Prof. H. Herrmann · 2018. 5. 14. · IfB, ETHZ Rechnergestützte Physik der Werkstoffe Die Erfindung des Fensters: Zylinder- /Streckglas 1000n.Chr. nördlich der Alpen entwickelt,

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Prof. H. Herrmann

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe

• Erklären was Glas ist

• Diskutieren des Glaszustands vs. kristalliner Zustand

• Kennenlernen der Bestandteile und Rohstoffe von Baugläsern

• Verstehen des Temperaturverhaltens von Gläsern

• Charakterisieren und erklären typischer Schäden in Glas


Kennenlernen unterschiedlicher Methoden der

Flachglasherstellung sowie ihre Einordnung in historische und

architektonische Entwicklungen.

Erklären unterschiedlicher Grundprinzipien zur Hohlglas- und

Faserglasherstellung.

Kennenlernen technologischer Möglichkeiten zur Formgebung

und Vorspannung.

Einordnung mechanische Bearbeitungsmethoden für Glas.


Ein Blick in den Schmelzofen

Schmelzwanne Durchfluss Arbeitswanne

1. Homogenisieren: Durchmischung durch Konvektion oder Einblasen von Gasen.

2. Rauhschmelze: Erschmelzen des Gemenges bei ca. 1500°C.

3. Läuterung: Austreiben des Gases aus der Schmelze.

4. Abstehen: Abkühlung auf Verarbeitungs-temperatur.


Römische Fensterscheibe ca. 1-70v.Chr., British MuseumFundort Herculaneum

Die Erfindung des Fensters: Älteste, bekannte Glasscheibe

Flüssiges Glas wird in flache, befeuchtete, eingesandete Holzformgebracht. raue Oberseite, ungleichmässige Dicke, versch. Farben.Flachwalzen, an Ecken ziehen und flammpolieren.Grösse 300 x 500 mm


Die Erfindung des Fensters: Einführung der Glasmacherpfeife

Mondglasverfahren=Schleuderverfahren 1. Blasen einer Kugel mit abgeflachter Kappe2. Ansetzen des Hefteisens / Absprengen der Pfeife3. Umstülpen des offenen Rands4. Schleudern zur runden Scheibe5. Abstellen im Kühlofen / Absprengen des Hefteisens

Grössen bis zu 60cm DurchmesserScheiben werden aus geschleudertem,

ebenen Teil ungleicher Dicke ausgeschnittenButzen waren Scheiben 2. Wahl2.-18. Jahrhundert übliche MethodeFast alle Kirchenfenster sind Mondglas

Film vonhttp://www.alanmacfarlane.com/glass/birm7.html


Die Erfindung des Fensters: Erste «Glasarchitektur»

Kathedrale von Chartres um 1240

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe House Kammerzell, Strassburg 1589

Die Erfindung des Fensters: Glas wird erschwinglich


Die Erfindung des Fensters: Zylinder- /Streckglas

1000n.Chr. nördlich der Alpen entwickelt, vermutlich bereits in römischer Zeit praktiziert.

1 und 2 anblasen des Külbels. 3 durch Blasen und Schwenken entsteht die zylindrische Blase.4 absprengen des Bodens und der Kappe, Aufsprengen des Zylinders.5 Erwärmen auf 750°C, strecken und bügeln des Zylinders zu einer Flachglastafel.

Glashobel ermöglicht längere Rohre mit kleinerem Durchmesser.Bis Ende 19.Jahrhundert üblich.

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe Versailles 1661

Die Erfindung des Fensters: Barocke Lichtspiele

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe Saint-Gobain, Frankreich 1688

Die Erfindung des Fensters: Guss-/Walzglas für SpiegelErfunden von Louis de Nehou (1641-1728) in Saint-Gobain

1. Zähe Glasschmelze wird auf Metallplatte gegossen2. Rollen mit Eisenwalze zu gleichmässiger Dicke aber schlechte Oberfläche.3. Raue Oberflächen werden geschliffen und poliert

Luxusgut, da sehr Arbeitsintensiv!Bis ins 20. Jahrhundert die Methode zur Herstellung von Spiegeln (1x1.5m).


Die Erfindung des Fensters: Industrialisierung 1800

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe Glass Dome Bourse de Commerce, Paris 1811

Die Erfindung des Fensters: «Ingenieur»Glasarchitektur

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe Crystal Palace, London 1851

Die Erfindung des Fensters: «Ingenieur»Glasarchitektur


Die Erfindung des Fensters: Industrielle Flachglasfertigung

Industrielle Herstellung: Zylinderglasverfahren (1900) J.H. Lubbers

Zylinder bis zu 80cm Durchmesser, 8m lang.Kontrollierter Innendruck.Aufschneiden der Zylinder .Gute Oberflächen und gleichmässige Dicke.Aber: Probleme beim Umlegen der Zylinder in die

Horizontale.


