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Die
Erfindung betrifft allgemein die Herstellung von optischen Komponenten,
insbesondere von Abbildungsoptiken. Insbesondere betrifft die Erfindung
die heißformende
Herstellung von optischen Komponenten.
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Abbildungsoptiken
werden eingesetzt zur Verkleinerung oder Vergrößerung, z. B. in Objektiven von
Kameras, Projektionssystemen, Mikroskopen, Fernröhren, usw. An die Qualität der vergrößerten oder
verkleinerten Abbildung werden immer höhere Ansprüche gestellt. Hier sind insbesondere
Schärfe, Abbildungstreue
und hohe Auflösung über die
Gesamtfläche
der Abbildung zu nennen. Parallel dazu wird vielfach auch eine starke
Reduktion der Gesamtgröße von den
Abbildungssystemen gefordert. Beispiele hierfür sind in Mobiltelefone integrierte
Digitalkameras und Projektionssysteme. Zwar kann die Qualität der Abbildung
durch spezielle Bildverarbeitungssoftware oft wieder um ein Mehrfaches
verbessert werden, allerdings erfordern diese Systeme eine hohe
Speichergröße und zusätzlichen
Energieaufwand. Dementsprechend werden auch bei Massenprodukten
hohe Maßstäbe an die
Abbildungseigenschaften optischer Module gesetzt. Diese Maßstäbe können bisher
zum Teil nur durch spezielle optische Filter gewährleistet werden.
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Die
Hauptanforderungen bei der Abbildungsqualität werden an die Linsensysteme
gestellt. Es bedeutet, dass nicht nur die Verkleinerung und Vergrößerung gewährleistet
werden muss, sondern dass insbesondere auch die Abbildungsfehler
bei kleinstmöglicher
Objektivgröße auf das
Minimum reduziert bzw. kompensiert werden müssen. Diese Anforderungen können insbesondere
mit Glas-Optiken erfüllt werden.
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Unter
diesen Bedingungen sind insbesondere auch für den Massenmarkt eine hohe
Konturtreue relativ zur berechneten Kontur, die Möglichkeit
zur wirtschaftlichen Erzeugung gewünschter asphärischer
Konturen und die Möglichkeit
der Verarbeitung einer möglichst
breiten Palette verschiedener Glaser, insbesondere hinsichtlich
deren Brechungsindex und Teildispersion wünschenswert. Zusätzliche
Anforderungen an die Herstellungsverfahren von solchen Abbildungsoptiken
sind niedrige Stückpreise
und Losmengen über
10000 Stück
für Massenartikel,
wie Kameras in Mobiltelefonen, Photo-Videokameras, Home-Projektionssysteme,
usw.
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Herkömmliche
Methoden zur Herstellung von Abbildungsoptiken sind:
- 1. Nachbearbeitung von Glasrohlingen im erkalteten, beziehungsweise
erstarrten Zustand, wie Vereinzeln, Schleifen und Polieren;
- 2. Wiedererwärmen
von Glaspreformen in Pressformen und anschließendem Blankpressen, wie es
beispielsweise in den US-Patenten 4.969.944 und 4.734.118 beschrieben
ist;
- 3. Wiedererwärmen
von Glaspreformen oder Glasgobsen außerhalb von Pressformen und
anschließendem
Blankpressen in vorgewärmten Pressformen,
wie beispielsweise in den US-Patenten
5.873.921, 6.009.725, 4.854.958 beschrieben;
- 4. direkt aus der Glasschmelze durch die Heißformgebung, wie etwa in US-Patent
Nr. 5.762.673 beschrieben.
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Beim
Schleifen und Polieren sind die Konturgenauigkeiten von asphärischen
Konturen und die Wirtschaftlichkeit von der Größe den Polierwerkzeugen und
Anzahl von Optimierungszyklen abhängig. Wirtschaftlich und massenmarkttauglich
sind Konturgenauigkeiten > 5 μm, die mittels
großen
Werkzeugen und ohne Optimierungsschleifen hergestellt werden können. Konturgenauigkeiten
unter 1 μm
können nur
mittels Einsatz von kleinsten Polierwerkzeugen und mehreren Optimierungszyklen
für jede
einzelne Linse gewährleistet
werden. Die Herstellungszeiten und dementsprechend Kosten steigen
dabei weit in unrentable Bereiche. Insbesondere, wenn hohe Oberflächengüte mit Rauhigkeiten
oder Unebenheiten kleiner 5 nm gleichzeitig mit hoher Konturgenauigkeit
gefordert wird, muss die Endbearbeitung auf weitere kostenintensive
Methoden, wie Ionenstrahlätzen
zurückgreifen,
was die Herstellungskosten weiter anhebt.
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Die
Auswahl von wirtschaftlich polierbaren Gläsern für Objektive für den Endverbraucher-Bereich
beschränkt
sich zudem auf solche Sorten, die geringe thermische Ausdehnung
aufweisen. Dadurch können
einige Glassorten mit wertvollen optischen Eigenschaften, wie etwa
eine besondere Kombination von Brechindex und Teildispersion nicht
verwendet werden. Derartige für
dieses Verfahren nicht sinnvoll verwendbare Gläser sind beispielsweise Fluoridkrone,
Fluoridphosphat und Phosphatgläser,
allgemein auch fast alle modernen optischen Gläser.
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Das
Wiedererwärmen
von Glaspreformen in den Pressformen und anschließendes Blankpressen stellt
zwar ein preisgünstigeres
Verfahren zum Herstellen von Abbildungsoptiken dar, als Schleifen
und Polieren, allerdings ist auch hier die Auswahl der möglichen
Gläser
aus wirtschaftlicher Sicht eingeschränkt. Das Erwärmen und
Abkühlen
von Glas zusammen mit den Pressformen definiert bei diesem Verfahren
die Prozesszeiten und Kosten. Die Wirtschaftlichkeit kann dabei
nur beim Einsatz von Gläsern
mit niedrigem Transformationspunkt, insbesondere von Gläsern, die
unter 450 °C
verpressbar sind, erreicht werden. Nur bei derartigen Gläsern sind
die Aufheizzeiten hinreichend gering. Es sind zwar mittlerweile
eine Reihe von Gläsern
bekannt, welche die geforderten Eigenschaften mit unterschiedlichen
optischen Konstanten aufweisen, die meisten optischen Gläser sind
jedoch dennoch mit diesem Verfahren nicht wirtschaftlich zu verarbeiten.
