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DE10006199A1 - Formkörper aus sprödbrüchigem Material - Google Patents

Formkörper aus sprödbrüchigem Material

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DE10006199A1
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closure body
opening
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Martin Sommer
Christian Dietz
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Schott Glaswerke AG
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit wenigstens einer Öffnung, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist, wobei der Formkörper und der Verschlußkörper dauerhaft miteinander verschweißt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material, wobei der Formkörper wenigstens eine Öffnung aufweist, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist.
Formkörper aus sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas, zum Auf­ bau einer Kavität werden insbesondere dann verwendet, wenn funktionale Ga­ se oder Flüssigkeiten vor Kontaminationen geschützt werden müssen, oder ei­ ne hohe Transmissivität im sichtbaren Spektralbereich gefordert ist. Das Füllen der Kavität erfolgt meistens über eine Einfüllöffnung, welche bei sprödbrüchi­ gem Material zur Vermeidung von Spannungsspitzen idealerweise kreisrund ausgeführt ist. In vielen Applikationen wird die Einfüllöffnung aus funktionalen und/oder ästhetischen Gründen möglichst klein dimensioniert, weshalb in die­ sen Fällen oftmals eine zusätzliche Entlüftungsöffnung erforderlich ist.
Nach dem Befüllen der Kavität sind die Öffnungen zu verschließen, wobei in der Regel folgende ideale Eigenschaften des Verschlusses erreicht werden müssen:
  • - hermetische Versiegelung, insbesondere Gasdichtheit (z. B. He-, O2-, CO2-dicht)
  • - kurze Bearbeitungszeit
  • - geringe Kosten
  • - keine Nachbearbeitung
  • - thermischer Ausdehnungskoeffizient des Verschlußwerkstoffes mög­ lichst gleich dem des sprödbrüchigen Materials
  • - Verschlußwerkstoff chemisch innert gegenüber der Füllung
  • - Langzeitstabilität der Verbindung
  • - mechanische Festigkeit des Verbundes sprödbrüchigem Materials Verschlußwerkstoff
  • - Schutz gegen mutwilliges Öffnen
  • - Vermeidung von thermischen Belastungen des sprödbrüchigen Materi­ als, die zu Eigenspannungen im sprödbrüchigen Material führen
  • - kein Einschluß von Umgebungsatmospäre in der Kavität beim Ver­ schließen
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material bereitzustellen, wobei der Formkörper wenigstens eine Öffnung auf­ weist, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist. Der Formkörper soll dabei die oben genannten Anforderungen erfüllen.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 durch einen Formkörper aus sprödbrüchigem Material, wobei der Formkörper wenigstens eine Öffnung aufweist, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist, dabei sind Formkörper und Verschlußkörper dauerhaft miteinander ver­ schweißt.
Dadurch, daß Formkörper und Verschlußkörper dauerhaft miteinander ver­ schweißt sind, lassen sich die genannten Anforderungen erfüllen.
Die Erfinder haben erkannt, daß das dauerhafte Verschweißen von einem Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit einem Verschlußkörper eine neuartige Möglichkeit zum hermetisch dichten Verschließen von Öffnungen in Formkörpern darstellt. Dabei konnten die Erfinder zeigen, daß die hohen, oben genannten Anforderungen an einen derart verschlossenen Formkörper erfüll­ bar sind.
Bevorzugt besteht ein erfindungsgemäßer Formkörper aus Glas, Glaskeramik oder Keramik, wobei der Formkörper vorzugsweise eine Glasplatte ist.
Der Verschlußkörper besteht vorzugsweise aus einem Metall, einer Metallegie­ rung oder aus einem Metallverbundwerkstoff, wobei die thermische Ausdeh­ nung von Formkörper und Verschlußkörper vorzugsweise angepaßt sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann der Verschlußkörper auch aus einem sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas, Glaskera­ mik oder Keramik bestehen. Insbesondere wenn Formkörper und Verschluß­ körper aus dem selben Material sind, ergibt sich zwangsläufig die selbe ther­ mische Ausdehnung.
