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Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen hat gemeinsam mit Projektpartnern eine Prozesskette zur Fertigung von 3D-Dünngläsern mit funktionalisierter Oberfläche entwickelt. Die Prozesskette kombiniert Laserstrukturierung mit anschließender Umformung und reduziert den Energiebedarf sowie die CO₂-Emissionen. Der Einsatz umweltgefährdender Ätzchemikalien ist ebenfalls nicht mehr notwendig.
Dünnglas lässt sich vielfältig einsetzen. Insbesondere findet es dort Verwendung, wo Bauteile noch dünner oder hochwertiger gestaltet werden sollen, etwa für hochwertige Bauteile im KfZ oder Komponenten in Elektronik, Halbleiterindustrie oder Sensorik. Allein in der Unterhaltungselektronik werden jährlich mehr als eine Milliarde Bauteile aus Dünnglas eingesetzt, hinzu kommen rund 75 Millionen Einheiten im Automobilbau, in der Sensorik und in der Architektur. Ein großer Anteil dieser Gläser trägt Mikro- und Nanostrukturen auf der Oberfläche, etwa zur Entspiegelung, zur Steuerung der Benetzbarkeit oder für haptische Rückmeldung.
Neue Prozesskette: Erst Laserstrukturierung, dann Umformung
Für die Oberflächenstrukturierung von Dünnglas werden derzeit vor allem zwei Verfahren eingesetzt: In der industriellen Praxis ist die chemische Strukturierung am gebräuchlichsten. Dieses Verfahren erzielt zwar gute Ergebnisse, jedoch werden dabei umweltschädliche Ätzmittel, beispielsweise Flusssäure, eingesetzt. Die zweite Methode ist die Replikation durch Abformung. Dabei können auch Strukturen unter sehr hohen Temperaturen mithilfe eines Formwerkzeugs in die Glasoberfläche eingebracht werden, während das Glas in die Endform gebracht wird. Auch dieses Verfahren liefert gute Ergebnisse. Jedoch sind die Herstellungskosten sowie der Rohstoff- und Energiebedarf deutlich zu hoch, um wirtschaftlich attraktiv und ökologisch nachhaltig zu sein.
Im Forschungsprojekt »EffF3D – Effiziente Funktionalisierung von 3D-geformten Dünngläsern« hat das Fraunhofer IPT verschiedene Prozessketten für die Massenfertigung komplex geformter, funktionalisierter Dünngläser entwickelt und getestet. Sie bestehen aus zwei Schritten: der Strukturierung flacher Glasrohlinge mit einem Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) und der anschließenden Umformung.
Laserstrukturierung: Hoher Durchsatz durch Polygonscanner und UKP-Laser
Die Strukturierung der flachen Glasrohlinge erfolgt mit dem UKP-Laser und Pulsdauern von weniger als zehn Pikosekunden. Durch den geringen Wärmeeintrag wird das Material besonders schonend bearbeitet und es lassen sich optisch und haptisch wirksame Mikro- und Nanostrukturen auf Glas erzeugen.
Das Projektteam erprobte zwei komplementäre Bearbeitungskonzepte. Bei dem einen wird der Laserstrahl über zwei motorisch bewegte Spiegel gelenkt. Die Spiegel werden dabei ständig beschleunigt und wieder abgebremst, was die Bearbeitungsgeschwindigkeit begrenzt. Im zweiten Verfahren wird der Strahl dagegen von einem sich sehr schnell rotierenden Spiegel mit vielen kleinen Facetten abgelenkt. Durch diese kontinuierliche Drehbewegung kann der Laser große Flächen in sehr kurzer Zeit bearbeiten. Mit beiden Konfigurationen konnten die Forschenden Anti-Glare-, Anti-Reflexions- und Anti-Fingerprint-Strukturen erzeugen.
Glasumformung: verschiedene Verfahren im Vergleich
Um die strukturierten Glasrohlinge umzuformen, verglichen die Forschenden zwei Varianten der Heißformgebung: die isotherme und die nicht-isotherme Umformung. Bei der isothermen Prozessführung wird das Werkzeug gemeinsam mit dem Glas aufgeheizt. Dieses Verfahren erzielt besonders hohe Formgenauigkeiten, allerdings sind die Zykluszeiten sehr lang.
