Hart und beständig

In der Photovoltaik und in der LED-Technik besteht eine hohe Nachfrage nach kostengünstigen optischen Komponenten aus Glas. Deshalb kommen hier heute schon oft gepresste Glasoptiken zum Einsatz, die durch einen Umformprozess in kurzer Zeit in hohen Stückzahlen hergestellt werden. Die Fertigungskosten für diese Optiken ließen sich sogar noch weiter senken, wenn die eingesetzten Werkzeuge den hohen Belastungen des Umformprozesses länger standhalten würden. Das Fraunhofer-Institut für Produktions­technologie IPT aus Aachen untersucht deshalb jetzt gemeinsam mit der Füller Glastechnologie Vertriebs-GmbH und der FCT Ingenieur­keramik GmbH, ob sich Keramik als Formwerkstoff dazu eignet, die Standzeiten der Press­werkzeuge zu verlängern und so weitere Kosten einzusparen.

Optische Komponenten aus Glas werden heute in großen Stückzahlen in hoch­konzentrierten Photo­voltaik­anlagen oder in LED-Leuchten eingesetzt, bei denen eine besondere Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen und UV-Strahlung gefordert ist. Für ihre Herstellung bietet sich das nicht-isotherme Blankpressen an, ein Verfahren, bei dem Glas erhitzt und anschließend unter hohem Druck umgeformt wird. Obwohl die Stückkosten bei diesem replikativen Verfahren gegenüber einer direkten Fertigung schon äußerst gering sind, zwingt der Markt die Hersteller, die Kosten noch weiter zu senken, um im inter­nationalen Wettbewerb zu bestehen.

Das Fraunhofer IPT und seine Partner im KMU-innovativ-Projekt „InnoForm“ setzen deshalb jetzt bei den Umform­werk­zeugen an, denn die bisher verwendeten chrom­beschichteten Stahlformen unterliegen einem hohen Verschleiß. Neue Form­werkstoffe aus Keramik könnten die Standzeiten der Werkzeuge aufgrund ihrer hohen Härte und Warmfestigkeit deutlich verlängern, Rüstzeiten verkürzen und Material einsparen. In der Metallumformung beispielsweise erreichen Keramik­formen bis zu 20-fach längere Nutzungs­zeiten als Stahlformen – ein ähnlich hohes Potenzial sehen die Aachener Forscher auch für die Optik­fertigung.

Die Projektpartner versprechen sich von den Keramikformen nicht nur eine längere Haltbarkeit aufgrund ihrer guten chemischen Resistenz und Oxidations­beständigkeit, sondern auch bessere thermische Werkstoffkennwerte. Die gepressten Bauteile sollen außerdem eine höhere Form­genauigkeit und geringere Ober­flächen­rauheit aufweisen. Möglich wird die Herstellung der Keramik­formen für das nicht-isotherme Glaspressen erst jetzt durch neue Entwicklungen im Bereich des Ultra­präzisions­schleifens, da sich die geforderten Werkzeug-Form­genauig­keiten von 1 Mikrometer und Ober­flächen­rauheiten von Ra < 5 Nanometer mit den konventionellen Verfahren nicht erreichen lassen.

Da die induktiven Verfahren, mit denen die her­kömmlichen Stahl­formen für den Press­vorgang erwärmt werden, bei Keramik nicht einsetzbar sind, erproben die Partner auch neue Heizkonzepte, die in Zukunft in die Pressanlage integriert werden können. Ebenso untersuchen sie, welche Design­einschränkungen bei der Auslegung der Formeinsätze zu beachten sind. Das Projekt „InnoForm“ bildet damit die gesamte Prozess­kette von der Simulation und Entwicklung bis hin zur Abformung und mess­technischen Beurteilung ab.

Fh.-IPT