrahlung des zu formenden Glas- oder Glaskeramikrohlinges erfolgen, wodurch eine gezielte zonenweise Erwärmung und damit Formgebung vorgenommen werden kann.
Unterstützend oder alternativ zu einer gerichteten IR-Strahlung, können gezielt bestimmte Bereiche des Rohlinges durch Einbringen von entsprechend ausgestalteten Blenden erwärmt oder im Kalten gehalten werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das gesamte Formgebungsverfahren in einem IR-Strahlungshohiraum durchgeführt wird und die Erwärmung mit Hilfe von IR-Strahlem als Strahlungsquellen erfolgt. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Erwärmung des Glaskeramikrohlinges und/oder Glasrohiinges zum einen Teil direkt mit IR- Strahlung der IR-Strahler erfolgt und zum anderen Teil indirekt durch von den Wänden, der Decke und/oder dem Boden des IR-Strahiungshohlraumes reflektierte beziehungsweise rückgestreute IR-Strahlung.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anteil der indirekten, d. h. der rückgestreuten bzw. reflektierten Strahlung, die auf den zu erwärmenden Glas- bzw. Glaskeramikrohling einwirkt, mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 60 %, bevorzugt mehr als 70 %, besonders bevorzugt mehr als 80 %, besonders bevorzugt mehr als 90 %, insbesondere mehr als 98 % der Gesamtstrahlungsleistung beträgt.
Zur Homogenisierung der Temperatur kann eine Vorerwärmung beispielsweise in einem konventionellen Ofen vorgenommen werden.
Auch die Nacherwärmung eines geformten Glases bzw. einer geformten Glaskeramik ist denkbar.
Neben dem Verfahren stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Verfügung, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß sie einen IR-Strahlungshohlraum mit die IR-Strahlung reflektierenden Wänden, Decke und/oder Boden umfaßt, wobei eine Vielzahl von IR-Strahlem im IR-Strahlungshohlraum angeordnet sind.
IR-Strahlungshohlräume zeigen beispielsweise die US-A-4789771 sowie die
EP-A-0 133 847, deren Offenbarungsgehalt in die vorliegende Anmeldung vollumfänglich miteinbezogen wird. Vorzugsweise beträgt der Anteil der von den Wandflächen, dem Boden und/oder der Decke reflektierten und/oder gestreuten Infrarot-Strahlung mehr als 50 % der auf diese Flächen auftreffenden Strahlung. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Anteil der von den Wandflächen, dem Boden und/oder der Decke reflektierten und/oder gestreuten Infrarot- Strahlung mehr als 90 %, insbesondere mehr als 98 %, beträgt.
Ein besonderer Vorteil der Verwendung eines IR-Strahlungshohlraumes ist, daß es sich bei Verwendung von sehr stark reflektierenden und/oder rückstreuenden Wand-, Boden- und/oder Deckenmaterialien um einen Resonator hoher Güte Q handelt, der nur mit geringen Verlusten behaftet ist und daher eine hohe Energieausnutzung gewährleistet.
Bei der Verwendung diffus rückstreuender Wand-, Decken- und/oder Bodenmaterialien wird eine besonders gleichmäßige Durchstrahlung aller Volumenelemente des Hohlraumes unter allen Winkeln erreicht. Damit werden etwaige Abschattungseffekte bei komplex geformten Glaskeramikteilen und/oder Glasteilen vermieden.
Als rückstreuendes, d. h. remittierendes Wandmaterial können beispielsweise geschliffene Quarzal-Platten mit beispielsweise einer Dicke von 30 mm Verwendung finden.
Auch andere die IR-Strahlung rückstreuende Materialien sind als Wand- Decken- und/oder Bodenmaterialien oder Beschichtungen des IR- Strahiungshohlraumes möglich, beispielsweise eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien:
Al203; BaF2; BaTi03. CaF2; CaTi03; MgO ' 3,5 Al203; MgO, SrF2; Si02; SrTi03; Ti02; Spinell; Cordierit; Cordierit-Sinterglaskeramik in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die IR-Strahler eine Farbtemperatur größer als 1500 K, besonders bevorzugt größer als 2000 K, ganz bevorzugt größer als 2400 K, insbesondere größer als 2700 K, insbesondere bevorzugt größer als 3000 K auf.
Um eine Überhitzung der IR-Strahler zu vermeiden sind diese vorteilhafterweise gekühlt, insbesondere luft- oder wassergekühlt.