Grundsätzlich eignen sich alle Verschlußkörper zum hermetisch dichten Ver­ schließen der Öffnung, die sich dauerhaft mit dem Formkörper verschweißen lassen.
Auch der äußeren Form der Verschlußkörper sind grundsätzlich keine Gren­ zen gesetzt (beliebige Geometrie des Verschlußkörpers), wobei sich platten­ förmige, kugelförmige, konische oder zylindrische (stabförmige) Verschlußkör­ per als besonders geeignet erwiesen haben.
Der Formkörper weist weiterhin vorzugsweise eine Öffnung in Form einer durchgehenden zylindrischen oder durchgehenden konischen Öffnung auf, wobei solch ein Formkörper ebenfalls bevorzugt eine Glasplatte ist. Vorzugs­ weise ist diese Öffnung eine Bohrung.
Dabei hat sich gezeigt, daß zum Verschließen von zylindrischen Öffnung ins­ besondere plattenförmige Verschlußkörper geeignet sind, wobei der Verschlußkörper derart mit dem Formkörper verschweißt ist, daß die Öffnung vollständig vom Verschlußkörper abgedeckt ist.
Im Falle von konischen Öffnung eignen sich besonders kugelförmige, konische oder zylindrische Verschlußkörper, die zumindest teilweise in die Öffnung hin­ einragen und dauerhaft mit dem Formkörper verschweißt sind. Dies ermöglicht eine besonders einfache Verschweißung von Form- und Verschlußkörper; To­ leranzen zwischen der Öffnung des Formkörpers und dem Verschlußkörper lassen sich einfach ausgleichen.
Erfindungsgemäße Formkörper sind vorzugsweise Teil von Verbundglassys­ temen, insbesondere von Verbundglassystemen mit elektrochromen Eigen­ schaften, z. B. Verbundglassysteme für elektrochrome Verglasungen oder Spiegel.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Formkörper und/oder der Verschlußkörper wenigstens teilweise beschichtet, insbesondere metall- und/oder kunststoffbeschichtet. Durch die Beschichtung kann die Ver­ schweißung erleichtert werden.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele gezeigt für den erfindungsge­ mäßen Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit wenigstens einer Öff­ nung, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist, wobei Formkörper und Verschlußkörper dauerhaft miteinander verschweißt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer zylindrischen Bohrung, die mittels eines plattenförmigen Verschluß­ körpers hermetisch dicht verschlossen ist
Fig. 2 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer konischen Bohrung, die mittels eines kugelförmigen Verschlußkör­ pers hermetisch dicht verschlossen ist
Fig. 3 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer konischen Bohrung, die mittels eines konischen Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist
Fig. 4 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer durchgehenden zylindrischen Öffnung, die mittels eines modifizier­ ten, im wesentlichen plättchenförmigen Verschlußkörper hermetisch dicht verschlossen ist
Fig. 5 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Glasplatte mit einer konischen Bohrung, die mittels eines zylinderförmigen (stabförmi­ gen) Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist (a), wobei der Verschlußkörper nach dem Verschweißen oberhalb der Ver­ schweißung abgebrochen wird (b)
Fig. 6 in einer perspektifischen Darstellung eine Glasplatte mit zwei Öff­ nungen, wobei die Glasplatte Teil eines Verbundglassystems mit e­ lektrochromen Eigenschaften ist.
Eine Glasplatte (3) mit einer lochförmigen Öffnung (2) ist Bestandteil einer Ka­ vität (z. B. Deckplatte). Die Öffnung ist vorzugsweise zylindrisch und damit durch Bohrverfahren herstellbar. Nach Fig. 1 erfolgt die Verschweißung mit einer Deckplatte (1). Diese kann aus Metall (z. B. Al, Covar, Cu), beschichte­ ten Folien (Verbundwerkstoff, z. B. Stahl mit Ti, Au oder Pt), Keramiken (z. B. Al2O3) oder Glas (auch beschichtetes Glas, z. B. mit Al) bestehen. Die Glas­ platte (3) und Verschlußkörper (1) sind dabei mittels Preß- Verbindungsschweißen dauerhaft verschweißt, wobei die Öffnung (2) herme­ tisch dicht verschlossen ist. Die Preß-Verschweißung erfolgt dabei beispiels­ weise unter Einwirkung einer äußeren Druckkraft F senkrecht auf den Verschlußkörper, wobei der Verschlußkörper zusätzlich translatorische Schwingungen f und/oder Rotationen zu ausführt.
Nach Fig. 2 wird eine konische Bohrung (4) und ein kugelförmiger Verschluß­ körper (5) verwendet, was den Vorteil einer Selbstzentrierung birgt. Gleiches gilt für einen erfindungsgemäßen Formkörper nach Fig. 3, in der ein koni­ scher Verschlußkörper (6) verwendet wird. Ähnliche Verschlußkörperformen können zum Beispiel durch Beflammen einer Stabspitze erzielt werden (Ver­ runden durch Tropfenbildung).
Fig. 4 zeigt in schematischer Schnittdarstellung eine Glasplatte (3) mit einer durchgehenden zylindrischen Öffnung (2) die mittels eines modifizierten, im wesentlichen plättchenförmigen Verschlußkörpers (7) hermetisch dicht ver­ schlossen ist. Die minimierte Auflagefläche des Verschlußkörpers (7) über dem Seitenrand der Öffnung (2) der Glasplatte (3) ermöglicht eine besonders effektive Verschweißung. So werden beispielsweise Toleranzen im Bereich des Seitenrands der Öffnung gut ausgeglichen. Aus der minimierten Auflage­ fläche resultiert darüberhinaus eine entsprechende Erhöhung des an der Ver­ schweißungsstelle resultierenden Drucks.
Fig. 5 zeigt einen stabförmigen Verschlußkörper (8), der nach der Ver­ schweißung (Rotation ; Fig. 5a) durch Abwinkeln unter einem Winkel α ab­ gebrochen wird (Fig. 5b). Andere Möglichkeiten zur Ablängung sind Rit­ zen/Brechen, Schneiden, Abflämmen, Abscheren/Abziehen. Vorteil ist die Möglichkeit einer kontinuierlichen Verschlußwerkstoffnachführung im Vergleich zur intermittierenden Bearbeitung mit Verschlußkörpern, die in einem Pick- and-Place-Prozeß (kontinuierliches Verschweißen) gefahren werden.
Fig. 6, schließlich zeigt ein Verbundglassystem mit elektrochromen Eigen­ schaften. Das Verbundglassystem besteht dabei aus einer oberen Glasplatte (3) mit einer durchgehenden Einfüllöffnung (4a) und einer durchgehenden Entlüftungsöffnung (4b) in Form von Bohrungen und einer unteren Glasplatte (12). Die beiden Glasplatten werden mittels eines Dichtungs- und Fügemateri­ als (9) auf Abstand d gehalten, vorzugsweise 150 bis 500 µm, wobei die resul­ tierende Kavität zwischen den beiden Glasplatten mit einer entsprechenden, funktionalen Flüssigkeit oder einem Gas befüllbar ist. Nach dem Befüllen wer­ den die beiden Öffnungen erfindungsgemäß mittels eines Verschlußkörpers hermetisch direkt verschlossen, wobei die Glasplatte (3) und der jeweilige Verschlußkörper dauerhaft miteinander verschweißt werden.
Vorzugsweise wird die dauerhafte, stoffschlüssige Verschweißung zwischen Formkörper und Verschlußkörper mittels eines an und für sich bekannten Preß-Verbindungsschweiß-Verfahrens erzeugt. Unter Preß-Verbindungs­ schweißen versteht man dabei das Schweißen unter Anwendung von Kraft ohne oder mit Schweißzusatz, wobei ein örtlich begrenztes Erwärmen das Schweißen ermöglicht oder erleichtert. Die hierunter wiederum eingegliederten Schweißverfahren sind:
Schweißen durch festen Körper, Schweißen durch Flüssigkeit, Schweißen durch Gas, Schweißen durch elektrische Gasentladung, Schweißen durch Be­ wegung und Schweißen durch elektrischen Strom.
