Formwerkstoffe mit einstellbaren thermischen Ausdehnungskoeffizienten für die Glasumformung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 506535305

Das Präzisionsblankpressen ist eine etablierte Technologie zur effizienten Herstellung asphärischer Linsen durch Umformen eines Glasrohlings mit hochgenauen Werkzeugen. Als Formwerkstoff wird überwiegend Wolframkarbid (WC) eingesetzt. Wolframkarbid zeichnet sich durch hohe Temperaturfestigkeit, Härte und Wärmeleitfähigkeit aus. Ferner kann es mittels Ultrapräzisionsschleifen zu Umformwerkzeugen mit spiegelnden Oberflächen verarbeitet werden. Wolframkarbid hat jedoch ein entscheidendes Defizit: Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) unterscheidet sich signifikant vom CTE der meisten optischen Gläser (Krongläser, Schwerflintgläser). Während der Abkühlphase des Präzisionsblankpressens kommt es aufgrund des CTE-Unterschieds zur sogenannten „Glasschwindung“, wodurch eine Formabweichung zwischen gepresster Linse und Werkzeug resultiert sowie kritische Spannungsfelder im Glas entstehen können. Da diese Phänomene prozessseitig nur geringfügig beeinflusst werden können, limitiert der CTE-Unterschied zwischen Glas und Werkzeug den Anwendungsbereich des Präzisionsblankpressens.In diesem Forschungsvorhaben werden MAX-Phasen-Komposite für die Glasumformung erprobt. Der CTE von hierfür ausgewählten MAX-Phase Ti3SiC2 liegt mit 9,1∙10-6 K-1 im Bereich der optischen Gläser. Das Einbringen von Silizium- bzw. Titankarbid erhöht die Bruchdehnung und die Druckfestigkeit des Ti3SiC2-Komposits. Die Komposite werden durch feldunterstütztes Sintern (FAST) hergestellt, wobei zwei Routen verfolgt werden: (i) Nutzung kommerzieller Ti3SiC2-Pulvern und (ii) die in-situ Bildung von Ti3SiC2. Es wird systematisch untersucht, wie der Füllgrad der Karbidphase und die Sinterparametern die thermische Ausdehnung, das Gefüge und den Zerspanprozess beeinflussen. Das Ultrapräzisionsschleifen wird in diesem Forschungsvorhaben auf ein Werkstoff übertragen, der bis dato nicht für die Glasumformung genutzt wurde. Durch eine wissensbasierte und modellbasierte Prozessauslegung wird der Einfluss der Kinematik, der Diamantkorngröße, des Bindungstyps, der Vorschubgeschwindigkeit, der Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe auf die Oberflächenintegrität der Komposite untersucht. Die wissenschaftliche Herausforderung liegt in der Identifikation eines geeigneten Prozessfensters zum Schleifen von riss- und defektarmen Oberflächen niedriger Rauheitswerte in Abhängigkeit von den Materialeigenschaften.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen