LASERGESTÜTZTE GLASFORMGEBUNG KOMPLEXER KONTUREN

Transkript

1 LASERGESTÜTZTE GLASFORMGEBUNG KOMPLEXER KONTUREN VDMA Forum Glastechnik - IAK Forschung & Technologie Sitzung am Tobias Rist, Rainer Kübler, Matthias Gremmelspacher, Hanna Lagger AGENDA Kurzvorstellung Fraunhofer IWM Laseranwendungen an kaltem Glas Glasformgebung am Fraunhofer IWM mit Lasereinsatz Schnelles Heißprägen von Glas Glasbiegen mit Form, Architekturanwendungen Glasbiegen Form-frei, Designanwendungen Biegeofen mit Lasereinrichtung am Fraunhofer IWM Fazit 2

2 Zu meiner Person Ingenieur der Materialwissenschaften Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer IWM seit 2006 Themenschwerpunkte Technologieentwicklung Vakuum-Isolierglas Prozessentwicklung zum Trennen von VSG Modellierung von Prozessabläufen und Glasverhalten unter thermischen und mechanischen Lasten Biegetechnologie Flachglas 3 Das Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM 1 von 66 Fraunhofer-Instituten in Deutschland Mitarbeiter am Fraunhofer IWM, Freiburg: 280 Jahresumsatz: 17,2 Mio. Industrieertrag: 38,8% Freiburger Münster Zertifiziert nach ISO 9001:2000 Fraunhofer IWM Freiburg 4

3 Kompetenzen am Fraunhofer IWM Kaltes Glas Trennen von Glas Schadensanalyse Fügetechnologie, Löten Trennen von laminiertem Glas Randverbund-Technologie für Vakuum- Isolierglas T 5 Spannung Laseranwendungen an kaltem Glas Trennen von Glas Einbringen von thermisch induzierten Spannungen Schädigungsfreie Glaskante Erhöhte Bruchfestigkeit Trennen von laminiertem Glas Thermische Zersetzung der Folie im Glasverbund Beliebige Formen aus VSG (Modelle) 6

4 Trennen von laminiertem Glas 7 Glasformgebung am Fraunhofer IWM Typisches Vorgehen bei Prozess-Entwicklung Prozess-Entwicklung Prozess-Simulation Material- und Prozess-Parameter Experiment Spezifikationen Machbarkeit Schnelles Heißprägen von Glas Glasbiegen mit Form, Architekturanwendungen Glasbiegen Form-frei, Designanwendungen 8

5 Glasformgebung am Fraunhofer IWM Typisches Vorgehen bei Prozess-Entwicklung Prozess-Entwicklung Prozess-Simulation Material- und Prozess-Parameter Experiment Spezifikationen Machbarkeit Schnelles Heißprägen von Glas Glasbiegen mit Form, Architekturanwendungen Glasbiegen Form-frei, Designanwendungen 9 Schnelles Heißprägen von Glas Nicht-isothermer Formgebungsprozess Laser 10

6 Heißprägen von Glas Herausforderungen beim nicht-isothermen Formgebungsprozess, Prozess-Simulation Erfolgreicher Prozessführung bedarf genauer Kenntnis des Materialverhaltens, wie Schrumpfung der Linsen im Pressprozess und beim Feinkühlprozess, Entstehung und Abbau von mechanischen Spannungen Änderungen von Dichte und Brechungsindex durch Strukturrelaxation und Kontrolle mehrerer Prozessparameter, wie Werkzeugvorhalt Zeit- und Temperaturverläufe Homogenität Brechungsindex nach dem Pressen Effiziente Verknüpfung von Simulation und prozessnahen Prinzipexperimenten 11 Wärmeeintrag mittels Laserstrahlung Glastemperatur Glas Glaserwärmung von Raumtemperatur auf Umformtemperatur 12

7 Film: Glaserwärmung mittels Laserstrahlung, Thermographie 13 Versuchsaufbau zur Lasererwärmung von Glas für das nicht-isothermen Heißprägen Formwerkzeug Versuchsaufbau Linsen-Array 14

8 Glasformgebung am Fraunhofer IWM Typisches Vorgehen bei Prozess-Entwicklung Prozess-Entwicklung Prozess-Simulation Material- und Prozess-Parameter Experiment Spezifikationen Machbarkeit Schnelles Heißprägen von Glas Glasbiegen mit Form, Architekturanwendungen Glasbiegen Form-frei, Designanwendungen 15 Glasbiegen mit Form, Architekturanwendungen Schwerkraftbiegen nach Standardprozess Beobachtungen im Versuch und im Simulationsmodell bei homogener Glastemperatur 160 s 16 Formabweichungen an Schenkel und am Rand Wie könnte ein optimierter Biegeprozess aussehen?

