Faszination Glas!

Der Werkstoff Glas

01 Einführung

Genaugenommen ist Glas eine erstarrte Flüssigkeit.

Physikalisch gesprochen handelt es sich um eine unterkühlte Flüssigkeit.

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Was ist Glas eigentlich?

fest

formbar

flüssig

Bei Zimmertemperatur ist Glas fest.

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

fest

formbar

flüssig

Bei etwa 1.000 °C ist Glas formbar.

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

fest

formbar

flüssig

Ab etwa 1.400°C wird der Werkstoff flüssig.

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

fest

formbar

flüssig

Der Werkstoff Glas

Bestandteile von Glas

Das Faszinierende an Glas ist, dass es ausschließlich aus natürlichen anorganischen Rohstoffen hergestellt wird.

 

Die wichtigsten sind: Quarzsand (Siliziumdioxid), Kalk (Kalziumkarbonat) und Soda (Natriumkarbonat). Es können allerdings auch Dolomit (Kalzium-Magnesium-Karbonate) oder Feldspat (Silikat-Mineral) enthalten sein.

 

Darüber hinaus kommen verschiedene andere Rohstoffe hinzu, je nachdem, welche Eigenschaften das Glas haben soll.

 

Es verwundert also nicht, dass es eine Vielzahl von Rezepturen für die beeindruckende Vielfalt von Gläsern gibt.

Bedeutung des Herstellungsverfahrens

02 Was ist Glas

Bedeutung des Herstellungsverfahrens

Doch die Rezeptur ist nicht alleine ausschlaggebend für die Glaseigenschaften. Auch das Herstellungsverfahren nimmt deutlichen Einfluss darauf.

 

So ist unter anderem der Abkühlprozess nach der Glasschmelze von entscheidender Bedeutung. Jedes Glas hat seine eigene Auskühlzeit. Sie kann zwischen 30 Minuten und mehreren Monaten liegen.

 

Durch langsames Abkühlen können zum Beispiel Spannungen im Glas verhindert werden. Durch rasches Abkühlen hingegen kann gezielt Spannung im Glas aufgebaut werden, die dann etwa zur Festigkeit des Glases beiträgt.

02 Was ist Glas

Glas ...

• verträgt hohe Temperaturen

• ist wandelbar

• ist formstabil, dennoch formbar

• ist gasdicht

• ist geschmacksneutral

• geht keine Reaktionen mit anderen Stoffen ein

• ist häufig recycelbar

Durch diese herausragenden Eigenschaften kann Glas so vielfältig eingesetzt werden.

Der Werkstoff Glas

Eigenschaft

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Hohe chemische Beständigkeit gegenüber Wasser und Chemikalien, insbesondere gegenüber Säuren und organischen Lösungsmitteln

Einsatz

Fläschchen für Pharmaprodukte, Spritzen etc.

Eigenschaft

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Nichtentflammbarkeit, verträgt hohe Temperaturen

Einsatz

Kaminsichtscheibe, Brandschutzglas...

Eigenschaft

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Formstabilität bei Temperaturschwankungen

Einsatz

Kochfeld, Backofentür…

Eigenschaft

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Nichtleiter von elektrischem Strom

Einsatz

Isolierung von elektrischen Verbundteilen

Eigenschaft

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Hohe Transmission des sichtbaren Lichts, d. h. Durchsichtigkeit und Klarheit. Das führt zu optimaler Ablenkung des Lichts z. B. bei Prismen

Einsatz

Teleskope, Kameraobjektive, Mikroskopobjektive und -okulare

Die Welt des Glases ist unglaublich vielfältig und doch ist alles dem Wesen nach der gleiche Werkstoff.

Machen Sie sich mit den drei Arten von Glas vertraut.

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Arten von Glas

Optisches

Glas

Technisches

Glas

Glas-

keramik

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Arten von Glas

Optisches Glas

Bei optischen Gläsern stehen die optischen Eigenschaften des Werkstoffs im Vordergrund. Die Anforderungen an optisches Glas sind sehr hoch: Das Glas muss homogen sein und darf keinerlei Fehler wie Blasen, Schlieren oder Knoten aufweisen.


Jedes optische Glas wird für einen ganz bestimmten Einsatzzweck hergestellt, z. B. für Linsen oder optische Filter. Daher muss das Glas bezogen auf die Lichtdurchlässigkeit (Transmission und Absorption) und die Lichtbrechung (Brechzahl, Dispersion) bestimmte Spezifikationen aufweisen.

