Beschreibung

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensi onalen Objektes aus Glas, insbesondere aus Quarzglas, umfassend ein Umfor men einer Glasfaser, wobei die mit einem Schutzmantel versehene Glasfaser kon tinuierlich einer Heizquelle zugeführt, der Schutzmantel unter Einwirkung von Hit ze entfernt und die Glasfaser erweicht wird.

Außerdem betrifft die Erfindung eine Glasfaser für die Fertigung eines dreidimen sionalen Objektes aus Glas, wobei die Glasfaser mit einem Schutzmantel verse hen ist.

Komplexe Bauteile aus Glas werden industriell durch Glaspresstechnik oder Schmelzformungsverfahren erzeugt. Diese Prozesse sind langwierig und erfordern hohe Verarbeitungstemperaturen sowie spezielle Werkzeuge und Formen, die zu Defekten und Störungen innerhalb der Glasstruktur und an der Oberfläche führen können.

Insbesondere für die Herstellung von Modellen und Prototypen oder bei kleinen Objekten und Stückzahlen gewinnen additive Fertigungstechniken an Bedeutung, die eine rasche Fertigung komplexer Geometrien ohne aufwändige Werkzeuge ermöglichen. Beispiele für additive Fertigungstechniken sind Stereolithographie, selektives Laserschmelzen oder -sintern und dreidimensionales Drucken. Dabei werden auf Grundlage berechneter Modelle feste, flüssige oder pulverförmige Ausgangsstoffe räumlich und zeitlich gesteuert auf eine Unterlage (Substrat, Platt form) abgegeben und schichtweise zu realen dreidimensionalen Objekten zu sammengefügt. Stand der Technik

Erste additive Fertigungstechniken zur Herstellung von Glas haben formlose Aus gangsstoffe, wie beispielsweise Glaspulver oder Glasschmelze eingesetzt. Dem gegenüber schlagen Junjie Luo; Luke J. Gilbert; Douglas A. Bristow; Robert G. Landers; Jonathan T. Goldstein; Augustine M. Urbas; Edward C. Kinzel in„Additi ve manufacturing of glass for optical applications“ (Laser 3D Manufacturing III, Proc. of SPIE, Vol. 9738, 2016) die Herstellung von Objekten aus Quarzglas durch sukzessives Aufschweißen von Quarzglas-Filamenten vor. Die Filamente, die aus unbeschichteten Quarzglasfasern mit einem nominalen Außendurchmesser von 0,5 mm bestehen, werden dabei geradlinig einem Strahl eines C0 ₂ -Lasers zuge führt, darin aufgeschmolzen und auf einem Substrat schichtweise zu einem Glas objekt aufgeschweißt.

Un beschichtete Quarzglasfasern sind jedoch bruchempfindlich und dürfen bei der Handhabung und Verarbeitung nicht gebogen werden, was beispielsweise das Bevorraten auf und das Abwickeln der Glasfilamente von einer Wickelspule ver hindert.

Diesen Nachteil vermeidet eine Verfahrensweise der eingangs genannten Gat tung, bei der Glasfilamente eingesetzt werden, die von einem Kunststoff- Schutzmantel umgeben sind. Ein derartiges Verfahren ist beschrieben von P. Von Witzendorff; L. Pohl; 0. Suttmann; P. Heinrich; A. Heinrich; J. Zander; H. Bragard und S. Kaierle in„Additive manufacturing of glass: CO2-Laser glass deposition printing“; Procedia CIRP 74 (2018), S. 272-275. DOI:

https://doi.Org/10.1016/j.procir.2018.08.109.

Dabei wird eine 0,4 mm dicke Glasfaser mit Faserkern aus Quarzglas und einem 50 pm dicken Kunststoff-Schutzmantel quasi endlos von einer Wickelspule einem defokussierten Strahl eines C0 ₂ -Lasers zugeführt. Der Schutzmantel wird dabei vom Laserstrahl abgebrannt, bevor das Quarzglas des Faserkerns aufschmilzt.

