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Photovoltaik- und Beleuchtungsoptiken - Formwerkzeuge aus Keramik sollen Kosten senken

Seltene ErdenHydrophob erst durch Altern

Die Oxide der seltenen Erden (rot/orange) reagieren mit Kohlenwasserstoffen aus der Luft zu Carbonaten und Hydroxiden (grau/weiss). Die Oberfläche wird dadurch wasserabweisend. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Oberflächen, die mit chemischen Verbindungen aus Seltenen Erden beschichtet werden, entwickeln erst durch den Kontakt mit Luft wasserabweisende Eigenschaften.

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Photovoltaik- und BeleuchtungsoptikenFormwerkzeuge aus Keramik sollen Kosten senken

In der Photovoltaik und in der LED-Technik besteht eine hohe Nachfrage nach kostengünstigen optischen Komponenten aus Glas. Deshalb kommen hier heute schon oft gepresste Glasoptiken zum Einsatz, die durch einen Umformprozess in kurzer Zeit in hohen Stückzahlen hergestellt werden.

Formeinsätze aus Keramik

Die Fertigungskosten für diese Optiken ließen sich sogar noch weiter senken, wenn die eingesetzten Werkzeuge den hohen Belastungen des Umformprozesses länger standhalten würden. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen untersucht deshalb jetzt gemeinsam mit der Füller Glastechnologie Vertriebs-GmbH und der FCT Ingenieurkeramik GmbH, ob sich Keramik als Formwerkstoff dazu eignet, die Standzeiten der Presswerkzeuge zu verlängern und so weitere Kosten einzusparen.

Optische Komponenten aus Glas werden heute in großen Stückzahlen in hochkonzentrierten Photovoltaikanlagen oder in LED-Leuchten eingesetzt, bei denen eine besondere Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen und UV-Strahlung gefordert ist. Für ihre Herstellung bietet sich das nicht-isotherme Blankpressen an, ein Verfahren, bei dem Glas erhitzt und anschließend unter hohem Druck umgeformt wird. Obwohl die Stückkosten bei diesem replikativen Verfahren gegenüber einer direkten Fertigung schon äußerst gering sind, zwingt der Markt die Hersteller, die Kosten noch weiter zu senken, um im internationalen Wettbewerb zu bestehen.

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Längere Standzeiten der Formwerkzeuge aus Keramik
Das Fraunhofer IPT und seine Partner im KMU-innovativ-Projekt „InnoForm“ setzen deshalb jetzt bei den Umformwerkzeugen an, denn die bisher verwendeten chrombeschichteten Stahlformen unterliegen einem hohen Verschleiß. Neue Formwerkstoffe aus Keramik könnten die Standzeiten der Werkzeuge aufgrund ihrer hohen Härte und Warmfestigkeit deutlich verlängern, Rüstzeiten verkürzen und Material einsparen. In der Metallumformung beispielsweise erreichen Keramikformen bis zu 20-fach längere Nutzungszeiten als Stahlformen – ein ähnlich hohes Potenzial sehen die Aachener Forscher auch für die Optikfertigung.

Die Projektpartner versprechen sich von den Keramikformen nicht nur eine längere Haltbarkeit aufgrund ihrer guten chemischen Resistenz und Oxidationsbeständigkeit, sondern auch bessere thermische Werkstoffkennwerte. Die gepressten Bauteile sollen außerdem eine höhere Formgenauigkeit und geringere Oberflächenrauheit aufweisen. Möglich wird die Herstellung der Keramikformen für das nicht-isotherme Glaspressen erst jetzt durch neue Entwicklungen im Bereich des Ultrapräzisionsschleifens, da die geforderten Werkzeug-Formgenauigkeiten von 1 µm und Oberflächenrauheiten von Ra < 5 nm mit den konventionellen Verfahren nicht erreicht werden konnten.

Da die induktiven Verfahren, mit denen die herkömmlichen Stahlformen für den Pressvorgang erwärmt werden, bei Keramik nicht einsetzbar sind, erproben die Partner auch neue Heizkonzepte, die in Zukunft in die Pressanlage integriert werden können. Ebenso untersuchen sie, welche Designeinschränkungen bei der Auslegung der Formeinsätze zu beachten sind. Das Projekt „InnoForm“ bildet damit die gesamte Prozesskette von der Simulation und Entwicklung bis hin zur Abformung und messtechnischen Beurteilung ab.

Partner im Projekt:

  • FCT Ingenieurkeramik GmbH, Rauenstei
  • Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen
  • Füller Glastechnologie Vertriebs-GmbH, Spiegelau (Koordination)

Kontakt:
Dipl.-Ing. Holger Kreilkamp
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstraße 17
52074 Aachen
holger.kreilkamp@ipt.fraunhofer.de

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