Entsprechend ihrer Brechzahl und ihrer Abbe-Zahl als Maß für die Dispersion werden die Gläser im Abbe-Diagramm geordnet dargestellt.

Hieran wird deutlich, wie unglaublich vielfältig die Welt der optischen Gläser ist.

Viele optische Gläser stammen aus den gleichen Glasgruppen wie die technischen Gläser. Sie benötigen aber speziell ausgesuchte, reine Rohstoffe und bestehen aus teilweise bis zu 14 verschiedenen Komponenten.

Optisches

Glas

Technisches

Glas

Glas-

keramik

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Arten von Glas

Technisches Glas

Als technische Gläser werden alle Glastypen bezeichnet, deren Hauptanwendung nicht im optischen Bereich liegt.

In der Regel werden technische Gläser in der Chemieindustrie, in Laboratorien, in der Technik, der Pharmazie, der Optoelektronik und im Haushalt eingesetzt.

Sie unterscheiden sich von optischen Gläsern durch den Einsatz einer geringeren Anzahl von Rohstoffen. Die Anforderungen bzgl. Reinheit der Rohstoffe sind oft weniger streng als für optische Gläser. Auch die Herstellungsverfahren unterscheiden sich deutlich.

 

Technische Gläser können ihrer Zusammensetzung nach grob in sechs Gruppen eingeteilt werden:

Optisches

Glas

Technisches

Glas

Glas-

keramik

• Borosilikatglas

• Alumosilikatglas

• Alumo-Borosilikatglas

• LAS-Glaskeramik

• Alkali-Blei-Silikatglas

• Alkali-Erdalkali-Silikatglas

02 Was ist Glas

Der Werkstoff Glas

Arten von Glas

Glaskeramik

Als Sonderform der technischen Gläser ist Glaskeramik ein anorganisches, teilweise glasiges, teilweise kristallines Material.

 

Es bringt Eigenschaften mit, die weder Glas noch Keramik alleine aufweisen:

Optisches

Glas

Technisches

Glas

Glas-

keramik

  • Durch die Teilkristallinität ist eine höhere Temperaturbelastung als bei reinem Glas möglich
  • Der Ausdehnungskoeffizient bestimmter Glaskeramiken liegt bei nahezu null. Daher reagiert das Material nicht auf Temperaturunterschiede
  • Da die Kristalle im Material mikroskopisch klein sind, ist dennoch eine Transparenz (Durchsichtigkeit) oder Transluzenz (Lichtdurchlässigkeit) möglich

Herstellungsverfahren

03 Glasherstellung

SCHOTT entwickelt innovative Gläser, die außergewöhnlichen Anforderungen gerecht werden.

 

Und gleichzeitig entwickelt SCHOTT Herstellungsverfahren, die die einzigartigen Eigenschaften der Gläser überhaupt erst hervorbringen.

 

Die wichtigsten Herstellungsverfahren stellen wir Ihnen hier vor.

Ultradünnglas und Floatglas

03 Glasherstellung

Ziehen und Floaten:

Ziehen und Floaten

Ultradünnglas:

Das Ziehen im Down-Draw-Verfahren

Ziehen und Floaten

03 Glasherstellung

Für das ultradünne Glas wurde ein einzigartiges Fertigungsverfahren entwickelt: Die Down-Draw-Technologie.

 

Dabei wird ein Glasband durch die Kühlstrecke nach unten gezogen. Die Ziehgeschwindigkeit ist entscheidend für die Dicke des Glases.

Ziehen und Floaten

03 Glasherstellung

Floatglas im bewährten Floatverfahren

Ziehen und Floaten

03 Glasherstellung

Beim Floatverfahren bewegt sich ein endloses Glasband von der Schmelzwanne kommend weiter durch das Zinnbad in Richtung Kühlbahn. Das Glasband schwimmt auf der Oberfläche des flüssigen Zinns und wird durch Top-Roller in die Breite gezogen.

 

Infolge der Oberflächenspannung der Glasschmelze und der planen Oberfläche des Zinnbades bildet sich auf natürliche Weise ein absolut planparalleles Glasband.

 

Beim Austritt aus dem Zinnbad ist die exakte Temperaturführung im Bereich von 600 °C entscheidend. Das Glasband muss die nötige mechanische Festigkeit für das Abziehen von der Zinnoberfläche haben.

 

Im Kühlkanal und auf der anschließenden Transportstrecke kühlt das Glas bis auf Raumtemperatur ab.