Zudem weisen die meisten Gläser
mit niedrigem Transformationspunkt eine mangelhafte Beständigkeit
der Oberfläche
gegenüber
atmosphärischer
Feuchtigkeit auf. Weiterhin werden bei diesem Verfahren die Presswerkzeuge nicht
nur bezüglich
ihrer Oberflächenbeschaffenheit, Konturgenauigkeit
und langzeitigen Temperaturwechselbeständigkeit beansprucht, sondern
besonders auch in Hinsicht auf die Härte. Die Glaspreform wird in
kaltem und dementsprechend hartem Zustand in die Formen eingelegt,
wobei die Kontaktfläche
zwischen Glas und Form am Anfang relativ klein ist. Die Härte des
Glases während
der Gesamtumformungsprozess ist hier sehr hoch, da die Pressviskosität des Glases
beim Durchheizen über
die Pressformen durch die Klebeviskosität beschränkt wird (unter dieser Viskosität kleben
das Glas und die Pressform irreversibel zusammen), und in besten
Fällen
bei 108 dPa·s liegt. Die Bearbeitung
von Materialen, die sich für
solche harte Präzisionspresswerkzeuge
eignen, ist zeit- und kostenintensiv. Die Kosten der Werkzeuge können bis
zur Hälfte
von Gesamtherstellungskosten derart hergestellter Abbildungsoptiken
betragen. Für
die Erreichung von hohen Oberflächenqualitäten und
Konturgenauigkeiten beim Pressen ist eine reine und defektfreie
Oberfläche
von den Glaspreforms eine der wichtigsten Vorraussetzungen. Diese
Voraussetzung verursacht aufwendiges Handling der Glaspreforms,
wie Transport, Waschen, Lagern und Einzelkontrolle. Lange Prozesszeiten, hohe
Werkzeugkosten, geringe Glasauswahl und aufwendiges Handling von
Glaspreforms schränken die
Wirtschaftlichkeit, Gestaltungsfreiheit und Herstellungsstückzahlen
bei diesem Verfahren ein.
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Eine
Reduktion der Prozesszeiten und eine Erhöhung der Lebensdauer der Pressformen
wird durch eine separate Wiedererwärmung von Glaspreforms bis
auf die Pressviskosität
außerhalb
von Pressformen, wie sie in den US-Patenten 5.873.921, 6.009.725
und 4.854.958 beschrieben wird, erreicht. Die Aufheizzeiten bei
jedem Presszyklus entfallen und die Pressformen werden nur beim
Anfahren vorgewärmt
und von da an keinen weiteren größeren Temperaturwechsel
ausgesetzt. Die Pressviskosität ist
immer noch relativ hoch, weil sie bei diesem Verfahren durch die
Klebeviskosität
begrenzt wird. beim Wiedererwärmen
erreicht das Glaspreform entweder gleiche Temperatur über dem
Gesamtvolumen oder wird außen
heißer
als innen, da die Wärme
von außen
auf die Glaspreform einwirkt und nur durch die Wärmeleitung des Glases nach
innen transportiert wird. Die Anforderungen an die Materialhärte für die Pressformen
sind deswegen immer noch hoch. Die Temperaturbeständigkeit
des Materials der Mulde, mit der die Glaspreform zusammen erhitzt
wird, und die Konstruktion von Dichtungen und Bewegungsmechanismen
schränkt
auch hier die Auswahl wirtschaftlich verarbeitbarer Gläser auf
solche mit niedrigem Glaspunkt ein. Auch hier ergibt eine Vorbehandlung
der Glaspreforms, wie Transport, Waschen, Lagern und Einzelkontrolleist
immer noch einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag an den Herstellungskosten.
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Beim
Blankpressen direkt aus der Glasschmelze, wie es in US-Patent 5.762.673
beschrieben wird, entfällt
eine Vorbehandlung der Glaspreforms. Die Glasschmelze kann jedoch
nicht direkt in die Pressformen eingespeist und anschließend mit höchster Präzision gepresst
werden. Eine Abkühlung zwischen
Einspeisen und Pressen (Konditionieren von Glastropfen) ist erforderlich.
Das Einspeisen und Konditionieren geschieht auf einem Luftlager,
der Beschädigungen
der Glasoberfläche
durch den Kontakt mit der Abkühlform
verhindert. Es können
allerdings ausschließlich
niedrigviskose Glasschmelzen und ausschließlich kleine Portionen von
1 bis 3 Gramm, welche durch die Oberflächenspannung geformt und gehalten
werden können,
verarbeitet werden. Solche kleinen Glasposten kühlen sich aber relativ schnell auf
dem Luftlager ab, so daß sie
bei immer noch relativ hohen Viskositäten verpresst werden. Die Belastung
auf die Pressformen und deren Preise sind dadurch immer noch relativ
hoch.
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Alle
oben aufgeführte
Methoden haben dementsprechend technologische Grenzen, die eine
Herstellung von Abbildungsoptiken, die gleichzeitig allen den genannten
Anforderungen an Qualität,
Flexibilität,
Stückzahlen
und – kosten
genügen,
stark einschränken.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hinsichtlich seiner
Wirtschaftlichkeit und der verarbeitbaren Glassorten verbessertes
Verfahren zur Herstellung optischer Komponenten anzugeben. Diese
Aufgabe wird bereits in höchst überraschend
einfacher Weise durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Demgemäß sieht
die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von optischen Glaskomponenten vor,
bei welchem die Glasschmelze portioniert und eine durch Portionieren
erhaltene Glasportion auf einem auf einer Levitationsunterlage erzeugten
Levitationspolster oder Gaskissen gelagert wird, wobei die Viskosität der Glasportion
während
der Lagerung an der Oberfläche
durch Abkühlung
auf oder über
die Klebeviskosität
steigt, und die Glasportion im Inneren zumindest teilweise eine
Viskosität
unterhalb des Erweichungspunktes aufweist, die Glasportion in eine Pressform
gegeben und in der Pressform blankgepresst wird.
