DE102017202762B4 - Verfahren zur Herstellung eines Glasrohres mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnitt durch Umformen sowie Verwendung des Verfahrens - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Glasrohres (50) mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnitt durch Umformen, mit zumindest den Schritten:
- Bereitstellen eines Glasrohres (50),
- Erhitzen des bereitgestellten Glasrohres (50),
- Bereitstellen wenigstens eines Umformwerkzeuges (10), das einen Formkörper (30) mit einer Formungsfläche (31) zum Umformen des erhitzten Glasrohres (50) aufweist,
wobei der Formkörper (30) zumindest teilweise aus wenigstens einem offenporösen Material besteht,
- Einstellen eines Gasdrucks im Inneren des Umformwerkzeuges (10), der niedriger als 90 kPa ist, so dass an der Formungsfläche (31) des Formkörpers (30) ein Unterdruck entsteht,
- Umformen des erhitzten Glasrohres (50) durch Einwirkung einer Druckkraft senkrecht zur Längsachse des Glasrohres (50),
wobei die Druckkraft durch das bereitgestellte Umformwerkzeug (10) erzeugt wird und auf die Außenfläche des Glasrohres (50) einwirkt
und wobei die Außenfläche des Glasrohres (50) durch den Unterdruck an der Formungsfläche (31) des Formkörpers (10) fixiert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glasrohres mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnitt durch Umformen mit hoher Präzision und Qualität der Oberfläche. Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung dieses Verfahrens zur Herstellung von Gehäusen für mobile elektronische Geräte.
    Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Anwendungen für Glasrohre mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnitt bekannt, die unterschiedliche Anforderungen beispielsweise an die Abmessungen der Rohre, die Querschnittsgeometrie oder die Qualität der Oberfläche stellen. Daneben besteht einerseits die Anforderung derartige Glasrohre möglichst kostengünstig und andererseits mit einer entsprechenden Präzision und Reproduzierbarkeit herstellen zu können.
  • Bei der Formgebung von Glasrohren unterscheidet man prinzipiell zwischen kontinuierlichen und diskontinuierlichen Verfahren. Wegen den zumeist grundlegend unterschiedlichen Verfahrensparametern sind bei kontinuierlichen Herstellungsverfahren angewandte Prinzipien nicht oder jedenfalls nicht ohne Weiteres auf diskontinuierliche Verfahren übertragbar, sodass diese dem Fachmann nicht als Anregung zur Verbesserung von diskontinuierlichen Herstellungsverfahren dienen werden.
  • So beschreibt beispielsweise die DE 10 2004 060 409 A1 der Anmelderin ein Verfahren zum Wiederziehen von gegossenen Glasrohren zur Herstellung von Glasrohren mit beliebig geformtem Querschnitt. Dafür wird das zuvor in eine gewünschte Form gegossene und abgelängte Rohr in eine Haltevorrichtung eingespannt, partiell erhitzt und dann auf den gewünschten Außendurchmesser gezogen. Die Fertigungstoleranzen dieses Prozesses hängen allerdings unter Anderem stark von der Konstanz der Ziehgeschwindigkeit ab.
  • Die WO 2016/123315 A1 dagegen beschreibt ein Verfahren zum Umformen von Glasrohren mit hoher Präzision und Qualität der Oberfläche durch Druckbelastung senkrecht zur Längsachse des Glasrohres. Das dort beschriebene Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass es für die Umformung wesentlich ist, den Gasdruck im Innenraum des Glasrohres aufwändig auf einen von der zu erzielenden Form und den thermischen Eigenschaften der verwendeten Glaszusammensetzung abhängigen Wert einzustellen.
  • Somit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein für eine kostengünstige Produktion bei großen Stückzahlen geeignetes Verfahren zur Herstellung von Glasrohren mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt mit hoher Präzision und Qualität der Oberfläche bereitzustellen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgaben durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch eine Verwendung nach Anspruch 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Glasrohres mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnitt durch Umformen zumindest die Schritte:
    • - Bereitstellen eines Glasrohres,
    • - Erhitzen des bereitgestellten Glasrohres,
    • - Bereitstellen wenigstens eines Umformwerkzeuges, das einen Formkörper mit einer Formungsfläche zum Umformen des erhitzten Glasrohres aufweist, wobei der Formkörper zumindest teilweise aus wenigstens einem offenporösen Material besteht,
    • - Einstellen eines Gasdrucks im Inneren des Umformwerkzeuges, der niedriger als 90 kPa ist, so dass an der Formungsfläche des Formkörpers ein Unterdruck entsteht,
    • - Umformen des erhitzten Glasrohres durch Einwirkung einer Druckkraft senkrecht zur Längsachse des Glasrohres, wobei die Druckkraft durch das bereitgestellte Umformwerkzeug erzeugt wird und auf die Außenfläche des Glasrohres einwirkt und wobei die Außenfläche des Glasrohres durch den Unterdruck an der Formungsfläche des Formkörpers fixiert wird.