Die nicht-isotherme Prozessführung, die am Fraunhofer IPT entwickelt wurde, trennt die Schritte Heizen, Umformen und Kühlen voneinander. Der Glasrohling wird zunächst auf ein vorgewärmtes Formwerkzeug gelegt und dann in den Ofen gefahren. Aufgrund seiner geringeren Masse heizt sich das Glas dort schneller auf als das Formwerkzeug und wird umgeformt. Anschließend wird das noch heiße Glas aus dem Formwerkzeug entnommen und kühlt außerhalb des Werkzeugs ab. Das Werkzeug steht direkt für den nächsten Zyklus zur Verfügung. Auf diese Weise lassen sich Taktzeiten unter 100 Sekunden pro Bauteil erreichen.
Digitale Prozessüberwachung und Kompensation von Strukturverzerrungen
Im Projekt »EffF3D« wurden verschiedene Beispielkomponenten, darunter funktionalisierte Mittelkonsolen sowie Windschutzscheiben, auf seriennahen Anlagen gefertigt. Da vorstrukturierte Glasrohlinge erstmals auf diese Weise umgeformt wurden, war die Ermittlung der optimalen Prozesstemperatur eine zentrale Herausforderung: Sie muss hoch genug sein, um die Formgebung zu ermöglichen, darf dabei aber die eingebrachten Mikrostrukturen nicht ungezielt beeinflussen. Zur Prozessüberwachung nutzten die Forschenden verschiedene Sensoren wie beispielsweise Temperaturfühler.
Durch die Umformung verändern sich die zuvor eingebrachten Mikrostrukturen. Damit die Strukturen am Ende trotzdem die gewünschte Form und Position haben, haben die Forschenden eine Kompensationsmethode entwickelt, die mithilfe von Computersimulationen die zu erwarteten Verzerrungen im Voraus berechnet. Diese Verzerrungen werden bei der Strukturierung des Glasrohlings berücksichtigt, sodass die korrekt geformten Strukturen nach der Umformung an der richtigen Stelle liegen.
Life Cycle Assessment zeigt Potenzial der neuen Prozesskette auf
Im Rahmen eines Life Cycle Assessments (LCA) wurden die Prozessketten anhand zentraler ökologischer Kriterien wie Energie- und Materialbedarf analysiert. In der Analyse stellte sich die Kombination aus Laserstrukturierung und nicht-isothermer Umformung bezüglich der CO₂-Emissionen als sehr effizient heraus. Da beide Prozesse – Laserstrukturierung und nicht-isotherme Umformung – vollständig elektrisch betrieben werden, hängen die jeweiligen CO₂-Emissionen direkt vom eingesetzten Strommix ab und werden mit fortschreitender Dekarbonisierung weiter sinken.
Projektpartner
• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT (Koordination)
• Saint-Gobain Sekurit Deutschland GmbH, Herzogenrath
• FLABEG Automotive Germany GmbH, Nürnberg
• ModuleWorks GmbH, Aachen
• LPKF SolarQuipment GmbH, Suhl
• Vitrum Technologies GmbH, Aachen
Förderung
Das Forschungsprojekt »EffF3D – Effiziente Funktionalisierung von 3D-geformten Dünngläsern« wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung gefördert.
Cornelia Rojacher M.Sc. l Telefon +49 241 8904-169 l cornelia.rojacher@ipt.fraunhofer.de
https://www.ipt.fraunhofer.de/de/presse/Pressemitteilungen/20260506-fraunhofer-i...
UKP-Laser strukturieren Glasrohlinge mit Pikosekundenpulsen – präzise, nahezu ohne Wärmeeinfluss, mi ...
Copyright: Fraunhofer IPT
Weniger CO2-Emissionen, keine Ätzchemikalien: Fraunhofer IPT entwickelt neue Prozesskette für funktionalisiertes Dünnglas
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists
Mechanical engineering
transregional, national
Research projects, Research results
German
UKP-Laser strukturieren Glasrohlinge mit Pikosekundenpulsen – präzise, nahezu ohne Wärmeeinfluss, mi ...
Copyright: Fraunhofer IPT
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