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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von erhabenen bzw. eingezogenen Strukturen an Hohlkörpern sowie eine korrespondierende Vorrichtung.
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Glasprodukte werden beim Erzeugen teilweise mit Vorsprüngen, Absätzen, Erhebungen etc. (erhabene Strukturen) und/oder Vertiefungen, Mulden, Nuten etc. (eingezogene Strukturen) versehen. Dabei werden diese erhabenen und eingezogenen Strukturen gleichzeitig mit der Herstellung des Glaskörpers erzeugt, indem beispielsweise in einen Hohlraum der Glasschmelze ein Überdruck eingebracht wird (Festblasen). Die Qualität, d. h. Abmessungen, Rauigkeit etc. der so erzeugten erhabenen und eingezogenen Strukturen ist jedoch relativ niedrig. Das so erzeugte Glasprodukt erweckt beim Anwender den Eindruck einer billigen bzw. niedrigen Qualität. Es besteht somit ein Bedarf für eine Verbesserung der erhabenen bzw. eingezogenen Strukturen bezüglich deren Qualität.
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US 4 057 409 A beschreibt ein Gerät für die Herstellung von Kathodenstrahlröhren-Bildschirmen mit einstückig ausgebildeten konturierten Befestigungsmitteln.
US 2 722 086 A beschreibt ein Verfahren zum Ausbilden von Öffnungen in Glasprodukten mit dem Schritt des punktförmigen Erwärmens von Seitenwänden des Glasprodukts.
JP 62202828 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Glasprodukten, bei dem zu verformende Teile lokal erwärmt werden.
US 5 737 126 A offenbart Mikrolinsen und andere optische Elemente, die durch Lasererwärmung von dotierten Halbleitern und anderen absorbierenden Gläsern hergestellt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der Schaffung eines Verfahrens zum Erzeugen von erhabenen und eingezogenen Strukturen, mit denen qualitativ hochwertige Produkte erzeugt werden können. Darüber hinaus soll eine korrespondierende Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Erzeugen von erhabenen und/oder eingezogenen Strukturen an Hohlkörpern bzw. Wandungen von Lumen mit den Schritten:
Erfassen der Lage und/oder Kontur des Hohlkörpers mittels einer optischen Erfassungseinrichtung;
Berechnen einer vorbestimmten Bahn einer Wärmequelle auf der Grundlage der erfaßten Lage und/oder Kontur des Hohlkörpers;
Aufbringen einer Druckdifferenz zwischen dem Innern des Hohlkörpers und dem Äußeren des Hohlkörpers;
Abfahren der vorbestimmten Bahn mit der Wärmequelle zum lokalen Erwärmen des Hohlkörpers auf eine Erweichungstemperatur des (Materials des) Hohlkörpers mittels der Wärmequelle, um eine lokale Verformung des Hohlkörpers zu verursachen; und
Abkühlen des Hohlkörpers.
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Indem der Hohlkörper eines bereits geblasenen bzw. gepreßten Glasprodukts lediglich lokal erwärmt wird, um eine lokale Verformung zu verursachen, kann die erhabene bzw. eingezogene Struktur nachträglich an einem bereits gepreßten bzw. geblasenen Glasprodukt erzeugt werden. Darüber hinaus stellt das erfindungsgemäße Verfahren einen hohen Freiheitsgrad zur Verfügung, weil aufgrund der lediglich lokalen Erwärmung des Hohlkörpers beliebige Strukturen geformt bzw. gestaltet werden können. Ein Verformungsgrad kann darüber hinaus durch Aufbringen einer entsprechenden Druckdifferenz bestimmt bzw. gesteuert werden. In anderen Worten kann ein hoher Verformungsgrad durch eine hohe Druckdifferenz erzeugt werden, während ein niedriger Verformungsgrad durch eine niedrige Druckdifferenz erzeugt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann durch Steuern der Erwärmungstemperatur des Hohlkörpers der Verformungsgrad gesteuert werden Das heißt, durch Erzeugen einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur kann der Verformungsgrad verringert werden, während durch Erzeugen einer höheren Erwärmungstemperatur ein Verformungsgrad erhöht werden kann.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß ein Verformungsgrad einerseits durch Steuern der Druckdifferenz und andererseits durch Steuern der lokalen Erwärmungstemperatur bestimmt werden kann. Das Abkühlen kann passiv durch Aussetzen des Produkts der Umgebungstemperatur oder aktiv durch Abkühlungsmittel erfolgen.