  • Unter dem Querschnitt eines Glasrohres ist dabei erfindungsgemäß die Form der Außenkontur des Glasrohres zu verstehen, die sich bei einem Schnitt durch das Glasrohr entlang einer Ebene, die senkrecht auf der Längsachse des Glasrohres steht, ergibt. So weist beispielsweise ein Glasrohr, das als Hohlzylinder ausgebildet ist, einen kreisförmigen Querschnitt auf und alle Punkte auf der Oberfläche des Glasrohres weisen denselben Abstand von der Längsachse auf. Bei einem Glasrohr, dessen Querschnitt von der Kreisform abweicht, weisen dagegen allgemein nicht alle Punkte auf dessen Oberfläche den gleichen Abstand von der Längsachse auf.
  • So lässt sich das Seitenverhältnis des Querschnitts definieren als das Verhältnis der Ausdehnung des Querschnitts in der Richtung seiner größten Ausdehnung zur Ausdehnung des Querschnitts in senkrechter Richtung dazu. Dieses Seitenverhältnis nimmt beispielsweise bei einem Glasrohr mit kreisförmigem Querschnitt den Wert 1 an, bei einem Glasrohr mit elliptischem Querschnitt entspricht es dem Verhältnis der großen Halbachse zur kleinen Halbachse, bei einem rechteckigen Querschnitt dem Verhältnis der Breite zur Höhe, unter der Annahme, dass die Breite des Rechtecks größer als oder gleich dessen Höhe ist.
  • Zunächst werden erfindungsgemäß Glasrohre bereitgestellt. Als Ausgangsmaterial für diese Rohre sind prinzipiell alle Glaszusammensetzungen denkbar, aus denen Glasrohre hergestellt werden können, also beispielsweise Kalk-Natron-Silikatglas, Borosilikatglas oder Aluminosilikatglas. Solche Gläser werden unter anderem unter den Bezeichnungen AR-Glas®, DURAN® oder SCHOTT 8252 vertrieben. Für Anwendungen, die besondere Anforderungen an die mechanische Stabilität stellen, ist die Verwendung von Glaszusammensetzungen mit erhöhter Bruchkraft beziehungsweise von chemisch härtbaren Glaszusammensetzungen bevorzugt. Optional können diese Rohre vor der Bereitstellung gereinigt werden, um beispielsweise Partikel von der Oberfläche zu entfernen, die sich nach der Umformung negativ auf die Oberflächenqualität auswirken könnten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut für die Umformung von Glasrohren mit einer maximalen Ausdehnung im Querschnitt von 5 bis 200 mm und einer Länge entlang der Längsachse von 50 bis 300 mm geeignet. Es ist aber auch möglich längere Rohre mit dem erfindungsgemäßen Verfahren umzuformen und anschließend in Rohrabschnitte mit den gewünschten Maßen zu vereinzeln. Bevorzugt sind die Rohre oder Rohrabschnitte nach der Umformung und gegebenenfalls Vereinzelung länger als das Endmaß des herzustellenden Produkts, um eine an die Umformung anschließende Kantenbearbeitung, beispielsweise in Form eines Schleif- und Polierprozesses, zu ermöglichen. Die Rohrabschnitte sollten allerdings auch nicht länger als hierfür notwendig sein, um unnötigen Materialauschuss zu vermeiden. Die Wanddicke der verwendeten Rohre liegt vorzugsweise zwischen 0,3 und 2,0 mm.
  • Bei der Wahl des Querschnitts der bereitgestellten Glasrohre kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht. Glasrohre mit kreisförmigem Querschnitt bieten vor allem den Vorteil, dass sie in großen Mengen gefertigt werden und entsprechend kostengünstig bezogen werden können. Glasrohre mit einem elliptischen Querschnitt, der dem zu erzielenden Seitenverhältnis des umgeformten Rohres näherkommt als ein kreisförmiger Querschnitt, können in kürzerer Zeit beziehungsweise gegebenenfalls mit weniger Schritten umgeformt werden als Rohre mit kreisförmigem Querschnitt und bieten somit ein Potential zur Erhöhung des Durchsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens. Weiterhin können auch Glasrohre zum Einsatz kommen, die einen anderweitig dem zu erzielenden Querschnitt nahekommenden Querschnitt aufweisen, beispielsweise Glasrohre mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt.
  • Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Glasrohre mit einem Seitenverhältnis herzustellen, das zum einen größer als das Seitenverhältnis des Querschnitts des Glasrohres vor der Umformung ist und dabei größer als 3:1, bevorzugt größer als 6:1 und besonders bevorzugt größer als 9:1 ist. Das Seitenverhältnis kann bis zu 12:1 betragen.
