NL8500985A - Werkwijze en stelsel voor het herstellen van mechanische en/of chemische beschadigingen aan het oppervlak van voor hergebruik bestemde flessen. - Google Patents

Description

VO 7144 -1-

«r V

Werkwijze en stelsel voor het herstellen van mechanische en/of chemische beschadigingen aan het oppervlak van voor hergebruik bestemde flessen.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en stelsel voor het herstellen van mechanische en/of chemische beschadigingen aan het oppervlak van voor hergebruik bestemde flessen.

5 Voor hergebruik bestemde bierflessen vertonen na langdurig gebruik slijtageverschijnselen, hoofdzakelijk in het bovenste en onderste randgebied van het cilindervormige flesgedeelte. Deze slijtageverschijnselen worden veroorzaakt door wrijving, schokken en stoten bij transport 10 en overslag, in het bijzonder echter ook door de behandeling in de spoel-, vul- en verpakkingsinrichtingen in de brouwerij zelf. Als de slijtageverschijnselen een zekere omvang hebben bereikt, dan zijn de flessen om esthetische redenen niet meer acceptabel en worden zij uitgesorteerd.

15 Voor de "reparatie", resp. ter vermijding van deze slijtageverschijnselen, zijn tot nu toe slechts werkwijzen voor het aanbrengen van een kunststoflaag bekend geworden. Thermische nabehandelingswerkwijzen werden voor de reparatie van flessen tot nu toe niet toegepast.

20 In de glasindustrie wordt voor het glad maken van het glasoppervlak en voor het herstellen van zeer kleine, door de vormgeving veroorzaakte defecten, in het bijzonder bij sierglazen, zuurpolijsten of zgn. "vlampolijs-ten" toegepast. Het is ook bekend, glasoppervlakken mecha-25 nisch te polijsten.

Het zuurpolijsten is echter vanwege de daarmee verbonden nadelen voor het milieu en vanwege de kostbare verwijdering van de zuurresten bijzonder nadelig. Het mechanisch polijsten is in vergelijking met vlampolijsten 30 zeer arbeidsintensief.

Tenslotte is het ook bekend om werkstukken uit glas aan afslijtende of vervormende bewerkingen (lassen, :5 0 0 9 3 5 % * -2- snijden, boren, graveren) door laserstraling te onderwerpen. Bij het graveren b.v. werkt de laserstraling in op werkstukken van glas, die zich op omgevingstemperatuur bevinden.

Bij dieper inwerkende bestralingen van glas is gebleken, 5 dat het noodzakelijk is, de werkstukken voor het bestralen voor te verwarmen, om te voorkomen, dat het werkstuk door te grote plotselinge verwarming bij het bestralen barst.

In het bijzonder is uit het Duitse octrooi 3.207.274 een werkwijze voor het polijsten van voorgeslepen 10 oppervlakken op werkstukken van glas met laserstralen bekend, waarbij de werkstukken voor de bestraling tot dichtbij het transformatiepunt van glas worden verwarmd.

De uitvinding beoogt te voorzien in een werkwijze en een stelsel van voornoemde soort welke het mogelijk 15 maken om zowel licht als ook zwaar beschadigde, voor hergebruik geschikte flessen op een snelle, economische, doeltreffende en het milieu niet belastende wijze te repareren.

De uitvinding voorziet daartoe in een werkwijze waarbij een te herstellen fles op een temperatuur wordt 20 gebracht in het gebied van het transformatiepunt van het glas van de fles, waarbij het oppervlak van de fles met laserstralen thermisch wordt behandeld en waarbij het herstellen plaatsvindt door het flesoppervlak lijnvormig met de laserstralen af te tasten, terwijl de fles om zijn 25 lengteas roteert.

Anders dan bij het vlampolijsten of bij het zo even genoemde laserpolijstprocédé maakt de werkwijze volgens de uitvinding het niet alleen mogelijk, het glasoppervlak te polijsten, maar ook om grote beschadigde plekken 30 met relatief diepe kloven met een ruwheidsdiepte tot ruim 10 micron glad te smelten.