Die EP 3 034 480 A1 befasst sich mit der Herstellung von bioaktiven Geweben und Stoffen aus Glasfasern für den Einsatz im medizinischen und zahnmedizini- sehen Bereich. Die bioaktive Glasfaser kann zusätzlich mit einer mindestens 250 nm dicken bioaktiven Substanz beschichtet sein, wie etwa mit dem im Körper leicht resorbierbaren Kollagen I.

Aus der JP H05294676 A ist eine Glasfaser mit einer Schicht aus einer gesättigten höheren Fettsäure und/oder aus einem Alkylpolysiloxan bekannt. Die Schichtdicke beträgt etwa 0.1 pm.

Leonhard Pohl, Philipp von Witzendorff, Elisavet Chatzizyrli, Oliver Suttmann, Ludger Overmeyer beschreiben in“CO2 laser welding of glass: numerical Simulati on and experimental study”; The International Journal of Advanced Manufacturing Technology; Vol. 90, (2017); 397-403, die Herstellung von dreidimensionalen Ob jekten aus Glas unter Einsatz einer Glasfaser mit einem Durchmesser von 0,4 mm und einer 50 pm dicken Kunststoffschicht. Die Glasfaser wird geradlinig einem C0 ₂ -Laserstrahl zugeführt und darin aufgeschmolzen. Die Zufuhrrate beträgt 300 mm/min.

Technische Aufgabenstellung

Die Dicke von ca. 60 pm für den Schutzmantel ist eine Standard-Dicke für opti sche Glasfasern, die beispielsweise als UV-härtbares Coating während des Fas erziehprozesses aufgetragen wird. Diese Dicke ist notwendig, um die Faser me chanisch und optisch langfristig vor Degradation zu schützen.

Kunststoffreste aus dem Schutzmantel im 3D-Objekt sind jedoch nicht akzeptabel; ein vollständiges Entfernen ist erforderlich. Beim Abbrennen des Kunststoff- Schutzmantels fallen große Mengen and Gasen und Verunreinigungen an, welche sich auf den umliegenden Oberflächen niederschlagen und ein blasen- und ein schlussfreies Verschmelzen der Quarzglasfaser verhindern beziehungsweise er schweren.

Es wird berichtet, dass bei gleicher Laserleistung die Viskosität des Glases und das Aufschmelzverhalten der Glasfaser auf der Unterlage von der Aufheizdauer im Laserstrahl und damit von der Faserzufuhrrate abhängen. Mit zunehmender Rate variiert die Auftragung zwischen Verdampfung des Glasmaterials (zu hohe Tem- peratur), diskontinuierlichem, tropfenweisem Aufschmelzen, kontinuierlichem Auf schmelzen und Fehlen einer Schmelzverbindung (zu niedrige Temperatur).

Die Notwendigkeit, den Kunststoff-Schutzmantel vor dem Aufschmelzen der Glas faser vollständig wegzubrennen, begrenzt den Spielraum für die Faserzufuhrrate nach oben und sie verlangsamt damit die Massenabscheiderate (in g/min). Dies macht sich besonders dann bemerkbar, wenn ein 3D-Objekt mit hoher räumlicher Auflösung angestrebt wird, was den Einsatz kleinerer Faserdurchmesser von bei spielsweise weniger als 100 pm erfordert, und was die Massenabscheiderate auf wirtschaftlich nicht mehr interessante niedrige Werte begrenzen kann.

