Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »EffF3D«
Glas ist ein unentbehrlicher Werkstoff für zahlreiche Komponenten in Elektronik, Halbleiterindustrie oder Sensorik, denn es ist leicht, kratzfest, temperaturbeständig und dabei sehr stabil. Für hochwertiges Kfz-Interieur wie Mittelkonsolen, Rückspiegel, Türelemente und Tachoeinheiten wird bevorzugt Dünnglas, nur weniger Millimeter dick, verwendet. Bei über 50 Prozent aller Dünnglasbauteile für die Automobilbranche werden die Glasoberflächen funktionalisiert, indem feinste Strukturen eingebracht werden. Die Funktionalisierungen sind vielfältig: Sie reichen von einer verbesserten, angenehmen Haptik über wasserabweisende bis hin zu reflexionsmindernden Oberflächeneigenschaften.
Technologien zur Oberflächenstrukturierung sowohl ökologisch als auch wirtschaftlich nicht attraktiv
Für die Oberflächenstrukturierung von Dünnglas kommen derzeit vor allem zwei Verfahren zum Einsatz. Die in der industriellen Praxis gängigste Methode ist die chemische Strukturierung. Diese erzielt zwar gute Ergebnisse, jedoch werden extrem umweltschädliche Ätzmittel wie beispielsweise Flusssäure eingesetzt. Die zweite Methode ist die replikative Abformung, bei der die Strukturen unter sehr hohen Prozesstemperaturen mithilfe eines Formwerkzeugs in die Glasoberfläche eingebracht werden, während das Glas gleichzeitig in die Endform gebracht wird. Auch die replikative Abformung liefert sehr gute Ergebnisse, jedoch sind die Herstellungskosten sowie der Rohstoff- und Energieverbrauch deutlich zu hoch, um wirtschaftlich attraktiv und ökologisch nachhaltig zu sein.
Neue Prozesskette reduziert Kosten und Energieeinsatz und verzichtet auf schädliche Chemikalien
Im Forschungsprojekt »EffF3D – Effiziente Funktionalisierung von 3D-geformten Dünngläsern« entwickelten wir gemeinsam mit unseren Partnern einer energie- und ressourcenschonenden Prozesskette zur Massenfertigung von komplex geformten und funktionalisierten Dünngläsern. Das Konzept basiert auf zwei technologischen Säulen: der Strukturierung flacher Glasrohlinge mit einem Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) und der anschließenden Umformung.
Laserstrukturierung: Polygonscanner und UKP-Laser ermöglichen das schnelle Funktionalisieren der Glasrohlinge
Im ersten Projektabschnitt befasst sich das Projektteam mit der nachhaltigen und wirtschaftlichen Funktionalisierung der Dünnglasrohlinge mithilfe eines Lasers. 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.
Die Oberflächenstrukturierung mit herkömmlichen Lasersystemen ist zwar hochgenau, aber sie ist zu langsam für die Massenfertigung. Um die Zeit deutlich zu verkürzen, entwickelt das Team mit dem Projektpartner LPKF SolarQuipment GmbH ein neues Werkzeugsystem, bestehend aus einen Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) mit Pulsdauern von weniger als 10 Pikosekunden sowie ultraschnelle Scansysteme, sogenannte Polygonscanner. Beim UKP-Laser 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. Der Einsatz von Polygonscannern beschleunigt die Strukturierung massiv, allerdings lassen sich nur zweidimensionale Flächen bearbeiten. Aus diesem Grund werden die Strukturen bereits vor der Umformung in die zweidimensionale Oberfläche des Glasrohlings eingebracht.
Mit beiden Konfigurationen konnten die Forschenden Anti-Glare-, Anti-Reflexions- und Anti-Fingerprint-Strukturen erzeugen.
Umformung in unter 100 Sekunden
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.
Um möglichst viele Informationen über den Umformprozess zu erhalten und ihn so transparent wie möglich zu gestalten, nutzte das Team ausgewählte Sensorik zur Prozessdatenaufnahme. Die umgeformten Bauteile werden anschließend messtechnisch charakterisiert.
Modell kompenisert Verzerrungen
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 Assessments (LCA) für die ökologische und wirtschaftliche Validierung der Prozesse
Im Rahmen eines Life Cycle Assessments wurden die Prozessketten anhand zentraler ökologischer Kriterien wie Energie- und Materialbedarf analysiert. Zunächst wurde die Strukturierung des Glases vor der Umformung betrachtet und anschließend die Umformung der zuvor strukturierten Halbzeuge bilanziert. Mithilfe dieser Einzelbetrachtung konnten die Forschenden anschließend verschiedene Fertigungsrouten mit unterschiedlichen Prozesskombinationen miteinander vergleichen.
Dabei stellte sich die Kombination aus Laserstrukturierung und nicht-isothermer Umformung bezüglich der CO₂-Emissionen als sehr effizient heraus. Besonders die energetischen Vorteile der nicht-isothermen Umformung fallen ins Gewicht, da die Werkzeugmassen geringer und die Aufheizzeiten kürzer sind als beim isothermen Umformen. 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.
Optimierung der Prozesse und Ausweitung der Technologie auf weitere Anwendungsbereiche
Nach Abschluss des Projekts arbeiten die Forscherinnen und Forscher daran, die Prozessauslegung zu optimieren, vor allem hinsichtlich Lasergeschwindigkeit, Strukturqualität, Umformgenauigkeit und thermischer Führung. Künftig wird zudem eine noch engere Verzahnung von Simulation, Kompensation und Messtechnik angestrebt sowie die Entwicklung effizienterer Vorheizkonzepte. Perspektivisch planen die Forschenden, den Fertigungsansatz auch auf Anwendungen weiterer Branchen, wie beispielsweise der Medizintechnik, Architektur oder Energiesysteme, zu übertragen.
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.
Förderkennzeichen: 03EN4035A
Projektträger
Projektträger Jülich – Forschungszentrum Jülich GmbH
Publikationen aus diesem Projekt
| Jahr Year | Titel/Autor:in Title/Author | Publikationstyp Publication Type |
|---|---|---|
| 2024 | Compensation of structure distortion in nonisothermal hot forming of laser structured thin glass Kohse, Martin; Meiners, Constantin; Plakhotnik, Denys; Vogel, Paul-Alexander; Day, Robin; Grunwald, Tim; Bergs, Thomas |
Konferenzbeitrag Conference Paper |
| 2024 | Compensation of structure distortion in nonisothermalhot forming of laser structured thin glass Kohse, Martin; Meiners, Constantin; Plakhotnik, Denys; Vogel, Paul-Alexander; Day, Robin; Grunwald, Tim; Bergs, Thomas |
Poster |
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