Zur gezielten Erwärmung des Glases bzw. der Glaskeramik beispielsweise mit Hilfe gerichteter Strahler ist vorgesehen, daß die IR-Strahler einzeln ausschaltbar, insbesondere in ihrer elektrischen Leistung regelbar sind.
Die Erfindung soll nachfolgend beispielhaft anhand der Figuren sowie der Ausführungsbeispiele beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 die Planck-Kurve eines möglichen IR-Strahlers mit einer
Temperatur von 2400 K.
Figur 2A den prinzipiellen Aufbau einer Heizvorrichtung gemäß der Erfindung mit Strahlungshohlraum.
Figur 2B die Remissionskurve über der Wellenlänge von AI2Oa Sintox AL der Fa. Morgan Matroc, Troisdorf, mit einem Remissionsgrad
> 95 %, über einen weiten Spektralbereich > 98 %, im IR- Wellenlängenbereich.
Figur 3A die Aufheizkurve eines zu formenden Glaskeramikrohlings in einer Heizvorrichtung umfassend einen IR-Strahlungshohlraum. Figur 3B die Aufheizkurve eines zu formenden Glasrohlings in einer Heizvorrichtung umfassend einen IR-Strahlungshohlraum
Figur 4A+B Verformung eines Glaskeramikrohiings und/oder Glasrohlinges mit Schwerkraftsenken.
Figur 5A+B Verformung eines Glaskeramikrohlings und/oder Glasrohlinges mit Vakuumsenken.
Figur 6A+B Verformung eines Glaskeramikrohlings und/oder Glasrohlinges mit Senken, unterstützt durch ein Preßwerkzeug
Figur 7A+B Verformung eines Glaskeramikrohlings und/oder Glasrohlinges mit Senken unterstützt durch Überdruck.
Figur 8 Verformung eine Glaskeramikrohlings und/oder Glasrohlinges durch gerichtete IR-Strahler
Figur 9 Verformung eines Glaskeramikrohlings und/oder Glasrohlinges in einem IR-Strahlungshohlraum mit Blende.
Figur 1 zeigt die Intensitatsverteilung einer IR-Strahlungsquelle, wie sie zur Erwärmung eines Glas- oder Glaskeramikrohlings für eine komplexe Formgebung gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Die zur
Anwendung gelangenden IR-Strahler können lineare Halogen IR- Quarzrohrstrahler mit einer Nennleistung von 2000 W bei einer Spannung von 230 V sein, welche bevorzugt eine Farbtemperatur von 2400 K besitzen. Diese IR-Strahler haben entsprechend dem Wienschen Verschiebungsgesetz ihr Strahlungsmaximum bei einer Wellenlange von 1210 nm Bei dem erfindungsgemäßen Formgebungsverfahren befinden sich die Heizeinrichtung und das Glühgut beziehungsweise der zu formende Glasoder Glaskeramikrohiing in einem mit IR-Strahlern bestückten IR- Strahlungshohlraum. Das setzt voraus, daß die Quarzglasstrahler selbst genügend temperaturbeständig oder entsprechend gekühlt sind. Das
Quarzgiasrohr ist bis etwa 1100' Celsius einsetzbar. Bevorzugt ist es, die Quarzglasrohre erheblich länger auszubilden als die Heizwendel und aus dem Heißbereich herauszuführen, so daß die Anschlüsse im Kaltbereich sind, um die elektrischen Anschlüsse nicht zu überhitzen. Die Quarzgiasrohre können mit und ohne Beschichtung ausgeführt sein.
In Figur 2A ist eine erste Ausführungsform einer Heizvorrichtung für ein Formgebungsverfahren gemäß der Erfindung mit einem IR- Strahlungshohlraum dargestellt.
Die in Figur 2A dargestellte Heizvorrichtung umfaßt eine Vielzahl von IR- Strahlern 1 , die unterhalb eines Reflektors 3 aus stark reflektierendem bzw. Stark rückstreuendem Material angeordnet sind. Durch den Reflektor 3 wird erreicht, daß die vom IR-Strahler in andere Richtungen abgegebene Leistung auf den Glas- bzw. Glaskeramikrohling gelenkt wird. Die von den IR-Strahlern abgegebene IR-Strahlung durchdringt teilweise den in diesem Wellenlängenbereich semitransparenten Glaskeramikrohling 5 bzw. Glasrohling 5 und trifft auf eine Trägerplatte 7 aus stark reflektierendem beziehungsweise stark streuendem Material. Besonders geeignet hierfür ist Quarzal, das auch im Infraroten ungefähr 90 % der auftreffenden Strahlung reflektiert. Alternativ hierzu könnte auch Al203 Verwendung finden, das einen Reflexionsgrad von ungefähr 98 % aufweist. Auf die Trägerplatte 7 wird der Glaskeramikrohling 5 bzw. Glasrohling 5 mit Hilfe von beispielsweise Quarzal- oder Al203-Streifen 9 aufgesetzt. Die Temperatur der Unterseite kann durch ein Loch 11 in der Trägerplatte mittels eines Pyrometers gemessen werden. Die Wände 10 können zusammen mit Reflektor 3 als Decke und Trägerplatte 7 als Boden bei entsprechender Ausgestaltung mit reflektierendem oder diffus rückstreuendem Material bzw. Quarzal oder Al203 einen IR- Strahlungshohlraum hoher Güte ausbilden.
