SCHOTT solutions Nr. 2/2013 > Glaskeramik

Foto: SCHOTT/C. Costard

Präzise Vorhersage


Ein neues mathematisches Modell des SCHOTT Optik-Experten
Dr. Peter Hartmann zur Berechnung der Festigkeit von ZERODUR® Glaskeramik-Komponenten liefert verbesserte Kennzahlen. Kunden aus den Bereichen Raumfahrt, Astronomie und Lithografie profitieren: durch erhöhte Betriebssicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz der Bauteile.


Christine Fuhr

Um ins All zu starten, ohne gleich wieder auf den Boden aufzuschlagen, muss eine Rakete mit einer Geschwindigkeit von mindestens acht Kilometern pro Sekunde die Anziehungskraft unseres Planeten überwinden. Das Abheben funktioniert nach dem sogenannten Rückstoß-Prinzip: Durch Verbrennung des Treibstoffs entstehen Gase, die mit großer Geschwindigkeit und unter hohem Druck ausströmen und die Rakete nach oben bewegen. Die physikalischen Kräfte, die durch Schub, Beschleunigung, Druck und Vibration sowohl auf die Trägerrakete als auch auf die mitgeführten Instrumente – wie beispielsweise Satelliten oder Weltraumteleskope – einwirken, sind enorm. Wichtig für die Entwickler der hochwertigen Geräte, die in der Erdumlaufbahn oder im All hochauflösende Aufnahmen und präzise Messungen durchführen, ist die möglichst genaue Kenntnis der physikalischen Eigenschaften aller eingesetzten Werkstoffe. Gefordert ist idealerweise eine möglichst geringe Ausfallwahrscheinlichkeit der jeweiligen Komponenten bei maximaler Belastung – denn nichts ist ärgerlicher, als wenn die kostspieligen Hightech-Instrumente den hohen Umgebungsbelastungen nicht standhielten.
Vermessung eines ZERODUR®Leichtgewichtsspiegels mit 1,2 Metern Durchmesser und nur 45 Kilogramm Gewicht (links). Die dreieckigen Ausfräsungen auf der Rückseite ermöglichen eine Gewichtsreduktion von bis zu 90 Prozent. An die Festigkeit der filigranen Spiegelträger werden hohe Anforderungen gestellt, denn beim Start von Trägerraketen für Satelliten oder Weltraumteleskope (oben) gilt es, enormen physikalischen Kräften standzuhalten. Foto: Thinkstock

Glas und Glaskeramik: spröde, aber stabil und hart


Beim Einsatz von spröden glas- und glaskeramischen Werkstoffen in anspruchsvollen technischen Anwendungen ist Festigkeit ein entscheidender Faktor. Mit dem Thema Festigkeit bzw. Biegespannung setzt sich der Glasspezialist und Technologiekonzern SCHOTT seit vielen Jahren in Forschung & Entwicklung intensiv auseinander – das Ziel: Glas noch fester zu machen
(s. auch solutions 1/2013)
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Theoretisch halten Glas und glaskeramische Werkstoffe aufgrund ihrer starken atomaren Bindungen hohen Biegespannungen stand. In der Praxis verringern sich diese allerdings nach der formgebenden Bearbeitung mit Diamant-Schleifwerkzeugen. Diese führen zu Mikrorissen in der Oberfläche, die mit zunehmender Tiefe zum Bruch und damit zu komplettem Bauteilversagen führen können. Für Anwender ist es verständlicherweise wichtig, möglichst genau zu erfahren, wann dies eintritt. Für die ZERODUR® Glaskeramik mit extrem niedriger thermischer Ausdehnung können SCHOTT Materialexperten jetzt optimierte Daten zur Festigkeit liefern. Bisher wurde zur Vorhersage der Festigkeit von Glaskeramik standardmäßig die ”2-parametrische-Weibull-Verteilung” angewendet. Bei dieser wird die Bruchspannung (in Megapascal/MPa) und die Ausfallwahrscheinlichkeit von Proben aus einem Doppelringversuch dargestellt und extrapoliert. Wie der SCHOTT Optik-Experte Dr. Peter Hartmann in seiner Arbeit „ZERODUR®: Deterministic Approach for Strength Design” anhand größerer Stichprobendaten nachgewiesen hat, ist dieses konventionelle Verfahren nicht ausreichend, sondern muss durch einen modifizierten (Weibull-) Ansatz mit drei Parametern ergänzt werden.
Dieser neue Ansatz liefert einen Mindestfestigkeitswert für definierte Oberflächenbedingungen und ermöglicht die Berechnung der Lebensdauer bei vorgegebener Spannung unter Berücksichtigung der Werkstoff-Ermüdung unter Belastung. Weiterer Vorteil: Das Modell verringert bisherige statistische Unsicherheiten sowie zu konservativ angesetzte Sicherheitsfaktoren und erlaubt damit in der Konsequenz deutlich höhere zulässige mechanische Belastungen von ZERODUR® Komponenten als bisher. Davon profitieren Kunden aus Astronomie, Raumfahrt und Lithografie, die ZERODUR® bei immer höheren statischen und dynamischen Belastungsprofilen einsetzen wollen. Und dies jetzt auch können – dank präziser Vorhersage der Festigkeit.