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Besonders
bevorzugt erfolgt das Blankpressen in diesem Schritt bereits auf
entgültige
Kontur und Oberflächengüte, so daß eine Nachbearbeitung der
Glaskomponenten entfallen kann.
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Um
eine hohe Konturgenauigkeit und Oberflächengüte zu erhalten, hat es sich
außerdem
als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Glasportion so portioniert
und in die Preßform
gegeben wird, daß die
Glasportion einen Radius aufweist, welcher kleiner als der Radius
der Wölbung
der Preßflächen der Preßform ist.
Auf diese Weise wird ein Lufteinschluß zwischen Preßform und
Linse vermieden.
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Eine
Vorrichtung zur Herstellung optischer Glaskomponenten, welche insbesondere
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
eingerichtet ist, umfassend dazu eine Portioniereinrichtung zum
Portionieren einer Glassschmelze, einer Levitationsunterlage zum
Lagern einer mit der Portioniereinrichtung erhaltenen Glasportion,
sowie eine Preßform
zum Blankpressen und eine Einrichtung zur Übergabe der Glasportion von
der Levitationsunterlage zur Preßform. Dabei wird mittels einer
Einrichtung zur Steuerung des Prozeßablaufs die Glasportion dann
an die Preßform übergeben,
wenn die Viskosität
der Glasportion während
der levitierenden Lagerung an der Oberfläche der Glasportion auf oder über die
Klebeviskosität
steigt.
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Unter
der Klebeviskosität
wird eine Viskosität verstanden,
bei welcher es zum Ankleben des Glases an die Preßform kommt.
Dieser Punkt liegt im allgemeinen bei Glas beim Erweichungspunkt
von 107.6 dPa·s. Bevorzugt wird die Oberfläche der
Glasportion auf eine Temperatur abgesenkt, bei welcher die Viskosität zumindest
107.7 dPa·s beträgt, um ein Ankleben an den
Preßwerkzeugen
sicher zu vermeiden. Die Einrichtung zur Steuerung des Prozeßablaufs
ist in diesem Fall derart ausgebildet, daß die Glasportion an die Preßform übergeben
wird, wenn die Viskosität während der
Lagerung an der Oberfläche
der Glasportion auf oder über
eine Viskosität
von zumindest 107.7 dPa·s steigt.
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Erfindungsgemäß wird also
gegenüber
dem in US-Patent Nr. 5.762.673 beschriebenen Verfahren gerade keine
homogene Temperaturverteilung innerhalb der Glasportion oder dem
Glasgob angestrebt. Im Unterschied dazu wird erfindungsgemäß vielmehr eine
inhomogene Temperaturverteilung während des Lagerns auf dem Gaskissen
erreicht, bei welcher die Viskosität an der Oberfläche höher als
die Viskosität im
Inneren der Glasportion ist. Auf diese Weise wird es möglich, das
anschließende
Blankpressen erheblich schneller und auch schonender für die Preßwerkzeuge
durchzuführen,
da hier nur in einer äußeren Schale
der Glasportion die zum Blankpressen erforderliche hohe Viskosität oberhalb
der Klebeviskosität erreicht
wird. Das Innere der Glasportion ist demgegenüber flüssiger und noch leichter verformbar,
wohingegen bei dem in US-Patent 5.762.673 beschriebenen Verfahren
der Glasgob überall
eine hohe Viskosität
oberhalb der Klebeviskosität
aufweist und daher wesentlich schwerer verformbar ist.
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Um
Beschädigungen
oder Verformungen der Glasportionen bei der Übergabe von der Levitationsunterlage
an die Preßform
zu vermeiden, ist gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Glasportion
kontaktlos in die Pressform gegeben wird.
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Eine
Möglichkeit,
dies zu erreichen, ist, die Glasportion durch Abkippen oder Verschwenken
der Levitationsunterlage in die Preßform zu geben. Dementsprechend
umfaßt
bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß dieser
Weiterbildung die Einrichtung zur Übergabe der Glasportion eine
Einrichtung zum Abkippen und/oder Verschwenken der Levitationsunterlage.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Levitationsunterlage schneller
als in freiem Fall nach unten weg bewegt wird. Dazu umfaßt die Einrichtung zur Übergabe
der Glasportion eine Einrichtung zum Bewegen der Levitationsunterlage
nach unten mit einer Beschleunigung größer als die Erdbeschleunigung.
Auf diese Weise wird erreicht, daß sich die Levitationsunterlage
so schnell von der frei fallenden Glasportion weg bewegt, daß es nicht
zu einer Berührung
der Glasportion mit der Levitationsunterlage kommen kann. Besonders
bevorzugt wird eine Levitationsunterlage mit einer Mulde zur Lagerung
der Glasportion verwendet, um die Glasportion während der Konditionierung auf
der Levitationsunterlage auf dem über der Levitationsunterlage
erzeugten Gaskissen formstabil lagern zu können.
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Für die Konturgüte und Oberflächenqualität der erfindungsgemäß herstellbaren
Glaskomponenten hat es sich als sehr günstig erwiesen, wenn der Ort
der auf der Levitationsunterlage gelagerten Glasportionen bei der Übergabe
an die Preßform
möglichst
genau vorherbestimmt ist. Damit kann auch die Lage der Glasportion
in der Preßform
genau definiert werden. Als überraschend
einfache Maßnahme
zur Qualitätsverbesserung
hat es sich daher erwiesen, wenn Bewegungen der Glasportion auf
der Levitastionsunterlage gedämpft
werden. dies kann überraschend
schon dadurch erreicht werden, indem eine asphärische Form der Mulde verwendet
wird. Besonders können
die Bewegungen durch eine Mulde gedämpft werden, die in einem zentralen
Bereich einen kleineren Krümmungsradius
als in einem umgebenden Bereich aufweist. Die Mulde nähert sich
in ihrer Form daher eher einem Hohlkegel, einem Paraboloid oder
Ellipsoid mit vertikaler langer Halbachse, als einer Pfanne an.