Figur 3A zeigt die Heizkurve eines umzuformenden Glaskeramikrohlinges gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei der umzuformende Glaskeramikrohling Abmessungen von etwa 200 mm bei einer Dicke von 4 mm aufwies.
Figur 3B zeigt die Heizkurve eines umzuformenden Glasrohlinges gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei die zu formende Glasprobe Abmessungen von etwa 200 mm bei einer Dicke von 4 mm aufwies.
Das Heizverfahren beziehungsweise die Wärmebehandlung erfolgte wie nachfolgend beschrieben:
Die Erwärmung der umzuformenden und gegebenenfalls im Anschluß zu keramisierenden Glaskeramikrohlingen bzw. der zu formenden Glasrohlinge erfolgte zunächst in einem mit Quarzal umbauten IR-Strahlungshohlraum gemäß Figur 2A, dessen Decke durch einen Aluminiumreflektor mit darunter befindlichen IR-Strahlern gebildet wurde. Die Proben wurden in geeigneter Art und Weise auf Quarzal gelagert.
Im IR-Strahlungshohlraum wurden die Glas- bzw. Glaskeramikrohlinge durch mehrere Halogen IR-Strahler direkt angestrahlt, die sich in einem Abstand von 10 mm bis 150 mm über den umzuformenden Glas- bzw. Glaskeramikrohlingen befanden.
Das Aufheizen des jeweiligen Glaskeramikrohlinges bzw. Glasrohlinges fand nunmehr mittels Ansteuerung der IR-Strahler über einen Thyristorsteller auf Grundlage von Absorptions-, Reflexions- und Streuprozessen statt, wie nachfolgend eingehend beschrieben:
Da die Absorptionslänge der verwendeten kurzwelligen IR-Strahlung im Glas sehr viel größer ist als die Abmessungen der zu erwärmenden Gegenstände, wird der größte Teil der auftreffenden Strahlung durch die Probe hindurchgelassen. Da andererseits die absorbierte Energie pro Volumen an jedem Punkt des Glases nahezu gleich ist, wird eine über das gesamte Volumen homogene Erwärmung erzielt. Bei dem Versuch gemäß Figur 3A und 3B für die umzuformende Glaskeramik bzw. Glasprobe befinden sich die
IR-Strahler und der zu erwärmende Glas- bzw. Glaskeramikrohling in einem Strahlungshohlraum, dessen Wände, Boden und/oder Decke aus einem Material mit einer Oberfläche hoher Reflektivität bestehen, wobei zumindest ein Teil der Wand-, Boden und/oder Deckenfläche die auftreffende Strahlung überwiegend diffus zurückstreut. Dadurch gelangt der überwiegende Teil der zunächst von dem Glas- bzw. Glaskeramikrohling hindurchgelassenen Strahlung nach Reflexion beziehungsweise Streuung an der Wand, Boden und/oder Decke erneut in den zu erwärmenden Gegenstand und wird wiederum teilweise absorbiert. Der Weg der auch beim zweiten Durchgang durch den Glas- bzw. Glaskeramikrohling hindurchgelassenen Strahlung setzt sich analog fort. Mit diesem Verfahren wird nicht nur eine in der Tiefe homogene Erwärmung erreicht, sondern auch die eingesetzte Energie deutlich besser als bei nur einfachem Durchgang durch den Glas- bzw. Glaskeramikrohling ausgenutzt.
In Figur 4A und 4B ist der Aufbau für eine Formgebung eines Glas- bzw. Glaskeramikrohlinges 5 in einem IR-Strahlungshohlraum mit IR-Heizstrahlern 1 mit Hilfe von Schwerkraftsenken dargestellt. Die IR-Strahler 1 sind im Strahlungshohlraum oberhalb des zu formenden Glaskeramikrohlings 5 bzw. Glasrohlinges 5 angeordnet. Oberhalb der IR- Strahler 1 befinden sich Reflektoren 3.