Het procédé moet daarbij zo worden gekozen, dat de beschadigde plekken juist worden glad gesmolten, maar een vervorming van de fles achterwege blijft. Dat 35 betekent, dat de warmtebron aanmerkelijk meer energie op het oppervlak moet brengen dan door warmtegeleiding 35 3 0 9 3-3 -3- in dezelfde tijd naar het inwendige van het glas kan worden afgevoerd. Om vervorming te verhinderen, kan de thermische behandeling ook in meerdere cycli worden opgedeeld.

De bij deze thermische werkwijze ontstane grote 5 temperatuurgradient tussen het oppervlak en het inwendige van het glas kan door het glasmateriaal slechts dan zonder schade worden doorstaan, wanneer het glas op een temperatuur-niveau dichtbij het verwekingsgebied (transformatietempera-tuur 500-600°C) wordt gebracht, zodat de door plotselinge 10 temperatuurverandering geïnduceerde spanningen door plastische compenserende bewegingen snel kunnen worden gecompenseerd en verminderd.

Bij het opsmelten verdampen de vluchtige gascomponenten (alkali/aardalkalioxyde). Door het tengevolge 15 hiervan geringere vloeimiddelgehalte in de gebieden dicht bij het oppervlak wordt de uitzettingscoëfficient geringer, het glasoppervlak wordt daardoor onder drukspanning gezet en de stevigheid van de fles neemt toe. Ook de hardheid en de chemische bestendigheid nemen daardoor toe. Dat 20 betekent dat door de thermische behandeling van de oppervlakken de gebruikseigenschappen worden verbeterd.

Daaruit volgt echter ook, dat bij een herhaling van de thermische Mflessenreparatie" meer warmte moet worden toegepast. De mogelijkheid bestaat echter ook om, 25 voor de eigenlijke thermische behandeling, een op de samenstelling van het flessenglas gelijkend glas op de beschadigde plekken van de fles aan te brengen en bij de thermische behandeling op te smelten.

Het is voordelig gebleken om gedurende of na 30 de thermische behandeling van het flesoppervlak een laag titaandioxyde of tinoxyde op te brengen.

Als laserstralingsbron voor de thermische behandeling van glasoppervlakken is uitsluitend een laserbron met groot vermogen geschikt, daar de geëmitteerde golflengte 35 van 10,6 micron in minder dan 1 micron diepte van het glas wordt geabsorbeerd. Momenteel is daartoe uitsluitend

r, '\ ** .* «V

!> , \ -►i, S* S -V

♦ ♦ -4- een C02~laser geschikt. Daarenboven is de C02~laser het enige lasertype, waarmee optische vermogens in het kilowatt-bereik kunnen worden geleverd. Doordat laserstraling gefocus-seerd kan worden, is het mogelijk om vermogensdichtheden 5 ter grootte van megawatt/cm^ te realiseren en bij glas in het bijzonder om deze hoge vermogensdichtheden in zeer korte tijd direkt in het glasoppervlak op te wekken.

Het gladsmelten van diepere beschadigde plekken geschiedt door warmtegeleiding. Daar de totale energie 2Q in een dunne oppervlaktelaag wordt ingebracht, is het risico van vervorming van de fles door thermische verweking van de totale fleswand uiterst gering.

Ter vermindering van de natuurlijke reflectie van het glas bestaat de mogelijkheid, voor de laserbehande-ling het glasoppervlak mechanisch, b.v. door zandstralen, op te ruwen. Deze voorbehandeling maakt het mogelijk, de laserbestraling met geringere laservermogens uit te voeren.

