Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »CENTiMO«
Die Nachfrage nach komplexen und gleichzeitig kostengünstigen Glasoptiken wächst – vor Allem im Bereich der Beleuchtungstechnik, Automobiltechnik und der erneuerbaren Energien. Jedoch stehen europäische Unternehmen vor der Aufgabe die Nachfrage nach immer komplexeren Bauteilen bei stetig sinkendem Marktpreis zu beantworten.
Bisher werden Glasoptiken hauptsächlich manuell aus wiedererwärmten Glasstangen gepresst, um danach das überschüssige Glas manuell abzuschleifen. Der Prozess ist deshalb nicht wirtschaftlich. Außerdem ist er nicht für die Massenproduktion geeignet, da die manuelle Arbeit sehr zeit- und kostenintensiv ist und zu viel Energie verbraucht. Es werden große Mengen an Glas verschwendet und die verwendeten Pressformen haben eine nur beschränkte Lebensdauer. Europäische KMU arbeiten deshalb an neuen Technologien, die verbesserte Prozessketten und eine effizientere und wirtschaftlichere Produktion von Glasoptiken ermöglichen.
Der Schlüssel zum Erfolg bei der Entwicklung effizienter Produktionsketten in der Optik liegt darin, das Bauteil direkt aus einem flüssigen Glastropfen zu formen. Dadurch entfällt das Wiederwärmen, das in der bisherigen Produktion üblich ist und es wird Energie eingespart. Ein präziser Schnitt erlaubt es, die Menge des verwendeten Glases äußerst genau zu dosieren, so dass kein weiterer mechanischer Prozess mehr erforderlich ist, um überschüssiges Glas zu entfernen. Außerdem kann der Herstellungsprozess vollständig automatisiert werden und ist damit schnell und zuverlässig. Damit europäische KMU das neue Fertigungsverfahren nutzen können, bedarf es jedoch noch umfangreicher Untersuchungen.
Das Projekt CENTiMO begann mit einer detaillierten Analyse des Schmelz-, Portionierungs-, und Umformprozesses. Auf dieser Grundlage konnten die Projektpartner weitere Prozesse entwickeln, um die Glasrohlinge direkt zu Glasoptiken zu formen. Gleichzeitig galt es, die Formgebungsprozesse weiter zu entwickeln: Neue Materialien mussten getestet werden, um die Qualität der gepressten Bauteile zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern. Die Projektpartner testeten die verbesserten Prozesse unter realen Bedingungen und gaben entscheidende Rückmeldungen, mit denen sich die komplette Prozesskette weiter verbessern ließ.
Motivation
In Zukunft werden LEDs immer heller leuchten und sie können flexibler und individueller eingesetzt werden. Doch dafür müssen optische Elemente höheren Temperaturen standhalten können. Kunststoffoptiken können der thermischen Belastung nur eingeschränkt standhalten – ihr Einsatzspektrum ist daher ebenfalls beschränkt. Im Gegensatz dazu bieten Glasoptiken einzigartige Eigenschaften wie exzellente Wärme- und Kratzfestigkeit. Das verbessert auch die Endprodukte. Glas ist also das Material erster Wahl für die LED der Zukunft.
Technologischer Trend von Glasoptiken
Die Nachfrage nach komplexen, kostengünstigen Glasoptiken steigt nicht nur im Bereich der Beleuchtungstechnik, sondern auch in anderen Sektoren wie der Automobiltechnologie, den erneuerbaren Energien oder der Medizintechnik. Ziel des CENTiMO Projekts war es deshalb, neue Prozessketten, für eine effizientere und kostengünstigere Produktion solcher Glasoptiken zu entwickeln.
Die Forschung und technologischen Entwicklungen in diesem Projekt wurden im Programm »Research for the Benefit of SMEs« (Forschung zugunsten von Kleinen und Mittleren Unternehmen (KMU)) gefördert.
Die Technologie
Das übergeordnete technologische Ziel im CENTiMO-Projekt war eine kostengünstige Herstellung komplexer Glaslinsen durch das Blankpressen. Zwei Entwicklungen standen deshalb im Mittelpunkt des Projekts:
Glasschmelzen und Portionieren
Um das geschmolzene Glas direkt zu einer optischen Komponente zu formen, ist ein geeigneter Glasschmelz- und Portionierungsprozess erforderlich: LEDs sind normalerweise mit kleinen Optiken ausgestattet, die aus unterschiedlichen Glastypen bestehen können. Zu ihrer Herstellung sollen sehr flexible Schmelzöfen mit Kapazitäten bis zu zwei Tonnen Glas pro Tag dienen, die ebenfalls im Projekt CENTiMO entwickelt wurden. Das Formen von Glastropfen zählt heute zum aktuellen Stand der Technik, vor allem in der Behälterglasindustrie (z.B. für Flaschen, Gläser, Trinkgefäße oder Schüsseln). Doch die kleinen Glasmengen, die die Herstellung der LEDs in hoher Produktionsgeschwindigkeit und optischer Qualität erfordert, lassen sich zu diesem Zeitpunkt noch nicht angemessen portionieren. Der Projektpartner Glass Service arbeitete deshalb an umfassenden Modellen für das Glasschmelzen und -portionieren. Die Ergebnisse gaben Einblick in den Prozess und trugen dazu bei, ihn zu optimieren.
Glasformen
Die zweite zentrale Entwicklung des CENTiMO-Projektes war der Umformprozess: Ein Schwerpunkt lag auf der Evaluation von verschiedenen Werkstoffen und Beschichtungen. Es sollte detailliert untersucht werden, welche Materialien für den Formprozess geeignet sind und welcher ihrer Eigenschaften positive oder negative Auswirkungen auf das Prozessergebnis haben. Da der Verschleiß der Formwerkzeuge stark von den genutzten Gläsern abhängt, werden verschiedene gängige Glastypen untersucht.
So konnten diese Entwicklungen die Lebensdauer der Formwerkzeuge verlängern und die Präzision der optischen Bauteile erhöhen. Um die Qualität der gepressten LED-Optiken weiter zu verbessern, wurden ausführliche FEM-Simulationen durchgeführt und so die Schrumpfung des Glases während des Formens bereits im Vorfeld zu berechnen und zu kompensieren.
Alle Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in diesem Projekt basierten auf einer ausführlichen Bedarfsanalyse der Industriepartner und vereinbarten Demonstratorbauteilen. Das stellte sicher, dass die Entwicklungen sich an den Bedarfen der beteiligten KMU orientieren und hier die Anforderungen des Anwenderunternehmens Osram GmbH treffen.
CENTiMO Prozesskette im Vergleich mit dem neuesten Stand der Technik
Funding organization
European Commission
Research Executive Agency REA
S. Impens
Unit S.1 SME
1049 Brüssel
Belgien
Projekt Koordination
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Dipl.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Holger Kreilkamp
Steinbachstraße 17
52074 Aachen
Projekt Partner
Die CENTiMO Arbeitsgruppe besteht aus einer fachübergreifenden Zusammenstellung von Partnern aus allen Teilen Europas, die verschiedene Schwerpunkte und Themen des Projekts bearbeiten.
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
- Füller Glastechnologie Vertriebs GmbH
- Glass Service AS
- Industrial Analysis Limited IAL
- Officine S.L. srl.
- Osram GmbH