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Jul 08, 2023

Studie zur optischen Qualität und Festigkeit von Glaskanten nach dem Schleif- und Polierprozess

Datum: 22. November 2022 Autoren: Paulina Bukieda, Katharina Lohr, Jens Meiberg und Bernhard Weller Quelle: Glass Structures & Engineering Band 5, (2020) https://doi.org/10.1007/s40940-020-00121-x Glass

Datum: 22. November 2022

Autoren: Paulina Bukieda, Katharina Lohr, Jens Meiberg & Bernhard Weller

Quelle:Glass Structures & Engineering Band 5, (2020)

https://doi.org/10.1007/s40940-020-00121-x

Glaskanten entstehen durch den Zuschnitt von Glasscheiben und einer weiteren optionalen Veredelung. Durch den mechanischen Eingriff in den spröden Werkstoff Glas entstehen Fehlstellen und Risse an der Kantenoberfläche. Diese Mängel haben Einfluss auf die Festigkeit der gesamten Verglasung. Im Rahmen eines Forschungsprojektes am Institut für Baukonstruktion der Technischen Universität Dresden wird der Schleif- und Polierprozess hinsichtlich charakteristischer sichtbarer Auswirkungen auf die Glaskante und die Kantenfestigkeit untersucht. Ein besonderer Schwerpunkt des Forschungsvorhabens liegt dabei auf der Auswirkung verschiedener Poliertöpfe auf die Fasenoberfläche von geglühtem Glas. Der Artikel stellt einige Grundlagen zu den Bearbeitungsschritten von Glaskantenflächen vor, stellt die betrachteten Schleif- und Poliertöpfe vor und gibt einen Überblick über die durchgeführten experimentellen Untersuchungen.

Eine mikroskopische Analyse ermöglicht eine Charakterisierung typischer Defekte an den Oberflächen. Darüber hinaus werden Vierpunkt-Biegeversuche zur Ermittlung der Biegezugspannungen im Versagensfall durchgeführt. Die Kombination beider Methoden ermöglicht eine Analyse des bruchverursachenden Defekts vor der Zerstörung und einen Zusammenhang zwischen der optischen Oberflächenqualität und den Biegezugspannungen. Darüber hinaus könnte die Mikroskopie zur Unterstützung der Einstellung einer Schleifmaschine und zur Kontrolle reproduzierbarer Kantenqualitäten eingesetzt werden. Die Auswertung zeigt, dass durch eine spezielle Entwicklung von Poliertöpfen für die Fase die Oberflächenqualität verbessert und somit die Kantenfestigkeit erhöht werden kann.

Berücksichtigung der Glaskantenfestigkeit bei der Konstruktion

Die mechanischen und thermischen Belastungen im Fenster- und Fassadenbau steigen mit modernen architektonischen Ansprüchen und strengen Anforderungen an die Bauphysik. Bei zunehmenden Glasformaten und komplexeren Glasstrukturen kann es durch die Überlagerung mechanischer und insbesondere thermischer Belastungen zu kritischen Spannungen insbesondere im Randbereich kommen. Gemäß den aktuellen Designvorschriften in verschiedenen europäischen Ländern muss der Designwert von vorgespanntem Glas für die Dimensionierung von Glaskanten reduziert werden (Feldmann und Kasper 2014, S. 55). Im Falle der deutschen und österreichischen Norm (DIN 18008-1 2019 und ÖNORM B 3716-1 2016) ist eine Reduzierung der charakteristischen Biegefestigkeit von vorgespanntem Glas um 80 % erforderlich. Diese Reduzierung berücksichtigt die verarbeitungsbedingt hohe Streuung der Kantenfestigkeit und stellt ein Mindestmaß an Glaskantenfestigkeit dar.

