Premiumhersteller sehen neue Einsatzfelder von technisch anspruchsvollen Glaskomponenten für das Automobil der Zukunft. Mit den gegenwärtigen Produktionstechnologien ist eine ökonomische Herstellung dieser Bauteile nicht darstellbar. Vitrum Technologies GmbH ermöglicht den Durchbruch zur kostengünstigen Massenproduktion.

Im Automobilsektor gibt es einen wachsendenden Bedarf an Produkten aus Dünnglas, z.B. 3D-Glasabdeckungen für Displays, Mittelkonsolen, Lautsprecher etc. oder als Teil des Optiksystems in Head-up-Displays. 

Vorteile von Glaskomponenten im Automobil der Zukunft
Glas zeichnet sich durch eine Vielzahl positiver Eigenschaften aus [1, 2]:

• Hoher ästhetischer Mehrwert durch visuelle und haptische Wahrnehmung von Glaskomponenten im Interieur. 
• Hohe Kratzfestigkeit insbesondere durch thermische oder chemische Härtung.
• Beständigkeit gegenüber thermischen Einflüssen und Solarisation, sowie verschiedenen Medien und Reinigungsmitteln (wichtig für Shared-Mobility Anwendungen)
• Integrierbarkeit von Schaltkreisen 

Herausforderungen und Limitation der bestehenden Verfahren
Die Herausforderungen sind höhere Formkomplexität, Genauigkeit und Produktvarianten mit der Notwendigkeit die Stückzahlkosten zu senken. Zum Beispiel weisen Head-Up-Displays (HUD) ausschließlich Freiformgeometrien auf. Ästhetisch anspruchsvolle Mittelkonsolen sind in mehreren Achsen komplex verstreckt und weisen die Kombination konkaver und konvexer Elemente auf.

Bisher verwendete Herstellungsmethoden mittels Schleifen und Polieren sind aufgrund der eingeschränkten Bearbeitungsfähigkeit für Dünngläser in Bezug auf den Bruch und hinsichtlich der zeitlichen und örtlichen Länge der Prozesskette ökonomisch nicht darstellbar [3].

In einem Hochlohnland wie Deutschland sind die oft manuelle Reinigung und Bestückung für jeden einzelnen der Schleif- und Polierschritte problematisch. Ferner gehen bei Freiformgeometrien die Skalierungspotentiale der direkten Herstellungsmethode aufgrund aufwendiger Werkzeugkinematiken nahezu vollständig verloren. Die Verfahren Schleifen und Polieren sind energieintensiv und es fallen umweltbelastende Polierrückstände an.

Lösungsansatz
Replikative (umformende) Technologien sind ein vielversprechender Ansatz, um die oben genannten technischen und wirtschaftlichen Herausforderungen zu überwinden. Hierbei wird ein Formwerkzeug eingesetzt. Die Oberflächenqualität und Formtreue des Formwerkzeugs sind maßgeblich für die Qualität der Endprodukte [4].

Formwerkzeug und Glas werden auf eine für die Umformung geeignete Temperatur gebracht und unter Einwirkung von Kraft in die Zielgeometrie überführt. Je nach Komplexität der Endprodukte kann die umformende Prozesskette schon bei niedrig dreistelligen Stückzahlen effizienter sein als eine konventionelle Fertigung. 

Replikative Prozessketten stellen jedoch Hersteller vor große Herausforderungen. Viele der positiven Glaseigenschaften gehen mit einer sehr hohen Verarbeitungstemperatur des Glases einher. Maschinentemperaturen von weit über 1000 °C sind daher keine Seltenheit. Gleichzeitig müssen die Endprodukte eine Maßhaltigkeit im niedrig zweistelligem µm-Bereich aufweisen. Die Fertigungskosten und Standzeiten der Formwerkzeuge sind somit maßgeblich für die Kostenstruktur umformender Prozessketten. In der Industrie werden gegenwärtig isotherme Verfahren eingesetzt, bei denen Glas und Formwerkzeug gleichzeitig erwärmt werden. Die Folge sind Taktzeiten i.d.R. Größenordnung von 30 Minuten bis zu mehreren Stunden. In direkter Konsequenz sind die langen Taktzeiten isothermer Verfahren verantwortlich für die reduzierte Lebensdauer der Formwerkzeuge. 

Erweiterter Lösungsansatz
Das Besondere an Vitrum Technologies Konzept ist die Nutzung einer sog. nicht-isothermen Prozessführung, bei der Glas parallel unabhängig von den Formwerkzeugen temperiert werden kann. Je nach Glassorte und Umformgeometrie können Taktzeiten um bis zu 90 % (!) reduziert werden. Einhergehend sinkt der Energiebedarf bis zu 85 %. Vitrum setzt vorrangig elektrische Energie als Heizquelle ein. Weiterhin erhöhen sich die Standzeiten der Formwerkzeuge um ein Mehrfaches.

Vitrum Technologies Maschinenplattform bietet verschiedene Verfahren der Dünnglasumformung an. Folgende Heißformgebungsprozesse sind verfügbar:

• Schwerkraftsenken
• Vakuumunterstütztes Schwerkraftsenken
• Tiefziehen
• Pressbiegen

Die verschiedenen Senkverfahren eignen sich insbesondere für Spiegelsubstrate, wohingegen die Verfahren Tiefziehen und Pressbiegen für komplex verstreckte Elemente mit filigranen Strukturen wie Mittelkonsolen verwendet werden können. 

Da Glas ein hochgradig nichtlinearer Werkstoff ist, setzt Vitrum Technologies Maschinen-Learning-Modelle ein, um Muster der Wirkzusammenhänge zwischen Stell- und Zielgrößen zu erfassen. In Verbindung mit der Maschinen KI und kurzen Zykluszeiten verkürzt sich die Prozessentwicklung um ein Mehrfaches.

Referenzen

[1] Arnold, B.: Werkstofftechnik für Wirtschaftsingenieure, Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2017
[2] Scholze, H.: Glas. Natur, Struktur und Eigenschaften, Berlin, Heidelberg, New York, London, Paris, Tokyo: Springer-Verlag, 1988
[3] Vogel, P.-A.; Vu, A. T.; Mende, H.; Grunwald, T.; Bergs, T.; Schmitt, R. H.: Approaches and methodologies for process development of thin glass forming. In: Optifab 2019. Rochester, United States. 14.-17.10.2019. SPIE, 2019, S. 68
[4] Vogel, P.-A.: Analysis and comparison of hot forming technologies for complex 3D thin glass applications. (Reihe: Joint Meeting of DGG - USTV, Nürnberg. Veranstaltung vom 13.05.2019)

Vitrum Technologies GmbH

Technologische Basis

• Hochtemperaturglasumformung

Innovation

• Neuartige Temperaturführung
• Wissensbasierte Prozessentwicklung

Anwendungsfeld im Automobil

• Head-Up-Display
• Mittelkonsole
• Sensorik

Impact

• Effizienzsteigerung
• Höhere Genauigkeit
• Neuartige Produktgeometrien

Abbildung 1: Hochpräzisionsgeformtes HUD-Spiegelsubstrat bei Taktzeit unter 2 min. ©Vitrum Technologies GmbH
Abbildung 2: 4-in-1 Anlage zur Dünnglasumformung der Firma Vitrum Technologies ©Vitrum Technologies GmbH