Es hat sich auch gezeigt, dass die mit Standard-Kunststoff-Schutzmantel verse hene Glasfaser beim Erwärmen eine starke Verformungsneigung zeigt. Insbeson dere erschweren Verwindungen der Glasfaser um die Faser-Längsachse die Ein haltung der modellseitig vorgegebenen Soll-Kontur des Glasobjektes und bei spielsweise auch bereits das geradlinige Aufschweißen auf der Unterlage.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Fertigungsverfahren unter Einsatz von Glasfilamenten, insbesondere von Quarzglasfasern, anzugeben, das wirtschaftlich ist und das die Herstellung von filigranen oder optisch möglichst ver zerrungsfreien und transparenten Glas-Objekten erleichtert, und das insbesondere auch die Einstellung optischer und mechanischer Eigenschaften mit hoher räumli cher Auflösung ermöglicht.

Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Glasfaser, insbesonde re eine Glasfaser aus Quarzglas, bereitzustellen, die für den Einsatz in dem erfin dungsgemäßen Fertigungsverfahren besonders angepasst und geeignet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Glas faser einen Schutzmantel mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 nm bis 10 pm aufweist. Die Glasfaser ist zur Herstellung eines dreidimensionalen Objektes aus Glas, ins besondere aus Quarzglas einsetzbar. Das Fertigungsverfahren unter Einsatz von Glasfilamenten wird im Folgenden auch als„Auftragsschweißverfahren“ bezeich net, Der Einsatz einer mit Schutzmantel versehenen Glasfaser gemäß der Erfin dung hat mehrere Vorteile:

(1 ) Die Dicke des Schutzmantels von mindestens 10 nm, vorzugsweise mindes tens 50 nm genügt zum Schutz der Glasfaser vor mechanischen Beschädi gungen, bei einem Einsatz als Zwischenprodukt, wie hier. Dadurch kann sie beispielsweise gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante auf einer Wi ckelrolle mit einem Wickeldurchmesser von weniger als 30 cm bevorratet und beim Auftragsschweißprozess kontinuierlich von dieser abgewickelt und der Heizquelle zugeführt werden.

Die Glasfaser hat beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 20 pm bis 1000 pm, bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 50 pm bis 300 pm. Die Angaben zum Durchmesser der Glasfaser beziehen sich hier und im Folgenden auf den Durchmesser ohne den Schutzmantel. Bei Glasfasern mit nicht kreisrunder - beispielsweise ovaler oder polygonaler - Querschnitts kontur beziehen sich die Angaben zum Durchmesser der Glasfaser auf den Durchmesser des die Kontur umhüllenden Umkreises.

(2) Der Schutzmantel wird unmittelbar vor dem Aufschmelzen der Glasfaser un ter Einwirkung der Hitze der Heizquelle und ohne mechanischen Kontakt mit einem Werkzeug von der Glasfaser entfernt. Das Entfernen erfolgt beispiels weise durch Verdampfen und optional unterstützt durch Verbrennen (Pyroly se) von Bestandteilen des Schutzmantels. Das Entfernen des Schutzmantels erfolgt im einfachsten Fall allein unter Einwirkung derjenigen Heizquelle, die auch zum Erweichen der Glasfaser eingesetzt wird. Es können aber auch zusätzliche Heizquellen oder andere Hilfsmittel eingesetzt werden, die bei spielsweise für die oxidative Verbrennung des Schutzmantels besonders an gepasst sind.

Dabei trägt die geringe Dicke von weniger als 10 pm, vorzugsweise weniger als 5 pm, besonders bevorzugt weniger als 1 pm dazu bei, dass der Schutz- mantel innerhalb kurzer Zeit möglichst rückstandsfrei verdampft und/oder py- rolysiert werden kann. Dies erlaubt eine hohe Zufuhrrate der Glasfaser und damit einhergehend eine ausreichende hohe Massenabscheiderate auch bei einem geringen Durchmesser der Glasfaser.

(3) Die geringe Dicke des Schutzmantels ermöglicht es auch, den Längenab schnitt kurz zu halten, in dem der Schutzmantel infolge der Einwirkung der Heizquelle entfernt ist. In diesem Längenabschnitt darf die Glasfaser nicht mehr gebogen und auch nicht mehr berührt werden, so dass sie keine Schä den nehmen und auch nicht brechen kann. Dieser Längenabschnitt ist daher so kurz wie möglich und hat vorzugsweise eine Länge im Bereich von 0,5 bis 2 cm.

(4) Es hat sich gezeigt, dass die vom Schutzmantel geringer Dicke befreite Glas faser keine nennenswerte Verformungsneigung zeigt, was die Faserführung vereinfacht und eine höhere Positioniergenauigkeit und ein konturgetreues Umformen oder Aufschweißen der Faserlage, und insbesondere auch ein ge radliniges Aufschweißen auf einer Unterlage ermöglicht. Dies erleichtert die Herstellung von optisch möglichst verzerrungsfreien Glasobjekten und die Einhaltung modellseitig vorgegebener optischer und mechanischer Eigen schaften.

Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz einer Glasfaser mit einem

Schutzmantel geringer Dicke erlaubt eine vergleichsweise hohe Zufuhrrate der Glasfaser zur Heizquelle, die vorzugsweise mindestens 300 mm/min, vorzugswei se mindestens 450 mm/min beträgt.

Die durch den dünnen Schutzmantel ermöglichte hohe Zufuhrrate gewährleistet eine wirtschaftliche Durchführbarkeit des Auftragsschweißverfahrens mit hoher Massenabscheiderate.

Der Schutzmantel enthält vorzugsweise nur die Komponenten Kohlenstoff, Silizi um, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff. Diese Komponenten lassen sich über die Gasphase rückstandsfrei entfernen. Die Bildung giftiger Substanzen oder unerwünschter Rußpartikel und Feststoffe, die zu Verunreinigungen des Glasobjektes führen, wird vermieden.

Es hat sich bewährt, wenn der Schutzmantel ein organisches Material mit einer Zersetzungstemperatur von weniger als 400 °C enthält.

Das Entfernen des Schutzmantels erfolgt beispielsweise vollständig oder mindes tens teilweise durch thermische Zersetzung des Schutzmantel-Materials in der Regel in Kombination mit einer Oxidationsreaktion. Je niedriger die Zersetzungs temperatur ist, umso schneller gelingt das Entfernen des Schutzmantel-Materials.

Geeignete organische Materialien, die sich durch eine niedrige Zersetzungstempe ratur auszeichnen sind Polysaccharide oder Tenside, insbesondere kationische Tenside oder Polyether-Polymere, wie beispielsweise Polyethylenglycol, Polyalky lenglykol, Polyethylenoxid und/oder Polyalkylenoxid.

Alternativ dazu ist der Schutzmantel aus einem oder mehreren fluorfreien Silanen und/oder aus fluorfreien Tensiden, insbesondere kationischen fluorfreien Tensiden erzeugt.

Dadurch, dass die Ausgangssubstanzen frei von Fluor sind, wird beim Entfernen des Schutzmantels die Freisetzung von Fluor und die Reaktion zu Flusssäure und ein damit einhergehender korrosiver Angriff auf das Glas der Glasfaser oder des dreidimensionalen Glasobjekts vermieden.

Bei kommerziellen optischen Fasern für die Telekommunikation wird der Schutz mantel üblicherweise beim Faserziehprozess direkt auf die frisch gezogene Glas faser aufgebracht, indem diese durch eine Beschichtungs-Küvette geleitet wird, in der das Schutzmantel-Material in monomerer, flüssiger Form enthalten ist. Die mit dem Monomer benetzte Glasfaser verlässt die Beschichtungs-Küvette über eine Düse, die die Dicke der anhaftenden Monomerschicht bestimmt und das überflüs sige Monomermaterial abstreift. Um Verletzungen der Glasfaser-Oberfläche zu vermeiden, ist zwischen der Düsenwand und der Glasfaser ein Mindestabstand einzuhalten, der die Mindestdicke des Schutzmantels nach dem Aushärten der Monomerschicht bestimmt. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird auf der Glasfaser ein Schutzmantel mit geringer Dicke erzeugt, die wegen des Erfordernisses des besagten Mindestab standes nur schwierig über eine Düse einstellbar ist. Daher wird der Schutzmantel bevorzugt durch Tauchen oder durch Walzenbeschichtung auf der Glasfaser er zeugt.