Die IR-Strahler 1 erwärmen den Glaskeramikrohling 5 bzw. Glasrohling 5 von der Oberseite. Die Form 50, in die der Rohling 5 sinkt, ist mit IR- reflektierendem Material ebenso wie die Wände 10 des IR- Strahlungshohlraumes beschichtet. Die auf die Wände 10 beziehungsweise die Form 50 auftreffende IR-Strahlung wird zu einem Anteil von mehr als 50 %, vorzugsweise 90 bzw. 95 %, besonders bevorzugt 98 % reflektiert. Die zurückreflektierte Strahlung erwärmt beim nochmaligen Durchgang wiederufn den Glaskeramikrohling bzw. den Glasrohling.
Wird eine bestimmte Temperatur in dem Glaskeramikrohling bzw. Glasrohling überschritten, so senkt sich der erwärmte Glaskeramikrohling bzw.
Glasrohling in die Form 50 aufgrund seiner Schwerkraft ab wie in Figur 4 B dargestellt.
Bei Glaskeramikrohlingen kann der Formgebungsprozeß sowohl vor der Keramisierung durchgeführt werden oder aber auch zusammen mit dem
Keramisierungsprozeß.
Nach Abschluß des Formgebungsprozesses wird das geformte Glas- bzw. Glaskeramikteil nach Abstellen der Beheizung mittels der IR-Strahler aus der Form entnommen.
Eine Nachbeheizung im Ofen ist denkbar.
Der Formungsprozeß kann durch Anlegen von Vakuum, wie in den Figuren 5 A und 5 B dargestellt, unterstützt werden. Hierzu ist vorgesehen, unterhalb des zu formenden Glaskeramikrohlinges 5 bzw. Glasrohlinges 5 in der Form einen Vakuumanschluß 52 vorzusehen.
Die Schwerkraftabsenkung nach Erwärmung durch die IR-Strahler wird durch Anlegung eines Vakuums unterstützt.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, wie in Figur 6 A und 6 B dargestellt, den Verformungsprozeß mit einem Pressstempel 54 zu unterstützen. Hierzu werden vorteilhafterweise nach Erwärmung der Platte die IR-Strahler, die sich oberhalb der zu erwärmenden Platte befinden, verfahren und anschließend mit Hilfe des Presswerkzeuges beziehungsweise Pressstempels 52 die erwärmte Platte 5 in die Form abgesenkt.
Alternativ zum Verfahren der IR-Strahler, könnte auch die Form mit der erwärmten Platte verfahren werden.
Anstelle eines Absenkens mit einem Pressstempel 54 kann wie in Figur 7 A und 7 B dargestellt, vorgesehen sein, durch Einblasen eines Überdruckes mit Hilfe eines Blaswerkzeuges 56 die erwärmte Platte in die Form zu bringen.
In Figur 8 ist die selektive Aufheizung eines Glaskeramikrohlinges bzw. Glasrohlinges mit Hilfe von gerichteten IR-Strahlern 100 gezeigt.
Durch eine derart gerichtete Aufheizung können die Verformungsprozesse in ganz bestimmten Bereichen des zu formenden Glaskeramikrohlings bzw.
Glaserohlings in Gang gesetzt werden. Durch Einzelansteuerung der gerichteten IR-Strahler 100 ist es möglich, über eine Fläche verteilt Temperaturprofile in dem zu formenden Glaskeramikrohling bzw. Glasrohliπg herzustellen und so der Glaskeramik bzw. dem Glas eine beliebige, vorbestimmte Form zu geben. Anstelle von gerichteten und einzeln angesteuerten IR-Strahlern können auch Blenden 102 vorgesehen sein, die zwischen die IR-Strahler 1 und die Oberseite der zu erwärmenden Platte 5 eingebracht werden.
Eine derartige Ausgestaltung der Erfindung ist in Figur 9 dargestellt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Materialtemperaturen im Bereich von 1150 Grad Celsius bis 1200 Grad Celsius und darüber erreicht, wobei sich auch erreichen läßt, daß die Temperaturinhomogenität im Werkstück vor dem Formgebungsprozess +/- 10 K nicht überschreitet.
Bei der Entnahme des geformten Glaskeramikteiles bzw. Glasteiles beträgt die Temperatur der geformten Glaskeramik bzw. des geformten Glases vorzugsweise weniger als 250 Grad Celsius, die Abkühlgeschwindigkeit der Glaskeramik bzw. des Glases bei ausgeschaltetem Strahler liegt vorzugsweise oberhalb von 150 Grad Celsius pro Minute.