Die verringerte Widerstandsfähigkeit der Kantenfestigkeit von vorgespanntem Glas und das Fehlen anpassbarer Belastungsszenarien an Glaskanten führen zu Unsicherheiten. Um eine gewisse Sicherheit bei der Gestaltung von Glaskonstruktionen und eine beschädigungsfreie Verglasung zu gewährleisten, ist eine weitere vertiefte Untersuchung der Glaskanten notwendig. Derzeit verwenden Planer häufig gehärtetes Glas, das eine höhere Kantenfestigkeit aufweist. Allerdings birgt die höhere Kantenfestigkeit die Gefahr eines spontanen Bruchs durch einen Nickelsulfideinschluss und eine Beeinträchtigung der optischen Qualität, da Anisotropien sichtbar sein können. Darüber hinaus ist die Verwendung von gehärtetem Glas sehr kostenintensiv. Eine effizientere Nutzung von getempertem Glas ist wünschenswert. Aus diesem Grund sind ein Sicherheitsdesignansatz und die Herstellung von vorgespanntem Glas mit akzeptabler Kantenfestigkeit und geringer Streuung erforderlich.

Geometrien und Arten von Glaskanten

Glaskanten entstehen durch den Zuschnitt einer Glasscheibe und eine weitere optionale Veredelung. Durch den Schneidprozess werden die Geometrie und die Größe der Glasscheiben bestimmt. Im anschließenden Schleif- und Polierprozess wird das Material an der Kantenfläche und den Rändern erodiert, um die Maßhaltigkeit sicherzustellen und die optische Qualität zu verbessern. Die sogenannten bearbeiteten Kanten verringern die Verletzungsgefahr und ermöglichen eine weitere thermische Vorspannung der Glasscheiben.

Abbildung 1 zeigt die typische Geometrie einer Schnittkante auf der Rückseite und einer polierten, weiterbearbeiteten Kante mit zwei diagonalen Fasen auf der Vorderseite. Zur Erläuterung des Schleifvorgangs und zur Zuordnung der Lage der Bruchursprünge zu einem definierten Bereich werden fünf Bereiche, unterteilt in Flächen und Linien, definiert. Die Kantenfläche (e) beschreibt die Fläche senkrecht zur Glasscheibenoberfläche (p). Die Fase (c) definiert die Oberfläche der Beschnittränder, die üblicherweise in einem Winkel von 45° verlaufen und von beiden Seiten der Glasscheibenoberfläche zur Randfläche hin verlaufen. Darüber hinaus werden die Übergänge zwischen Kante und Fase (tc) sowie zwischen Fase und Glasscheibenoberfläche (tp) definiert.

Im Bauwesen werden verschiedene Arten von Glaskanten nach der Norm DIN 1249-11 (2017) klassifiziert. Die Schnittkante wird mit scharfen Rändern, einem sauberen Schnittbereich und unregelmäßigen Brüchen im zerkratzten Bereich beschrieben. Neben der Schnittkante gibt es vier Arten weiterverarbeiteter Kanten mit steigenden Bearbeitungsschritten und optischer Qualität. Um eine gesäumte Kante zu erzeugen, werden die scharfen Ränder und unregelmäßigen Brüche der Schnittkanten beschnitten. Die Kantenfläche wird nicht unbedingt bearbeitet. Abhängig von den weiteren Schleif- und Polierschritten werden geschliffene Kante, glatt geschliffene Kante und polierte Kante definiert. Beim Schleifprozess werden immer zuerst die groben, abrasiven Bearbeitungsschritte durchgeführt, was zu einem rauen Erscheinungsbild führt. Anschließend werden die Oberflächen mit feineren, qualitätsverbessernden Werkzeugen poliert, wodurch eine ebene und transparente Oberfläche entsteht. Durch den Schleif- und Polierprozess entstehen jedoch neue Fehler und Risse an der Kantenoberfläche, die einen Einfluss auf die Biegezugspannungen beim Versagen haben und möglicherweise für die Kantenfestigkeit der gesamten Verglasung berücksichtigt werden müssen.