Dabei wird der Schutzmantel nicht per Düse auf die Glasfaser aufgebracht, son dern beispielsweise durch Eintauchen der Glasfaser in ein Bad, das eine Be schichtungslösung enthält, aus der der Schutzmantel erzeugt wird, oder durch Leiten der Glasfaser auf eine Walzenoberfläche, auf der sich ein Film der Be schichtungslösung befindet. Da der Schutzmantel lediglich einen temporären me chanischen Schutz gewährleisten muss, kann er auch mit dünnflüssigen, bei spielsweise auch wässrigen Beschichtungslösungen erzeugt werden.

Die Heizquelle dient zum Aufschmelzen der Glasfaser, sie unterstützt oder bewirkt das Entfernen des Schutzmantels und sie erweicht die Oberfläche der gegebenen falls beim Auftragsschweißen vorhandenen Unterlage und fördert damit die Haf tung zwischen aufgeschmolzenem Glas der Glasfaser auf der Unterlage. Bei Ein satz eines Laserstrahls als Heizquelle hat es sich bewährt, wenn die Glasfaser- Längsachse mit der Hauptausbreitungsrichtung des Laserstrahls einen Winkel im Bereich zwischen 30 und 100 Grad einschließt. Dieser Winkel beeinflusst den Be ginn des Einwirkungsbereichs des Laserstahls auf den Schutzmantel. Je spitzer der Winkel ist, umso früher erwärmt der Laserstrahl den Schutzmantel.

Hinsichtlich der Glasfaser für die Fertigung eines dreidimensionalen Objektes aus Glas wird die oben angegebene technische Aufgabe ausgehend von einer Glasfa ser der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Glasfaser einen Schutzmantel mit einer Schichtdicke im Bereich von 10 nm bis 10 pm aufweist.

Die mit Schutzmantel versehene Glasfaser gemäß der Erfindung ist als Zwischen produkt für den Einsatz in einem additiven Fertigungsverfahren besonders geeig net, wie beispielsweise in einem Auftragsschweißprozess, und insbesondere in einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, wie es oben näher beschrie ben ist: (1 ) Die Dicke des Schutzmantels von mindestens 10 nm, vorzugsweise mindes tens 50 nm genügt zum Schutz der Glasfaser vor mechanischen Beschädi gungen als Zwischenprodukt. Dadurch kann sie beispielsweise gemäß einer bevorzugten Ausführungsform bei einem Durchmesser im Bereich von 20 pm bis 1000 pm, vorzugsweise mit einem Durchmesser im Bereich von 50 bis 300 pm auf einer Wickelrolle mit einem Wickeldurchmesser von weniger als 30 cm bevorratet sein, und beim Auftragsschweißprozess kontinuierlich von dieser abgewickelt werden.

(2) Der Schutzmantel hat eine Dicke von weniger als 10 pm, vorzugsweise we niger als 5 pm, besonders bevorzugt weniger als 1 pm. Er ist vergleichsweise dünn und kann innerhalb kurzer Zeit möglichst rückstandsfrei verdampft und/oder pyrolysiert werden.

(3) Die vom Schutzmantel geringer Dicke befreite Glasfaser zeigt keine nen nenswerte Verformungsneigung, was beim Auftragsschweißverfahren die Faserführung vereinfacht und eine höhere Positioniergenauigkeit und ein konturgetreues Umformen oder Aufschweißen der Faserlage, und insbeson dere auch ein geradliniges Aufschweißen auf einer Unterlage oder präzises Erstarren in Luft ermöglicht.

