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Das Glas für die Linse wird in Form gebracht

Zur Abformung wird zunächst ein Glasrohling bei Raumtemperatur auf der unteren Formhälfte positioniert. Diese verfährt dann in vertikaler Richtung in einen speziellen Heiztopf, der den Glasrohling auf die notwendige Umformtemperatur erwärmt. Die erforderliche Umformtemperatur hängt stark von der verwendeten Glassorte ab und wird durch entsprechende Anpassung der Heiztopftemperatur und Verweilzeit eingestellt. Das Glas SUPRAX8488 beispielsweise, ein für Beleuchtungsanwendungen häufig verwendetes Borosilikatglas, benötigt Temperaturen von circa 800 °C, damit es sich umformen lässt.

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Hat der Rohling die notwendige Temperatur zum umformen erreicht, wird er zwischen den beiden Formhälften mit einer Umformkraft von 5 bis 15 kN zu einer Optik geformt. Da sich die obere Formhälfte während des Aufheizens des Glasrohlings nicht im Heiztopf befindet, muss diese über gesonderte Aufheizvorrichtungen erwärmt werden. Das kann beispielsweise mit flexiblen Heizschläuchen oder durch induktives Beheizen erfolgen. Typischerweise beträgt die Temperatur der Form etwa 400 bis 550 °C und ist damit deutlich kälter als das umzuformende Glas.

Damit klärt sich der Begriff nicht-isothermes Blankpressen: Während des Umformens gibt das Glas einen Teil seiner Wärme an das Formwerkzeug ab. Das hat den Vorteil, dass die gepresste Glasoptik bereits nach etwa 10 bis 15 Sekunden entformt werden kann. Aufgrund der noch immer hohen Glastemperaturen von circa 500 °C muss die Glasoptik im Anschluss in einem externen Kühlofen über mehrere Stunden langsam bis auf Raumtemperatur abkühlen. Erst dann kann Sie ohne weitere Nachbearbeitung direkt für die LED-Beleuchtung eingesetzt werden.

Kostengünstige und abgestimmte Glasrohlinge

Um LED-Optiken kosteneffizient durch nicht-isothermes Blankpressen fertigen zu können, müssen kostengünstige und auf die jeweilige Anwendung abgestimmte Glasrohlinge verfügbar sein.

Bereits die Geometrie der Glasrohlinge nimmt einen großen Einfluss auf das Ergebnis der Umformung. Im Besonderen auf die resultierende Genauigkeit der Optik. Daher wird die ideale Rohlingsgeometrie vorab anhand von FEM-Simulationen berechnet. Hier wird vor allem der Glasfluss analysiert und die Lage der Schnittmarken optimiert. Der Glasrohling wird direkt aus der Glasschmelze hergestellt, indem ein schmelzflüssiger Glastropfen in eine Vorform gespeist und langsam abgekühlt wird. Das Volumen der Glasrohlinge kann dafür mit einer Schwankung von etwa ±1 Prozent genau an das Volumen der späteren Glasoptik angepasst werden.

Umfassendes Wissen bei der Rohling-Produktion

Erst auf diese Weise ist es möglich, die gepressten Glasoptiken ohne jegliche Nachbearbeitung direkt einzusetzen. Die Herstellung der Rohlinge mit einem präzise abgestimmten Gewicht erfordert jedoch umfassendes Know-how, gerade wenn die Rohlinge geringe Gewichte unterhalb von 20 Gramm aufweisen. Ziel aktueller Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist es, die Formgenauigkeit der Optiken weiter zu verbessern.

Zu diesem Zweck qualifizieren die Forscher neue Formwerkstoffe für das nicht-isotherme Blankpressen. Keramische Formwerkstoffe verlängern nicht nur die Lebensdauer der Formwerkzeuge. In Kombination mit einer angepassten Prozessführung können sie auch dazu beitragen, die erzielbaren Formgenauigkeiten zu verbessern. Weitere Arbeiten zielen auf die Fertigung besonders kleiner Glasoptiken mit wenigen Millimetern Durchmesser. Erste Ansätze werden getestet, um mit kommerziell verfügbarem Flachglas Einzeloptiken in nur einem Prozessschritt zu erzeugen.

Das kann die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens noch weiter verbessern und helfen, gänzlich neue Anwendungsfelder zu erschließen. Die in diesem Artikel vorgestellten Entwicklungen sind im Rahmen des EU-geförderten Projekts CENTiMO (Förderkennzeichen: 606105) entstanden.

* Holger Kreilkamp ist Leiter der Gruppe Optik am Fraunhofer IPT und wissenschaftlicher Autor. Dr.-Ing. Olaf Dambon ist Leiter der Abteilung Feinbearbeitung und Optik am Fraunhofer IPT.

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