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Vorzugsweise wird der Schritt des Erwärmens mittels Laserstrahl, am besten mittels eines CO2-Lasers durchgeführt. Eine Lasereinrichtung bietet den Vorteil, daß die Energie zum Erwärmen sehr stark gebündelt werden kann, um sehr präzise und gezielt bestimmte Bereiche an dem Hohlkörper einer starken Erwärmung auszusetzen. Somit können auch sehr fein strukturierte Gebilde an dem Glasprodukt erzeugt werden.
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Um bestimmte Erhebungs- bzw. Vertiefungszüge an dem Glaskörper zu erzeugen, wird die Wärmequelle erfindungsgemäß entlang einer vorbestimmten Bahn an dem Hohlkörper bewegt. Hierdurch hat der Anwender eine weitere Möglichkeit zum Steuern der Energieeinbringung in bestimmte lokale Bereiche des Hohlkörpers. Derart können qualitativ hochwertige und sehr gut reproduzierbare Strukturen an dem Hohlkörper erzeugt werden.
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Vorzugsweise wird die Wärmequellenleistung und/oder die Bahngeschwindigkeit der Wärmequelle mittels einer entsprechenden Steuer- oder Regelvorrichtung gesteuert bzw. geregelt. Somit gibt es eine weitere Möglichkeit zum Steuern bzw. Gestalten der erzeugbaren Strukturen an dem Hohlkörper.
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Des weiteren wird erfindungsgemäß die Lage und/oder Kontur des Hohlkörpers mittels einer optischen Erfassungseinrichtung wie beispielsweise einer 2D-Scanneroptik oder einer 3D-Scanneroptik oder einer beliebigen anderen optischen Erfassungseinrichtung wie beispielsweise einer Lichtschranke, einem optischen Sensor, einer CCD-Kamera oder dergleichen erfaßt. Derart kann die vorbestimmte Bahn der Wärmequelle auf der Grundlage der erfaßten Lage und/oder Kontur des Hohlkörpers berechnet und abgefahren werden, um somit die gewünschten erhabenen bzw. eingezogenen Strukturen an vorbestimmten Stellen an dem Hohlkörper mit vorbestimmten Höhen und/oder Tiefen zu erzeugen.
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Vorzugsweise wird mit Hilfe derselben optischen Erfassungseinrichtung oder einer separaten optischen Erfassungseinrichtung die Wandstärke des Hohlkörpers vermessen und die Bahngeschwindigkeit und Wärmequellenleistung auf der Grundlage der gemessenen Wandstärke korrigiert. Dadurch kann die Formgebung der erhabenen bzw. eingezogenen Strukturen sowie des gesamten fertigen Hohlkörpers weiter verbessert werden, weil die Abweichungen der Wandstärke des zu bearbeitenden Hohlkörpers berücksichtigt werden. In Bereichen mit dünnerer Wandstärke ist eine geringere Wärmequellenleistung notwendig und/oder die Bahngeschwindigkeit kann eventuell erhöht werden, um eine vorbestimmte Erhebung oder Vertiefung an dem Hohlkörper zu erzeugen. Umgekehrt ist bei Bereichen mit erhöhter Wandstärke eine höhere Wärmequellenleistung oder eventuell eine geringere Bahngeschwindigkeit oder beides erforderlich, um eine vorbestimmte Struktur an dem Hohlkörper zu erzeugen. Durch Messen der Wandstärke und entsprechendes Korrigieren von Bahngeschwindigkeit und/oder Wärmequellenleistung kann demgemäß die Struktur mit höherer Präzision erzeugt werden, um einen qualitativ hochwertigen Eindruck zu vermitteln.
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Vorzugsweise wird auch der Umformgrad des Hohlkörpers mit derselben oder einer anderen optischen Meßeinrichtung kontinuierlich während der Umformung gemessen, um eine weitere Korrekturmöglichkeit zum Korrigieren von Bahngeschwindigkeit und/oder Wärmeleistung zu schaffen. Dies bietet den Vorteil, daß ein vorbestimmter Umformgrad unmittelbar gemessen wird und ein entsprechender Eingriff auf die Steuerung bzw. Regelung erfolgen kann, um Bahngeschwindigkeit und/oder Wärmequellenleistung so zu steuern bzw. zu regeln, daß der vorbestimmte Umformgrad erzielt wird.