  • Die bereitgestellten Glasrohre werden erfindungsgemäß vor der Umformung erhitzt, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen dem Oberen Kühlpunkt und dem Erweichungspunkt. Der Obere Kühlpunkt entspricht dabei der Temperatur, bei der das Glas eine Viskosität von 1013 dPa s aufweist. Der Erweichungspunkt entspricht derjenigen Temperatur, bei der das Glas eine Viskosität von 107,6 dPa s aufweist. Beide Temperaturen sind Materialeigenschaften und hängen somit stark von der gewählten Glaszusammensetzung ab.
  • Das Erhitzen der Glasrohre kann dabei durch eine Vielzahl verschiedener Verfahren erreicht werden. Hierfür können verschiedene Heizelemente wie beispielsweise elektrisch oder fossil beheizte Öfen, Infrarotstrahler oder Laser zum Einsatz kommen. In fossil beheizten Öfen können insbesondere Gasbrenner im Oxyfuel-Verfahren zum Einsatz kommen. Je nach Heizelement kann es dabei vorteilhaft sein, entweder die Glasrohre bei der Erhitzung um die Längsachse zu rotieren, um eine möglichst gleichmäßige Wärmeaufnahme sicherzustellen, oder die Glasrohre ohne Rotation auf einer feuerfesten Unterlage zu fixieren. Bevorzugt sollte die Temperatur des Glasrohres möglichst homogen eingestellt werden, um eine möglichst gleichmäßige Verformung zu ermöglichen. Besonders bevorzugt sollten sich der kälteste Punkt und der wärmste Punkt des Rohres in ihrer Temperatur um maximal 10 K, bevorzugt maximal 5 K unterscheiden.
  • Das wenigstens eine Umformwerkzeug ist zum einen dazu geeignet, auf das Glasrohr eine Druckkraft senkrecht zur Längsachse des Glasrohres einwirken zu lassen, zum Beispiel indem es in der entsprechenden Richtung verfahren wird und dadurch das Glasrohr gegen eine Unterlage oder gegen ein zweites Umformwerkzeug drückt. Zum anderen umfasst es einen Formkörper, der eine Formungsfläche zum Umformen des erhitzten Glasrohres aufweist. Unter dem Formkörper ist also erfindungsgemäß der Teil des Umformwerkzeuges zu verstehen, dessen Oberfläche bei der Umformung mit dem Glasrohr in Kontakt kommt.
  • Die Oberfläche des Formkörpers wird erfindungsgemäß als Formungsfläche bezeichnet. Die Formungsfläche ist dabei so ausgestaltet, dass sie die Querschnittsgeometrie der Außenfläche des Glasrohres nach dem Schritt des Umformens vorgibt. Hierzu kann sie in einer Weiterbildung der Erfindung gezielt geformt sein, also beispielsweise eben ausgebildet sein oder eine Krümmung aufweisen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Formkörper entlang der Längsachse des Glasrohres größer als das Glasrohr, so dass das gesamte Glasrohr umgeformt werden kann. Dadurch wird vermieden, dass nach der Umformung des Glasrohres an dessen Enden nicht umgeformte Bereiche zurückbleiben, die in einem nachgeschalteten Verarbeitungsschritt abgetrennt werden müssen und Produktionsausschuss darstellen. Durch die Umformung eines Glasrohres entlang seiner gesamten Länge werden demnach die Produktionsgeschwindigkeit und die Ressourceneffizienz des Herstellungsverfahrens gesteigert.
  • Der Formkörper besteht erfindungsgemäß zumindest teilweise aus wenigstens einem offenporösen Material. Der Formkörper ist zumindest dort, wo er aus offenporösen Material besteht, permeabel für Gase, so dass bei Anlegen eines Gasdrucks von weniger als 90 kPa im Inneren des Umformwerkzeuges an der Oberfläche der Formungsfläche bei Kontakt mit dem Glasrohr ein Unterdruck entsteht. Die Höhe des Unterdrucks an der Formungsfläche kann erfindungsgemäß durch den Druck im Inneren des Umformwerkzeugs, durch die Wahl der offenen Porosität des Materials und dessen Materialstärke eingestellt werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung weist das wenigstens eine poröse Material eine offene Porosität zwischen 1 % und 50 %, bevorzugt zwischen 10 % und 45 % und besonders bevorzugt zwischen 15 % und 40 % auf. Wenn der Formkörper aus mehreren porösen Materialien unterschiedlicher Porosität zusammengesetzt wird, kann die Porosität der dafür verwendeten Materialien sogar bis zu 90% betragen. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Formkörper gleichzeitig eine sehr gut polierbare Oberfläche, eine hohe Permeabilität für Gase und eine hohe mechanische Stabilität aufweisen soll.
  • In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weist das Umformwerkzeug in seinem Inneren wenigstens einen Hohlraum auf, der dazu dient, den Gasdruck in dem von ihm eingeschlossenen Volumen homogen zu verteilen.