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Die
Preßform
kann gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung vorgeheizt werden, um eine rasche Abkühlung der
Glasportion beim Pressen zu verhindern. Um zu vermeiden, daß die Glasoberfläche sich
während
des Blankpressens so weit erhitzt, daß die Klebeviskosität uunterschritten
wird, ist es aber von Vorteil, die Glasportion in eine Preßform zu geben,
welche eine Temperatur unterhalb der Temperatur der Klebeviskosität des Glases
hat.
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Gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung wird das Blankpressen außerdem weg-
und kraftgesteuert durchgeführt.
Durch eine solche kombinierte Weg- und Kraftsteuerung kann der Preßvorgang
besonders fein geregelt werden. Dabei können Weg- und Kraftsteuerung
sowohl gleichzeitig, als auch nacheinander eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
und das Verfahren sind hinsichtlich der Auswahl verarbeitbarer Gläser kaum
eingeschränkt.
Besonders geeignet sind aber Gläser,
welche bei 1650 °C
eine Viskosität von
höchstens
104 dPa·s aufweisen. Insbesondere ist
das Verfahren auch geeignet, mit anderen Preßverfahren schwierig zu verarbeitende
Gläser wie
Fluoridkrone, Fluoridphosphat oder Phosphatglas zu verarbeiten.
Auch hinsichtlich der Größer der
herstellbaren Komponenten, wie insbesondere von Linsen ist die Erfindung
sehr flexibel. Insbesondere geeignet ist die Erfindung für die Verarbeitung
von Glasportionen mit einem Gewicht im Bereich von 0,1 Gramm bis
150 Gramm. Die Glasschmelze kann weiterhin in einem weiten Viskositätsbereich,
insbesondere bei einer Viskosität
im Bereich von 2 dPa·s
bis 104 dPa·s portioniert und anschließend mit
hoher Konturtreue zu einer optischen Komponente geformt werden.
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Um
optische Komponenten mit hoher Reproduzierbarkeit und hoher Konturtreue
herstellen zu können,
ist es auch wichtig, daß die
Glasportionen das vorgesehene Gewicht oder Volumen aufweisen. Es
ist daher besonders vorteilhaft, eine Portioniereinrichtung vorzusehen,
welche Glasportionen möglichst
genau einstellbarer Menge aus einer Glasschmelze portionieren kann.
Es hat sich gezeigt, daß für diesen
Zweck ein Nadelspeiser, insbesondere ein taktender Nadelspeiser
besonders geeignet ist.
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Die
Glasportion wird weiterhin gemäß einer Weiterbildung
der Erfindung unter Haftkontakt in der Preßform, insbesondere auch im
Inneren bis zumindest auf die Transformationstemperatur Tg abgekühlt. Dies
ist vorteilhaft, da sich gezeigt hat, daß sich die Konturgenauigkeit
verschlechtern kann, wenn der Kontakt zwischen Glas und den Werkzeugen
zu früh unterbrochen
wird.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn das Glas direkt auf die Levitationsunterlage
portioniert wird, um Verformungen der Glasportion oder eine durch Kontakt
mit anderen Teilen der Vorrichtung hervorgerufene Inhomogenitäten der
Temperaturverteilung in der Glasportion zu vermeiden. Zu diesem
Zweck ist gemäß dieser
Weiterbildung der Erfindung die Portioniereinrichtung direkt über der
Levitationsunterlage angeordnet.
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Es
hat sich weiterhin gezeigt, daß Schlieren vermieden
werden können,
wenn die Stellung der Levitationsunterlage während des Einspeisens nachgeführt wird.
Die Position der Levitationsunterlage kann demgemäß vorteilhaft
während
des Portionierens auf die Levitationsunterlage mittels einer entsprechenden
Einrichtung der Vorrichtung gegenüber der Portioniereinrichtung
verändert
werden.
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Bei
der Konditionierung auf der Levitationsunterlage ist es besonders
vorteilhaft, wenn bei der Lagerung auf dem Gaskissen sich verändernde
Verformungen der Glasportion vermieden werden. Dazu ist eine besonders
homogene Druckverteilung von Vorteil. Dies wird gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung dadurch erreicht, daß die Levitationsunterlage
ein poröses
Material aufweist, durch welches Gas für das Levitationspolster zugeführt wird. Damit
strömt
das Gas gleichmäßig über die
Oberfläche
des porösen
Materials verteilt in das Gaskissen ein. Eine weitere Maßnahme zur
Erreichung einer homogenen Druckverteilung ist, eine Levitationsunterlage
mit einer einteiligen Membran vorzusehen. Als poröses Material
hat sich Sintermetall, vorzugsweise mit der Porosität von Graphit
als besonders günstig erwiesen.
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Gemäß noch einer
Weiterbildung ist vorgesehen, mehrere Glasportionen gleichzeitig
zu verarbeiten. Um dabei eine für
alle Glasportionen gleichartige Konditionierung vor dem Blankpressen
zu erreichen, ist es dabei besonders von Vorteil, die mehreren Glasportionen
auf einer gemeinsamen Levitationsunterlage zu lagern. Diese Levitationsunterlage kann
auch insbesondere wieder eine einteilige Membran umfassen. Hierbei
hat es sich als sehr günstig erwiesen,
die Glasportionen, beziehungsweise mehrere zur Aufnahme der Glasportionen
vorgesehene Levitationsmulden entlang eines Kreises anzuordnen. Überraschend
hat eine derartige Anordnung einen vorteilhaften Einfluß auf die
Qualität
der erfindungsgemäß hergestellten
Komponenten. Die durch diese Weiterbildung bewirkte symmetrische
Anordnung der Levitationsmulden bewirkt eine möglichst geringe Abweichung
in den Bedingungen bei der Konditionierung der einzelnen Glasportionen.