Oriënterend onderzoek van het gladmaken van 2o het oppervlak door kortstondige verhitting met laserstralen toonde duidelijk aan, dat hiermee een volledig gladmaken van versleten flesoppervlakken zonder vervorming van de fles mogelijk is. De flestemperatuur lag iets boven de transformatietemperatuur van het glas. De behandelingsduur 25 lag in het gebied van enige seconden.

In verdere series proefnemingen werd het opsmelten van het buitenoppervlak met een in verticale richting lijnvormig gefocuseerde laserstraal bij een om zijn lengteas roterende fles uitgevoerd. Er kon worden aangetoond, dat 30 door verticaal verschuiven van de laserstraal en de toegepaste cilindervormige lens (focuslengte: 125 mm, lijnlengte van de focus: 20 mm) en roteren van de fles het gladmaken van het totale versleten oppervlak tot de volledige hoogte van ca. 110 mm mogelijk is. Het inbrengen van energie 35 in het flesoppervlak kan met verschillende straalgeleidings-en afbeeldingssystemen geschieden.

a S Λ fj G & •j J J o? v ^ -5-

De uitvinding voorziet tevens in een stelsel dat geschikt is voor het uitvoeren van de bovenbeschreven werkwijze. Een aantal uitvoeringsvoorbeelden van een dergelijk stelsel zal in het hierna volgende worden toegelicht 5 aan de hand van de tekening/ hierin toont: fig. la een schematisch aanzicht van een eerste stelsel volgens de uitvinding; fig. lb een modificatie van een stelsel volgens fig. la; 10 fig. lc een andere modificatie van het stelsel volgens fig. la; fig. 2a een schematisch aanzicht van een tweede stelsel volgens de uitvinding; fig. 2b een modificatie van het stelsel volgens 15 fig. 2a; fig. 2c een andere modificatie van het stelsel volgens fig. 2a; fig. 3a een schematisch aanzicht van een derde stelsel volgens de uitvinding; 20 fig. 3b een bovenaanzicht van de lens 14 uit het stelsel volgens fig. 3a; fig. 4a een schematisch aanzicht van een vierde stelsel volgens de uitvinding; en fig. 4b een bovenaanzicht van de lenzen 18 25 en 19 uit het stelsel volgens fig. 4a.

In de figuren zijn gelijke onderdelen aangegeven met gelijke verwijzingscijfers.

Fig. la toont schematisch de opbouw van een eerste stelsel volgens de uitvinding.

30 Een horizontaal verlopende C02~laserstraal 1 uit een niet getoonde laserbron wordt via een hoog reflecterende vlakke metalen spiegel 2 verticaal naar beneden afgebogen. Een tweede vlakke spiegel 3 buigt de laserstraal naar een focusserende zwenkspiegel 4. De spiegel 4 zwenkt 35 om de horizontale as 5. De zwenkspiegel is in het horizontale vlak zo ver versprongen/ dat de door de zwenkspiegel gereflec- ·.> ·. ..· -3

"W > */ \J

• · -6- teerde laserstralen zijdelings langs de spiegel 3 kunnen worden geleid. De plaatsing van de spiegels 3 en 4 heeft een kleine invals- resp.juitvalshoek tengevolge en waarborgt daardoor een zo goed mogelijke focussering van de laserstraal 5 door de sferisch concave zwenkspiegel 4.

De gefocusseerde laserstraal treft het flesopper-vlak van een glazen fles 6 in het brandvlak van de zwenkspiegel 4. De glazen fles staat op een roterende draaischijf 7.

De draaischijf en de glazen fles bevinden zich in een 10 elektrisch verwarmde oven 8.

De zwenkspiegel 4 is een deel van een als reso-nantietriller uitgevoerde zwenkspiegeloscillator. De zwenkspiegel beweegt zich sinusvormig met een vaste frequentie » van b.v. 180 Hz en een verticale slag van ca. 110 mm op 15 het cilindervormige deel van de fles. Daarbij ontstaat een gemiddelde verticale verplaatsingssnelheid van 40.000 mm/s. De omtrek van de glazen fles bedraagt 198 mm, zodat bij 1/5 draaiing van de fles per seconde een horizontale verplaatsingssnelheid van 40 mm/s resulteert.

