Menores emisiones de CO2, sin productos químicos ácidos: Fraunhofer IPT desarrolla una nueva cadena de proceso para vidrio delgado funcionalizado

El Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción IPT en Aachen, junto con socios del proyecto, ha desarrollado una cadena de procesos para la fabricación de vidrios delgados 3D con superficies funcionalizadas. La cadena de procesos combina la estructuración láser con la conformación posterior y reduce el consumo de energía así como las emisiones de CO₂. Tampoco es necesario el uso de productos químicos agresivos para el medio ambiente.

El vidrio delgado puede utilizarse de muchas formas. En particular, se emplea donde las piezas aún deben ser más delgadas o de mayor calidad, por ejemplo, para componentes de alta calidad en automoción o en electrónica, industria de semiconductores o sensores. Solo en electrónica de consumo se utilizan anualmente más de mil millones de componentes de vidrio delgado, además de aproximadamente 75 millones de unidades en la fabricación de automóviles, en sensores y en arquitectura. Una gran parte de estos vidrios lleva estructuras micro y nanométricas insertadas específicamente en la superficie, por ejemplo, para reducir reflejos, controlar la mojabilidad o para retroalimentación háptica.

Nueva cadena de procesos: primero estructuración láser, luego conformado

Actualmente, para la estructuración de superficies de vidrio delgado se emplean principalmente dos procedimientos: en la práctica industrial, la estructuración química es la más común. Este método obtiene buenos resultados, pero utiliza productos químicos dañinos para el medio ambiente, como el ácido fluorhídrico. El segundo método es la replicación mediante moldeado. En este proceso, también se pueden introducir estructuras en la superficie del vidrio a altas temperaturas con la ayuda de una herramienta de moldeado, mientras el vidrio se moldea en la forma final. Este método también produce buenos resultados. Sin embargo, los costos de producción, así como el consumo de materias primas y energía, son demasiado altos para ser económicamente atractivos y sostenibles ecológicamente.

En el proyecto de investigación »EffF3D«, el Fraunhofer IPT ha desarrollado y probado varias cadenas de procesos para la fabricación en masa de vidrios delgados con formas complejas y funcionalizados. Estas consisten en dos pasos: la estructuración de bloques de vidrio planos con un láser de pulsos ultracortos (UKP) y la posterior conformación.

Estructuración láser: alto rendimiento mediante escáneres poligonales y UKP

La estructuración de los bloques de vidrio planos se realiza con el láser UKP y duraciones de pulso inferiores a diez picosegundos. Gracias a la baja entrada de calor, el material se procesa de manera especialmente suave y se pueden crear estructuras micro y nanométricas en el vidrio que sean visibles y táctiles.

El equipo de investigación probó dos conceptos complementarios de procesamiento. En uno, el haz láser se dirige mediante dos espejos motorizados. Estos espejos se aceleran y desaceleran continuamente, lo que limita la velocidad de procesamiento. En el segundo método, el haz se desvía mediante un espejo que gira muy rápidamente con muchas pequeñas facetas. Gracias a este movimiento de rotación continua, el láser puede trabajar en grandes superficies en muy poco tiempo. Con ambas configuraciones, los investigadores lograron crear estructuras anti-reflejo, anti-reflexión y anti-huellas digitales.

Conformado del vidrio: comparación de diferentes procedimientos

Para conformar los bloques de vidrio estructurados, los investigadores compararon dos variantes de conformado por calor: el conformado isotérmico y el no isotérmico. En el proceso isotérmico, la herramienta y el vidrio se calientan conjuntamente. Este método logra una alta precisión en la forma, pero los ciclos de producción son muy largos.

El proceso no isotérmico, desarrollado en el Fraunhofer IPT, separa los pasos de calentamiento, conformado y enfriamiento. Primero, el bloque de vidrio se coloca sobre una herramienta de moldeado precalentada y luego se introduce en el horno. Debido a su menor masa, el vidrio se calienta más rápido que la herramienta y se conforma. Después, el vidrio aún caliente se retira de la herramienta y se enfría fuera del molde. La herramienta está lista para el siguiente ciclo. De esta manera, se pueden lograr tiempos de ciclo por debajo de 100 segundos por pieza.

Monitoreo digital del proceso y compensación de distorsiones estructurales

En el proyecto »EffF3D«, se fabricaron diferentes componentes de ejemplo, incluyendo consolas centrales funcionalizadas y parabrisas, en instalaciones de producción en serie. Como los bloques de vidrio preestructurados se conformaron por primera vez de esta manera, determinar la temperatura óptima del proceso fue un desafío central: debe ser lo suficientemente alta para permitir la conformación, pero sin afectar de manera no deseada las microestructuras insertadas. Para el monitoreo del proceso, los investigadores utilizaron diversos sensores, como sensores de temperatura.

Durante la conformación, las microestructuras previamente insertadas cambian. Para que las estructuras mantengan la forma y posición deseadas, los investigadores desarrollaron un método de compensación que calcula de antemano las distorsiones esperadas mediante simulaciones por computadora. Estas distorsiones se consideran durante la estructuración del bloque de vidrio, de modo que las estructuras correctamente formadas queden en la posición correcta tras la conformación.

Evaluación del ciclo de vida muestra el potencial de la nueva cadena de procesos

En una evaluación del ciclo de vida (LCA), se analizaron las cadenas de procesos según criterios ecológicos centrales, como el consumo de energía y materiales. El análisis reveló que la combinación de estructuración láser y conformado no isotérmico es muy eficiente en términos de emisiones de CO₂. Dado que ambos procesos — estructuración láser y conformado no isotérmico — se realizan completamente con electricidad, las emisiones de CO₂ dependen directamente del mix energético utilizado y seguirán disminuyendo a medida que se descarbonice la matriz energética.

Socios del proyecto

– Instituto Fraunhofer para Tecnología de Producción IPT (coordinación)
– Saint-Gobain Sekurit Deutschland GmbH, Herzogenrath
– FLABEG Automotive Germany GmbH, Nuremberg
– ModuleWorks GmbH, Aachen
– LPKF SolarQuipment GmbH, Suhl
– Vitrum Technologies GmbH, Aachen

Financiamiento

El proyecto de investigación »EffF3D – Funcionalización eficiente de vidrios delgados 3D« fue financiado por el Ministerio Federal de Economía y Energía (BMWi) en el marco del 7º Programa de Investigación Energética del Gobierno Federal.