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Um
eine gleichmäßige Konditionierung
zu erreichen, ist es weiterhin von Vorteil, wenn der Gasfluß in das
Levitationspolster und/oder der Abstand von Glasportion zur Levitationsunterlage
mittels entsprechender Einrichtungen der Vorrichtung geregelt wird.
Dies gilt insbesondere auch während
des Portionierens auf die Levitationsunterlage.
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Es
ist weiterhin günstig,
nicht nur lediglich eine Abkühlung
der blankgepressten Glasportion in der Preßform vorzunehmen. Gemäß noch einer
Weiterbildung der Erfindung ist vielmehr vorgesehen, daß während des
Pressens der Glasportion in der Preßform sowohl Wärme entzogen,
als auch -vorübergehend-
Wärme zugeführt wird.
Insbesondere kann während
des Pressens der Glasportion in der Preßform Wärme entzogen und danach Wärme zugeführt werden.
Durch die zugeführte
Wärme wird
die Temperaturverteilung in der Glasportion homogenisiert und es
können
Spannungen im Glas abgebaut werden. Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr
können nicht
nur zeitlich versetzt, sondern gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung auch bereichsweise entlang der Preßfläche erfolgen. Dabei ist vorgesehen,
daß zumindest
ein Bereich der Preßfläche gekühlt und
zumindest ein weiterer Bereich geheizt wird. Besonders günstig zur
Erzielung einer homogenen Temperaturverteilung im Glasgob ist es dabei,
wenn ein zentraler Bereich der Preßfläche gekühlt und ein umgebender Bereich
geheizt wird. Allgemein ist es günstig,
wenn die Temperatur der Preßfläche so eingestellt
oder geregelt wird, daß sie
von einem zentralen Bereich zum Rand hin abnimmt. Dies muß je nach
Gegebenheit nicht notwendigerweise durch eine gleichzeitige Kühlung und
Heizung erfolgen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung kann dazu dementsprechend
eine Kühleinrichtung
zur Kühlung
eines zentralen Bereiches der Preßfläche und eine Heizeinrichtung
zur Heizung eines den zentralen Bereich umgebenden Bereiches der
Preßfläche aufweisen.
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Um
die räumliche
und zeitliche Temperaturverteilung, beispielsweise wie vorstehend
beschrieben während
des Pressens regeln oder einstellen zu können, kann eine Heizeinrichtung,
sowie alternativ oder insbesondere auch zusätzlich eine Kühleinrichtung
für die
Preßform
vorgesehen werden.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen näher
erläutert,
wobei gleiche und ähnliche
Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale
verschiedener Ausführungsbeispiele
miteinander kombiniert werden können.
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Es
zeigen:
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1 bis 4 Verfahrensschritte
des erfindungsgemäßen Verfahrens
anhand schematischer Ansichten von Teilen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
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5 in
schematischer Ansicht Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß eines
weiteren Ausführungsbeispiels.
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In
den 1 bis 3 sind Verfahrensschritte zur
erfindungsgemäßen Herstellung
optischer Glaskomponenten anhand schematischer Ansichten von Teilen
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Herstellung solcher optischer Glaskomponenten dargestellt.
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Die
als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnete Vorrichtung
umfaßt
eine Portioniereinrichtung, welche bei dem in 1 gezeigten
Beispiel als taktender Nadelspeiser 3 ausgebildet ist.
Der Nadelspeiser 3 der Vorrichtung 1 ist weiterhin
direkt über
einer Levitationsunterlage 5 mit einer Membran 9 angeordnet.
Auf diese Weise kann eine zu verpressende Glasportion 7 mit
einem Gewicht im Bereich von 1 Gramm bis 150 Gramm, wie in 1 dargestellt,
mit dem Nadelspeiser 3 direkt auf die Levitationsunterlage 5 portioniert
werden. Dabei wird Glasschmelze mit einer Viskosität im Bereich
von 2 dPa·s bis
104 dPa·s dosiert aus der Austrittsöffnung des
Nadelspeisers 3 herausgedrückt und auf das Gaskissen 15 gegeben,
bis eine Glasportion 7 der für die herzustellende optische
Komponente vorgesehene Masse erreicht ist. Bevorzugt werden Gläser verwendet, welche
bei 1650 °C
eine Viskosität
von höchstens
104 dPa·s aufweisen. Auch Fluoridkrone,
Fluoridphosphat oder Phosphatglas können verarbeitet werden.
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Die
Levitationsunterlage 5 umfaßt weiterhin eine einteilig
ausgebildete Membran 9 mit einer Mulde 6 zur Aufnahme
der Glasportion 7. Die Kontur der Mulde 6 ist
an die Einspeiseviskosität,
das gewünschte
Volumen der Glasportion 7, die gewünschte Wärmeverteilung in der Glasportion 7,
die Aerodynamik des Gaskissens, sowie für eine Schwingungenreduzierung
und ein impulsfreies Weggleiten der Mulde 6 bei der Übergabe
an die Preßform
angepaßt.
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Zur
Schwingungsreduzierung wird eine asphärisch geformte Mulde 6 verwendet.
Besonders können
die Bewegungen durch eine Mulde gedämpft werden, die, wie die in 1 gezeigt,
in einem zentralen Bereich einen kleineren Krümmungsradius als in einem umgebenden
Bereich aufweist. Die in 1 gezeigte Mulde hat die Gestalt
eines nach oben geöffneten
Paraboloids oder Hyperboloids oder auch eines Ellipsiods mit vertikaler
langer Halbachse. Damit nähert
sich sich in ihrer Form eher einem Hohlkegel, als etwa einer Pfanne
an. Diese Form mit einem kleineren zentralen Krümmungsradius sorgt dafür, daß die Glasportion
eher im Bereich des kleineren zentralen Krümmungsradius der Mulde 6 zentriert
wird, so daß deren
Position besser definiert ist, als bei einer pfannenförmigen oder
halbkugelförmigen
Mulde.