Die Erfindung des Fensters: Industrielle FlachglasfertigungIndustrielle Herstellung: Fourcoult und Libbey-

Owens Ziehverfahren Kontinuierlicher Prozess.Schamottdüse in flüssiger Schmelze.Ziehen durch einen Kühlkanal.Glasdicke über Ziehgeschwindigkeit einstellbar.Umlenkung in die horizontale erhöhte die

Produktionsgeschwindigkeit beträchtlich.Sehr flexibles Verfahren in Bezug aus Glasdicken.

Fourcault-Process (1902)

Libbey-Owens Ziehverfahren (1904)

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe Chrysler Building 1931Woolworth Building 1913 Empire State Building 1931Bauhaus Building Dessau 1926

Die Erfindung des Fensters: Glasfassaden aus Ziehglas


Die Erfindung des Fensters: Industrielle Flachglasfertigung

Industrielle Herstellung: Walzglas/Gussglas(Bicheroux 1919)

Flüssige Glasmasse zwischen gekühlten Walzen zu einem Glasband geformt.

Wird noch warm zu Tafeln geschnitten und in Öfen abgekühlt.

Scheibengrössen 3x6m möglich.Beliebige Muster und Strukturen möglich.Es sind auch Drahteinlagen einwalzbar.


Die Erfindung des Fensters: FloatglasEndlos-kontinuierlicher Prozess in dem ca. 95% des Flachglases gefertigt wird.Grosse Floatglasanlagen liefern ca. 3000m2/Std. Flüssiges Glas wird auf flüssiges Zinn geleitet, auf dem das 60% leichtere Glas

schwimmt (engl. to float) und sich wie ein Ölfilm gleichmässig ausbreitet.Ziehgeschwindigkeit, Viskosität der Schmelze und einlaufende Glasmenge

bestimmen die Glasdicke (0.4-24mm Dicke möglich) .Sehr glatte Oberflächen, verspannungsfreies Glas .Industrielle Herstellung: Floatglasherstellung (Pilkington 1959)Seit den 1970er Jahren allgemeiner Standard in der Flachglasherstellung.




Spreitungsdruck:

Sn = 6.5g/cm3 = 100°Glas= 2.4g/cm3 = 0.3 N/m

1 2 12( )spP

0.356 2 .063

2 (1 cos )

0 .73

G las Sneq

G las Sn G las

cm

dg

cm

Psp>0: Ausbreitung; Psp=0: ddeq;Psp


Einstellen der Glasdicke:

Gleichgewichtsdicke: 7.3mm

Toproller:1-12 mm

Fender: 12-24mm

Die Erfindung des Fensters: Floatglas Glasdicke


Eigenspannungen werden durch definiertes langsames Abkühlen (tempern) verringert.Abkühlzeiten hängen von der Glasdicke ab. (Floatglas 30-100min., grosse Linsen für Teleskope bis zu ein Jahr, um sichtbare Spannungen und somit Bildverzerrungen zu vermeiden).Die Abkühlbedingungen bestimmen die Länge von Floatglasanlagen, die für dicke Scheiben bis zu 1000m lang werden können.Beim Temperglas hingegen werden gezielt mechanische Eigenspannungen erzeugt, um die Bruchfestigkeit gegenüber mechanischer oder thermischer Beanspruchung zu erhöhen.

Die Erfindung des Fensters: Floatglas Abkühlung

||IfB, ETHZRechnergestützte Physik der Werkstoffe07.05.2018 25


SpiegelglasFenster-/Tafelglas

200vChr.

1960

1800

Historische Entwicklung der Flachglasherstellung Übersicht


Hohlglasherstellung1910 heute

Pressglas-/Hohlglasherstellung


Pressglas/Hohlgas:• Hohlglas bezieht sich auf mehrere Glasherstellungsverfahren – Mundblasen,

Pressen und maschinelles Blasen.• Glasposten wird zwischen inneren und äusseren Form zusammengedrückt.• Fein strukturierte Oberflächen, keine glatten Flächen (Flammpolieren).• Robuste, dickwandige Produkte (z.B. Glasbausteine) aber keine

geschlossenen Behälter.

Pressglas-/Hohlglasherstellung


Pressglas-/Hohlglasherstellung: Glasbausteine


800°C 900°C 1000°CAbkühlung bei Formkontakt . heisse Volumen strömen leicht in die Ecken.Festkleben an Formen bei unterschreiten einer

bestimmen Temperatur. Öl-Wasser Emulsion zur Formtrennung.