Glasfaserzug

03 Glasherstellung

Zwei Gläser – zwei Brechzahlen

Glasfaserzug

03 Glasherstellung

Glasfasern werden aus zwei verschiedenen Gläsern hergestellt:


Sie besitzen einen Kern mit höherer Brechzahl und eine Ummantelung mit niedriger Brechzahl. Fällt nun Licht ausreichend flach auf einen solchen Übergang von Glas mit einer höheren Brechzahl zu Glas mit einer niedrigeren Brechzahl, wird das Licht reflektiert und in der Faser weitergeleitet.

Aus zwei wird eins

Glasfaserzug

03 Glasherstellung

Das Glasrohr und der Glasstab werden am unteren Ende erhitzt, nach unten gezogen und schmelzen zusammen.

 

Die Geschwindigkeit des Ziehens von Rohr und Kern bestimmt den gewünschten Mantel- und Kerndurchmesser. Schnelles Ziehen lässt die Faser dünner werden, bei langsamerem Ziehen bleibt die Faser dicker. So kann der Durchmesser gezielt gesteuert werden.

 

Hat die Faser den gewünschten Durchmesser, wird sie mit einem schützenden Gleitmittel, der sogenannten Schlichte, versehen, die das Faserbündel flexibel macht.

Glaspulver und Glas-Metall-Gehäuse

03 Glasherstellung

Zuverlässiger Schutz sensibler Elektronik

Glaspulver und Glas-Metall-Gehäuse

Glaspulver und Glas-Metall-Gehäuse

03 Glasherstellung

Glaspulver

Glaspulver ist ein wesentliches Ausgangsmaterial für die Herstellung von Glas-Metall-Gehäusen, aber auch für viele andere Produkte.

Für die Herstellung von Glaspulver wird Glas geschmolzen und in größere Stücke, sogenannte Ribbons, gegossen.

Im Anschluss durchlaufen die Ribbons einen Mahlprozess und werden zu Glaspulver gemahlen.

Glaspulver und Glas-Metall-Gehäuse

03 Glasherstellung

Glaspresslinge

Glaspulver kann zu Glaspresslingen verarbeitet werden und dient in Glas-Metall-Gehäusen und -Durchführungen als Löt- und Dichtungsmasse.

 

Um Glaspresslinge herzustellen wird das Glaspulver mit einem Bindemittel versetzt. Es entsteht ein Glasgranulat, das zu Formteilen gepresst wird.

 

Im anschließenden Sinterprozess wird das Bindemittel ausgebrannt. Zurück bleiben äußerst stabile Formteile.

Glaspulver und Glas-Metall-Gehäuse

03 Glasherstellung

Hermetische Verbindung von Glas und Metall

Was ist eine Glas-Metall-Einschmelzung (GTMS)?

  • Eine Glas-Metall-Einschmelzung ist eine elektrisch isolierte Verbindung von Glas und Metall
  • Die Verschmelzung von Glas und Metall erzeugt eine gas-undurchlässige Barriere
  • Im Gegensatz zu anderen organischen Verbundmaterialien, altert eine Glas-Einschmelzung nicht
  • Glas-Metall-Verschmelzungen sind die bevorzugte Technologie zum Schutz empfindlicher Elektronik oder elektrochemischer Substanzen, die zuverlässig und langfristig geschützt werden müssen

Rohrzug und Heißformgebung

03 Glasherstellung

Rohrglas und Pharmazeutische Primärverpackung

Rohrzug und Heißformgebung

Rohrzug und Heißformgebung

03 Glasherstellung

Der Rohrzug

Beim Rohrzug läuft das geschmolzene Glas auf einen rotierenden keramischen Hohlzylinder, die sogenannte Dannerpfeife. An der Spitze der Pfeife bildet sich die sogenannte Ziehzwiebel, von dieser wird das Glasrohr im freien Durchhang auf eine horizontale Ziehbahn abgezogen. Durch die hohle Pfeife wird Druckluft geblasen, um zu verhindern, dass das Glasrohr zusammenfällt.

Rohrzug und Heißformgebung

03 Glasherstellung

Die Heißformgebung

Durch Erhitzen können die Glasrohre in die gewünschte Form gebracht werden. Dieses Verfahren nennt sich Heißformgebung und kommt für alle Produktgruppen zum Einsatz:

 

Das Glasrohr wird eingespannt und durch permanentes Drehen von allen Seiten gleichmäßig erhitzt. Sobald es heiß genug ist, kann man das Rohr durch einfaches Auseinanderziehen auf die gewünschte Länge bringen. Anschließend wird das Rohrstück noch im heißen Zustand durch entsprechende Werkzeuge zu einem Container geformt.