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Die
Membran 9 ist aus einem porösen Material gefertigt, durch
welches Gas in die Mulde einströmen
und so zwischen der Levitationsunterlage 5, beziehungsweise
der Membran 9 und der Glasportion 7 ein Gaskissen 15 ausbilden
kann, auf welchem die Glasportion levitierend und insbesondere kontaktlose gelagert
wird. Durch das poröse
Material in Verbindung mit der einteiligen Mulde wird eine besonders homogene
Druckverteilung im Gaskissen erreicht. Als poröses Material wird vorzugsweise
poröses
Sintermetall, besonders bevorzugt mit einer Porosität entsprechend
von Graphit eingesetzt.
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Die
Zuführung
von komprimierten Gas erfolgt beispielsweise über einen oder mehrere Gaskanäle 11 in
oder unter der Membran 9 und an den oder die Kanäle 11 angeschlossenen
Druckluftleitungen 13. Die Porosität des Materials der Membran
wird entsprechend der Glasviskosität ausgewählt. Weiterhin wird das poröse Material
der Membran auch abhängig
von der Einsatztemperatur und dessen Einfluß auf die Oberflächenqualität der Glaskomponente ausgewählt
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Die
Levitationsunterlage 5 ist weiterhin über einen schwenkbaren Arm 17 mit
einer Bewegungseinheit 19 verbunden. Mittels der Bewegungseinheit 19 kann,
wie anhand der eingezeichneten Pfeile angedeutet, sowohl eine horizontale,
als auch eine vertikale Bewegung der Levitationsunterlage 5,
sowie eine Schwenkbewegung der Levitationsunterlage 5 um
eine horizontale Achse 18 ausgeführt werden. Durch die horizontale
und vertikale Beweglichkeit der Levitationsunterlage kann die Position
der Levitationsunterlage während
des Portionierens gegenüber der
Portioniereinrichtung, beziehungsweise dem Nadelspeiser 3 verändert werden.
Ebenso kann der Gasfluß in
das Levitationspolster 15 oder der Abstand von Glasportion 7 zur
Levitationsunterlage, beziehungsweise in diesem Beispiel zur Mulde 6 in
der Membran 9 geregelt werden. Durch eine Nachführung der
Stellung der Mulde 6 gegenüber der Position des Nadelspeisers 3 werden
Schlieren im Glas vermieden. Das Nachführen mittels der Bewegungseinheit
kann sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung oder
einer kombinierten Vertikal- Horizontalbewegung erfolgen.
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Die
Regelung dieser Parameter -Gasfluß oder Abstand zur Mulde, horizontale
und vertikale Position der Levitationsunterlage 5 gegenüber der Portioniereinrichtung
wird mittels einer Prozeßsteuereinrichtung 21 gesteuert.
Insbesondere wird mittels der Prozeßsteuereinrichtung 21 der
Gasfluß in
das Levitationspolster 15 oder der Abstand von Glasportion 7 zur
Levitationsunterlage 5 auch während des Portionierens auf
die Levitationsunterlage geregelt. Auch die Portionierung mit dem
Nadelspeiser 3 wird, wie anhand der Verbindung des Nadelspeisers 3 zur Prozeßsteuereinrichtung 21 angedeutet,
von der Prozeßsteuereinrichtung 21 gesteuert.
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In 2 ist
die auf dem über
der Levitationsunterlage 5 erzeugten Gaskissen 15 gelagerte
Glasportion 7 am Ende des Konditionierungsprozesses dargestellt.
Auf dem Gaskissen 15 wird die Glasportion 7 dergestalt
konditioniert, daß sie
an ihrer Oberfläche 71 und
einem oberflächennahen
Bereich 72, auf eine Temperatur abgekühlt ist, bei welcher die Viskosität des Glases
größer oder
höchstens
gleich der Klebeviskosität
ist. Bevorzugt ist die Viskosität
in diesem oberflächennahen
Bereich zumindest 107.7 dPa·s. Im
Inneren in einem vom Bereich 72 umgebenen zentralen oder
inneren Bereich 73 ist die Temperatur jedoch noch höher als
an der Oberfläche.
Erfindungsgemäß liegt
die Viskosität
hier noch unterhalb des Erweichungspunktes, so daß die Glasportion 7 insgesamt
noch leicht verformbar ist und beim nachfolgenden Verpressen nur
einen geringen Widerstand aufbaut. Die erfindungsgemäße gezielte
Abkühlung
der Glasportion an der Oberfläche 71 und dem
oberflächennahen
Bereich 72 unterhalb der Temperatur der Klebeviskosität wird durch
entsprechende Konditionierung auf dem Gaskissen erreicht. Dazu können erfindungsgemäß unter
anderem auch der Gasfluß und
die Temperatur des Gases und/oder der Membran geregelt werden.
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3 zeigt
Teile der Vorrichtung während weiterer
Prozeßschritte.
Nach Abschluß der
Konditionierung der Glasportion 7 erfolgt die Übergabe
der Glasportion an eine Preßform 25 mit
Preßstempeln 27, 29.
Die Übergabe
erfolgt bei dem in 3 gezeigten Beispiel insbesondere
kontaktlos, womit im Sinne der Erfindung verstanden wird, daß die Glasportion 7 außer mit
den Preßflächen 28 und/oder 30 der
Preßstempel 27 und/oder 29 nicht
mit weiteren Flächen
in Berührung
kommt. Auf diese Weise werden Verformungen oder ungewollte Inhomogenitäten der
Temperaturverteilung vermieden.
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Die Übergabe
wird von der Prozeßsteuereinrichtung 21 gesteuert.
