Spritzgießen ist das wichtigste Verfahren in der Kunststoffindustrie zur Herstellung von Bauteilen in nahezu allen Formen und Größen. Bisher war es nicht möglich, transparente Gläser auf diese Weise herzustellen. Mit einem neuen Verfahren ist es nun möglich, Glas in jeder erdenklichen Form herzustellen

Großartige Idee! Was ist damit passiert? Datenspeicher aus Glas

Technologieforscher geben Objekten eine Erinnerung

Materialforschung bruchsicheres Glas für Smartphones und Co.

Glas ist ein faszinierendes Material. Hart, langlebig, chemisch sehr stabil, luft- und wasserfest, transparent, mit sehr guten optischen Eigenschaften. Doch in vielen Anwendungsbereichen haben Kunststoffe heute Glas überholt. Das liege vor allem an der deutlich einfacheren und schnelleren Verarbeitung, sagt der Materialforscher Frederik Kotz.

„Der Spritzguss ist also der Grund, warum sich Kunststoffe vor allem in der Massentechnik durchgesetzt haben.“

Beim Spritzgießen wird ein Kunststoffrohstoff über seinen Schmelzpunkt von einigen hundert Grad erhitzt und dann unter hohem Druck als Paste in Metallformen gegossen. Nach einer kurzen Abkühlphase ist das Werkstück ausgehärtet und der nächste Spritzgießprozess kann beginnen – manchmal alle paar Sekunden. Die Glasverformung hingegen erfordert Temperaturen von 1400 bis 2000 Grad Celsius. Strukturen müssen gezogen und geblasen werden, was Energie und Zeit kostet. Vom Spritzgießen konnten Glastechniker bisher nur träumen. Doch der Traum wird jetzt Wirklichkeit.

„Wir können den klassischen Kunststoffspritzguss verwenden. Das heißt, wir machen das Ganze bei 130 Grad.“

Frederik Kotz und sein Team am Materialforschungszentrum der Universität Freiburg haben ein Verfahren zum Spritzgießen von Objekten aus Glas entwickelt. Highlight ist das Ausgangsmaterial: Pellets aus einer speziellen Kunststoffmischung, deren Matrix sehr fein gemahlenes Glaspulver enthält. Der Glasanteil dieser Verbundwerkstoffe beträgt bis zu 60 Prozent des Volumens. Frederik Kotz nennt sie nicht mehr Polymere, sondern Glasomere.

„Die Glasomere lassen sich wie klassischer Kunststoff mit einer Kunststoff-Spritzgießmaschine verarbeiten. Bei gleichen Durchsätzen, mit den gleichen Formeinsätzen. Das heißt, Sie benötigen keine spezielle Ausrüstung. Erst nach dem Spritzgießen kommt das Bauteil in den Ofen und ist in Glas umgewandelt."

Tatsächlich gibt es nach dem Spritzgießen drei weitere Arbeitsschritte. Zunächst werden die spritzgegossenen Glasteile in ein Wasserbad gelegt, wo ein Großteil der Kunststoffe einfach ausgewaschen wird. Sie können sogar wiederverwendet werden. Anschließend werden die Formteile auf 600 Grad Celsius erhitzt, um die restlichen Binderpolymere thermisch zu zersetzen. Am Ende wird das verbleibende, vorgeformte Glaspulver im Ofen bei 1300 Grad Celsius zu festem, reinem Glas gebrannt, technisch gesprochen: gesintert. Ohne die Polymere als Füllstoff schrumpfen die Bauteile natürlich etwas, behalten aber die gewünschte Form.

„Der Schrumpf ist isotrop, das heißt in alle Richtungen gleich. Und da wir am Ende die volle Dichte erreichen, hängt der Schrumpf nur noch vom Pulverfüllgrad ab. Das heißt, wir haben einen maximalen Füllgrad von 60 Volumenprozent Siliziumdioxid in unseren Mischungen. Das kann man dann sehr genau berechnen, das Ergebnis sind 15,6 Prozent lineare Schrumpfung.“

Das Glaspulver in den Glasomeren besteht aus Nanopartikeln mit einer Größe von 50 Nanometern. Die feinsten, damit realisierbaren Strukturen liegen im Bereich von 500 Nanometern bis zu einem Mikrometer. Größer geht natürlich immer, aber das Verfahren hat auch seine Grenzen. Ist die Wand beispielsweise dicker als ein Zentimeter, wird es sehr schwierig, die Kunststoffmatrix auszubrennen.

Bereits im nächsten Jahr könnten die ersten Glassomer-Produkte in den Massenspritzguss gehen. Großes Potenzial sieht Frederik Kotz beispielsweise in optischen Komponenten für Smartphone-Kameras.

"Nun, wir haben großes Interesse im Bereich Optik, Linsenelemente, komplexe Mikrooptiken, die sich sehr, sehr einfach in Kunststoff herstellen lassen. Bei Glas ist es im Moment einfach sehr, sehr teuer."

Ein weiteres Anwendungsgebiet wäre die Beleuchtungsoptik. Heute sind sie oft aus Kunststoff, altern aber schnell und müssen dann nach drei bis vier Jahren ausgetauscht werden. Frederik Kotz spricht von einer Win-Win-Situation, wenn man solche Bauteile durch langlebiges Spritzgussglas ersetzt.