Der Einsatz der erfindungsgemäßen Glasfaser in einem Auftragsschweißverfahren erleichtert die Herstellung von optisch möglichst verzerrungsfreien Glasobjekten und die Einhaltung modellseitig vorgegebener optischer und mechanischer Eigen schaften. Sowie eine vergleichsweise hohe Zufuhrrate der Glasfaser zur Heizquel le und damit eine wirtschaftliche Durchführbarkeit des Auftragsschweißverfahrens mit hoher Massenabscheiderate.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Glasfaser ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltun gen der Glasfaser den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläute rung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen. Definition

Glasfaser

Die Glasfaser (gleichbedeutend mit„Glasfilament“) besteht aus Glas. Das Glas ist beispielsweise ein Einkomponentenglas wie Quarzglas oder es ist ein Mehrkom ponentenglas wie Borosilikatglas. Das Einkomponentenglas kann zusätzliche Do tierstoffe enthalten. Unter Quarzglas wird hier ein Glas verstanden, das einen Si0 ₂ -Gehalt von mindestens 90 Gew.-% hat.

Die Glasfaser ist massiv oder sie enthält einen Hohlkanal oder mehrere Hohlkanä le (im Folgenden auch als„Kapillare“ bezeichnet) oder einen dotierten Kern. Bei einer Glasfaser mit einem Hohlkanal verläuft die Hohlkanal-Mittelachse vorzugs weise in der Faser-Längsachse.

Die Glasfaser (beziehungsweise die Kapillare) hat einen Querschnitt (mit Sicht auf die Faser-Längsachse) der kreisrund oder nicht kreisrund ist. Der nicht-kreisrunde Querschnitt ist beispielsweise oval, polygonal, insbesondere quadratisch, recht eckig, 6-eckig, 8-eckig oder er ist trapezförmig, gerillt, sternförmig oder er hat an einer Seite oder an mehreren Seiten Abflachungen oder nach innen (konkav) oder nach außen (konvex) gekrümmte Flächen.

Ausführunqsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung

Figur 1 eine erste Ausführungsform des experimentellen Aufbaus zur Durchfüh rung von Versuchen zum Auftragsschweißen unter Einsatz von Glasfila menten gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine Mikroskopaufnahme eines Auftragsschweiß-Vorversuchs unter Ein satz einer Referenzglasfaser,

Figur 3 eine Mikroskopaufnahme eines Auftragsschweiß-Vorversuchs unter Ein satz einer Glasfaser gemäß der Erfindung, und Figur 4 eine weitere Ausführungsform des experimentellen Aufbaus zur Durch führung von Versuchen zum Auftragsschweißen unter Einsatz von Glas filamenten gemäß der Erfindung.

Vorversuche

Zur Überprüfung der Handhabbarkeit, Aufschweißbarkeit und generellem Verhal ten wurden Auftragsschweiß-Vorversuche an Quarzglasfasern mit unterschiedli chen Schutzmänteln durchgeführt. Ergebnisse dazu zeigen die mikroskopischen Aufnahmen der Figuren 2 und 3. Die Maßstabsbalken 25 kennzeichnen jeweils die Länge von 1 mm.

Dabei wurden Quarzglasfasern mit einem Durchmesser von 220 pm und mit ei nem Standard-Kunststoffmantel mit einer Dicke von ca. 62,5 pm als Referenzfa sern„R“ eingesetzt, und diese mit Quarzglasfasern mit gleichem Durchmesser, aber mit einer dünnen Beschichtung gemäß der Erfindung durchgeführt (Glasfa sern 2). Die Beschichtung hat eine Dicke von weniger als 50 nm. Ihre Zusammen setzung und Herstellung werden weiter unten noch näher erläutert.

Die Quarzglasfasern (R; 2) wurden jeweils direkt auf eine Quarzglasplatte aufge legt und mit einem Klebstreifen fixiert. Als Heizquelle zum Erweichen der Quarz glasfasern und zum Wegbrennen der Beschichtungen wurde jeweils ein Knallgas- Heizbrenner verwendet. Der Knallgas-Brenner führt die zum Aufschmelzen der Quarzglasfasern erforderliche Wärme zu und gleichzeitig Sauerstoff für die Pyro lyse des Schutzmantels durch überstöchiometrischen Sauerstoff in der Knallgas flamme.

Beobachtungen und Ergebnisse:

Es zeigt sich, dass sich die Referenz-Glasfaser„R“ stets unter Einwirkung des Heizbrenners bewegt und verwindet. Dies ist durch die entstehenden Gase sowie nicht-axiale Spannungen, die durch das ungleichmäßige Abbrennen des Coatings hervorgerufen werden zu begründen. Daher wurden die Faserenden vor dem Auf schweißen mit Klebeband an der Quarzglasplatte befestigt, um diese Bewegung zumindest einzuschränken. Dieses Verhalten zeigte die Glasfasern 2 mit dünner Beschichtung nicht. Diese Glasfaser 2 ließ sich beim Aufschweißen wesentlich einfacher handhaben und musste auch nicht fixiert werden.

Beide Faserarten konnten auf das Substrat 7 aufgeschweißt werden. Trotz Fixie rung konnten die Referenz-Glasfasern R aber nicht in gerader Linie auf das Sub strat 7 aufgeschweißt werden. Die Welligkeit der aufgeschweißten Fasern betrug bei der Referenz-Glasfaser 5 mm pro 120 mm Aufschweißlänge, und im Fall der erfindungsgemäßen Glasfaser 2 ergab sich eine sehr geradlinige Aufschweißung ohne nennenswerte Welligkeit.

Die hellen Reflexe 26 der Aufnahme von Figur 2 machen die Verwindungen der Referenz-Glasfaser auf der Unterlage deutlich. Die schwarzen Punkte 27 zeigen außerdem, dass bei der Referenz-Glasfaser R mehr Blasen entlang der Auf schweißlänge entstanden als bei der erfindungsgemäßen Glasfaser 2. Auf einer Länge von jeweils 5 cm wurden bei der Referenz-Glasfaser R einundzwanzig Bla sen gezählt.

Figur 3 zeigt das Ergebnis des Aufschweißversuchs bei Einsatz der erfindungs gemäßen Glasfaser 2. Diese zeigt einen geradlinigen Verlauf entlang der Auf schweißlänge und außerdem eine geringe Anzahl von nur sechs Blasen auf einer Länge von 5 cm.

Figur 1 zeigt schematisch den experimentellen Aufbau zur Durchführung der addi tiven Fertigung eines Glasobjekts 1 durch Auftragsschweißen unter Einsatz einer anhand der Vorversuche als geeignet ermittelten Glasfaser 2.

Dabei wird die auf einer Wickelspule mit einem minimalen Durchmesser von 30 cm aufgewickelte Glasfaser 2 kontinuierlich mittels eines Faserführungssystems (in der Figur nicht gezeigt) von der Wickelspule abgewickelt und durch eine Füh rungshülse 24 einer Aufschmelzzone 6a zugeführt, in der ein defokussierter La serstrahl 3 als Heizquelle dient. Durch die Defokussierung, die in der Figur als ge strichelte Linie um den Laserstrahl 3 angedeutet ist, werden Spitzen in der Hitze verteilung kompensiert. Idealerweise ist der Laserstrahl 3 am Auftreffpunkt etwa doppelt so breit wie der Durchmesser der aufzuschmelzenden Glasfaser 3, so dass sowohl die Glasfaser 3 als auch der umgebende Bereich und insbesondere das Substrat 7 erwärmt werden.