Das bevorzugte Schweißen durch Bewegung fächert sich nochmals in mehre­ re Verfahren auf. So finden sich neben dem Ultraschallschweißen auch das Kaltpreß- und Reibschweißen sowie das Schockschweißen.
Dabei zeigen insbesondere das Kaltpreßschweißen und das Reibschweißen eine enge verfahrenstechnische Verwandtschaft zum Ultraschallschweißen. Sie werden daher unterstützend zur Beschreibung des grundlegenden Ultra­ schallschweißvorgangs herangezogen.
Beim Kaltpreßschweißen werden die Fügepartner durch das Aufbringen von hohem Druck gefügt. Die erforderliche Bewegung wird im merklichen plasti­ schen Fließen mindestens eines Fügepartners gesehen.
Das Reibschweißen hingegen ist ein Warmpreßverfahren. Hierbei wird die Reibungswärme im Fügebereich durch eine rotatorische Relativbewegung zwischen den Fügepartnern und eine senkrecht hierzu wirkende Fügekraft er­ zeugt. Der notwendige Stauchdruck kann im Vergleich zum Kaltpreßschwei­ ßen aufgrund einer Plastifizierung der Werkstoffe, hervorgerufen durch die bei der rotatorischen Relativbewegung der Schweißteile zueinander entstehende Reibungswärme, drastisch reduziert werden.
Beim Ultraschallschweißen wird die rotatorische Bewegung durch eine hochfrequente mechanische Schwingung ersetzt.
Die Hauptbearbeitungszeit für das Verschließen einer Öffnung (∅ < 10 mm) bei Einsatz der erläuterten Technologien liegt im Bereich weniger Sekunden (z. B. Ultraschall-Schweißen t ≈ 0,5 s). Eine Nachbearbeitung ist nicht erforder­ lich, da alle notwendigen Eigenschaften der Verschweißung unmittelbar da­ nach bereits erreicht werden. Eine kosmetische Nachbearbeitung entfällt, da der modifizierte Bereich nur geringfügig größer ist, als die Öffnung selbst und eine lokale Begrenzung durch die vorhandene Geometrie des Verschlusses gegeben ist. Die thermische Belastung in der Umgebung der Verschweißung ist im Vergleich zu thermischen Verfahren (Laser, Glaslot, etc.) klein. Beim Diffusionsschweißverfahren kann die thermische Belastung im Idealfall sogar vernachlässigt werden.

Claims (10)

1. Formkörper aus sprödbrüchigem Material mit wenigstens einer Öffnung, die mittels eines Verschlußkörpers hermetisch dicht verschlossen ist, wobei der Formkörper und der Verschlußkörper dauerhaft miteinander verschweißt sind.
2. Formkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus Glas, Glaskeramik oder Keramik besteht.
3. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper aus einem Metall, einer Metallegierung oder aus einem Metallverbundwerkstoff besteht.
4. Formkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper aus sprödbrüchigem Material, insbesondere aus Glas, Glaskeramik oder Keramik, besteht.
5. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschlußkörper eine plattenförmige, kugelförmige, konische oder zylindrische Form aufweist.
6. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper eine Glasplatte ist, wobei die Öffnung die Form einer durchgehenden zylindrischen oder durchgehenden konischen Öffnung, ins­ besondere die Form einer entsprechenden Bohrung, aufweist.
7. Formkörper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper Teil eines Verbundglassystems, insbesondere Teil ei­ nes Verbundglassystems mit elektrochromen Eigenschaften, ist.
8. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper und der Verschlußkörper mittels Preß- Verbindungsschweißen verschweißt sind.
9. Formkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper und der Verschlußkörper mittels Schweißen durch Bewegung, z. B. Ultraschallschweißen, Hochfrequenzscheißen, Rotations­ schweißen, Friktionsschweißen, Torsions- oder Orbitalschweißen, Kaltpreßschweißen oder Reibschweißen, verschweißt sind.
10. Formkörper nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper und/oder der Verschlußkörper wenigstens teilweise beschichtet ist, insbesondere metall- und/oder kunststoffbeschichtet.
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