Wird der anhand von 2 geschilderte Zustand mit einer
Viskosität
der Glasportion an der Oberfläche
von zumindest der Klebeviskosität,
bevorzugt einer Viskosität
von über
107.7 dPa·s erreicht, so wird von der
Prozeßsteuereinrichtung 21 der
im folgenden geschilderte Übergabemechanismus
in Gang gesetzt. Im einfachsten Fall erfolgt die Übergabe
nach einem vorgegebenen Zeitintervall, ebenso kann aber auch beispielsweise
die Temperatur der Glasportion, insbesondere deren Oberflächentemperatur
festgestellt werden und die Übergabe
abhängig
von der vorhandenen Temperatur in Gang gesetzt werden.
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Bei
dem in 3 gezeigten Beispiel umfaßt die Einrichtung zur Übergabe
der Glasportion insbesondere eine Einrichtung zum Abkippen der Levitationsunterlage 5 mit
der Bewegungseinheit und dem von dieser um die Achse 18 schwenkbaren
Schwenkarm 17. Die Bewegungseinheit 19 verfügt über einen
Antrieb für
den Schwenkarm, mit welchem die Levitationsunterlage 5 von
der waagerechten Lagerungsposition durch Schwenken nach unten bewegt werden
kann, wobei die Schwenkbewegung mit einer Beschleunigung schneller
als die Erdbeschleunigung erfolgt, wodurch die Levitationsunterlage 5 schneller als
in freiem Fall nach unten weg bewegt wird. Auf diese Weise ist die
mit Erdbeschleunigung beschleunigte Fallbewegung der Glasportion 7 langsamer
als die Bewegung der Levitationsunterlage 5, so daß die Glasportion 7 auch
die Levitationsunterlage bei der Übergabe an die Preßform 25 nicht
mehr berührt.
Die Glasportion 7 landet schließlich auf der Preßfläche 28 des
unteren Preßstempels 27.
Anschließend
werden oberer und unterer Preßstempel 29,
beziehungsweise 27 aufeinander zu bewegt, wozu bei dem
in 3 gezeigten Beispiel eine Hydraulikstange 31 am
oberen Preßstempel
abwärts
bewegt wird.
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Hinsichtlich
der Wölbung
der Preßflächen 28, 30 der
Preßform
ist es von Vorteil, wenn die Glasportion 7 vorher so portioniert,
konditioniert und in die Preßform
gegeben wird, daß die
Glasportion 7 einen Radius aufweist, welcher kleiner als
der Radius der Wölbung
der Preßflächen 28, 30 der
Preßform 25 ist. Anders
ausgedrückt
weisen die Preßflächen 28, 30 eine
geringere Wölbung
als die Glasportion 7 auf. Auf diese Weise wird insbesondere
vermieden, daß Luft zwischen
der Glasportion und den Preßflächen eingeschlossen
wird und dadurch Verformungen in der Glaskomponente entstehen.
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Der
Vorgang des nachfolgenden Blankpressens in der Preßform 25 ist
in 4 dargestellt. Mit dem Blankpressen wird die herzustellende
Glaskomponente auf entgültige
Kontur und Oberflächengüte geformt.
Damit ist eine Nachbearbeitung des Glases nicht mehr notwendig.
Selbstverständlich
können aber
beispielsweise nachträglich
noch Beschichtungen, wie insbesondere Vergütungen, beziehungsweise Entspiegelungsschichten
aufgebracht werden.
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Auch
die Steuerung des Preßvorgangs
wird von der Prozeßsteuereinrichtung 21 vorgenommen. Diese
steuert dazu eine Hydraulikeinrichtung 37, welche die Hydraulikstange 31 mit
dem Preßstempel 29 betätigt. Dabei
wird eine Kombination einer Weg- und Kraftsteuerung eingesetzt.
Auch dies unterscheidet die Erfindung von bisher bekannten Blankpreßverfahren,
bei welchem aufgrund der hohen Viskosität des Glases im wesentlichen
nur eine Kraftsteuerung in Frage kommt. Mittels der Kombination
aus Weg- und Kraftsteuerung kann demgegenüber auch die Dicke der herzustellenden
optischen Komponente exakt eingestellt werden.
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Die
Preßflächen 28, 30 der
Preßstempel 27, 29 sind
so geformt, daß mit
dem Blankpressen der Glasportion 7 eine Linse erhalten
wird. Bei dem in 4 gezeigten Beispiel sind die
Preßflächen insbesondere
asphärisch,
beispielsweise in Form von Hyperboloid-Flächen ausgebildet, so daß beim Blankpressen
eine asphärische
Linse erhalten wird. An den Preßstempeln 27, 29 sind
rückseitig
jeweils Heizplatten 34 mit Heizelementen 35 angeordnet.
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Beispielsweise
wird bevorzugt die Glasportion in eine mittels Heizplatten 34 vorheheizte
Preßform 25 gegeben,
um eine zu schnelle Abkühlung
der Glasportion zu vermeiden. Um ein Ankleben der Glasportion nach
der Übergabe
in die Preßform 25 zu vermeiden,
wird dabei die Preßform
jedoch nur so weit vorgeheizt, daß deren Temperatur unterhalb
der Temperatur der Klebeviskosität
des Glases liegt.
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Im
Verlauf des Blankpressens wird dann die Glasportion unter Haftkontakt
mit den Preßflächen 28, 30 in
der Preßform 25 so
weit abgekühlt,
daß auch
im Inneren der Glasportion 7 die Transformationstemperatur
Tg unterschritten wird. Die Heizplatten 34 weisen
weiterhin jeweils eine zentrale Öffnung 33 auf,
in welche mittels einer Fluidleitung 36 ein Fluid zugeführt werden
kann. Besonders bevorzugt wird über
die Leitung 36 Luft zur Kühlung der Preßform, insbesondere
zur Kühlung
eines zentralen Bereiches der Preßflächen 28, 30 zugeführt. Demgemäß verfügt die Vorrichtung 1 über eine
Kühleinrichtung
zur Kühlung
eines zentralen Bereiches einer Preßfläche der Preßform mittels der Zuführung von
Kühlluft durch
die Leitung 36, sowie eine Heizeinrichtung zur Heizung
eines den zentralen Bereich umgebenden Bereiches dieser Preßflächen 28, 30 in
Form der Heizplatten 34.
