Mniej emisji CO₂, brak chemikaliów żrących: Fraunhofer IPT opracowuje nowy łańcuch procesów dla funkcjonalizowanego cienkiego szkła

Instytut Fraunhofer dla Technologii Produkcji IPT w Aachen wspólnie z partnerami projektu opracował łańcuch procesów do produkcji cienkich szyb 3D z funkcjonalizowaną powierzchnią. Łańcuch procesów łączy laserową strukturę z późniejszym formowaniem i zmniejsza zużycie energii oraz emisję CO₂. Również nie jest już konieczne stosowanie szkodliwych dla środowiska środków żrących.

Cienkie szyby można wykorzystywać na różne sposoby. Szczególnie znajdują zastosowanie tam, gdzie elementy mają być jeszcze cieńsze lub wyższej jakości, na przykład do wysokiej klasy elementów w motoryzacji lub komponentów w elektronice, przemyśle półprzewodników czy czujnikach. Tylko w elektronice użytkowej rocznie używa się ponad miliarda elementów z cienkich szyb, do tego dochodzi około 75 milionów jednostek w produkcji samochodów, czujnikach i architekturze. Znaczna część tych szyb ma celowo wprowadzone mikro- i nanostruktury na powierzchni, na przykład w celu eliminacji odblasków, kontroli zwilżalności lub dla dotykowej informacji zwrotnej.

Nowy łańcuch procesów: najpierw strukturyzacja laserowa, potem formowanie

Obecnie do strukturyzacji powierzchni cienkich szyb stosuje się głównie dwa procesy: w praktyce przemysłowej najczęściej stosuje się chemiczną strukturę. Ta metoda daje dobre wyniki, ale używa szkodliwych dla środowiska środków żrących, na przykład kwasu fluorowego. Drugą metodą jest replikacja przez odlewanie. W tym przypadku można wprowadzać struktury na powierzchnię szkła w bardzo wysokich temperaturach za pomocą narzędzia formującego, podczas gdy szkło jest formowane w końcową formę. Również ta metoda daje dobre wyniki, lecz koszty produkcji oraz zużycie surowców i energii są znacznie zbyt wysokie, aby była ekonomicznie atrakcyjna i ekologicznie zrównoważona.

W projekcie badawczym „EffF3D” Instytut Fraunhofer IPT opracował i przetestował różne łańcuchy procesów do masowej produkcji skomplikowanych, funkcjonalizowanych cienkich szyb. Składają się one z dwóch kroków: strukturyzacji płaskich surowych szyb za pomocą ultrakrótkiego lasera impulsowego (UKP) oraz późniejszego formowania.

Strukturyzacja laserowa: wysoka wydajność dzięki skanerowi wielokątowemu i UKP

Strukturyzacja płaskich surowych szyb odbywa się za pomocą lasera UKP z czasem impulsu krótszym niż dziesięć pikosekund. Dzięki niskiej ilości ciepła wprowadzanej do materiału, obróbka jest szczególnie delikatna, co pozwala na tworzenie mikro- i nanostruktur o efektach wizualnych i dotykowych na szkle.

Zespół badawczy wypróbował dwa komplementarne koncepcje obróbki. W jednej z nich wiązka lasera jest kierowana za pomocą dwóch obracających się luster. Lustra są ciągle przyspieszane i zwalniane, co ogranicza prędkość obróbki. W drugiej metodzie wiązka jest odchylana przez bardzo szybko obracające się lustro z wieloma małymi powierzchniami. Dzięki temu ciągłemu ruchowi obrotowemu laser może w bardzo krótkim czasie obrabiać duże powierzchnie. Przy obu konfiguracjach naukowcy byli w stanie wytworzyć struktury antyodblaskowe, antyrefleksyjne i antyodciskowe.

Formowanie szkła: porównanie różnych metod

Aby przekształcić strukturyzowane surowe szkło, badacze porównali dwie metody formowania w wysokiej temperaturze: izotermiczne i nieizotermiczne. W przypadku metody izotermicznej narzędzie jest podgrzewane razem ze szkłem. Ta metoda zapewnia szczególnie wysoką dokładność kształtowania, ale cykle są bardzo długie.

Metoda nieizotermiczna, opracowana w Instytucie Fraunhofer IPT, oddziela etapy podgrzewania, formowania i chłodzenia. Surowe szkło jest najpierw umieszczane na uprzednio podgrzanym narzędziu formującym, a następnie wprowadzane do pieca. Ze względu na mniejszą masę szkło nagrzewa się tam szybciej niż narzędzie i jest formowane. Następnie gorące jeszcze szkło jest wyjmowane z narzędzia i chłodzone na zewnątrz. Narzędzie jest gotowe do kolejnego cyklu. W ten sposób można osiągnąć cykle poniżej 100 sekund na element.

Cyfrowy monitoring procesu i kompensacja odkształceń struktury

W projekcie „EffF3D” wyprodukowano na liniach seryjnych różne przykładowe komponenty, w tym funkcjonalizowane środkowe konsolki oraz szyby czołowe. Ponieważ po raz pierwszy w ten sposób przekształcono wcześniej strukturyzowane surowe szkło, kluczowym wyzwaniem było ustalenie optymalnej temperatury procesu: musi być ona wystarczająco wysoka, aby umożliwić kształtowanie, ale nie może niekontrolowanie wpływać na wprowadzone mikrostruktury. Do monitorowania procesu naukowcy użyli różnych czujników, na przykład czujników temperatury.

Podczas formowania zmieniają się wcześniej wprowadzone mikrostruktury. Aby końcowe struktury miały pożądany kształt i pozycję, naukowcy opracowali metodę kompensacji, która za pomocą symulacji komputerowych oblicza oczekiwane odkształcenia z wyprzedzeniem. Odkształcenia te są brane pod uwagę podczas strukturyzacji surowego szkła, dzięki czemu po formowaniu struktury są poprawnie ukształtowane i znajdują się na właściwym miejscu.

Ocena cyklu życia pokazuje potencjał nowego łańcucha procesów

W ramach oceny cyklu życia (LCA) łańcuchy procesów zostały przeanalizowane pod kątem kluczowych kryteriów ekologicznych, takich jak zużycie energii i materiałów. Analiza wykazała, że połączenie laserowej strukturacji i nieizotermicznego formowania jest bardzo efektywne pod względem emisji CO₂. Ponieważ oba procesy – strukturyzacja laserowa i formowanie nieizotermiczne – są w pełni elektryczne, emisje CO₂ zależą bezpośrednio od miksu energetycznego i będą dalej maleć wraz z dekarbonizacją.

Partnerzy projektu

– Instytut Fraunhofer dla Technologii Produkcji IPT (koordynacja)
– Saint-Gobain Sekurit Deutschland GmbH, Herzogenrath
– FLABEG Automotive Germany GmbH, Norymberga
– ModuleWorks GmbH, Aachen
– LPKF SolarQuipment GmbH, Suhl
– Vitrum Technologies GmbH, Aachen

Finansowanie

Projekt badawczy „EffF3D – Efektywna funkcjonalizacja cienkich szyb 3D” został dofinansowany przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii (BMWi) w ramach 7. programu badawczego energetyki rządu federalnego.