Werkstoffe Bauteile aus Glas können jetzt von selber leuchten oder heizen

Quelle: Pressemitteilung

Am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS) bringt man Glas mit speziellen Füllstoffen bei, zu leuchten oder glühend heiß zu werden. Und so läuft das...

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Am Fraunhofer-IKTS in Dresden lernt Glas jetzt, wie es zu leuchten vermag. Auch das Heizen wird diesem, zu den ältesten künstlichen Werkstoffen zählenden Material, dort in Dresden beigebracht. Wie das geht, verraten die Werkstoffwissenschaftler in diesem Beitrag.
Am Fraunhofer-IKTS in Dresden lernt Glas jetzt, wie es zu leuchten vermag. Auch das Heizen wird diesem, zu den ältesten künstlichen Werkstoffen zählenden Material, dort in Dresden beigebracht. Wie das geht, verraten die Werkstoffwissenschaftler in diesem Beitrag.
(Bild: Fraunhofer-IKTS)

Glasgegenstände, die im Dunkeln nachleuchten, Glasbehälter, die sich aufheizen und abkühlen oder gläserne Bedienknöpfe und -schalter, die Viren und Bakterien selbstständig den Garaus machen – all das scheint zwar der Alltagserfahrung zu widersprechen, ist aber inzwischen keine Science Fiction mehr, betont das IKTS. Um solche funktionalisierten und gleichzeitig in Präzision geformte Gläser zu erzeugen, haben die Forschungsteams aus Dresden ihre Erfahrungen mit keramischen Verfahren auf die Glasfertigung übertragen, wie es weiter heißt.

Glasbauteile übernehmen neue Aufgaben

Durch neue Möglichkeiten bei der Formgebung können Gläser auch bei deutlich geringeren Temperaturen verarbeitet und somit mit Füllstoffen versetzt werden, als früher, was es erlaubt, diese neuen Funktionen quasi einzubauen. Damit eröffneten sich neue Einsatzfelder in der Luftfahrt, der Sicherheitstechnik, im Fahrzeugbau oder in der Labortechnik, obwohl Glas in diesen Industriezweigen eher eine Nebenrolle gespielt hat – bis heute!

Je nach eingesetztem Verfahren sind nämlich nun ganz unterschiedliche und komplexe Formen und Eigenschaften machbar, die früher entweder utopisch waren oder aufwendige, teils umweltschädliche Nachbearbeitungsschritte erforderten. Jetzt rücken aber elektrisch leitfähige, heizende, antibakterielle und nachleuchtende Gläser, die auch noch metallfrei sind, wie die Forschenden erklären, in greifbare Nähe. Auch senken die IKTS-Glasformungsansätze in vielen Fällen den Bedarf an Energie, Arbeitszeit und anderen Ressourcen bei der Glasbauteil-Herstellung.

Glaspulver kombiniert mit Graphit kann also selbstheizende Mikroreaktoren schaffen, so, wie der, der im ersten Bild zu sehen ist. Doch die IKTS-Spezialisten können mit speziellen Füllstoffen auch nachleuchtende Gläser herstellen, die für Sicherheitsanwendungen dienen können und auch Designern neue Einfälle bescheren.
Glaspulver kombiniert mit Graphit kann also selbstheizende Mikroreaktoren schaffen, so, wie der, der im ersten Bild zu sehen ist. Doch die IKTS-Spezialisten können mit speziellen Füllstoffen auch nachleuchtende Gläser herstellen, die für Sicherheitsanwendungen dienen können und auch Designern neue Einfälle bescheren.
(Bild: Fraunhofer-IKTS)

Funktionalisiertes Glas könnte Kunststoff toppen

Daraus ergeben sich neue Perspektiven für diesen Werkstoff, betont der verantwortliche IKTS-Abteilungsleiter Dr. Tassilo Moritz. So habe Glas das Potenzial, den massiven Einsatz von Kunststoff für viele kleine Alltagsgegenstände zu Gunsten nachhaltiger Lösungen einzuschränken. Denn wenn sich Glas fast beliebig färben, formen und funktionalisieren ließe, könnten beispielsweise schon mal die Kunststoffknöpfe in Bussen, Straßenbahnen oder Fahrstühlen durch Bedienelemente aus Glas ersetzt werden. Ähnliches gilt dann auch für Möbelgriffe und -knöpfe in Kitas, Altenheimen oder Krankenhäusern. Zwar ist Glas immer noch etwas teurer und schwerer als Kunststoff, räumt der Kollege und IKTS-Gruppenleiter Dr. Jochen Schilm ein, doch dafür ist es aber beständiger und hygienischer. Glas versprödet und zerkratzt aber auch nicht so leicht und hält chemischen Einflüssen und UV-Strahlung stand. Hinzu komme der Designaspekt, weil Glas einfach wertiger aussehe und sich besser anfühle.