Pressglas-/Hohlglasherstellung: Glaspressen


400°C

800°C

1200°C

Abkühlung bei Formkontakt . heisse Volumen strömen leicht in die Ecken.Festkleben an Formen bei unterschreiten einer

bestimmen Temperatur. Öl-Wasser Emulsion zur Formtrennung.

Pressglas-/Hohlglasherstellung: Formgiessen


Glasgelege Glasfaservlies Glaswolle Zu Kernplatte verarbeitete Glaskurzfasern

Glasfasern für Glasgarne (Rovinge/Gelege/Gewebe), für Glasfaservliese, für Dämmstoffe und für Kurzfasern.

Herstellung durch:Ziehen der Fasern von einem Glasstab (Stabziehverfahren).Ziehen von geschmolzenem Glas aus der Düsenziehwanne.Schleuderverfahren.Düsenblasverfahren.

Faserglasherstellung


Stabziehverfahren:Mehrere Glasstäbe werden senkrecht eingespannt, das untere Ende erhitzt.

Durch die Schwerkraft löst sich ein Tropfen, der einen Faden hinterher zieht, der aufgewickelt wird.

diskontinuierliches Verfahren.Für Glasfaservliese und Textilglasgarne.

Düsenziehverfahren:Schmelzgefäss aus Platin mit 100-800 Düsen

am Boden (Ø1-2mm) aus denen mit 25-50m/s Fäden senkrecht nach unten gezogen, geschlichtet und aufgewickelt werden.

kontinuierliches VerfahrenFür Textilglasgarne.



Trommelschleuder-Blasverfahren (TEL)

Querblasverfahren (TOR)

Schleuderverfahren:In drehenden Schleuderring mit gelochtem

Ringmantel wird flüssiges Glas gefüllt.Vom Rand des Ringes werden Glastropfen

weg-geschleudert, die Fasern hinter sich herziehen.

Tropfen werden entfernt und schmelzperlenfreie, kurze Glasfasern für Dämmstoffe entstehen.

Düsenblasverfahren/Sillanverfahren:Austretender Glasstrahl wird mit hohem Druck

zerfasert. Fasern zerreissen dabei in kurze Stücke.Sehr feine, kurze Fasern.



Schaumglas:Gewalztes Glas wird gefrittet (=besprühen des heissen Glasbandes mit Wasser.

Glas zerfällt durch thermische Spannungen in Krümel).Krümel werden gemahlen und mit gasbildenden Stoffen (Erdalkalikarbonate,

Sulfat und Wasser oder Kohlenstoff) gemischt.Mahlgut wird in Form gebracht und bei 650°C gesintert (Einbinden des

Schaumbildners).Bei der Erwärmung auf 900°C (>Erweichungstemperatur von Glas) schäumt das

flüssige Glas auf (Bild unten). geschlossenzelliger SchaumBlähgase sind CO2 und H2S (fauliger Geruch beim schneiden von Schaumglas).Schaumglasplatten: Langsames Abkühlen um Spannungsrisse zu vermeiden.Schaumglasschotter: Rasches Abkühlen

durch besprühen mit Wasser.

Blähglas:Variante aus Altglas das als leichte Gesteins-

körnung für Beton hergestellt wird.

Glasschaumherstellung


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Erwärmung auf 700°C (TG


Flachglasverarbeitung: Chemisches Vorspannen

Thermisches Vorspannen nur für Dicken >3mm wegen zu geringer Temperaturgradienten sinnvoll.

Druckvorspannung der Oberflächen durch chemische Modifikation:

Alkaliionenaustausch (Na) durch grössere Kaliumionen bis zu 0.1mm Tiefe.

Mehrere Stunden Behandlung in Kaliumnitrat Schmelze (300-400°C).

Biegefestigkeit 400-500MPa.In Kombination mit thermischem Vorspannen Gorillaglas



Flachglasverarbeitung: Vorspannen - Probleme

Abschreckmuster unter bestimmten Lichtbedingungen sichtbar.Gehört bei getempertem Glas dazu und ist kein Mangel.Muster entstehen durch ungleichmässiges Anblasen.


Flachglasverarbeitung: Vorspannen - Probleme

Spontanbruch von ESG durch Nickel-Sulfid-Einschlüsse bei der Herstellung.

Diese vergrössern sich im Laufe der Zeit ca 4% durch Phasenumwandlung von -NiS in -NiS.

Ausserdem hat NiS einen höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten.Lokale Spannungsüberhöhung stärker bei Partikel > Glas keine Ablösung des Partikels Spontanbruch.