20 De minimale brandvlek van de laserstraal bij de zwenkspiegel 4 met een brandpuntsafstand van 1000 mm is 0,7 mm. Met inachtneming van de verticale en horizontale verplaatsingssnelheid blijkt voor de laserbestraling, dat een 0,7 mm brede verticale oppervlaktestrook van de 25 glazen fles ca. 12 maal puntvormig door de laserstraal wordt bestreken. De verticaal voortbewogen laserstraal brengt wegens de hoge warmtecapaciteit van het glas dus een lijnvormig smeltvlak van 0,7 mm breedte en 110 mm hoogte voort, dat bij roteren van de fles langs de omtrek 30 van de fles beweegt. Het oppervlak van de fles wordt daarmede bij slechts één omwenteling volledig glad gemaakt.

Zoals fig. lb toont kunnen de spiegels 3 en 4 tot een asferisch gevormde zwenkspiegel 9 worden gecombineerd. De door de grote invals- resp. uitvalshoek optredende 35 geometrische afbeeldingsfouten van een normale sferische holle spiegel worden hier door een asferische vorm van Λ Λ Fk 'X · < :·λ !; 9 v J' V ' -7- de spiegel gecorrigeerd.

Zoals fig. lc toont geeft de combinatie van een focusserende lens 10 en een zwenkende vlakke spiegel 11 een verdere mogelijkheid van lijnsmelten. De laserstraal 5 wordt door middel van een biconvexe lens 10 (in het algemeen een ZnSe-lens) op het flesoppervlak gefocusseerd, waarbij de gefocusseerde straal binnen de brandpuntsafstand van de lens door een zwenkende vlakke spiegel 11 over 90° wordt afgebogen.

10 Bij de uitvoeringsvorm volgens fign. la-c beweegt de laserstraal zich afhankelijk van het stuursignaal voor de zwenkspiegel b.v. sinusvormig of driehoekvormig over het flesoppervlak.

Fig. 2 toont een ander uitvoeringsvoorbeeld 15 waarbij de oscillerende spiegel 4 volgens fig. la door een roterende polygoonspiegel 12 is vervangen, die de laserstraal periodiek in één richting afbuigt. De afzonder-lijke spiegelsegmenten van de polygoonspiegel kunnen bij de inrichting volgens fig. 2a als sferische holle spiegels 20 12a worden uitgevoerd.

Bij het stelsel volgens fig. 2b zijn de spiegelsegmenten 12a asferisch uitgevoerd, hetgeen als voordeel heeft dat de spiegelende oppervlakken 2 en 3 kunnen vervallen. Bij het stelsel volgens fig. 2c zijn de spiegelsegmen-25 ten 12b planair en is voorzien in een biconvexe lens voor het focusseren van de laserstraling.

Fig. 3 toont een stelsel waarbij de bundel 1 met behulp van een bundelverwijdingsoptiek 13 tot een straaldiameter van 110 mm verwijd wordt en met een overeenkom-30 stig grote cilindervormige lens 14 als lijn op het flesopper-vlak wordt gefocusseerd. Daarbij wordt het versleten oppervlak bij slechts één flesomwenteling glad gemaakt.

Door een geschikte keuze van de optiek kan vanzelfsprekend de hoogte van het behandelde flesoppervlak 35 op in principe iedere gewenste waarde worden ingesteld.