9 Simulation von unterschiedlichen Glasbiegeprozessen 3 Varianten Homogene Temperatur Schmale Wärmezone Breite Wärmezone Langer Schenkel Biegezone 158 mm Wärmezone 120 mm < Biegezone Wärmezone 160 mm ~ vollständige Biegezone rot: 650 C, blau: 600 C 17 Simulation von unterschiedlichen Glasbiegeprozessen 3 Varianten Homogene Temperatur Schmale Wärmezone Breite Wärmezone 18 Fraunhofer IWM Fraunhofer

10 Simulation von unterschiedlichen Glasbiegeprozessen 3 Varianten Homogene Temperatur Schmale Wärmezone Breite Wärmezone 19 Fraunhofer Fraunhofer IWM Simulation von unterschiedlichen Glasbiegeprozessen 3 Varianten Homogene Temperatur Schmale Wärmezone Breite Wärmezone 200 s s 200 s Fraunhofer IWM Fraunhofer

11 Simulation von unterschiedlichen Glasbiegeprozessen 3 Varianten, Betrachtung im Querschnitt Homogene Temperatur 55 s Schmale Wärmezone 55 s Breite Wärmezone 21 blau: 600 C; rot: 650 C 55 s blau: keine/wenig Dehnung; rot: maximale Dehnung Simulation von unterschiedlichen Glasbiegeprozessen 3 Varianten, Betrachtung im Querschnitt Homogene Temperatur Spalt 100 s Schmale Wärmezone 100 s Breite Wärmezone 22 blau: 600 C; rot: 650 C 100 s blau: keine/wenig Dehnung; rot: maximale Dehnung

12 Simulation von unterschiedlichen Glasbiegeprozessen 3 Varianten, Betrachtung im Querschnitt Homogene Temperatur Spalt 600 s Schmale Wärmezone Spalt 1800 s Breite Wärmezone 23 blau: 600 C; rot: 650 C 200 s blau: keine/wenig Dehnung; rot: maximale Dehnung Schwerkraftbiegen nach Standardprozess Beobachtungen im Versuch und im Simulationsmodell 160 s Formabweichungen an Schenkel durch selektives Erwärmen unterbunden Formabweichungen am Rand treten noch auf. Maßnahmen? 24

13 Glasbiegeprozess mit drei Temperaturzonen Zusätzliche Erwärmung im Randbereich der Biegezone 650 C 700 C 600 C 700 C Untersuchung der Scheitelbewegung während der Biegung 25 Glasbiegeprozess mit drei Temperaturzonen Zusätzliche Erwärmung im Randbereich der Biegezone Scheitelbewegung 26

14 Glasbiegeprozess mit drei Temperaturzonen Zusätzliche Erwärmung im Randbereich der Biegezone 27 Schwerkraftbiegen nach Standardprozess Beobachtungen im Versuch und im Simulationsmodell 160 s Formabweichungen an Schenkel durch selektives Erwärmen unterbunden Formabweichungen am Rand durch lokales Erwärmen, z.b. mittels Laser stark reduziert 28

15 Glasformgebung am Fraunhofer IWM Typisches Vorgehen bei Prozess-Entwicklung Prozess-Entwicklung Prozess-Simulation Material- und Prozess-Parameter Experiment Spezifikationen Machbarkeit Schnelles Heißprägen von Glas Glasbiegen mit Form, Architekturanwendungen Glasbiegen Form-frei, Designanwendungen 29 Biegeprozess zum Form-freien Biegen Idee Lokale Erwärmung durch bewegten Laserstrahl Aufwärmen des Glasvolumens über die Dicke Schwerkraftgetriebenes Senkbiegen 30

16 Merkmale beim Erwärmen mittels CO 2 -Lasers Energieabsorption an der Glasoberfläche Wärmetransport im Glas Mehrmaliges Überfahren der Oberfläche zum Einbringen größerer Wärmemengen 31 Simulation einer ringförmigen Erwärmung mittels Laser Glasoberseite 32 Glasunterseite

17 Simulationsmodell zum Form-freien Biegen einer Kreisfläche Temperatur Schwerkraftbiegen mit einer ringförmigen Temperaturverteilung als Startbedingung 33 Simulationsmodell zum formfreien Biegen einer Kreisfläche Verschiebung in z-richtung z Schwerkraftbiegen mit einer ringförmigen Temperaturverteilung als Startbedingung 34

18 Muster aus Biegeprozess mit Lasererwärmung und Formfreiem Biegen Modell nach Deformation unter Schwerkraft Muster Teller von oben betrachtet Mögliche Anwendungen: Designartikel, Displays Fahrzeuginterieur, Möbel, Blenden für leicht zu reinigende technische Geräte 35 Biegeofen und Strahlführung Biegeanlage Variable Optik zum Ändern des Laserspotdurchmessers Scanner Laser P max = 2.7 kw Ofen T 750 C Glas Zeichnung: Elino Industrieofenbau GmbH 36

19 Vorteile durch Nutzung eines Lasers zum Wärmeeintrag Der Laser ist ein Werkzeug, bei dem sehr hohe Präzision bei der Prozessführung gegeben ist Zeitlich und örtlich definierter Wärmeeintrag Ermöglicht lokal begrenzte Glasbiegung und Realisierung von kleinen Biegeradien Anwendung zum Biegen von komplexen 3-dimensionalen Konturen Biegen von dünnem Glas möglich Kürzere Prozesszeiten Keine Abdrücke von Kontaktpunkten bei Form-frei Biegen Hohe Konturgenauigkeit 37 Unser Angebot Modellierung von Glasbiegeprozessen Prozessierungstests an vorhandenen Biegeeinrichtungen Modellversuche für das Aufskalieren auf große Formate und große Stückzahlen Machbarkeit von Formen und Designs durch Simulation und Experiment ermitteln 38

20 Vielen Dank! Tobias Rist Bearbeitungsverfahren, Glasformgebung Geschäftsfeld Fertigungsprozesse Wöhlerstr Freiburg Tel: 0761 / tobias.rist@iwm.fraunhofer.de 39