12 Mai Funktionalisierte 3-D-Dünngläser fertigen
Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT hat in einem Forschungsprojekt zusammen mit Partnern eine Prozesskette zur Fertigung funktionalisierter 3-D-Dünngläser entwickelt. Die Kombination aus Ultrakurzpulslaserstrukturierung und anschließender Umformung soll den Energiebedarf sowie die CO₂-Emissionen gegenüber konventionellen Verfahren reduzieren und gleichzeitig auf chemische Ätzprozesse verzichten.
Laserstrukturierung statt chemischer Ätzprozesse
Dünngläser mit Mikro- und Nanostrukturen werden unter anderem in der Elektronik, Sensorik, Halbleitertechnik sowie im Automobilbau eingesetzt. Die Oberflächenstrukturen übernehmen Funktionen wie Entspiegelung, Anti-Fingerprint-Eigenschaften, Benetzungssteuerung oder haptisches Feedback.
Bisher erfolgt die Strukturierung häufig über chemische Ätzverfahren oder durch Replikation mittels Formwerkzeugen. Während chemische Verfahren auf Ätzchemikalien wie Flusssäure angewiesen sind, erfordert die thermische Replikation hohe Temperaturen und lange Prozesszeiten.
Im Projekt ‚EffF3D – Effiziente Funktionalisierung von 3-D-geformten Dünngläsern‘ strukturierte das Forschungsteam flache Glasrohlinge zunächst mit einem Ultrakurzpulslaser mit Pulsdauern unter zehn Pikosekunden. Der geringe Wärmeeintrag ermöglicht die Erzeugung optisch und haptisch wirksamer Mikro- und Nanostrukturen bei gleichzeitig materialschonender Bearbeitung.
Zur Steigerung des Durchsatzes untersuchten die Forschenden unterschiedliche Strahlführungskonzepte, darunter Polygonscanner mit rotierenden Spiegelfacetten. Damit konnten großflächige Anti-Glare-, Anti-Reflexions- und Anti-Fingerprint-Strukturen erzeugt werden.
Nicht-isotherme Umformung reduziert Zykluszeiten
Im Anschluss wurden die strukturierten Glasrohlinge mittels Heißumformung in dreidimensionale Geometrien überführt. Neben isothermen Verfahren untersuchte das Fraunhofer IPT insbesondere eine nicht-isotherme Prozessführung, bei der Heizen, Umformen und Kühlen voneinander getrennt werden. Dadurch konnten Taktzeiten von unter 100 Sekunden pro Bauteil erreicht werden.
Da sich Mikrostrukturen während der Umformung verändern, entwickelte das Projektteam zudem ein simulationsgestütztes Kompensationsverfahren. Damit lassen sich zu erwartende Strukturverzerrungen bereits vor der Laserbearbeitung berücksichtigen.
Life Cycle Assessment untersucht CO₂-Bilanz
Im Rahmen eines Life Cycle Assessments analysierten die Projektpartner die entwickelten Prozessketten hinsichtlich Energie- und Materialeinsatz. Dabei erwies sich insbesondere die Kombination aus UKP-Laserstrukturierung und nicht-isothermer Umformung als CO₂-effizient, da beide Prozesse vollständig elektrisch betrieben werden können.
Partner und Förderung
Projektpartnern sind neben dem Fraunhofer IPT als Koordinator, Saint-Gobain Sekurit Deutschland, Flabeg Automotive Germany, ModuleWorks, LPKF SolarQuipment und Vitrum Technologies. Das Forschungsprojekt ‚EffF3D – Effiziente Funktionalisierung von 3-D-geformten Dünngläsern‘ wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) im Rahmen des 7. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung gefördert.
Bildunterschrift: UKP-Laser strukturieren Glasrohlinge mit Pikosekundenpulsen – präzise, nahezu ohne Wärmeeinfluss, mit Mikro- und Nanostrukturen, die sichtbar und fühlbar wirken. Bild: Fraunhofer IPT
Quelle: www.ipt.fraunhofer.de