Der Einsatz von Lasern beim Fügen von Glas und Metall ermöglicht eine automatisierte Fertigung mit höherer Prozessstabilität. Herausragende Ergebnisse vor allem bei hitzeempfindlichen Floatgläsern.

Kombinationen von Glas mit Metall finden weite Verbreitung z.B. bei Glühlampen, Solarkollektoren oder Röntgenröhren. Das Fügen dieser stofflich so unterschiedlichen Bestandteile ist in der Glasverarbeitung häufig noch Handarbeit. Dadurch unterliegt der Prozess Schwankungen in Qualität und Quantität. Zudem droht der Verlust von Prozesskenntnissen beim Ausscheiden von Mitarbeitern mit langjährig erworbenen Erfahrungen.

Dieser Problematik hatte sich das AiF-Projekt GLAME unter der Leitung des Laser Zentrums Hannover gewidmet. Dabei wurde ein laserbasiertes Verfahren entwickelt, das das Fügen von Metall und Glas ohne Zusatzwerkstoffe sowohl mit erhöhter Prozessstabilität als auch effizienter gestaltet. Der jüngst veröffentlichte Abschlussbericht zeigt die Vorteile durch den Einsatz verschiedener Laser in den Bereichen Flachglas und Rohrglas gegenüber dem bisher üblichen Gasbrenner.

Gezielter Energieeintrag per Laser

Aufgrund der direkten Korrelation der Temperatur mit der Viskosität des Glases, sind die Kontrolle und Beherrschung der Temperatur Hauptthemen im Fügeprozess. Hier zeigen Laser gegenüber dem herkömmlichen Gasbrenner Vorteile, da sie einen gezielten und gut steuerbaren Energieeintrag ermöglichen. Insbesondere CO2- Laserstrahlquellen eignen sich aufgrund ihrer emittierten Wellenlänge von 10,6 ?m für eine effiziente thermische Bearbeitung des Werkstoffs Glas.
Dabei bestimmen das Ausgangsmaterial und die gewünschte Geometrie den Lasertyp. So z.B. wurde ein CO2-Slab-Laser mit einer Ausgangsleistung von 300W und einem bauartbedingt kleinen Laserkopf eingesetzt, wenn ungünstige lange Strahlwege vermieden werden sollten. Ist Applikationsbedingt ein größerer Energiebedarf gefragt ist, hat sich ein gleichstromangeregter, axial schnellgeströmter CO2-Laser (3 KW) als zweckmäßig erwiesen. Zur Erwärmung des Metalls können auch Laser im nahinfraroten Bereich eingesetzt werden. Dabei wird das Metall durch das Glas hindurch, unter Nutzung der starken Transmission von Glas bei 1030nm, bestrahlt, die Energie direkt in die angestrebte Fügezone ohne Zeitverzug durch Wärmeleitung eingetragen. Die Strahlung wird z. B. durch einem Scheibenlaser (Yb:YAG) bereitgestellt. Sein Vorteil ist die nahezu homogene Flächenerwärmung, der sehr schnellen Leistungsanstieg sowie eine gute Leistungsstabilität. Diese Methode kommt bei der Verbindung von Floatglas und Metall zum Einsatz. Hier konnte eine hochqualitative Glas-Metall-Verbindung unter industrienahen Bedingungen realisiert werden.

Bei der Fertigung rotationssymmetrischer Verbindungen am Beispiel von Solarreceiverkappen mittels CO2-Laserstrahlung konnte eine erhebliche Zeitersparnis von bis zu 50% gegenüber der Fertigung mit Gasbrennern erreicht werden. Im Vergleich zur Flamme war der Eintrag von Kondenswasser in die Fügezone ausgeschlossen.

Glasspezialisten überrascht vom Ergebnis

Dieter Wagner, Mitglied der Geschäftsleitung des Glasbearbeiters EuropTec GmbH, stand dem Projekt im begleitenden Ausschuss mit Rat und Tat zur Seite. Auf seine Anregung hin waren im Verlauf des Projektes die Untersuchungen auch auf den Bereich Floatglas ausgedehnt worden. „Glas liefert eigentlich denkbar schlechte Voraussetzungen für eine Verbindung mit Metall. Insbesondere Floatglas, vielfach als Fensterglas verwendet, ist ein extrem schwieriger Werkstoff, da es sehr hitzeempfindlich ist. Ich bin von diesem sehr guten Ergebnis wirklich beeindruckt!“
Denn für die kostengünstigen Floatgläser konnten wesentliche Verbesserungen bei der flexiblen und präzisen Gestaltung der Verbindungsnaht erreicht werden: Der Laser ermöglicht hier Punktkombinationen bis zu Linien, ähnlich Schweißverbindungen mit Vorschüben bis zu v=300 mm•min-1. Somit werden vielfältigste Geometrien und Applikation für zukünftige Bauteile und Produkte denkbar. Kombiniert mit einer Bilderkennung und Online-Positionierungen erlaubt das neue Verfahren eine vollautomatische Fertigung von Glas-Metallverbindungen mit beachtlicher Festigkeit. Dies gilt insbesondere für Bauteile, die eine lokal begrenzte Temperaturbelastung und hohe Formstabilität erfordern.

Dieter Wagner ist überzeugt, dass die Technologie interessante Chancen am Markt bietet. Mit dem Laserverfahren wird eine grundlegend neue Technologie zur Verfügung gestellt, die auch ganz innovative Produkte ermöglicht. Eine aktuelle industrielle Nutzung bietet sich z.B. im Bereich Solarthermischer Kraftwerke oder für vakuumtaugliche Flachglasverbünde an.

Seit einigen Jahren arbeitet das Goslarer Unternehmen EuropTec nun schon mit dem Laser Zentrum Hannover in verschiedenen Projekten sehr erfolgreich zusammen. Intensiviert wurde diese Verbindung durch die gemeinsame Partnerschaft im PhotonicNet, dem niedersächsischen Kompetenznetz Optische Technologien. Für die Zeit nach GLAME hat man bereits neue Projekte gestartet. Eines wird sich zum Beispiel mit der Verbesserung des Gesamtprozesses beim Bohren von Flachgläsern befassen.

GLAME wurde unterstützt durch die AiF Mitgliedsvereinigung Forschungsgemeinschaft Technik und Glas e.V. Bronnbach. Weitere Projektpartner: Schott Duran, MGlas AG, Europtec AG, Bohle AG, Glasbläserei Paris, Flabeg GmbH, Dt. Glastechnische Gesellschaft (DGG& HVG).