Ein Mehrwert für Architektur und Nachhaltigkeit

Schon seit einigen Jahren beschäftigen Sie sich am GCC mit dem 3D-Druck von Glas. Welche Vorteile und Anwendungsgebiete sehen Sie für diese Technologie?

Matthias Seel: Zum einen hat es ästhetische Potenziale, Glas dreidimensional zu verarbeiten. Wichtiger ist uns aber noch die Tragwirkung: Indem wir zum Beispiel Rippen auf Flachglasscheiben aufdrucken, erreichen wir eine höhere Steifigkeit mit weniger Glasmaterial. Die Glasscheibe selbst kann dadurch dünner werden, was wiederum Material spart. Um so etwas auf herkömmliche Weise herzustellen, brauche ich entsprechende Formen und Werkzeuge. Beim 3D-Druck werden diese verzichtbar, und ich kann Unikate auf wirtschaftliche Weise herstellen. Auch transparente Punkthalter aus Glas sind mit dem 3D-Druck möglich, ohne die Verklebungen und Bohrungen, die dafür bisher notwendig waren.

Was sind die Herausforderungen, wenn man Glas im 3D-Drucker verarbeiten will?

Matthias Seel: Vor allem die hohe Temperatur und das spröde Materialverhalten. Sowohl das Basisgut – also die Glasscheibe, auf die ich etwas aufdrucke – als auch das Druckmaterial müssen stark erwärmt werden, damit keine Brüche entstehen. Die hohen Verarbeitungstemperaturen stellen wiederum hohe Anforderungen an die Druckmaschinen. Mit Maschinen aus herkömmlichem Stahl kommt man da nicht weit.

Von welchen Temperaturen sprechen wir hier?

Matthias Seel: Bei Kalknatronglas – also normalem Fensterglas – liegen die Temperaturen über 1000°C.

Beim 3D-Druck kommt es darauf an, dass die einzelnen Druckschichten sich gut miteinander verbinden. Welche Parameter sind dafür maßgeblich? Und wie hoch ist die Festigkeit von gedrucktem Glas?

Matthias Seel: Die wesentlichen Einflussgrößen sind Zeit und Temperatur. Von diesen hängt wiederum die Viskosität des Werkstoffs ab. Das Glas muss beim Druck schon zähflüssig sein, um eine dauerhafte Materialverbindung einzugehen. Wenn das gewährleistet ist, erreicht gedrucktes Glas ähnliche Festigkeitswerte wie Flachglas. Allerdings ist die Streubreite relativ hoch, weil die Verarbeitungsprozesse noch nicht so weit perfektioniert sind wie in der Floatglasproduktion.

Ein zweiter Forschungsschwerpunkt am GCC ist die Kantenfestigkeit von Glas. Warum ist diese so relevant?

Matthias Seel: Beim Schneiden einer Glasscheibe entstehen an den Kanten lauter kleine Risse. Diese können sich unter ungünstigen Randbedingungen – etwa bei hoher Sonneneinstrahlung – rasch vergrößern und die Scheibe zerstören. Bisher hat man das vermieden, indem Gläser thermisch vorgespannt wurden – ein energieintensiver Prozess. Wir forschen nun an Methoden, die Kanten so zu bearbeiten, dass auf das thermische Vorspannen für solche Anwendungen verzichtet werden kann. Die Industrie hat daran ein enormes Interesse. Auch im Hinblick auf die Dünn- und Dünnstgläser, die nun auf den Markt kommen, wird das Thema immer relevanter. Allerdings gibt es dabei keine Patentrezepte. Man kann also nicht sagen, dass eine Glaskante durch Schleifen und Polieren per se fester wird. Es kommt immer darauf an, wie die Bearbeitung im Detail aussieht, bzw. wie die dabei eingebrachten Risssysteme aussehen.

Welchen Praxisnutzen können solche Erkenntnisse haben?

Miriam Schuster: Unser Ziel ist es, der Industrie und den Anwendern entsprechende Merkblätter an die Hand zu geben und unsere Forschungsergebnisse auch in die Normung einfließen zu lassen. Des Weiteren forschen wir daran, zerstörende Prüfungen durch neue, nicht zerstörende Prüfungen zu ersetzen. Dies trifft unter anderem auf die Beurteilung der Kantenfestigkeit, der Nickelsulfidproblematik und der Festigkeit zu. Im Idealfall könnten die Glashersteller die Festigkeit sogar inline, also in den Fertigungsprozess integriert, für jede einzelne Scheibe überprüfen.

Gemeinsam mit mehreren Partnern forschen Sie derzeit auch an rahmenlosen, selbsttragenden Glaskonstruktionen. Worum geht es dabei?

Miriam Schuster: Bisher wurden Glasschalen mithilfe einer tragenden Struktur – meistens aus Stahl – konstruiert. Wir wollen diese Unterkonstruktion nun durch ein Fitting ersetzen, das unsichtbar in den Isolierglasaufbau integriert wird. Das Fitting wird am Rand eines Verbundsicherheitsglases einlaminiert und das Ganze dann durch eine weitere Scheibe zum Isolierglas ergänzt.

Wo liegen dabei die wesentlichen Herausforderungen?

Miriam Schuster: Die Fittings müssen in der Lage sein, Lasten in die Verbundsicherheitsgläser einzuleiten. Dabei darf natürlich kein Glasbruch entstehen, und die Haftung zwischen Fitting, Folie und Glas muss gewährleistet sein. Das wiederum bringt Herausforderungen auf unterschiedlichen Ebenen mit sich. Zum Beispiel findet beim Laminieren von Verbundsicherheitsgläsern immer eine gewisse Entlüftung statt. Das Metallfitting kann diesen Prozess behindern. Für die Konstruktion und Statik ist neben den klassischen Lasten wie Wind auch die Berücksichtigung von Temperatureinflüssen wichtig. Zum einen ändert sich die Steifigkeit der Folie, was die Spannungen im Glas beeinflusst. Zum anderen entstehen durch Änderungen des Luftdrucks oder der Umgebungstemperatur sogenannte Klimalasten im Isolierglas. Dadurch bauchen diese leicht aus.

Zur glasstec 2024 zeigen Sie eine Treppenkonstruktion mit Stufen aus gekantetem Glas. Wie funktioniert diese Konstruktion?

Matthias Seel: Wenn man Flachglas biegt oder abkantet, kann es deutlich höhere Lasten aufnehmen. Gemeinsam mit einem Start-up aus Freiburg wurde ein Verfahren entwickelt, das solche Umformungen ermöglicht – und zwar als Unikate, ohne die Formen, die man bisher für warmgebogenes Glas brauchte. Für die Treppenstufen stellen wir jeweils zwei ineinanderpassende Glaselemente her, die dann mit einem Flüssigharz laminiert werden. In Summe ergibt das eine sehr transparente, schlanke und steife Konstruktion. Wenn man es richtig anstellt, lassen sich mit solchen Verfahren rund 80% Material einsparen – ein deutlicher Mehrwert für Architektur und Nachhaltigkeit.