Experimentelle Untersuchungen an Glaskanten

Der Arbeitskreis Kantenfestigkeit des Fachverbandes Konstruktiver Glasbau eV (FKG) hat eine umfangreiche experimentelle Untersuchung zur Festigkeit der Kantenbearbeitungsarten Schnittkante, gesäumte Kante und glattgeschliffene Kante durchgeführt. Dabei wurden über 1000 Glasträger in 33 Testreihen von sechs verschiedenen Herstellern im Vierpunktbiegen getestet (Ensslen 2013). Zusätzlich wurde eine Auswahl von Proben jeder Versuchsreihe vor der Zerstörung mikroskopisch an der Kantenoberfläche untersucht. Kluderlein et al. (2014) stellten in Abb. 2 die Unterschiede in der Art der Kantenoberflächen zwischen den Herstellern dar. Für jede Art von Glaskante gibt es Bilder von drei verschiedenen Herstellern. Vor allem die Qualität der gesäumten Kante ist sehr unterschiedlich. Eine Erfassung der Bearbeitungsparameter ergab, dass die gesäumten Kanten mit unterschiedlichen Schleifmaschinen (Querband oder Schleifscheiben) erzeugt wurden.

Das Prüfverfahren zur Festigkeitsbestimmung von Glaskanten orientiert sich an der DIN 1288-3 (2000), die den Vierpunkt-Biegeversuch von Flachglas mit einer Lasteinleitung in die schwache Achse definiert. Für die spezielle Untersuchung der Kantenfestigkeit wurde der Aufbau jedoch für die Durchführung von In-Plane-Tests modifiziert. Dadurch werden homogene Zugspannungen an den Kanten erzeugt, was die Wahrscheinlichkeit eines Bruchs direkt von der Kante erhöht und die Ermittlung einer Kantenfestigkeit ermöglicht (Ensslen 2013). Die Versuchsreihen wurden statistisch mit einer Zwei-Parameter-Weibull-Verteilung ausgewertet, um 5 %-Fraktile mit einem Konfidenzniveau von 95 % zu ermitteln, die der charakteristischen Biegefestigkeit von Glas entsprechen.

Von 33 Versuchsreihen zeigten nur zwei Serien 5 % Fraktile unterhalb der empfohlenen charakteristischen Kantenfestigkeit für vorgespanntes Glas von 36 N/mm² (80 % von fk= 45 N/mm² nach DIN 18008-1 (2019)). Der maximale Fraktilwert wurde mit einem Wert von 64,84 N/mm² ermittelt. Die weit verbreitete Annahme, dass geschliffene und polierte Kanten immer eine höhere Kantenqualität aufweisen als geschnittene Kanten, konnte widerlegt werden. Ein Vergleich innerhalb derselben Kantenveredelung zeigt, dass der Einfluss des Herstellers viel höher ist als der der Veredelung selbst. So kann eine gut geschnittene Kante eine höhere Festigkeit aufweisen als eine schlecht geschliffene Kante mit vielen Fehlern. (Kleuderlein et al. 2014)

Neben der Arbeit der Arbeitsgruppe Kantenfestigkeit untersuchten Lindqvist (2013) und Vandebroek (2014) die Kantenfestigkeit von getempertem Glas. Lindqvist (2013) führte mikroskopische Analysen durch, um die Kantenfestigkeit basierend auf der Identifizierung des kritischen Risses vorherzusagen. Die Ergebnisse zeigten, dass es schwierig ist, die kritischen Mängel zu erkennen. Vandebroek (2014) untersuchte die Kantenfestigkeit durch Biegeversuche, um den Einfluss des Belastungsverlaufs, der Spannungskorrosion, der Größe und der Spannungsverteilung zu ermitteln. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf die verschiedenen Kantentypen, verschiedene Hersteller und Glasabmessungen. Die Ergebnisse bestätigen eine große Variation der ermittelten Festigkeitsergebnisse zwischen verschiedenen Herstellern und verdeutlichen die Notwendigkeit einer Untersuchung unterschiedlicher Kantenbearbeitungsmethoden.

Lohr (2019) untersuchte das Schleifen von thermisch vorgespanntem Glas. Bei einigen mikroskopischen Untersuchungen fiel auf, dass die Übergangsbereiche zwischen den Flächen tc und tp (siehe Abb. 1) viele Defekte aufwiesen und auch eine Vielzahl von Brüchen ihren Ursprung in den Fasen- und Übergangsbereichen hatten. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse von thermisch vorgespanntem Glas auf vorgespanntes Glas muss untersucht werden.

Generierung von Schneidprozessparametern

Nach der umfassenden Untersuchung der verschiedenen Arten von Glaskanten konzentrierte sich die Arbeitsgruppe Kantenfestigkeit auf Schnittkanten. Mit den Ergebnissen der ersten Studie und einer tiefergehenden Betrachtung des Schneidprozesses gelang es, einen Satz „guter“ Schneidparameter für 8 mm dickes Glas zu generieren, die zu einer reproduzierbaren Kantenfestigkeit von mindestens 45 N/mm245 N führen /mm2 (Ensslen und Müller-Braun 2017). Darüber hinaus konnten optische Eigenschaften wie die Tiefe von seitlichen und mittleren Rissen ermittelt werden, die mit der Kantenfestigkeit korreliert werden können. Dadurch kann eine Abschätzung der Schnittkantenfestigkeit auf Basis optischer Methoden erfolgen (Müller-Braun et al. 2020).

Die bisherigen Untersuchungen der Arbeitsgruppe Kantenfestigkeit der FKG (Ensslen 2013; Kluderlein et al. 2014; Ensslen und Müller-Braun 2017) und Vandebroek (2014) zeigten, dass der Schleif- und Polierprozess einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität und Qualität hat Stärke der Glaskanten. Trotz der standardisierten Gestaltungsarten gibt es erhebliche Unterschiede in der optischen Kantenqualität, wie Abb. 2 zeigt. Es gibt eine große Bandbreite an Prozessparametern für alle Kantenarten und eine breite Streuung zwischen den Herstellern (Kleuderlein et al. 2014).

Diese Fakten unterstreichen die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses der weiteren Veredelungsprozesse, einer Erfassung und Spezifikation von Prozessparametern und der Herstellung vergleichbarer Kantenqualitäten. Die Fertigungsparameter Schleifen und Polieren sind noch nicht wissenschaftlich untersucht. Nur eine reproduzierbare Kantenqualität, basierend auf definierten Prozessparametern, kann die Streuung der Kantenfestigkeit unabhängig von verschiedenen Herstellern minimieren. Dies ist erforderlich, um verarbeitete, getemperte Glaskanten mit gleichbleibender Qualität und einer gleichbleibenden charakteristischen Biegefestigkeit herzustellen, die keine weitere Reduzierung im Designprozess erfordert.

Ziel dieser Studie ist es, ein tieferes Verständnis über die Auswirkungen der Veredelungsprozesse auf das Material zu gewinnen und Empfehlungen für die Bearbeitungsanpassungen zu geben, um mit Unterstützung optischer Methoden reproduzierbare Kantenqualitäten zu erreichen. Dazu wird der Schleif- und Polierprozess untersucht und die einstellbaren Parameter identifiziert. Zunächst werden die Kantenbearbeitungsprozesse eines Herstellers betrachtet. Der besondere Fokus dieser Untersuchung liegt auf der Reduzierung von Fehlern und Rissen im Fasen- (c) und Übergangsbereich (tc), um eine reproduzierbare optische Qualität sowie eine höhere Festigkeit der Glaskanten zu verbessern und zu schaffen. Hierbei werden drei verschiedene Polierwerkzeuge und Größen der Fase variiert.

