Schmelzschichten von Glas auf Flachglas: Untersuchungen der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und der Machbarkeit von neuartigen Glasverbindungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ulrich Knaack, seit 10/2023; Professor Dr.-Ing. Matthias Oechsner
• Fachliche Zuordnung: Konstruktiver Ingenieurbau, Bauinformatik und Baubetrieb
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439726461

Die Forschung im Bereich der additiven Fertigung (AF) mit dem Material Glas befindet sich im Gegensatz zu Metallen und Kunstoffen noch im Anfangszustand. Die AF von Glas bietet völlig neue Möglichkeiten für individuelles Design. Homogene, transparente und individuelle Glasverbindungen und Glasverstärkungen auf Flachglas ohne Bohrungen oder Klebstoffe sind denkbar. Einige wenige Forschungsvorhaben fokussieren sich auf die AF von individuellen Glaskomponenten, beschäftigen sich aber noch nicht mit dem Fügeprozess zwischen den Schmelzschichten selbst und Flachglas oder anderen großen Glasstrukturen. Erfolgreiches Fügen von Glas ist vorrangig abhängig von der Viskosität, Fügezeit und den Temperatureinstellungen. Weitere Parameter sind die Wärmemengen und die Geometrie der Fügepartner, das thermische Ausdehnungsverhalten sowie die beim Erwärmen, Kühlen erzeugten Eigenspannungen und die temperaturabhängige Glasfestigkeit. Das Hauptziel des geplanten Forschungsvorhabens ist es, durch die Analyse der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen grundlegende Erkenntnisse über den integrierten Fügeprozess des Schmelzschichtens von Glas auf Flachglas für einen homogenen und reproduzierbaren Fügebereich zu gewinnen. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung möglicher struktureller Anwendungen für neuartige Glasverbindungen auf Flachglas, das i. d. R. aus Borosilikat- und Kalk-Natron-Silikatglas besteht. Der Fügeprozess von schmelzgeschichteten Glas auf Flachglas birgt einige große Herausforderungen. Fundiertes Wissen über die Einflüsse der Temperaturen und volumenbezogenen Wärmemengen sowie über die Entwicklung ungleichmäßiger Eigenspannungen sind erforderlich. Die Wechselwirkung dieser transienten Effekte mit dem spröden Materialverhalten von Glas bei Temperaturen unterhalb der Glasumwandlungstemperatur erfordert Grundlagenforschung, um eine signifikante Festigkeit der Verbindungen zu erreichen. Die Prozessparameter (Temperatur, Geometrie, usw.) beeinflussen die Struktur (Homogenität, Grenzfläche) im Fügebereich der Verbindungen und damit deren mechanischen Eigenschaften (Festigkeit, Eigenspannung). Durch eine systematische Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Prozess, Struktur und mechanischen Eigenschaften werden die relevanten Parameter identifiziert und optimiert. Zusätzlich wird ein numerisches Modell zur Berechnung der Temperaturfelder und den entstehenden Eigenspannungen entwickelt, das als Grundlage für die Optimierung des Fügeprozesses und die Entwicklung des Fügedesigns dient. Basierend auf diesen Ergebnissen (u. a. Prozessoptimierung, Prozessgrenzen) werden Glas-Glas-Verbindungen entworfen und Proben hergestellt. Die systematische Untersuchung der Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen in Kombination mit numerischen Analysen, Material- und Bauteilversuchen wird den Fügeprozess zwischen Schmelzschichten und Flachglas signifikant verbessern. Auf dieser Grundlage wird das Potenzial neuartiger Verbindungen für strukturelle Anwendungen identifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jens Schneider, bis 9/2023