Options
21 June 2023
Doctoral Thesis
Titel
Entwicklung eines Prozessmodells für die nicht-isotherme vakuumunterstützte Dünnglasumformung
Alternative
Development of a process model for non-isothermal vacuum-assisted thin glass forming
Abstract
Die Verarbeitung des Werkstoffes Glas hat eine mehrere Jahrtausende zurückreichende Historie. Bereits vor 5000 Jahren wurde natürlich vorkommendes Glas, der Obsidian, zur Herstellung von Schneidwerkzeugen verwendet. Komplex geformte Gläserdünner Wandstärke haben nachweislich seit mehr als 2000 Jahren eine Bedeutung für die Menschheit. In Syrien wurden bereits 800 v. Chr. Glasschalen durch Senken hergestellt und als Alltagsgegenstände verwendet. Im Kontext des 21. Jahrhunderts ist der Werkstoff Glas weiterhin ein wichtiger Bestandteil des täglichen Lebens. Besonders im Bereich der Herstellung immer dünner werdender Gläser konnten durchinnovative Glasherstellungsverfahren in den letzten Jahren kontinuierlich Fortschritte erzielt werden. Durch die hohe Kratzfestigkeit und das geringe Gewicht ergeben sich stetig neue Einsatzmöglichkeiten für komplex geformte, dünne Gläser, die heutzutage schon zum Beispiel in kleinen und mittelgroßen Serien von Fahrzeugen und vernetzten Geräten als Abdeckgläser zu finden sind. In nicht-isothermen Prozessen weisen das umzuformende Glas und das Formwerkzeugeinen signifikanten Temperaturgradienten auf, wodurch die Werkzeugbelegungszeit und somit die Taktzeit stark reduziert werden. Für die Umformung dünner Gläserwerden verschiedene Verfahren angewandt. Während des Schwerkraftsenkens formt sich das Glas allein durch sein Eigengewicht um. Beim vakuumunterstützten Senken wird zusätzlich zur vorliegenden Schwerkraft ein Unterdruck appliziert, der für eine Steigerung der Umformung sorgen kann. Wird bei dieser zusätzlichen Verwendung ebenfalls ein Niederhalter verwendet, der den Randbereich des Glases einspannt, liegt ein Tiefziehprozess vor. Weitreichendes Potential dieser drei nicht-isotherm durchgeführten Verfahren liegt in einer deutlichen Zeit- und Temperaturreduzierung, die den Formverschleiß verringert. In dieser Arbeit wird das vakuumunterstützte Senken fokussiert. Das begrenzte Prozessverständnis des vakuumunterstützten Senkens stellt das bedeutendste Problem dar, das zu hohem Ausschuss führt. Mangelnde Kenntnis über Grenzen des Prozesses und fehlende Expertise signifikanter Faktoren für eine beschreibbare Ausformung resultieren in einem derzeit begrenzten Einsatz des Verfahrens. Dadurch liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Entwicklung eines Prozessmodells, das das vakuumunterstützte Senken qualitativ und quantitativ hinreichend genau beschreibt und auf dessen Basis eine gezielte Prädiktion der Formgenauigkeit erfolgen kann. Das empirische Modell dieser Arbeit wird durch die Auswertung der Versuchsdatenentwickelt. Mittels Wärmetransportgleichungen kann ein analytischer Ansatz der Temperaturverteilung gebildet werden. Des Weiteren wird eine analytische Beschreibung für den Druck in der Formwerkzeugkavität entwickelt. Dieses empirische und analytisch erweiterte Modell wird zusätzlich durch ein FEM-Modell ergänzt, mit dessen Hilfe Ursache- und Wirkungszusammenhänge der Erwärmung und Umformung beschrieben und erklärt werden können.
;
The processing of glass has a long history that goes back several millennia. Already5000 years ago, naturally occurring glass, the obsidian, was used to manufacture cutting tools. Complexly shaped glass with thin walls has been proven to be of importance to mankind for more than 2000 years. In Syria, plates were already produced by slumping in 800 BC. Today products made of glass are still a part of our daily life. Particularly in the area of the production of ever thinner glass, innovative glass production processes have made continuous progress in recent years. The comparatively high scratch resistance and low weight constantly open up new applications for complexly shaped thin glasses. Examples are cover glasses, namely in small and medium-sized series of vehicles and network devices. The process time ,especially the tooling occupancy period, has a significant impact on the cost of forming precisely shaped thin glass products. In order to make these products economically feasible for applications in the mass production, the fastest possible processes should be applied. So called non-isothermal processes, in which the glass to be formed and the forming tool have a significant temperature gradient, can greatly reduce the tool occupancy time and thus the cycle time. For the forming of thin glass different processes are used. In the gravity slumping process, the glass reshapes itself solely by its own weight. In vacuum-assisted slumping, a vacuum is applied in addition to the existing force of gravity, which can ensure a higher degree of forming. In the deep drawing process a hold down device, which clamps the edges of the glass, is used in addition to the vacuum. The far-reaching potential of these three non-isothermal conducted processes lies in a significant reduction in time and forming temperature, which reduces forming tool wear. This thesis focuses on the process of vacuum-assisted slumping. The limited process understanding of key factors of the vacuum-assisted slumping process causes less predictable product shape results and high reject rates. Therefore, the focus of this thesis is on the development of an empirical and analytical extended process model, which describes the vacuum-assisted slumping process qualitatively and quantitatively sufficiently accurate and on the basis of which a specific prediction of the shape accuracy can be made. The empirical model of this work is developed by evaluating the experimental data. By means of heat transport equations an analytical approach can be formed. Furthermore, an analytical approach for the pressure in the forming tool cavity is developed. The empirical and analytical extended model is further supplemented by an FEM model, which can be used to describe and explain cause and-effect relationships between heating and forming.
ThesisNote
Zugl.: Aachen, TH, Diss., 2023
Tags