Menší emise CO2, žádné žíravé chemikálie: Fraunhofer IPT vyvíjí novou výrobní řetězec pro funkční tenké sklo

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT v Aachenu společně s partnery projektu vyvinul řetězec procesů pro výrobu 3D tenkých skel s funkčním povrchem. Tento řetězec kombinuje laserovou strukturalizaci s následnou formováním a snižuje spotřebu energie a emise CO₂. Také není již nutné používat škodlivé chemikálie.

Tenčí sklo lze využít různými způsoby. Především se používá tam, kde je potřeba díly ještě tenčí nebo kvalitnější, například pro vysoce kvalitní díly v automobilovém průmyslu nebo komponenty v elektronice, polovodičovém průmyslu či senzorice. Pouze v oblasti zábavní elektroniky se ročně používá více než miliarda dílů z tenkého skla, k tomu přibývá přibližně 75 milionů kusů v automobilovém průmyslu, v senzorice a v architektuře. Velká část těchto skel má cíleně vytvořené mikro- a nanostruktury na povrchu, například pro odlesnění, řízení schopnosti zvlhčování nebo pro haptickou zpětnou vazbu.

Nový řetězec procesů: nejdříve laserová strukturalizace, poté formování

Pro strukturalizaci povrchů tenkých skel se v současnosti používají především dvě metody: V průmyslové praxi je nejběžnější chemická strukturalizace. Tato metoda sice dosahuje dobrých výsledků, avšak při ní jsou používány škodlivé chemikálie, například fluorovodík. Druhou metodou je replikace pomocí formování. Při ní lze i při velmi vysokých teplotách pomocí formovacího nástroje na sklo vnést struktury do povrchu skla, zatímco sklo je tvarováno do finálního tvaru. I tato metoda přináší dobré výsledky. Nicméně výrobní náklady a spotřeba surovin a energie jsou výrazně příliš vysoké, aby byla ekonomicky atraktivní a ekologicky udržitelná.

Ve výzkumném projektu »EffF3D« vyvinulo Fraunhofer IPT různé řetězce procesů pro hromadnou výrobu složitě tvarovaných, funkčním skel, a je otestovalo. Skládají se ze dvou kroků: strukturalizace plochých skleněných polotovarů pomocí ultrakrátkého pulzního laseru (UKP laser) a následného tvarování.

Laserová strukturalizace: vysoká průchodnost díky polygonálnímu skeneru a UKP laseru

Strukturalizace plochých skleněných polotovarů se provádí pomocí UKP laseru s pulzní dobou kratší než deset pikosekund. Díky nízkému přívodu tepla je materiál zpracováván velmi šetrně a lze na skle vytvářet opticky a hapticky účinné mikro- a nanostruktury.

Výzkumný tým vyzkoušel dva doplňkové koncepty zpracování. U jednoho je laserový paprsek veden dvěma motoricky pohybovanými zrcadly. Zrcadla jsou neustále zrychlována a zpomalována, což omezuje rychlost zpracování. Ve druhém postupu je paprsek odkláněn velmi rychle rotujícím zrcadlem s mnoha malými fasetami. Díky této nepřetržité rotační pohybu může laser zpracovávat velké plochy velmi krátkou dobu. S oběma konfiguracemi mohli vědci vytvořit struktury proti oslnění, proti odleskům a proti otiskům prstů.

Formování skla: srovnání různých metod

Pro tvarování strukturovaných skleněných polotovarů porovnávali výzkumníci dvě varianty tepelného tvarování: izotermické a neizotermické. Při izotermickém řízení procesu se nástroj i sklo současně zahřívají. Tato metoda dosahuje zvlášť vysoké přesnosti tvarování, avšak cyklus je velmi dlouhý.

Neizotermické řízení procesu, které vyvinulo Fraunhofer IPT, odděluje kroky ohřevu, tvarování a chlazení. Nejprve je skleněný polotovar položen na předem předehřátý formovací nástroj a poté je vložen do pece. Díky menší hmotnosti se sklo zde ohřívá rychleji než formovací nástroj a je tvarováno. Následně je ještě horké sklo vyjmuté z formy a chlazeno mimo nástroj. Nástroj je ihned k dispozici pro další cyklus. Tím lze dosáhnout taktů pod 100 sekund na díl.

Digitální sledování procesu a kompenzace deformací struktur

Ve projektu »EffF3D« byly na sériově podobných zařízeních vyrobeny různé ukázkové komponenty, včetně funkčně upravených středových konzolí a čelních skel. Protože poprvé byly předem strukturované skleněné polotovary tvarovány tímto způsobem, bylo klíčovou výzvou stanovení optimální teploty procesu: musí být dostatečně vysoká, aby umožnila tvarování, ale nesmí nepředvídatelně ovlivnit vložené mikrostruktury. Pro sledování procesu výzkumníci využili různé senzory, například teplotní čidla.

Prostřednictvím tvarování se mění dříve vložené mikrostruktury. Aby struktury nakonec měly požadovaný tvar a polohu, vyvinuli vědci metodu kompenzace, která pomocí počítačových simulací předem spočítá očekávané deformace. Tyto deformace jsou zohledněny při strukturalizaci skleněného polotovaru, takže po tvarování jsou správně tvarované struktury umístěny na správném místě.

Analýza životního cyklu ukazuje potenciál nové řetězce procesů

V rámci analýzy životního cyklu (LCA) byly řetězce procesů analyzovány podle klíčových ekologických kritérií, jako je spotřeba energie a materiálu. Analýza ukázala, že kombinace laserové strukturalizace a neizotermického tvarování je velmi efektivní z hlediska emisí CO₂. Protože oba procesy – laserová strukturalizace a neizotermické tvarování – jsou plně elektrické, závisí jejich emise CO₂ přímo na složení použitého energetického mixu a s postupnou dekarbonizací budou dále klesat.

Partneři projektu

– Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT (koordinace)
– Saint-Gobain Sekurit Deutschland GmbH, Herzogenrath
– FLABEG Automotive Germany GmbH, Norimberk
– ModuleWorks GmbH, Aachen
– LPKF SolarQuipment GmbH, Suhl
– Vitrum Technologies GmbH, Aachen

Podpora

Výzkumný projekt »EffF3D – Efektivní funkční úprava 3D tvarovaných tenkých skel« byl financován Spolkovým ministerstvem hospodářství a energie (BMWi) v rámci 7. energetického výzkumného programu Spolkové vlády.