Bij de inrichting volgens fig. 4 wordt de laser- ^ V Λ V V V ' -8- bundel 1 door middel van een bundelsplitser 15, 15' in twee deelbundels 16 en 17 gesplitst. Iedere deelbundel wordt met behulp van resp. spiegels 22, 23 en cilindervormige lenzen 18, 19 op het flesoppervlak zodanig gefocusseerd, 5 dat de voornaamste slijtagezones 20, 21 aan de bovenste en onderste rand van het cilindervormige deel van de flessen worden bestraald. De behandeling van de volledige hoogte van het glad te maken oppervlak kan in principe door meerdere, dicht naast elkaar liggende, verticale deelbundels geschieden. 10 Bij de stelsels volgens de fign. 1-3 worden achtereenvolgens naast elkaar gelegen verticale lijnvormige gebieden door middel van een tot een brandvlek gefocusseerde laserbundel, die continu verticaal wordt afgebogen, behandeld. Het is echter ook mogelijk om achtereenvolgens naast elkaar 15 gelegen horizontale gebieden te behandelen. Hiertoe kan b.v. de laserbundel met behulp van een cilindervormige ZnSe-lens (typ. diameter 20 mm, brandpuntsafstand tot 500 mm) worden gebundeld, door middel van een kante1-spiegel van 90° worden afgebogen en als lijn op het flesopper-20 vlak worden gefocusseerd. Na iedere omwenteling van de fles wordt de focus door de kantelspiegel over de lijnhoogte verschoven, tot het totale glad te maken vlak in de volledige hoogte van 110 mm is behandeld. Alternatief zou de laserstraal in verticale richting continu kunnen worden verschoven. 25 De stijghoogte van de bestralingsspiraal per omwenteling is daarbij maximaal een lijnhoogte zijn.

Ook zou een sferische lens kunnen worden gebruikt, waarbij de stijghoogte van de bestralingsspiraal hoogstens gelijk aan de brandvlekdiameter mag worden gekozen.

30 De geometrische inrichting zou voor deze laatste uitvoeringsvorm overeen kunnen komen met de inrichting volgens fig. lc, waarbij de zwenkspiegel 11 door een kantelspiegel is vervangen.

Bij de optieken waarbij de laserbundel puntvormig 35 wordt gefocusseerd is het in het algemeen gewenst de intensi-teitsverdeling over de bundeldoorsnede van de laser door ^ j v4 * ,

Ut V u * «Λ ' -9- een variabele straalintegrator te homogeniseren resp. aan de slijtage aan te passen. Daarmee kan een optimale intensiteitsverdeling van de laserstraal op het flesoppervlak worden bereikt.

5 De bestralingsoptiek kan op op zich bekende wijze worden opgenomen in een mechanische opbouw, die een computergestuurde straalbeweging mogelijk maakt. De optieken worden daarbij door beschermgasinrichtingen (perslucht) beschermd tegen vuil en wegbranden.

10 Het aantal gelijktijdig te behandelen flessen in een inrichting wordt door middel van bundelsplitsing door bundelsplitsers bepaald. Daarvoor noodzakelijke informaties over intensiteitsverliezen, over delingsverhoudingen en over de geometrie van de deelbundelgeleiding kunnen 15 in experimenten voor het gladmaken van oppervlakken met deelbundels worden verkregen.

O <>/ ·<* j v -

Claims (20)

1. Werkwijze voor het herstellen van mechanische en/of chemische beschadigingen aan het oppervlak van voor hergebruik bestemde glazen flessen, met het kenmerk, dat een te herstellen fles op een temperatuur wordt gebracht 5 in het gebied van het transformatiepunt van het glas van de fles, dat het oppervlak van de fles met laserstralen thermisch wordt behandeld en dat het herstellen plaatsvindt door het flesoppervlak lijnvormig met de laserstralen af te tasten, terwijl de fles om zijn lengteas roteert. 2Q

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de fles op een temperatuur van 500-600°C wordt gebracht en dat de laserstralen worden opgewekt met behulp van een C02“laser.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het 15 kenmerk, dat het flesoppervlak wordt behandeld langs in wezen verticaal langs het flesoppervlak verlopende lijnen.

4. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het flesoppervlak wordt behandeld langs in wezen horizontaal langs het flesoppervlak verlopende lijnen.

