LED-Produktionstechnologie Keramik soll Stahl beim Glaspressen ablösen

Formeinsätze für das Blankpressen und Glasoptiken
Formeinsätze für das Blankpressen und Glasoptiken

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie will mit Keramikbauteilen den Verschleiß bei der Herstellung von Glasoptikelementen reduzieren und so deutsche Hersteller für den internationalen Markt rüsten.

Aufgrund der hohen Nachfrage nach Optikelementen aus Glas, vor allem vom LED- und Photovoltaik-Markt, hat sich als Fertigungsprozess ein Ein-Schritt-Massenherstellungsverfahren durchgesetzt. Beim nicht-isothermen Blankpressen wird ein Glasrohling stark erhitzt und anschließend in einem einzigen Schritt zum fertigen Optikelement gepresst – eine weitere Nachbearbeitung findet nicht statt.

Das macht den Prozess gegenüber klassischen Einzelfertigungsverfahren, wie Schleifen und Polieren, sehr kosteneffizient. Einzig die extremen Fertigungsbedingungen (Temperatur um 1200°C und Druck von 200kN) wirken sich nachteilig auf die Lebenszeit der Formwerkzeuge aus. Damit deutsche Hersteller auch preislich auf dem internationalen Markt bestehen können, setzen das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT), deren langjähriger Partner Füller Glastechnologie Vertriebs-GmbH und die FCT Ingenieurkeramik GmbH jetzt an diesem Punkt an. Im Rahmen des Projekts „InnoForm“ werden neue Werkzeug-Materialien qualifiziert, von denen unter den vorgegebenen Prozessbedingungen längere Lebenszeiten erwartet werden, als der bisher verwendete chrombeschichtete Stahl.

Dabei ist Keramik in den Fokus der Forscher gerückt. Aufgrund der hohen Härte, chemischen Widerstandsfähigkeit und Warmfestigkeit erreichen Keramikformen gegenüber Ihren Stahl-Pendants bei der Metallumformung bereits eine um den Faktor 20 verlängerte Lebenszeit. Ein ähnliches Resultat erwartet man nun auch für die Glasumformung.

Neben der reinen Materialeinsparung durch geringeren Verschleiß, könnten Produzenten gleichzeitig von reduziertem Wartungsaufwand profitieren. Weiterhin soll Keramik die Forderungen nach engeren Toleranzen bei der Formgenauigkeit und der Oberflächenrauigkeit der Werkstücke erfüllen. Seine hohe Steifigkeit macht eine Keramikform weniger anfällig für mechanische Deformationen, die durch die hohen Belastungen beim Umformprozess auftreten. Aktuell wird im LED-Bereich mit Toleranzen von P-V (peak-to-valley) < 20 µm bei der Formgenauigkeit und von Ra (Mittenrauwert) < 15nm gefertigt. Mit Keramikformen sollen Werte von PV < 5 µm und Ra < 10nm erzielt werden.

Es gibt aber nicht nur Vorteile. Mit der Umrüstung auf Keramik muss eine Alternative zum etablierten induktiven Heizprozess gefunden werden. Darüber hinaus rechnen die Verantwortlichen damit, dass Keramikformen auch Einschränkungen im Design der Werkstücke mit sich bringen können.

Möglich wird die Arbeit mit Keramikwerkzeugen im Glaspressen erst durch aktuelle Weiterentwicklungen im Ultrapräzisionsschleifen. Durch eine optimierte Wahl der Prozessparameter, der verwendeten Schleifscheiben und der Bearbeitungsstrategie, können Keramiken präzise genug verarbeitet werden, um den industriellen Standards zu entsprechen.