  • In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung kann das offenporöse Material Graphit, Keramik und/oder Metall umfassen. Beispiele hierfür sind glasfaser- oder kohlefaserverstärkter Graphit oder Graphitverbundwerkstoffe, Keramik, Metalle und Metalllegierungen. Bevorzugt umfasst das Material isostatisch gepressten Graphit. Der Formkörper kann auch, wenn dies beispielsweise aus Gründen der mechanischen Stabilität vorteilhaft ist, aus mehreren dieser Materialien bestehen. Bei der Wahl des offenporösen Materials ist darauf zu achten, dass dieses bei den für die Umformung erforderlichen Temperaturen mit dem Glas nicht chemisch reagiert.
  • Erfindungsgemäß wird das Glasrohr während der Umformung bei Kontakt mit dem Formkörper des Umformwerkzeuges durch den im Inneren des Umformwerkzeuges eingestellten Gasdruck von weniger als 90 kPa und dem daraus und aus der Verwendung des offenporösen Materials resultierenden Unterdruck an der Formungsfläche des Formkörpers fixiert.
  • Weiterhin bewirkt der Unterdruck, dass die Außenfläche des Glasrohres zumindest teilflächig an der Formungsfläche anliegt. Bevorzugt liegt die Außenfläche zumindest zum Ende des Umformschrittes vollflächig an dem für die Umformung zur Verfügung stehenden Teil der Formungsfläche an, wobei vollflächig auf die Formungsfläche und nicht auf die Oberfläche des Glasrohres bezogen ist. Die Erfinder haben dabei festgestellt, dass in einer Weiterbildung der Erfindung ideale Ergebnisse der Umformung dann erreicht werden können, wenn der Gasdruck zumindest in einem Teilvolumen im Inneren des Umformwerkzeuges auf einen Wert zwischen 0,1 kPa und 30 kPa eingestellt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der resultierende Unterdruck an der Formgebungsfläche an die Viskosität des Glases angepasst ist.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, durch einen geeigneten steuerbaren Mechanismus innerhalb des Umformwerkzeuges das Volumen des Teilvolumens, in dem der Unterdruck eingestellt wird, während der Umformung zu verändern. So kann das Teilvolumen auf den Anteil des Formkörpers angepasst werden, der in Kontakt mit dem Glasrohr ist. Dadurch kann beispielsweise bei einer Umformung innerhalb eines Ofens die Menge an heißem Gas, die aus dem Ofen abgesaugt wird, minimiert werden, wodurch wiederum die Energieeffizienz des Herstellungsprozesses verbessert wird.
  • Die Fixierung des Glasrohres an dem Formkörper verhindert unter anderem, dass sich das Glas aufgrund der durch die Erhitzung erniedrigten Viskosität beispielsweise unter der Einwirkung seiner eigenen Gewichtskraft unkontrolliert verformt und einen unerwünschten, häufig knochenförmigen Querschnitt annimmt. Ein knochenförmiger Querschnitt weist dabei eine Einschnürung in seiner Mitte auf. Durch die Fixierung lassen sich Glasrohre also insbesondere bei niedriger Viskosität und entsprechend hohen Temperaturen noch ohne erhöhten Aufwand präzise umformen.
  • Je nach verwendetem porösen Material und dem späteren Einsatzzweck des Glasrohres kann es in einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft sein, wenn die Formungsfläche spiegelpoliert ausgeführt wird, also eine Oberflächenrauheit im Sub-Mikrometerbereich aufweist. Hierdurch kann eine gemittelte Oberflächenrauheit des umgeformten Glasrohres von Rz < 1 µm, gemessen nach DIN EN ISO 4287, und somit eine sehr hohe optische Qualität des Glasrohres erzielt werden. Gleichzeitig wird dadurch einer Beschädigung der Oberfläche durch die Formungsfläche, beispielsweise in Form feinster Kratzer, vorgebeugt und somit auch die mechanische Stabilität des umgeformten Glasrohres verbessert.
  • Durch die Porosität des Formkörpers kann Unterdruck also insbesondere auch an solchen Stellen der Formungsfläche erzeugt werden, deren lokale Form auf das Glasrohr übertragen werden soll. Mit anderen Worten kann die Formungsfläche an gleicher Stelle sowohl als lokale Formvorlage als auch als lokale Unterdruckquelle dienen. Dies ermöglicht es, Glasrohre so umzuformen, dass sie sich durch eine optisch perfekte Oberflächenqualität auszeichnen.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung weist das poröse Material des Formkörpers in Abhängigkeit der Porosität und des zu erzielenden Unterdrucks eine Dicke zwischen 0,2 und 4 mm auf. Hierdurch kann ein für die Umformung idealer Wert des Unterdrucks eingestellt werden. Hierbei kann es weiterhin erforderlich sein, den Formkörper an der der Formungsfläche gegenüberliegenden Seite durch Stege, also Bereiche mit einer erhöhten Materialstärke, mechanisch zu stabilisieren. Alternativ zur Stabilisation durch Stege kann ein Formkörper auch aus einem dünnen spiegelpolierten Material, das von der Rückseite her durch ein dickeres Material mit einer höheren Porosität mechanisch verstärkt wird, bestehen.