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Zusätzlich kann der Hohlkörper durch Aufbringen eines Gasstroms gezielt abgekühlt werden, um eine vorgegebene Verfestigung der erzeugten Strukturen zu veranlassen. Als Gas wird dabei vorzugsweise Stickstoff oder Luft verwendet.
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Zum Aufbringen der Druckdifferenz wird vorzugsweise eine Öffnung des Hohlkörpers verschlossen, beispielsweise mit einer silikonbeschichteten Aluminiumplatte. Es kann jedoch auch jede andere Platte oder Verschlußeinrichtung verwendet werden, solange der Innenraum des Hohlkörpers ausreichend gegenüber einer Außenseite abgedichtet wird, um eine gewünschte Druckdifferenz zwischen dem Inneren und Äußeren des Hohlkörpers aufzubringen. Die silikonbeschichtete Aluminiumplatte bietet dabei den Vorteil einer guten Abdichtung und einer guten Wärmeableitung ohne beim Einbringen der Wärme verformt zu werden.
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Vorzugsweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Kelch eines Trinkglases als Hohlkörper mit den erhabenen bzw. eingezogenen Strukturen versehen. Es versteht sich jedoch, daß jedes andere Glasprodukt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit derartigen Strukturen versehen werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren ist des weiteren nicht auf die Bearbeitung von Glas beschränkt, sondern kann auch bei anderen Werkstoffen wie beispielsweise Blech oder Kunststoff zum Einsatz kommen.
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Die Erfindung betrifft des weiteren eine Vorrichtung zum Durchführen des vorstehend beschriebenen Verfahrens mit einer Druckdifferenzerzeugungseinrichtung und einer geeigneten Wärmequelle.
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Vorzugsweise wird als Wärmequelle ein Laser, am besten ein CO2-Laser verwendet, so daß die eingebrachte Wärmeenergie sehr stark gebündelt und sehr präzise gezielt an vorgegebene Stellen eingebracht werden kann.
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Erfindungsgemäß hat die Vorrichtung des weiteren eine Bewegungseinrichtung zum Bewegen der Wärmequelle entlang einer Oberfläche des Hohlkörpers.
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Weiter bevorzugt ist des weiteren eine Steuer- und Regeleinrichtung zum Steuern oder Regeln der Wärmequellenleistung und/oder der Bahngeschwindigkeit der Wärmequelle vorgesehen.
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Erfindungsgemäß ist des weiteren eine optische Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Lage und/oder Kontur des Hohlkörpers und eine Berechnungseinrichtung zum Berechnen der vorbestimmten Bahn der Wärmequelle auf der Grundlage der erfaßten Lage und/oder Kontur des Hohlkörpers vorgesehen.
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Weiter bevorzugt sind des weiteren eine Meßeinrichtung zum kontinuierlichen Messen der Wandstärke des Hohlkörpers und eine Korrektureinrichtung zum Korrigieren der Bahngeschwindigkeit und/oder der Wärmequellenleistung auf der Grundlage der gemessenen Wandstärke angeordnet.
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Vorzugsweise sind des weiteren eine Meßeinrichtung zum kontinuierlichen Messen eines Umformgrads des Hohlkörpers und eine Korrektureinrichtung zum Korrigieren der Bahngeschwindigkeit und/oder der Wärmequellenleistung auf der Grundlage des gemessenen Umformgrads vorgesehen.
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Weiter bevorzugt ist des weiteren eine Gaszufuhreinrichtung zum Abkühlen des Hohlkörpers mittels Aufbringen eines Gasstroms vorgesehen.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figur näher erläutert.
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Die Figur zeigt ein Weinglas als beispielhaften Hohlkörper, der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit entsprechenden erhabenen und/oder eingezogenen Strukturen versehen werden soll.