Walzen

03 Glasherstellung

Glaskeramik

Walzen

Walzen

03 Glasherstellung

Die Abkühlung

Das Glas, das zur Glaskeramik weiterverarbeitet werden soll, wird nach dem Walzen besonders langsam und kontinuierlich von ca. 900 °C auf unter ca. 100 °C heruntergekühlt.

 

So wird die Restspannung im Glas reduziert. Das macht die Robustheit des Materials aus: Es ist äußerst beständig und hält hohen Belastungen stand.

Walzen

03 Glasherstellung

Die Nachverarbeitung

Als Kochfläche benötigt CERAN® eine spezielle Nachverarbeitung:

 

Das Rohglas wird entsprechend den Wünschen der Kunden auf die passende Größe geschnitten und die Löcher für die Bedienelemente werden gebohrt.

 

Auch ROBAX® erhält eine ähnliche Nachverarbeitung der Glasscheiben. Allerdings können die Scheiben zusätzlich noch in die gewünschte Form verformt werden.

 

Jede Scheibe kann kundenindividuell bedruckt werden: Den Möglichkeiten der Dekors sind dabei keine Grenzen gesetzt. So entstehen hochmoderne Designs.

Walzen

03 Glasherstellung

Die Keramisierung

Jede Scheibe wird auf ca. 900 °C erhitzt. Bei dieser Temperatur verändert sich die molekulare Zusammensetzung des Glases.

 

Ein Teil wird kristallisiert. Das bedeutet, das Glas weist teilweise Kristallstrukturen auf und wird so zu einem Glas-Kristall-Mischkörper.

 

Dieser Mischkörper bringt die gewünschten Eigenschaften mit: hohe Temperaturbelastbarkeit und keine Ausdehnung des Materials bei Temperaturunterschieden.

Wannenguss und Presslinge

03 Glasherstellung

Optisches Glas

Wannenguss und Presslinge

Wannenguss und Presslinge

03 Glasherstellung

Das Pressen

Presslinge sind durch Heißbearbeitung unter Druck vorgeformte optische Gläser mit matten Oberflächen.

Presslinge besitzen bereits die Form der späteren optischen Komponente, z. B. Linsenpresslinge, Prismenpresslinge etc.

 

Das Pressen der Gläser hat einige Vorteile:

  • Es entsteht weniger Materialverlust.
  • Die Oberfläche ist endkonturnah.
  • Das Pressen geht sehr schnell und spart damit Zeit.

Wannenguss und Presslinge

03 Glasherstellung

Die Feinkühlung

Die Feinkühlung ist eine Erhitzung und nochmalige gezielte Abkühlung des Glases, die die optischen Eigenschaften und die Spannungsdoppelbrechung spezifisch verändern kann.

 

Die exakte Einstellung der definierten Schlüsseleigenschaften erfolgt durch hochpräzise Temperatur-Zeit-Programme, z. B. für Brechzahl, Dispersion und Spannung.

Guss und Keramisierung

03 Glasherstellung

Glaskeramik

Guss und Keramisierung

Guss und Keramisierung

03 Glasherstellung

Die Schmelze und der Guss

Beim Aufheizen der Rohstoffe entsteht ein Schmelzfluss. Durch die Läuterung wird dieser von Blasen befreit, die durch chemische Reaktionen entstanden sind.

 

Damit die Glasschmelze wirklich homogen ist, wird sie zusätzlich gerührt. Dann wird das flüssige Glas über einen Speiser in Auftragsspezifische Formate geformt.

Guss und Keramisierung

03 Glasherstellung

Die Keramisierung

und Kühlung

Nach dem Guss wird die Form kontrolliert auf Raumtemperatur abgekühlt.

 

Dann erfolgt in einem ersten Schritt eine Grobbearbeitung aller Oberflächen. Bei der Keramisierung wird anschließend die Temperatur langsam so weit erhöht, dass die Kristallkeimbildung einsetzt. Nach einer Haltezeit, die die Anzahl der gewünschten Kristallkeime bestimmt, wird die Temperatur dann weiter in den Bereich des Kristallwachstums erhöht.

 

Nach Einstellung der gewünschten Kristallitgrößen werden die Formate wieder kontrolliert abgekühlt.

 

Die dabei entstehende Kombination aus ca. 30 Prozent Restglas und 70 Prozent Kristallen im Werkstoff sorgt für die extrem niedrige thermische Ausdehnung der Glaskeramik.

ENDE