Minder CO2-uitstoot, geen giftige chemicaliën: Fraunhofer IPT ontwikkelt nieuwe procesketen voor functioneel dun glas

Het Fraunhofer-instituut voor productie-technologie IPT in Aken heeft samen met projectpartners een procesketen ontwikkeld voor de productie van 3D-dunne glazen met een functionele oppervlakte. De procesketen combineert laserstructurering met daaropvolgende omvorming en vermindert het energieverbruik en de CO₂-uitstoot. Het gebruik van milieuschadelijke etschemicaliën is eveneens niet meer noodzakelijk.

Dunne glazen kunnen op diverse manieren worden toegepast. Vooral worden ze gebruikt daar waar onderdelen nog dunner of hoogwaardiger moeten worden gemaakt, bijvoorbeeld voor hoogwaardige onderdelen in de automobielindustrie of componenten in elektronica, halfgeleiderindustrie of sensortechnologie. Alleen in de consumentenelektronica worden jaarlijks meer dan een miljard dunne glazen onderdelen gebruikt, daarnaast komen ongeveer 75 miljoen eenheden in de autosector, sensortechnologie en architectuur voor. Een groot deel van deze glazen draagt doelbewust ingebrachte micro- en nanostructuren op het oppervlak, bijvoorbeeld voor anti-reflex, het regelen van de bevochtbaarheid of voor tactiele feedback.

Nieuwe procesketen: eerst laserstructurering, daarna omvorming

Voor de oppervlakte-structurering van dunne glazen worden momenteel vooral twee methoden gebruikt: in de industriële praktijk is chemische structuurbewerking het meest gangbaar. Deze methode levert goede resultaten op, maar daarbij worden milieuschadelijke etsmiddelen, zoals fluorzuur, gebruikt. De tweede methode is de replicatie door afdrukken. Hierbij kunnen structuren onder zeer hoge temperaturen met behulp van een mal in het glasoppervlak worden aangebracht, terwijl het glas in de eindvorm wordt gebracht. Ook deze methode levert goede resultaten op. Echter zijn de productiekosten, evenals het grondstoffen- en energieverbruik, aanzienlijk te hoog om economisch aantrekkelijk en ecologisch duurzaam te zijn.

In het onderzoeksproject »EffF3D« heeft het Fraunhofer IPT verschillende procesketens ontwikkeld en getest voor de massaproductie van complex gevormde, functionele dunne glazen. Ze bestaan uit twee stappen: het structureren van platte glazen blanken met een ultrakortpuls laser (UKP-laser) en de daaropvolgende omvorming.

Laserstructurering: hoge doorvoer door polygonscanner en UKP-laser

De structuurering van de platte glazen blanken gebeurt met de UKP-laser en pulsduren van minder dan tien picoseconden. Door de geringe warmte-inbreng wordt het materiaal bijzonder voorzichtig bewerkt en kunnen optisch en tactiel effectieve micro- en nanostructuren op glas worden aangebracht.

Het projectteam testte twee complementaire bewerkingsconcepten. Bij het ene wordt de laserstraal via twee motorisch bewogen spiegels geleid. De spiegels worden daarbij voortdurend versneld en weer afgeremd, wat de bewerkingssnelheid beperkt. In de tweede methode wordt de straal afgeleid door een zeer snel roterende spiegel met vele kleine facetten. Door deze continue draaibeweging kan de laser grote oppervlakken in zeer korte tijd bewerken. Met beide configuraties konden de onderzoekers anti-glare-, anti-reflex- en anti-fingerprint-structuren creëren.

Glasomvorming: verschillende methoden in vergelijking

Om de gestructureerde glazen blanken om te vormen, vergeleken de onderzoekers twee varianten van warmvormen: de isotherme en de niet-isotherme omvorming. Bij de isotherme procesvoering wordt het gereedschap samen met het glas verwarmd. Deze methode levert bijzonder hoge vormnauwkeurigheden op, maar de cyclustijden zijn zeer lang.

De niet-isotherme procesvoering, ontwikkeld door het Fraunhofer IPT, scheidt de stappen verwarmen, omvorming en afkoelen. Het glazen blank wordt eerst op een voorverwarmde vorm gelegd en daarna in de oven gebracht. Vanwege zijn geringere massa verwarmt het glas daar sneller op dan het gereedschap en wordt het omgevormd. Vervolgens wordt het nog hete glas uit het gereedschap gehaald en buiten het gereedschap afgekoeld. Het gereedschap staat direct klaar voor de volgende cyclus. Op deze manier kunnen cyclustijden onder de 100 seconden per onderdeel worden bereikt.

Digitale procesbewaking en compensatie van structuurvervormingen

In het project »EffF3D« werden verschillende voorbeeldonderdelen vervaardigd, waaronder functionele middenconsole en windschermen, op serie-achtige installaties. Omdat voor het eerst gestructureerde glazen blanken op deze wijze werden omgevormd, was het bepalen van de optimale procestemperatuur een centrale uitdaging: deze moet hoog genoeg zijn om de vormgeving mogelijk te maken, maar mag de aangebrachte microstructuren niet onbedoeld beïnvloeden. Voor procesbewaking gebruikten de onderzoekers verschillende sensoren, zoals temperatuursensoren.

Door de omvorming veranderen de eerder aangebrachte microstructuren. Om ervoor te zorgen dat de structuren uiteindelijk toch de gewenste vorm en positie hebben, ontwikkelden de onderzoekers een compensatiemethode die met behulp van computersimulaties de te verwachten vervormingen vooraf berekent. Deze vervormingen worden bij de structurering van het glasblank meegenomen, zodat de correct gevormde structuren na de omvorming op de juiste plek liggen.

Levenscyclusanalyse toont potentieel van de nieuwe procesketen

In het kader van een levenscyclusanalyse (LCA) werden de procesketens geanalyseerd op basis van centrale ecologische criteria zoals energie- en materiaalverbruik. Uit de analyse bleek dat de combinatie van laserstructurering en niet-isotherme omvorming zeer efficiënt is wat betreft CO₂-uitstoot. Omdat beide processen – laserstructurering en niet-isotherme omvorming – volledig elektrisch worden aangedreven, hangen de betreffende CO₂-uitstoot direct af van de gebruikte stroommix en zullen deze verder dalen naarmate de decarbonisering vordert.

Projectpartners

– Fraunhofer-instituut voor productie-technologie IPT (coördinatie)
– Saint-Gobain Sekurit Deutschland GmbH, Herzogenrath
– FLABEG Automotive Germany GmbH, Nürnberg
– ModuleWorks GmbH, Aken
– LPKF SolarQuipment GmbH, Suhl
– Vitrum Technologies GmbH, Aken

Financiering

Het onderzoeksproject »EffF3D – Efficiënte functionalisatie van 3D-vormgegeven dunne glazen« werd gefinancierd door het Duitse federale ministerie van Economie en Energie (BMWi) in het kader van het 7e energieonderzoeksprogramma van de federale regering.