  • In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung weist der Unterdruck an der Formungsfläche definiert verschiedene Werte an verschiedenen Stellen der Formungsfläche auf. Hierfür kann das Umformungswerkzeug so ausgebildet sein, dass in unterschiedlichen Bereichen des Formkörpers unterschiedliche Gasdrücke eingestellt werden können. Alternativ kann die Materialstärke oder die Porosität des Formkörpers gezielt lokal variiert werden, um auch bei gleichmäßig im Inneren des Umformwerkzeuges angelegtem Unterdruck an der Formungsfläche unterschiedliche Werte des Unterdrucks zu ermöglichen. So können beispielsweise Kanäle oder Senken in dem Formkörper ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise dazu genutzt werden, um den zur Knochenbildung neigenden mittleren Bereich der Rohroberfläche stärker anzusaugen, als die Ränder.
  • In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung können auch mehrere Umformwerkzeuge in mehreren Umformschritten nacheinander verwendet werden, wobei sich der Querschnitt des Glasrohres bei jedem Umformschritt weiter an den zu erzielenden Querschnitt annähert. Weiterhin können zwischen diesen Umformschritten weitere Heizschritte oder eine durchgängig kontinuierliche Beheizung erfolgen, beispielsweise um eine Abkühlung des Glasrohres während des vorangegangenen Umformschritts zu kompensieren oder um für den folgenden Umformschritt eine gewünschte Viskosität des Glases einzustellen.
  • Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, woraus sich weitere Merkmale und Vorteile ergeben. Es zeigen in schematischer Darstellung:
    • 1a ein Umformwerkzeug, ein Glasrohr und eine Unterlage vor Beginn der Umformung des Glasrohres durch das Umformwerkzeug in einem Schnitt entlang der Längsachse des Glasrohres.
    • 1b das Umformwerkzeug, das Glasrohr und die Unterlage nach 1a am Ende der Umformung des Glasrohres durch das Umformwerkzeug in einem Schnitt entlang der Längsachse des Glasrohres.
    • 2a zwei Umformwerkzeuge mit ebenen Formkörpern und ein Glasrohr vor Beginn der Umformung des Glasrohres durch die Umformwerkzeuge im Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Glasrohres.
    • 2b die Umformwerkzeuge und das Glasrohr nach 2a am Ende der Umformung des Glasrohres durch die Umformwerkzeuge im Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Glasrohres.
    • 3a ein Umformwerkzeug, ein Glasrohr und eine Unterlage vor Beginn der Umformung des Glasrohres durch das Umformwerkzeug im Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Glasrohres.
    • 3b das Umformwerkzeug, das Glasrohr und die Unterlage nach 3a am Ende der Umformung des Glasrohres durch das Umformwerkzeug im Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Glasrohres.
    • 4a bis d vier Beispiele für Glasrohre in Aufsicht auf den Querschnitt, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Umformen ausgebildet werden können.
  • 1a zeigt in schematischer Darstellung in einem Schnitt entlang der Längsachse des erhitzten Glasrohres 50, ein Umformwerkzeug 10, das einen Hohlraum 20, einen Formkörper 30 mit einer Formungsfläche 31 und eine Wandung 40 aufweist sowie eine Unterlage 60, auf der das Glasrohr 50 aufliegt. Der Hohlraum 20 wird dabei von dem Formkörper 30 und der Wandung 40 umschlossen. Dargestellt sind das Glasrohr 50, das Umformwerkzeug 10 und die Unterlage 60 nach dem Erhitzen des Glasrohres und vor der Umformung durch das Umformwerkzeug.
  • Der Formkörper 30 ist aus einem offenporösen Material, beispielsweise aus isostatisch gepresstem Graphit, angefertigt und mit einer ebenen Formungsfläche 31 ausgeführt. Weiterhin ist die Formungsfläche 31 spiegelpoliert.
  • Das Glasrohr 50 ist in Richtung seiner Längsachse kürzer als das Umformwerkzeug 10 und der Formkörper 30, so dass das Rohr 50 in seiner gesamten Länge umgeformt werden kann, ohne das nicht umgeformte Randbereiche des Rohres 50 bestehen bleiben.
  • Das Glasrohr 50 liegt auf der Unterlage 60 auf. Die Unterlage 60 ist beispielsweise ebenfalls aus isostatisch gepresstem Graphit gefertigt, kann aber auch aus anderen ausreichend temperaturbeständigen Materialien wie Keramiken oder Metallen gefertigt werden. Die mit dem Glasrohr 50 in Kontakt befindliche Fläche der Unterlage 60 ist spiegelpoliert. Die Unterlage 60 kann auch so ausgeführt sein, dass sie für den Transport des Glasrohres, z.B. von einer Einrichtung zur Erhitzung des Glasrohres zum Umformwerkzeug 10 verwendet werden kann und somit als Transportauflage dient. Auch die Verwendung der Unterlage 60 als Transportauflage innerhalb eines Ofens ist möglich, insbesondere wenn der Innenraum des Ofens eine inerte oder reduzierende Atmosphäre aufweist.