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Das in 1 gezeigte Trinkglas 1 hat einen Boden 30, einen Stiel 20 und einen Kelch 10. Dieses Trinkglas 1 wird durch bekanntes Formpressen und Blasen hergestellt und abgekühlt. Nachträglich werden erhabene und/oder eingezogene Strukturen 102, 104 an dem Kelch 10 durch das erfindungsgemäße Verfahren ausgebildet. Hierzu wird im Inneren des Kelchs 10 ein über- oder Unterdruck erzeugt, indem die Öffnung 106 des Kelchs 10 verschlossen wird und eine Vakuumpumpe und/oder eine Druckbeaufschlagungsvorrichtung (nicht gezeigt) an das Innere des Kelchs 10 angeschlossen wird.
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Derart wird ein Differenzdruck zwischen dem Innenraum des Kelchs 10 und dem Äußeren des Kelchs 10 erzeugt. Durch lokales Erwärmen der Wandung 108 des Kelchs 10 wird die Wandung 108 lokal bis zur Erweichungstemperatur des Glases erwärmt. Durch die aufgebrachte Druckdifferenz wird bei Überdruck im Inneren eine erhabene oder vorspringende Struktur 102 an der Wandung 108 erzeugt. Im umgekehrten Fall wird bei Unterdruck in dem Inneren des Kelchs 10 eine eingezogene Struktur 104 (Vertiefung, Nut etc.) an der Wandung 108 des Kelchs 10 erzeugt. Nach dem Abkühlen der an der Wandung 108 lokal erwärmten Stellen 102, 108 werden diese Stellen 102, 104 in der verformten Gestalt erhärtet. Derart verbleibt eine permanente Verformung 102, 104 an der Wandung 108 des Kelchs 10.
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Als Wärmequelle wird vorzugsweise eine (nicht gezeigte) Lasereinrichtung wie beispielsweise ein CO2-Laser verwendet, weil derart die eingebrachte Energie zum Erwärmen des Glases sehr stark gebündelt werden kann und sehr feine und qualitativ hochwertige Strukturen an der Wandung 108 des Glases 1 erzeugt werden können. Vorzugsweise ist die Lasereinrichtung mit einer (nicht gezeigten) Bewegungseinrichtung gekoppelt, um den Laserstrahl entlang einer vorgegebenen Bahn an der Wandung 108 des Kelchs 10 zu bewegen. Derart können Linien, Erhebungen, Vertiefungen, Mulden, Rillen, Muster etc. wie gewünscht an der Wandung 108 ausgebildet werden. Die Differenzdruckerzeugungseinrichtung ist vorzugsweise steuer- bzw. regelbar zwischen einem Unterdruck von 0,02 bar bis zu einem Überdruck von 5 bar, am besten zwischen einem Unterdruck von 0,02 bar bis zu einem Überdruck von 2 bar.
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Weiter bevorzugt ist sowohl die Lasereinrichtung als auch die Bewegungseinrichtung mit einer (nicht gezeigten) zentralen Steuer- und Regeleinrichtung gekoppelt, um die Wärmequellenleistung und die Bahngeschwindigkeit entsprechend dem vorgegebenen Muster bzw. der Soll-Struktur steuern bzw. regeln zu können.
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Vorzugsweise ist des weiteren eine optische Erfassungseinrichtung vorgesehen, um die Kontur und Lage des zu bearbeitenden Produkts vor der Bearbeitung zu erfassen. Derart kann vorzugsweise mit der zentralen Steuer und Regeleinrichtung die vorbestimmte Bahn der Wärmequelle auf der Grundlage der erfaßten Lage und Kontur des Hohlkörpers berechnet werden. Es ist jedoch nicht notwendig, hierzu eine zentrale Steuer- und Regeleinrichtung vorzusehen, die optische Erfassungseinrichtung kann vielmehr auch separat gesteuert und geregelt werden, wenn diese mit der Steuer- und Regeleinrichtung für die Wärmequellenleistung und Bahngeschwindigkeit der Wärmequelle entsprechend gekoppelt ist.