Dabei schließt die Glasfaser-Längsachse 21 mit der Hauptausbreitungsrichtung 31 des Laserstrahls 3 einen Winkel von ca. 90 Grad ein. Als Laser wird ein CO2- Laser mit einer maximalen Ausgangsleistung von 120 W verwendet. Der Laser strahl 3 schmilzt das Ende der Glasfaser 2 kontinuierlich auf, und er erhitzt den Schutzmantel 22 der Glasfaser, so dass dieser thermisch zersetzt wird. Außerdem erweicht er die Oberfläche des Substrats 7 und fördert damit die Haftung zwischen aufgeschmolzenem Glas der Glasfaser 2 und dem Glassubstrat 7. Die vom Laser strahl 3 erzeugte Erhitzungszone ist in Figur 1 schematisch durch den grau hinter legten Bereich 6b angedeutet.

Ein Absaugröhrchen 5 ragt möglichst nahe an die Aufschmelzzone 6a heran. Die aus einem Glassubstrat 7 bestehende Plattform liegt auf einem numerisch ge steuerten Verschiebetisch (angedeutet durch das x-y-z-Koordinatensystem 4) auf und ist in allen Raumrichtungen verschiebbar.

Die Glasfaser 2 hat einen kreisrunden Querschnitt und einen Durchmesser von 220 pm. Sie ist mit einer sehr dünnen Beschichtung 22 mit einer Dicke von weni ger als 100 nm versehen.

Die (dünne) Schicht 22 wird durch Durchziehen der Glasfaser 2 durch eine 10- prozentige wässrige Lösung Cetyltrimethylammoniumchlorid erzeugt.

Die Schicht 22 hat eine Zersetzungstemperatur von weniger als 400 °C. Sie ist so dünn, dass sie schnell und effizient online, direkt vor der Aufschmelzzone 6a voll ständig abgebrannt werden kann, während die Glasfaser 2 weiter und kontinuier lich der Aufschmelzzone 6a zugeführt wird.

Dies erlaubt eine hohe Prozessgeschwindigkeit. Die Glasfaser-Zufuhrrate zur Auf schmelzzone 6a wird auf einen Wert im Bereich von 300 bis 600 mm/min so ein gestellt, dass die Beschichtung 22 stets vollständig entfernt ist, bevor die Glasfa ser 2 die Aufschmelzzone 6a erreicht, und außerdem so, dass der Längenab schnitt 23, in dem die Beschichtung 22 bereits vollständig entfernt ist, eine Länge von weniger als 2 cm hat. Dadurch wird eine mechanische Beschädigung der un beschichteten Glasfaser 2 verhindert.

Infolge der geringen Schichtdicke der Beschichtung 22 fallen außerdem nur wenig Abbrennprodukte an, die mittels der Absaugung 5 leicht entfernt werden können. Dies ermöglicht eine blasenfreie Verschmelzung der Glasfaser 2 mit dem Substrat 7.

Ergebnis des Verschweißens von Glasfaser 2 und Substrat 7 ist ein dreidimensio nales Glasobjekt 1 ohne Defekte und Blasen.

Figur 4 zeigt schematisch eine Abwandlung des experimentellen Aufbaus zur Durchführung der additiven Fertigung eines Glasobjekts. Dabei sind die gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 zur Bezeichnung identischer oder äquivalenter Be standteile des Aufbaus verwendet.

Im Unterschied zum Aufbau von Figur 1 schließt die Glasfaser-Längsachse 21 mit der Hauptausbreitungsrichtung 31 des Laserstrahls 3 hier einen etwas spitzeren Winkel von 45 Grad ein. Infolge der im Vergleich zu Figur 1 anderen Orientierung des Laserstrahls 3 zeigt auch der Erhitzungsbereich 6b eine andere Ausbreitung und einen anderen Schwerpunkt. Er überstreicht einen größeren Bereich der Glas faser 2 und bewirkt dadurch bei gleicher Temperatur eine effektivere Erwärmung von Glasfaser 2 und Schutzmantel 22. Auch in diesem Fall ist das Absaugröhrchen 5 möglichst nahe an die Aufschmelz zone 6a herangeführt.