  • Im Bereich des Hohlraum 20 herrscht ein Gasdruck von weniger als 90 kPa. Dieser Unterdruck kann beispielsweise erzeugt werden, indem an eine dafür vorgesehene Öffnung des Umformkörpers 10 ein Mittel zur Erzeugung eines Unterdrucks, z.B. eine Membran- oder Drehschieberpumpe, angeschlossen und betrieben wird. Da der Formkörper 30 mit einer offenen Porosität und somit permeabel für Gase ausgebildet ist, entsteht durch den Unterdruck ein Gasfluss durch den Formkörper und das Umformwerkzeug, der in 1a schematisch durch Pfeile dargestellt ist. Da die Materialstärke des in 1a dargestellten Formkörpers 30 entlang seiner gesamten Ausdehnung konstant ist und sich der Hohlraum 20 ebenfalls über die gesamte Länge des Formkörpers 30 erstreckt, ist der Gasfluss durch den Formkörper 30 entlang seiner Länge im Wesentlichen konstant. Daraus resultiert an der Formungsfläche 31 bei Kontakt mit dem Glasrohr 50 ein im Wesentlichen homogener Unterdruck.
  • 1b zeigt das Umformwerkzeug 10, die Unterlage 60 und das Glasrohr 50 nach 1a am Ende der Umformung durch das Umformwerkzeug. Dabei wurde das Umformwerkzeug 10 senkrecht zur Längsachse des Glasrohres 50 verfahren, so dass es mit dem Glasrohr in Kontakt kommt und dieses derart gegen die Unterlage 60 drückt, dass es auf das Glasrohr 50 eine Druckkraft senkrecht zur Längsachse des Glasrohres 50 ausübt. Durch den Unterdruck an der Formungsfläche 31 wird dabei das Glasrohr 50 an der Formungsfläche 31 fixiert. Dadurch wird verhindert, dass sich insbesondere im mittleren Bereich des Glasrohres 50 unerwünschte Verformungen wie beispielsweise Einschnürungen oder Senkungen ausbilden.
  • 2a zeigt in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse des Glasrohres 50 zwei Umformwerkzeuge 10 mit jeweils einem ebenen Formkörpern 30 und einer Wandung 40, die zusammen einen Hohlraum 20 umschließen. Dargestellt sind die Umformwerkzeuge 10 und das Glasrohr 50, das einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, vor Beginn der Umformung des Glasrohres durch die Umformwerkzeuge.
  • Die in 2a dargestellten Umformwerkzeuge 10 sind jeweils wie das Umformwerkzeug 10 nach 1a ausgeführt und derart angeordnet, dass sie senkrecht zur Längsachse des Glasrohres 50 verfahren werden können und somit durch gegenläufiges Verfahren eine Druckkraft senkrecht zur Längsachse des Glasrohres 50 auf das Glasrohr 50 ausüben können.
  • 2b zeigt die Umformwerkzeuge 10 und das Glasrohr 50 nach 2a am Ende der Umformung des Glasrohres 50 durch die Umformwerkzeuge 10. Die Außenwand des Glasrohres 50 wird im Kontaktbereich mit den Formungsflächen 31 durch den Unterdruck fixiert und liegt an den jeweiligen Seiten an den Formungsflächen 31 an. Dadurch, dass die beiden Formungsflächen 31 eben ausgeführt und planparallel angeordnet sind, resultiert für das umgeformte Glasrohr 50 ein ovaler Querschnitt mit zwei zueinander parallelen, ebenen Seitenteilen sowie zwei abgerundeten Randbereichen. Da der Unterdruck an der Formungsfläche 31 über die gesamte Breite der Formungsfläche 31 konstant ist, wird die Oberfläche des Glasrohres 50 mit einer konstanten Kraft an der Formungsfläche 31 fixiert.
  • Die in 3a dargestellte Ausführungsform eines Umformwerkzeugs 10 unterscheidet sich von der in 2a dargestellten Ausführungsform der Umformwerkzeuge 10 dahingehend, dass der Formkörper 30 nicht eben ausgebildet ist. Zum einen weist er eine gekrümmte Formungsfläche 31 auf, zum anderen variiert die Materialstärke des Formkörpers 30 über dessen Breite.
  • Im Hohlraum 20 herrscht ein Gasdruck von weniger als 90 kPa, wodurch ein Gasfluss durch den Formkörper 30 und das Umformwerkzeug 10 entsteht, der in 3a schematisch mit Pfeilen dargestellt ist. In den Bereichen geringerer Materialstärke resultiert ein höherer Gasfluss, da der Formkörper dort einen geringeren Widerstand für den Gasfluss bietet. Bei Kontakt der Formungsfläche 30 mit dem Glasrohr 50 resultiert daraus in den Bereichen des Formkörpers 30 mit geringerer Materialstärke ein stärkerer Unterdruck an der Formungsfläche 31 und somit eine stärkere Fixierung der Oberfläche des Glasrohres 50 an der Formungsfläche 31.