5. Werkwijze volgens tenminste een der conclusies 1 t/m 4, met het kenmerk, dat vooraf aan de thermische behandeling een op flessenglas gelijkend glas op een te herstellen plek op het flesoppervlak wordt gebracht en bij de thermische behandeling wordt opgesmolten.

6. Werkwijze volgens tenminste een der conclusies 1 t/m 5, met het kenmerk, dat gedurende of na de thermische behandeling een laag titaanoxyde of tinoxyde op het flesop-pervlak wordt opgebracht.

7. Werkwijze volgens tenminste een der conclusies 30 1 t/m 6, met het kenmerk, dat voor de bestraling met laserstralen het glasoppervlak mechanisch wordt opgeruwd.

8. Stelsel voor het herstellen van mechanische en/of chemische beschadigingen aan het oppervlak van voor hergebruik bestemde glazen flessen, gekenmerkt door een 85 0 0 9 s 5 r -11- laserbron, optische organen om de door de laserbron opgewekte laserbundel naar het oppervlak van een te behandelen fles te richten, door middelen om de fles op een temperatuur in het gebied van het transformatiepunt van het glas te 5 brengen en door middelen om de fles rond zijn lengteas te doen roteren.

9. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de optische organen een oscillerende zwenkspiegel omvatten die op het flesoppervlak, parallel aan de lengteas 10 van de fles, een lijnvormig smeltvlak vormt.

10. Stelsel volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de zwenkspiegel een planaire spiegel is en dat in de optische weg naar de zwenkspiegel een biconvexe sferische lens is aangebracht, die de laserbundel via de zwenkspiegel 15 op het flesoppervlak focusseert.

11. Stelsel volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de zwenkspiegel een concaaf sferisch spiegeloppervlak bezit, dat de laserbundel op het flesoppervlak focusseert.

12. Stelsel volgens conclusie 9, met het kenmerk, 20 dat de zwenkspiegel een concaaf asferisch spiegeloppervlak bezit.

13. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de optische organen een roterende polygoonspiegel omvatten die op het flesoppervlak parallel aan de lengteas 25 van de fles een lijnvormig smeltvlak vormt.

14. Stelsel volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de spiegeloppervlakken van de polygoonspiegel planair zijn en dat in de optische weg naar de polygoonspiegel een biconvexe sferische lens is opgenomen, die de laserbundel 30 via de polygoonspiegel op het flesoppervlak focusseert.

15. Stelsel volgens conclusie 13, met het kenmerk, dat de polygoonspiegel convexe asferische spiegeloppervlakken bezit.

16. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, 35 dat de optische organen een cilindervormige lens omvatten om de laserbundel lijnvormig en parallel aan de lengteas 8 r ' r o fi ! ψ * -12- van de fles op het flesoppervlak te focusseren.

17. Stelsel volgens conclusie 15, met het kenmerk, dat de optische middelen een in vergelijking met de hoogte van een te herstellen beschadiging kortere lijnfocus op 5 het flesoppervlak vormen en dat voorzien is in stapsgewijs te verplaatsen spiegel om de laserbundel naar opeenvolgende gebieden op het flesoppervlak te richten.

18. Stelsel volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de optische organen een biconvexe sferische lens omvat- 10 ten en dat in de optische weg tussen deze lens en het flesoppervlak een beweegbare spiegel is geplaatst via welke het flesoppervlak spiraalvormig wordt afgetast.

19. Stelsel volgens conclusie 8 of 16, met het kenmerk, dat voorzien is in optische organen om de laserbun- 15 del in deelbundels op te delen en deze deelbundels naar tevoren bepaalde gebieden op het flesoppervlak te richten.

20. Werkwijze volgens tenminste één der conclusies 1 t/m 7, met het kenmerk, dat meerdere flessen tegelijkertijd worden behandeld. Ö K Λ Λ £ Q S W n/ V J *-:· w 0