Die Aufheizung eines Glaskeramik- bzw. Glasrohlings mit Hilfe der IR- Strahlungsmethode dauert vorzugsweise weniger als 60 Sekunden, und die Kühlung vorzugsweise weniger als 180 Sekunden. Die Kühlung kann sowohl außerhalb wie innerhalb des Aggregates erfolgen. Damit lassen sich Taktzeiten von 60 sec bei Kühlung außerhalb des Aggregates und von weniger als 5 min bei Kühlung innerhalb des Aggregates erreichen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können beispielsweise rinnenförmige Bauteile mit einem Kreisbogenquerschnitt von r kleiner als 150 mm bei einer Weite des Bauteiles kleiner 200 mm realisiert werden sowie beispielsweise rinnenförmige Bauteile aus Glaskeramik bzw. Glas mit rechteckigem beziehungsweise trapezförmigem Querschnitt geformt werden.
Auch komplexe Verformungen dreidimensionaler Art sind möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Glaskeramikteilen und/oder Glasteilen mittels Verformung aus einem Glaskeramikrohling und/oder Glasrohling, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren unter Einsatz von IR-Strahlung durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahlung kurzwellige IR-Strahlung, vorzugsweise mit einer Wellenlänge kürzer als 2,7 μm ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren als Nachverarbeitung eines Glaskeramikrohlinges vor dessen Keramisierung erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren zusammen mit der Keramisierung eines Glaskeramikrohlinges erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskeramikrohling und/oder der Glasrohling eine Glasplatte ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 ,2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren während des Erweichens eines
Glasrohlings erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren Schwerkraftsenken umfaßt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren Vakuumsenken umfaßt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren das Senken mit Pressstempel umfaßt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren Blassenken umfaßt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren eine gerichtete IR-Bestrahlung des zu formenden Glaskeramikrohlinges und/oder Glasrohlinges umfaßt.
12 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren die Verwendung von zwischen den IR- Strahlern und dem Glas- oder Glaskeramikrohliπg angebrachten
Blenden umfasst.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgebungsverfahren in einem IR-Strahlungshohlraum durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsbeheizung mit Hilfe von im Strahlungshohlraum angeordneten IR-Strahlern durchgeführt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Glaskeramikrohlinges und/oder Glasrohlinges zum einen Teil direkt mit IR-Strahlung der IR-Strahler erfolgt und zum anderen Teil indirekt durch von den Wänden, der Decke und/oder dem Boden des IR-Strahlungshohlraumes reflektierte bzw. rückgestreute IR-
Strahlung.
16. Verfahren, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskeramikrohling und/oder Glasrohling vorgewärmt wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Glaskeramikrohling und/oder Glasrohling in einem konventionellen Ofen vorgewärmt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramik und/oder das Glas nach der Formgebung nachbeheizt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die
Glaskeramik und/oder das Glas in einem konventionellen Ofen nachbeheizt wird.
20. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung umfaßt:
20.1 einen IR-Strahlungshohlraum mit die IR-Strahlung reflektierenden bzw. rückstreuenden Wänden und/oder Decke und/oder Boden,
20.2 einen oder mehrere IR-Strahler.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität bzw. das Rückstreuvermögen der Wände und/oder Decke und/oder Boden mehr als 50 % der auftreffenden Strahlung beträgt.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität bzw. das Rückstreuvermögen der Wände und/oder Decke und/oder Boden mehr als 90 % bzw. 95 %, insbesondere mehr als 98 % der auftreffenden Strahlung beträgt.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Wand und/oder der Decke und/oder des Bodens diffus rückstreuend ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden bzw. rückstreuenden Wände und/oder Decke und/oder Boden eines oder mehrere der nachfolgenden Materialien umfassen:
Al203; BaF2; BaTi03. CaF2; CaTi03;
MgO • 3,5 Al203; MgO, SrF2; Si02; SrTi03; Ti02; Spinell; Cordierit; Cordierit-Sinterglaskeramik
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahler eine Farbtemperatur größer als 1500 K, besonders bevorzugt größer als 2000 K, ganz bevorzugt größer als 2400 K, insbesondere größer als 2700 K, insbesondere bevorzugt größer als 3000 K aufweisen.
26. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahler gekühlt, insbesondere luft- oder wassergekühlt sind.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die IR-Strahler einzeln ansteuerbar und in ihrer elektrischen Leistung regelbar sind.
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