  • Das in 3a dargestellte Glasrohr 50 weist in seiner Ausgangsform einen elliptischen Querschnitt auf. Dies ist in der dort dargestellten Ausführungsform besonders vorteilhaft, da die Ellipsenform des Glasrohres 50 der Krümmung der Formungsfläche 31 ähnlicher ist als es eine Kreisform wäre, wodurch unter anderem eine schnellere Umformung ermöglicht wird.
  • 3b zeigt das Umformwerkzeug 10, das Glasrohr 50 und die Unterlage 60 nach 3a am Ende der Umformung des Glasrohres durch das Umformwerkzeug 10. Das Glasrohr 50 wurde durch Verfahren des Umformwerkzeuges 10 mittels der Formungsfläche 31 gegen die Unterlage 60 gedrückt, woraus der dargestellte Querschnitt des Glasrohres nach der Umformung resultiert. Die Außenwand des Glasrohres 50 wird im Kontaktbereich mit der Formungsfläche 30 durch den Unterdruck fixiert und liegt vollflächig an der Formungsflächen 31 an. Dabei wird es in den Bereichen geringerer Materialstärke des Formkörpers 30, also im für eine unerwünschte Deformierung besonders anfälligen mittleren Bereich des umgeformten Glasrohres, stärker fixiert als in den Bereichen höherer Materialstärke.
  • Die Figuren 4a bis 4d zeigen verschiedene Beispiele für Glasrohre mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit hoher Präzision und hohem Durchsatz hergestellt werden können. Das jeweilige Seitenverhältnis der dargestellten Glasrohre ergibt sich aus dem Verhältnis der Breite des Querschnitts B zu dessen Höhe H.
  • 4a zeigt den Querschnitt eines Glasrohres 50 wie in 2b. Das ovale Glasrohr 50 weist zwei zueinander parallel verlaufende, ebene Längsseiten sowie zwei halbkreisförmig abgerundete Randbereiche auf und erinnert in seiner Form an die Laufbahn eines Sportplatzes. Die Wandstärke ist über den gesamten Umfang konstant.
  • 4b zeigt ein Glasrohr mit elliptischem Querschnitt. Die Wandstärke eines solchen elliptischen Rohres kann über den gesamten Umfang konstant sein oder wie in 4b dargestellt, stetig und spiegelsymmetrisch variieren.
  • 4c zeigt ein Glasrohr, das eine plane Längsseite sowie eine konvex gekrümmte Seite aufweist, wobei die Biegeradien in den beiden Eckbereichen sehr klein sind. Die Wandstärke ist im Bereich der planen Längsseite konstant. 4d zeigt ein Glasrohr mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt und abgerundeten Ecken. Die Wandstärke ist über den gesamten Umfang konstant.
  • In einem Ausführungsbeispiel wird ein Glasrohr 50 aus DURAN® mit einem kreisrunden Querschnitt, einem Außendurchmesser von 54 mm, einer Wandstärke von 1,8 mm und einer Länge von 170 mm bereitgestellt. Bei DURAN® handelt es sich um ein Borosilikatglas, das näherungsweise folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf Oxidbasis aufweist:
    SiO2 81 Gew.-%
    B2O3 13 Gew.-%
    Na2O + K2O 4 Gew.-%
    Al2O3 2 Gew.-%.
  • Der Obere Kühlpunkt von DURAN® liegt bei ca. 560°C, der Erweichungspunkt bei ca. 825 °C.
  • Das Glasrohr 50 wird in einem Durchlaufofen kontinuierlich auf eine Temperatur von 690 °C erhitzt. Um eine Oxidation des Glaskontaktmaterials zu vermeiden, wird der Ofen mit einem reduzierenden oder inerten Gas, beispielsweise Formiergas, Stickstoff oder Argon gespült. Das Glasrohr 50 liegt bei der Erhitzung mit seiner Außenwand auf einer Unterlage 60 auf. Der Bereich der Unterlage 60, der mit dem Glasrohr in Kontakt kommt, besteht aus isostatisch gepresstem Graphit mit spiegelpolierter Oberfläche.
  • Weiterhin wird ein Umformwerkzeug 10 mit einem ebenen Formkörper 30, wie schematisch in 1 und 2 dargestellt, im Ofen bereitgestellt. Der ebene Formkörper 30 besteht ebenfalls aus isostatisch gepresstem Graphit mit einer spiegelpolierten Oberfläche. Die Porosität des Formkörpers beträgt 15%, seine Dicke 0,5 mm. Zur mechanischen Stabilisierung weist der Formkörper an seiner Rückseite wabenförmig angeordnete Stege mit einer Dicke von 9,5 mm auf. Im Inneren des Umformwerkzeuges ist ein Hohlraum ausgebildet, der auch die Zwischenräume zwischen den wabenförmig angeordneten Stegen umfasst und in dem mittels einer Drehschieberpumpe ein Druck von 10 kPa eingestellt wird, so dass ein Gasfluss durch den porösen Formkörper 30 resultiert.