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Während des
Preßvorgangs
muß nicht
dauernd abgekühlt
werden. Es hat sich nämlich
als vorteilhaft erwiesen, wenn während
des Blankpressens der Glasportion 7 in der Preßform 25 sowohl
Wärme entzogen,
als auch Wärme
zugeführt
wird. Die Wärmezufuhr
erfolgt mittels der Heizplatten 34. Insbesondere ist gemäß einer
Weiterbildung des Verfahrens vorgesehen, daß während des Pressens der Glasportion 7 in
der Preßform 25 Wärme entzogen und
danach vorübergehend
Wärme zugeführt wird. Auf
diese Weise kann vorübergehend,
indem durch Wärmezufuhr
ein der Abkühlung
entgegengerichteter Wärmestrom
in der Glasportion erzeugt wird, eine homogenere Temperaturverteilung
eingestellt werden. In dieser Phase können sich entstehende Temperaturspannungen
ausgleichen. Beispielsweise kann durch Wärmezufuhr die Abkühlung gebremst und
die Glasportion auf einer Temperatur zwischen oberem und unteren
Kühlpunkt,
bei einer Viskosität im
Bereich von 1013 dPa·s bis 1014 .5 dPa·s
gehalten werden, um Temperaturspannungen abzubauen. Anschließend kann
die geformte Glasportion 7 entnommen oder vor der Entnahme
weiter abgekühlt
werden.
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Abkühlen und
Aufheizen müssen
auch nicht zeitlich versetzt werden. Dadurch, daß die Vorrichtung 1 eine
Kühleinrichtung
zur Kühlung
eines zentralen Bereiches einer Preßfläche der Preßform und eine Heizeinrichtung 34 zur
Heizung eines den zentralen Bereich umgebenden Bereiches dieser
Preßflächen 28, 30 aufweist,
ist es möglich,
einen lateral variierenden Temperaturverlauf der Preßfläche einzustellen.
Dabei wird ein zentraler Bereich der Preßflächen 28, 30 der
Preßform 25 gekühlt durch
die Kühlluft
gekühlt
und ein umgebender Bereich geheizt, so daß die Temperatur der Preßflächen 28, 30 der
Preßform 25 von
einem zentralen Bereich zum Rand hin abnimmt. Dies hat sich als
besonders günstig
erwiesen, um eine möglichst
gleichmäßige Temperaturverteilung
entlang der Oberfläche
der Glasportion 7 während
des Blankpressens zu erzielen.
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5 zeigt
in schematischer Ansicht Teile eines weiteren Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Diese Vorrichtung 1 ist dazu ausgebildet, mehrere Glasportionen
gleichzeitig zu verarbeiten. Dazu ist eine Levitationsunterlage 5 mit einer
ebenfalls wie bei dem in 1 dargestellten Beispiel einteilig
ausgebildeten Membran 9 vorgesehen, welche bei dem in 5 gezeigten
Ausführungsbeispiel
jedoch mehrere Mulden 6 zur Lagerung jeweils einer Glasportion
aufweist. Dadurch, daß wie
bei diesem Beispiel die mehreren Glasportionen auf einer gemeinsamen
Levitationsunterlage 5 gelagert werden, wird erreicht,
daß alle
parallel gelagerten Glasportionen in möglichst gleicher Weise konditioniert
werden. Insbesondere ist dazu auch die einteilig ausgebildete Membran
vorteilhaft, da auf diese Weise unter anderem der Gasfluß in alle
Mulden hinein parallel mit einer Regelungseinrichtung geregelt werden
kann. Auch die Einspeisung der Glasportionen erfolgt bei diesem
Ausführungsbeispiel
durch mehrere, jeweils über
einer Mulde 6 angeordnete taktende Nadelspeiser 3.
Auch die Anordnung der taktenden Nadelspeiser und der Levitationsmulden 6 entlang
eines Kreises, wie sie in 5 dargestellt
ist, hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, um eine
gleichmäßige Konditionierung zu
erreichen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Levitationsunterlage 5 zur Übergabe der Glasportionen an
die eine oder mehrere nicht dargestellten Preßformen mittels der über Achsen 182, 182 der
Bewegungseinheit 19 drehbare Schwenkarme 171, 172, 173, 174 verschwenkt,
wobei bei hier durch die Anordnung der Schwenkarme 171, 172, 173, 174 und Achsen 181, 182 die
Levitationsunterlage 5 parallel geführt wird. Dies bedeutet, daß die Orientierung
der Levitationsunterlage beim Verschwenken erhalten bleibt. Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt zur Übergabe
der Glasportionen das Verschwenken nach unten mit einer Beschleunigung,
die größer als die
Erdbeschleunigung ist. Durch die vorteilhafte Parallelführung ist
die Bewegung aller Mulden 6 beim Verschwenken gleich schnell.
-
Es
ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist, sondern vielmehr in vielfältiger
Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzelnen
Ausführungsbeispiele
auch miteinander kombiniert werden.
-
- 1
- Vorrichtung
zur Herstellung von optischen Glaskomponenten
- 3
- Nadelspeiser
- 5
- Levitationsunterlage
- 6,
61–69
- Mulde
- 7
- Glasportion
- 9
- Membran
von 5
- 11
- Gaszufuhrkanal
in 9
- 13
- Gaszufuhrleitung
- 15
- Gaskissen
- 17,
- Schwenkarm
- 171–174
-
- 18,
181,
- Achse
- 182
-
- 19
- Bewegungseinheit
- 21
- Prozeßsteuereinrichtung
- 25
- Preßform
- 27,
29
- Preßstempel
- 28,
30
- Preßflächen von 27, 29
- 31
- Hydraulikstange
- 33
- Öffnung in 34
- 34
- Heizplatte
- 35
- Heizelemente
von 34
- 36
- Fluidleitung
- 37
- Hydraulikeinrichtung