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Glas mit neuen Eigenschaften: sicher trotz ungewöhnlicher Geometrien

Ob am Bau, im Auto oder im Rahmen industrieller Prozesse – Glas ist ein universeller Werkstoff. Seine Eigenschaften sind so außergewöhnlich, dass es oft keine Alternative zu diesem Material gibt. Die Forscher des Fraunhofer-Instituts haben sich deshalb in verschiedenen Forschungsvorhaben erneut mit Glas und dessen Eigenschaften befasst. Die wichtigste Eigenschaft von Sicherheitsglas beispielsweise ist es, einschlagsicher zu sein. Darunter litt bisher die Gestaltung. Ein neues Verfahren ermöglicht nun aber auch für Sicherheitsglas beliebige Schnittführungen und ebnet so den Weg für mehr Gestaltungsfreiheit.

Foto: Fraunhofer Institut

Ausgefallene Geometrien – auch bei Sicherheitsglas

Beim Bau von Glasfassaden von Hochhäusern und ebenso beim Einsatz als Frontscheibe von Autos ist es völlig selbstverständlich, Verbundsicherheitsglas einzusetzen. Prallt ein Gegenstand von außen gegen die Glasfassade, darf das Glas nicht zersplittern und herunterfallen. Auch von innen müssen die Gläser hohen Kräften standhalten. Schaufenster aus Sicherheitsglas sollen beispielsweise die Waren zuverlässig vor Dieben schützen und das Sicherheitsglas bei der PKW-Frontscheibe verhindert, dass sich die Insassen bei einem Unfall an zersplitterndem Glas verletzen.

Das Wirkungsprinzip von Sicherheitsglas ist relativ simpel: Zwischen zwei Glasplatten befindet sich eine reißfeste Folie. Entstehen Splitter, bleiben sie an der Folie kleben. Die Folie sorgt auch dafür, dass die Gläser nicht einfach auseinandergeschnitten werden können. Möchte man das Glas zuschneiden, musste man bisher die beiden Glasscheiben anritzen und anschließend auseinanderbrechen. Die Bruchlinie wird über Infrarotstrahlern erhitzt. Die Wärme macht die Folie weich, bis die Glasplatten mit hohem Kraftaufwand auseinandergezogen werden können. Durch den entstehenden Spalt kann die Folie dann mit einem Messer auseinander geschnitten werden. Der Nachteil bei dieser Methode liegt auf der Hand: Es sind nur gerade Schnitte möglich.

Wollten Architekten und Bauherren speziell geformte Sicherheitsgläser, war es bisher nur in mühsamer Handarbeit möglich, die beiden Scheiben des Sicherheitsglases anzuritzen und aufzutrennen. Der Spalt, der dabei entstand, war jedoch zu klein, um ein Messer einzuführen. Um die gewünschte Form schneiden zu können, wurde die Folie mit Hitze erweicht: Es wurde Spiritus auf den Spalt aufgebracht und angezündet.

Eine neue Methode des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg soll diese aufwändige und gefährliche Prozedur künftig umgehen. Die Forscher haben gemeinsam mit dem Anlagenhersteller für Flachglasverarbeitung Hegla ein neues Verfahren entwickelt, bei dem sie die innenliegende Folie schneiden, bevor das Glas geritzt und auseinandergebrochen wird. Dazu wird ein Laserstrahl verwendet, der beliebig über die Scheibe geführt werden kann. Dieser Strahl durchdringt das Glas und gibt seine Energie in der Folie ab. Diese wird so weit erhitzt, dass sie schmilzt und verdampft. So werden beliebige, freie Glasformen möglich. Für das Verfahren wurde bereits ein deutsches und ein europäisches Patent erteilt.

Glas – präzise und schnell charakterisiert

In einem weiteren Forschungsvorhaben geht es um die Eigenschaften von Glas, die sich verändern, je nachdem mit welchen Zusätzen das Glas modifiziert wurde. Möchte man neue Gläser mit neuen Eigenschaften entwickeln oder die Eigenschaften von bestehendem Glas analysieren, wie beispielsweise die Ausdehnung bei hohen Temperaturen, tat man dies bisher mit einer Schubstange, die auf einen Zylinder aus dem Glas drückt. Erwärmt sich das Glas, dehnt es sich aus und schiebt die Schubstange zurück. Wird es flüssig, bleibt es allerdings an der Schubstange kleben und macht sie unbrauchbar. Pro getestete Eigenschaft muss ein neuer Testlauf durchgeführt werden. Dieses Verfahren ist daher relativ aufwändig.

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung ISC in Wertheim haben nun eine thermooptische Messanlage entwickelt, mit der sich Gläser umfassend charakterisieren lassen – und das im Labormaßstab. Die Anlage besteht aus einem Ofen mit einer Kamera, die es den Forschern ermöglicht, das Glas während des gesamten Wärmeprozesses zu beobachten. Anhand der Viskosität und der Oberflächenspannung des Glases in geschmolzenem Zustand können die Forscher dann durch verschiedene Testverfahren dessen Charakterisierung vornehmen. Das Verfahren bietet viele Vorteile. Mit der thermooptischen Anlage lässt sich Glas etwa fünfmal schneller charakterisieren als bisher. Denn, wo bislang fünf Proben hergestellt und einzeln analysiert werden mussten, um fünf charakteristische Punkte des Glases zu untersuchen, reicht nun eine Probe, die in nur einer Heizfahrt untersucht wird. Zudem hilft das Verfahren, Ressourcen zu sparen.

Laut der Forscher leistet die Anlage aber nicht nur bei Glas gute Dienste. Sie ist für jegliche Art von Schmelzen einsetzbar, auch für Stahl oder Schlacke.

Beide Forschungsvorhaben wurden Ende 2012 im Rahmen der Messe Glasstec in Düsseldorf von den Forschen des Faunhofer-Instituts präsentiert.

Weitere Informationen über das Fraunhofer ISC und das Fraunhofer IWM  

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