Festigkeit von ZERODUR®

Bruchwahrscheinlichkeit bei unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit
Die dreiparametrischen Weibull-Kurven fallen alle zu einer Bruchwahrscheinlichkeit von Null, abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit. Die Minimalwerte liegen jetzt wesentlich höher als die bisher verwendeten 10 MPa, was künftig den Einsatz von ZERODUR® bei höheren mechanischen Belastungen ermöglicht. Quelle: SCHOTT/P. Hartmann
Optik-Experte Dr. Peter Hartmann erhielt für seine Arbeit über die Festigkeit von temperaturstabiler ZERODUR® Glaskeramik den SCHOTT Preis für besondere Leistung in Forschung und Entwicklung 2013. Foto: SCHOTT/A. Sell
Mit ZERODUR® Glaskeramik werden u. a. filigrane Leichtgewichtsspiegelträger für Satelliten oder Weltraumteleskope hergestellt, bei denen durch dreieckige Ausfräsungen auf der Rückseite eine Gewichtsreduktion von bis zu 90 Prozent erreicht wird. ZERODUR® Komponenten übernehmen ebenso Präzisionsaufgaben in der Elektronik- und Halbleiterindustrie: als Spiegeloptiksubstrat in Lithografiegeräten zur Herstellung Tausender oder gar Millionen von Schaltkreisen für die Farbgestaltung bei LCD-Bildschirmen. Oder in der Chipproduktion, bei der die Strukturgrößen in den nächsten Jahren auf wenige Nanometer schrumpfen. Kurz: Anwendungen, bei denen höchste Präzision, Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit der Komponenten von größter Bedeutung für das reibungslose Funktionieren komplexer Prozesse sind. „Mit dem optimierten Berechnungsmodell und belastbaren Daten zur Festigkeit konnte nachgewiesen werden, dass ZERODUR® Glaskeramik unter verschärften Umständen fester und stabiler ist als bisher angenommen. Das eröffnet Anwendern neue Perspektiven bei der Konstruktion ihrer Instrumente und Geräte”, erklärt Dr. Peter Hartmann, der für sein Modell mit dem SCHOTT F&E-Preis ausgezeichnet wurde.

„Die Arbeit dokumentiert einen hohen Grad an wissenschaftlich-technischer Professionalität und demonstriert die hervorragende Material- und Technologiekompetenz bei SCHOTT”, erklärt Vorstandsmitglied Dr. Hans-Joachim Konz bei der Preisverleihung. „Zudem unterstreicht die Arbeit unseren Anspruch, Kundennutzen durch exzellentes Materialverständnis zu schaffen. Sie ist Beispiel für die gelungene Verknüpfung zwischen Wissenschaft einerseits und technischem Marketing andererseits.” <

Extrem niedriger Ausdehnungskoeffizient

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ZERODUR® Glaskeramik