Massnahmen zur Qualitätssicherung: Auslagern für 8 Stunden bei 290°C (heat-soak-test); Spontanbruch wird beschleunigt. (ESG-H)

>

REM Aufnahme NiS-Inklusion

Schmetterlings-bruchbild


GravitationsbiegeverfahrenErwärmung auf 650°C.Verformung durch Gravitation.Schlechte geometrische

Reproduzierbarkeit.Schlechte optische Eigenschaften.

Flachglasverarbeitung: BiegenPressbiegeverfahrenErwärmung auf 650°C.Verformung zwischen 2 Formen.Hohe geometrische

Reproduzierbarkeit.Hohe Verformungsgrade möglich.Gut mit Vorspannen kombinierbar.


Flachglasverarbeitung: Biegen


Hungerburgbahn Haltestelle Innsbruck

Vakko Fashion Center Istanbul Bahnhofshalle Strassburg

Flachglasverarbeitung: Biegen

Pressbiegeverfahren Gravitationsbiegeverfahren Moderne Biege-/vorspannmaschine


Übersicht Oberflächenveredelungen


Oberflächenbearbeitung durch mechanischen Materialabtrag

Schleifen und polieren: Schlüssel der Spiegelproduktion vor dem Floatverfahren.Automatisierung in Schleif- und Polierstrassen mit Twinverfahen (kontinuierliche Prozesse)

Abrasivstoffe reissen Materialstücke aus der Glasfläche T Kühlung erforderlich

Abrasivstoffe: Quarzsand (SiO2), Korund (Al2O3), Siliziumcarbid (SiC), DiamantPoliermittel: Polierrot (Fe2O3), Diamant, Bimssteinmehl, Kork, Zinkoxid, Ceroxid

Material HärteMohr/ Vickers

Absolute Härte

Korund 9 / 2060

1000

Diamant 10 / 10060

140.000

Silikion-carbid

9 / 2600

Kalknatron-glas

6-7 / 400


Oberflächenbearbeitung durch chemischen Materialabtrag

Ätzen: Flusssäure zur Auflösung des SiO Netzwerkes.

Feinätzen für AntireflexionsglasSandstrahlen + Feinätzen fürAntirutsch Glas.

Feinätzung

Grobätzung

Sandgestrahlt

Sandgestrahlt &geätzt


Übersicht Glasschneiden


Glasschneiden: Ritzen und brechenKleiner Riss, in den Fragmente eingedrückt werden bleibt teilweise geöffnet SpannungenVerdichtung des Glasnetzwerks durch Kontaktdruck SpannungenSpannungen werden durch laterale Risse abgebaut.Brechen, solange Spannungen den Bruchvorgang unterstützen.Ritzen unter Wasser oder Öl reduziert notwendigen Druck.


Glasschneiden: Wasserstrahlschneiden

•Strahldurchmesser 0.1-0.6mm.•Strahldruck 4000 bar, 1000m/s mit Abrasiv.•Schneiden beliebiger Formen mit (dickem) laminiertem Glas.•Alternative zum Bohren.•Gute Oberflächengüte.


OWCTCutting wheel

Glasschneiden: Laserschneiden /-gravierenOWCT: Zero-Width Cutting Technology• Präziser Energieeitrag, der zu Riss in

Schnittrichtung führt.• Sauberer Schnitt mit perfekter

Oberflächengüte.• Ablösung auf der Mikroskala.• Geringerer Energieeintrag für Gravieren,

beschriften, …

Lasergravieren


gebrochen

geschliffen

poliert

Kantenbearbeitung• Schneiden führt zu beschädigten Kanten reduzierte Festigkeit im Kantenbereich• Kantendefekte führen zu Schäden in getempertem Glas.• Für fast alle Bauanwendungen sind bearbeitete Kanten erforderlich Automatisierung• Schleifen mit Korund / Diamantwerkzeugen mit Kühlung.


Bohren• Bohren ist im Prinzip Schleifen in die

Tiefe.• Kühlflüssigkeit wie Wasser, Petroleum …• Bohren mit Bohrkronen und Abrasiv• Diamantwerkzeuge (Hohlbohrer,

Segmentbohrer)•Laserbohren / Wasserstrahlbohren

Laserbohren


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Kennenlernen unterschiedlicher Methoden der

Flachglasherstellung sowie ihre Einordnung in historische und

architektonische Entwicklungen.

Erklären unterschiedlicher Grundprinzipien zur Hohlglas- und

Faserglasherstellung.

Kennenlernen technologischer Möglichkeiten zur Formgebung

und Vorspannung.

Einordnung mechanische Bearbeitungsmethoden für Glas.

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