25. Sitzung Industriearbeitskreis „Forschung & Technologie“: Freischwebend über dem Abgrund – Glas sorgt für den richtigen Kick

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Glas als tragender Konstruktionswerkstoff im Bauwesen ist eine Herausforderung. Die Sicherheitsbestimmungen sind hoch und Glas ist von Natur aus zerbrechlich. Wie es trotzdem gelingt, anspruchsvolle Architektur auf der Basis von Glas zu konstruieren und zu bauen, das diskutierten die Teilnehmer am 28. August im VDMA in Frankfurt.

Dabei standen das Laminieren von Verbundsicherheitsglas (VSG) und das Schneiden von Flachglas im Fokus der Veranstaltung.

Neben dem geringen Verletzungsrisiko bei Bruch und gutem Schallschutz ist die Resttragfähigkeit entscheidend. Dabei kommt es auf die Beschaffenheit der Zwischenschicht im Verbundsicherheitsglas (VSG) an. Diese kann aus PVB,  EVA, thermoplastischem Polycarbonat oder einem Ionomerwerkstoff (SentryGlas®) bestehen. Damit verbunden sind sehr unterschiedliche, komplexe Materialmodelle. Eine Delamination kann vorkommen, es gilt, diese simulativ darzustellen und mögliche Risiken vorher zu berücksichtigen. Hierzu bedarf es jeder Menge Daten, um bessere Modelle für eine harmonisierte Bemessungsgrundlage zu erreichen. Ein möglicher Weg könnte sein, Fassaden mittels Künstlicher Intelligenz zu monitoren. Permanente Messungen und Datengenerierungen mittels Sensoren würden über einen längeren Zeitraum sämtliche Faktoren wie Wind, Sonne, Regen, Schatten oder Druck erfassen und auswerten. In zukünftige Glasbauprojekte könnten diese Daten bereits vorab einfließen, aktuelle Projekte von einem Frühwarnsystem profitieren. Das klingt einfach, ist aber noch im Versuchsstadium. Hier sind die Universitäten gefragt, da diese Analysen sehr kompliziert und aufwendig sind. In der Industrie sind bislang Pummeltest, Kugelfallversuch oder Baketest immer noch die gängigen Testverfahren.

Je nachdem, für welchen Zweck das Glas bestimmt ist, kommen Folien mit verschiedenen Haftungseigenschaften zum Einsatz. Faktoren wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit haben einen erheblichen Einfluss auf die Haltbarkeit und Haftkraft. In wärmeren Gegenden darf zum Beispiel nur SentryGlas® verbaut werden, um die Schubsteifigkeit des Verbunds zu gewährleisten.

Die Anforderungen an VSG durch äußere Einflüsse steigen. Naturgewalten wie schwere Stürme oder die Gefahr terroristischer Angriffe erfordern noch widerstandsfähigeres Glas für besondere Anwendungen. Glaubte man in Asien lange Zeit, dass Taifune dem Fassadenglas nichts anhaben könnten, so belehrte der Taifun Mangkhut die Einwohner Hongkongs im September 2018 eines Besseren.

Viel mehr als kleben
Komplex ist nicht nur die Zusammensetzung, sondern auch der Herstellprozess von Verbundgläsern. Dabei werden Glasscheiben abwechselnd mit anderen Materialien gestapelt zusammengebracht und miteinander verbunden. Das Laminieren mit einem Flachbettlaminator erlaubt flexible Prozesse, weil die Charge auf dem Einlaufband zum Laminator gebildet wird.

Kontaktwärmeübertragung bringt die Wärme symmetrisch und homogen in die Produkte ein. Der herzustellende Verbund wird von beiden Seiten wahlweise separat einstellbar erwärmt. Besonders geeignet ist dieses Verfahren für die Herstellung von Verbünden mit unterschiedlicher Scheibendicke. Sind mehrere Laminierstufen erforderlich, so ist dies mit unterschiedlichen Temperaturen möglich. Der Prozess insgesamt ist energiesparend durch konstante Temperaturen, geringe Taktzeiten und komprimierte Arbeitsgänge.

Auf die Kante kommt es an
Industrielles Schneiden von großen Flachglasscheiben erfolgt oft noch mechanisch durch Ritzen mit einem Schneidrädchen und anschließendem Brechen. Risserzeugung, Risssystem und Bauteilfestigkeit stehen in engem Zusammenhang. Das Schneidrädchen erzeugt neben dem Tiefenriss auch laterale Risse und im weiteren Verlauf zur Glasoberfläche hin auslaufende Ausmuschelungen (Chipping). Ein möglichst langer Tiefenriss mit hoher Spannung an der Rissspitze ist notwendig für eine sauber gebrochene Kante.

Er bildet sich ebenso wie die anderen Rissarten bei der Entlastung, nach einer kurzen Lasteinwirkung. Indentationtests zeigen deutlich, dass die entstehenden sekundären Radialrisse aufgrund ihrer Richtung entscheidenden Einfluss auf die Bauteilfestigkeit haben können.

Die Qualität der Schneidkante hängt unter anderem von der mechanischen Konstruktion der Schneidmaschine ab, angefangen bei der Schneidkopfführung bis hin zur Steifigkeit der Unterlage, auf der die zu trennende Glasscheibe liegt. Anpassungen und damit Unterbrechungen in den Betriebsabläufen lassen sich nicht vermeiden.

Eine immer häufiger eingesetzte Methode ist das Laserschneiden. Dies kann beispielsweise mit einem Ultrakurzpulslaser (UKP-Laser) mit Pulsdauern im ps- Bereich oder fs-Bereich erfolgen. Das Schneiden bei diesem Verfahren ist eine Kombination aus Laserfilamentieren und Erwärmen, um die notwendige Spannung aufzubringen. Laser können darüber hinaus bohren, strukturieren, markieren und entschichten. Je nach Anwendung und Glas kommen unterschiedliche Typen zum Einsatz. UKP-Laser ermöglichen stressfreies Bohren von unten nach oben mit Wellenlängen von 523 nm oder 355 nm. Laserverfahren können heute circa 500 Mal schneller als bisher Lack abtragen, um beispielsweise die Haifischhaut-Oberfläche auf Flugzeugen zu erzeugen.

Laseranwendungen reduzieren Nachbearbeitungsschritte, darin liegt ein wesentlicher Vorteil. Viele Anwender in der Industrie wünschen sich für die verschiedenen Einsatzgebiete durchstimmbare Laser, das ist allerdings noch Zukunftsmusik und nur in Einzelfällen begrenzt für wissenschaftliche Forschung möglich.

Wer mehr über die einzelnen Vorträge wissen und sich über technische Details informieren möchte, nutze bitte diesen Link.