Probleme der klassischen Glasbauteile sind passé

Die Forschenden blicken in der weiteren Ausführung dieser Innovation hier zunächst einmal etwas zurück, und informieren: Zwar erzeugt und verarbeiten die Menschen schon seit schätzungsweise mindestens 3.500 Jahren Glas, aber in der Vergangenheit konnten gewisse Schwächen etablierten Glastechnik-Know-hows nie ganz überwunden werden. Zum Beispiel lassen sich aus der Glasschmelze nur Teile mit abgerundeten Kanten herstellen. Wer aber exakte und scharfkantige Formen braucht, muss mit relativ viel Aufwand nachschleifen. Und um gar Mikrostrukturen zu erzeugen, wie sie etwa in der Labortechnik nötig seien, müssten Glashersteller auf das Ätzen mit gefährlicher und umweltschädlicher Flusssäure zurückgreifen. Auch ist es sehr schwer, Löcher in klassisches Glas zu bohren. Das alles könnte mit den neuen Methoden der Vergangenheit angehören.

Mit dem richtigen Additiv wird Glas gezielt veränderbar

Um die oben genannten Hürden zu überwinden, haben die Dresdner mehrere Expertisen adaptiert, die bisher, wie gesagt, nur für Keramiken und Kunststoffe typisch sind. Ein Beispiel: Sie kombinieren Graphit mit Glaspulver. Als Beitrag zur Kreislaufwirtschaft lässt sich hier übrigens auch Recyclingglas verwenden. Aus dieser Glas-Graphit-Pulvermischung kann dann ein sogenannter Feedstock (Grundstoff) werden, der dann per Spritzgießmaschine, wie man es von der Kunststoffverarbeitung her kennt, in ein Werkzeug eingespritzt wird, in dem die Geometrie und die Mikrostrukturen abgeformt werden. Herstellen lassen sich damit unter anderem elektrisch leitfähige und selbst heizende Glasmikroreaktoren für die Chemie- und Pharmaindustrie. Die spritzgegossenen Bauteile sind aber noch als Rohlinge zu verstehen, weswegen sie noch gesintert werden müssen, um einsetzbar zu werden.

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(Anmerkung der Redaktion: Ob die Bauteile dann noch nachgesintert werden müssen, war allerdings bis jetzt noch nicht zu erfahren. Wir gehen aber davon aus).

Kombinieren lässt sich das Glaspulver aber auch mit Farbpigmenten oder phosphoreszierenden Partikeln. Dabei entstehen nachleuchtende Glasbauteile, die beispielsweise im Stockdunklen (etwa nach einem nächtlichen Stromausfall in Gebäuden) noch immer Fluchtwege markieren, die Zeiger und Anzeigen von Uhren oder auch Fahrzeug- und Flugzeugarmaturen leuchten lassen, oder auch einfach nur Schmuck chic schimmern.

Additive Fertigungsmethoden schaffen auch komplexe Glasteile

Für besonders komplex geformte Bauteile wie etwa Mikromischer setzen die IKTS-Forschenden industriell bewährte additive Fertigungsverfahren ein. Das kann zum Beispiel das sogenannte Vat-Photopolymerization-Verfahren sein, bei dem das Glaspulver in einen per Licht härtbaren Kunststoff eingemischt und nach dem lagenweisen Aufbau zu einem Bauteil mit UV-Licht – man kennt das vom Härtung einer Füllung beim Zahnarzt her – ausgehärtet wird.

Ein anderes additives Druckverfahren ist das Multi Material Jetting. Dabei legt die Anlage ein mit Glaspartikeln gefülltes flüssiges Wachs in kleinsten Tröpfchen ab.

Weil der bei diesen Verfahren entstehende – auch Grünling genannte – Rohkörper beim auch hier sich anschließenden Sintern, wie von Keramikbauteilen eben bekannt, schrumpft, ist allerdings viel Erfahrung notwendig, um am Ende genau die projektierten Bauteilabmessungen zu erreichen. Für so etwas braucht man ein ganz präzises Sinterregime, so Schilm. Und speziell dieser Aspekt erfordert eine besondere Expertise, die man am IKTS aber zu bieten hat.

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