  • Sobald das Glasrohr 50 die Zieltemperatur mit einer Genauigkeit von ±5 K erreicht hat, wird es im Ofen so unter dem Umformwerkzeug positioniert, dass die Oberflächen der Unterlage 60 und des Formkörpers 30 zueinander planparallel ausgerichtet sind. Die Temperatur des Umformwerkzeuges entspricht dabei der Temperatur im Ofen. In einem nächsten Schritt wird das Umformwerkzeug 10 senkrecht zur Längsachse des Glasrohres 50 verfahren, so dass das Umformwerkzeug 10 eine Druckkraft auf die Außenfläche des Glasrohres 50 ausübt und es gegen die Unterlage 60 drückt. Dabei wird das Glasrohr 50 bei Kontakt mit der Formungsfläche 31 durch den Unterdruck an der Formungsfläche 31 fixiert ohne eine Schädigung der Glasrohroberfläche zu erhalten. Durch die Fixierung wird ein unerwünschtes Absenken im mittleren Bereich des Rohres 50 oder das sogar komplette Zusammenfallen des Glasrohres 50 und damit ein Verkleben der Innflächen des Rohres 50 miteinander verhindert.
  • Das Umformwerkzeug 10 wird solange verfahren, bis zwischen der Formungsfläche 31 und der Oberfläche der Unterlage 60 ein Abstand von 8 mm erreicht wird. Bei entsprechend genauer Auslegung der Oberflächen und der Endposition des Formkörpers 30 und der Unterlage 60 kann eine exakte Planparallelität der ebenen Bereiche der Außenflächen des umgeformten Rohres 50 erzielt werden.
  • Aus diesem Prozess resultiert somit ein umgeformtes Glasrohr 50 mit einer Breite von B = 70 mm und einer Höhe von H = 8 mm, entsprechend einem Seitenverhältnis von 8,75:1, dessen Querschnitt im Wesentlichen der schematischen Darstellung in 4a entspricht.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Glasrohres (50) mit einem von einer Kreisform abweichenden Querschnitt durch Umformen, mit zumindest den Schritten: - Bereitstellen eines Glasrohres (50), - Erhitzen des bereitgestellten Glasrohres (50), - Bereitstellen wenigstens eines Umformwerkzeuges (10), das einen Formkörper (30) mit einer Formungsfläche (31) zum Umformen des erhitzten Glasrohres (50) aufweist, wobei der Formkörper (30) zumindest teilweise aus wenigstens einem offenporösen Material besteht, - Einstellen eines Gasdrucks im Inneren des Umformwerkzeuges (10), der niedriger als 90 kPa ist, so dass an der Formungsfläche (31) des Formkörpers (30) ein Unterdruck entsteht, - Umformen des erhitzten Glasrohres (50) durch Einwirkung einer Druckkraft senkrecht zur Längsachse des Glasrohres (50), wobei die Druckkraft durch das bereitgestellte Umformwerkzeug (10) erzeugt wird und auf die Außenfläche des Glasrohres (50) einwirkt und wobei die Außenfläche des Glasrohres (50) durch den Unterdruck an der Formungsfläche (31) des Formkörpers (10) fixiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Formungsfläche (31) spiegelpoliert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (30) eine gekrümmte Oberfläche (31) aufweist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei sich die Außenfläche des Glasrohres (50) durch den Unterdruck an der Formungsfläche (31) des Formkörpers (30) zumindest teilflächig, bevorzugt vollflächig, an die Formungsfläche (31) anlegt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Umformwerkzeug (10) in seinem Inneren wenigstens einen Hohlraum (20) aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine offenporöse Material Graphit, bevorzugt isostatisch gepressten Graphit, Keramik und/oder Metall umfasst
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine offenporöse Material eine offene Porosität zwischen 1 % und 50 %, bevorzugt zwischen 10 % und 45 % und besonders bevorzugt zwischen 15 % und 40 % aufweist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das bereitgestellte Glasrohr (50) vor dem Erhitzen entweder einen kreisförmigen oder einen elliptischen Querschnitt aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glasrohr (50) auf eine Temperatur zwischen dem Oberen Kühlpunkt und dem Erweichungspunkt des Glases erhitzt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck zumindest in einem Teilvolumen im Inneren des Umformwerkzeuges (10) vor dem Umformen auf einen Wert zwischen 0,1 kPa und 30 kPa eingestellt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Seitenverhältnis des Querschnitts des Glasrohres (50) nach der Umformung größer als das Seitenverhältnis des Querschnitts des Glasrohres (50) vor der Umformung ist und größer als 3:1, bevorzugt größer als 6:1 und besonders bevorzugt größer als 9:1 ist.
  12. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung einer Komponente für ein Gehäuse eines mobilen elektronischen Geräts, vorzugsweise eines Mobiltelefons.
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