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Die optische Erfassungseinrichtung ist vorzugsweise eine 2D-Laseroptik oder eine 3D-Laseroptik. Es kann jedoch auch jede andere optische Erfassungseinrichtung wie beispielsweise eine Lichtschranke, ein optischer Sensor, eine CCD-Kamera oder dergleichen verwendet werden, wenn vorgegebene bekannte Linien beispielsweise an dem Glas erfaßt werden. Derartige Linien können beispielsweise die obere und untere Randlinie 32, 34 des Bodens 30 oder der Öffnung 106 des Kelchs 10 sein. In anderen Worten durch Erfassen der Lage dieser bekannten Linien 32, 34 am Boden 30 oder an der Öffnung 106 des Kelchs 10 kann die Kontur und Lage des bekannten Glases 1 präzise erfaßt werden. Auf der Grundlage der erfaßten Kontur und Lage des Glases 1 kann dann die vorbestimmte Bahn der Wärmequelle zum Erzeugen der erhabenen bzw. eingezogenen Struktur 102, 104 berechnet werden.
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Vorzugsweise wird die Wandstärke des Kelchs 10 ebenfalls durch die optische Erfassungseinrichtung gemessen, weil die Wandstärke über den Umfang und die Höhe des Glases 1 variiert. Wenn auf diese Weise vor dem Formen der erhabenen bzw. eingezogenen Struktur 102, 104 an der Wandung 108 die Wandstärke in dem zu bearbeitenden Bereich an der Wandung 108 des Kelchs 10 ermittelt wird, kann die Wärmequellenleistung und die Bahngeschwindigkeit auf der Grundlage der gemessenen Wandstärke korrigiert werden, um die Präzision bei der Bearbeitung der Wandung 108 des Kelchs 10 weiter zu erhöhen.
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Alternativ oder zusätzlich wird der Umformgrad durch die optische Erfassungseinrichtung gemessen, wenn eine noch höhere Präzision erzielt werden soll. Durch Messen des Umformgrads kann die Bahngeschwindigkeit und Energieeinbringung bzw. Wärmequellenleistung entsprechend erhöht oder verringert werden, um einen vorgegebenen Sollwert der Verformung der Struktur 102, 104 zu erzielen.
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Um des weiteren ein Fließen der erweichten Struktur 102, 104 durch zu langsames Abkühlen zu verhindern, wird vorzugsweise ein Abkühlvorgang durch Aufbringen eines Gasstroms auf die verformten Stellen 102, 104 beschleunigt. Derart kann die Präzision der Verformung weiter erhöht werden. Für den Gasstrom wird vorzugsweise Stickstoff verwendet, es kann jedoch auch jedes andere Inertgas oder Luft verwendet werden, um die Struktur entsprechend schnell abzukühlen.
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Zum Aufbringen der Druckdifferenz im Inneren des Kelchs 10 muß die Öffnung 106 verschlossen werden. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine silikonbeschichtete Aluminiumplatte. Aluminium bietet den Vorteil einer guten Wärmeableitung, um eine Verformung wie beispielsweise eine Wellung der Platte aufgrund der eingebrachten Wärme zu verhindern. Silikon bietet den Vorteil einer guten Abdichtung und gleichzeitig hoher Wärmebeständigkeit. Es kann jedoch auch jedes andere Plattenmaterial verwendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das Ausbilden von erhabenen und eingezogenen Strukturen 102, 104 an dem Kelch 10 eines Glases 1 beschränkt. Vielmehr können die gezeigten Strukturen 102, 104 auch an jedem anderen Glaskörper, wie beispielsweise einer Hohllinse, einer Lampe etc. ausgebildet werden. Des weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren auch an anderen Werkstoffen wie beispielsweise Blech oder Kunststoff angewandt werden.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren können beispielsweise Schriftzüge oder Logos und dergleichen an Hohlkörpern aus Glas, Kunststoff, Metall etc. mit sehr hoher Präzision angebracht werden. Es bietet vor allem den Vorteil einer sehr präzisen Gestaltung der Strukturen 102, 104, die den Eindruck einer hohen Qualität erzeugen. Insbesondere bei hochwertigen Glasserien wie sie für Weingläser, Sektkelche etc. verwendet werden, ist das hochwertige Aussehen von außerordentlicher Wichtigkeit.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Trinkglas
- 10
- Kelch
- 20
- Stiel
- 30
- Boden
- 32
- obere Randlinie
- 34
- untere Randlinie
- 102
- erhabene Struktur
- 104
- eingezogene Struktur
- 106
- Öffnung
- 108
- Wandung