Um den Einfluss der Parameter zu bewerten, wird ein experimentelles Prüfverfahren mit einer mikroskopischen Analysemethode entwickelt. Die mikroskopische Analyse hilft, die Auswirkungen der Endbearbeitung auf das Material zu verstehen, indem sie die resultierenden Oberflächen charakterisiert und die auftretenden Fehler bewertet. Das Prüfverfahren umfasst eine mikroskopische Aufnahme der Kantenoberflächen vor den zerstörenden Prüfungen und eine Lokalisierung bruchverursachender Fehler nach der Zerstörung durch den Vierpunkt-Biegeversuch. Abschließend werden die bruchverursachenden Defekte mit den ermittelten Biegezugspannungen beim Versagen korreliert.

Der Prozess des Schleifens und Polierens

In der Praxis werden zur Herstellung weiterbearbeiteter Glaskanten unterschiedliche Schleifmaschinen eingesetzt. Eine Querbandmaschine besteht beispielsweise aus einem laufenden Band, das mit Schleifmaterial beschichtet ist. Zur Bearbeitung muss das Glas manuell gegen das Band gedrückt werden. Einige Hersteller produzieren gesäumte Kanten mit Querbandmaschinen. Ein weiterer Typ ist die CNC-Schleifmaschine, die computergesteuert komplexe Formen schleift. Die gebräuchlichste Methode zur Herstellung weiterverarbeiteter Glaskanten, insbesondere glattgeschliffener und polierter Kanten, sind jedoch Kantenschleifmaschinen.

Man unterscheidet zwischen vertikalen, einseitigen und horizontalen, doppelseitigen Kantenschleifmaschinen. Die Proben dieser Studie wurden mit einer einseitigen, vertikalen Kantenschleifmaschine vom Typ Rock 11 der Firma Neptun bearbeitet, wie in Abb. 3 dargestellt. Daher basiert die weitere Beschreibung des Schleifprozesses auf dieser Methode. Die Maschine besteht aus elf Schleif- und Polierstationen. An jeder Station bearbeiten Mehrkornwerkzeuge, sogenannte Schleiftöpfe, die Kante. Von außen sind lediglich die Motoren der Topfscheiben sichtbar. Das Piktogramm unter dem Bild in Abb. 3 soll bei der Zuordnung der Bearbeitungsschritte und der einzelnen Stationen helfen.

Die Glasplatte wird auf der rechten Seite auf ein vertikales und horizontales Führungsband gelegt und dann auf der linken Seite durch die Kantenschleifmaschine transportiert. Die zu bearbeitende Kante zeigt nach unten. Das horizontale Führungsband transportiert das Glas zur ersten Station. Anschließend wird das Glas über zwei seitliche Führungsbänder zu weiteren Stationen geführt. Diese halten das Glas in einer geraden Position und regulieren die Geschwindigkeit. An jeder Station bearbeitet ein rotierender Schleif- oder Poliertopf die Kante von unten unter ständiger Zufuhr von Kühlwasser. Das Kühlwasser verhindert eine Überhitzung der Schleiftöpfe. Die Schleiftöpfe an den Stationen 1 bis 3 sowie 4 und 6 sind starr. Die Poliertöpfe an den Stationen 5 sowie 7 bis 11 werden hydraulisch an die Glaskante gedrückt. Der Anpressdruck der beweglichen Stationen ist einstellbar. Die Schleiftiefe, die die Menge des am Ende des Prozesses abgetragenen Materials beschreibt, wird durch die Position des horizontalen Führungsbandes reguliert.

Die ersten Stationen im Schleifprozess sorgen für den Materialabtrag und die Maßhaltigkeit entlang der Glaskantenfläche. Anschließend erzeugen die Stationen 4 bis 7 die Fase durch Schleifscheiben im 45°-Winkel. Abbildung 4 zeigt die Ausrichtung der Schleifscheiben während der Kanten- und Fasenbearbeitung.

In der vorgestellten Kantenschleifmaschine gibt es für jede Fase zwei Stationen, eine grobe Topfscheibe mit Diamantkörnern als Schleifmittel und eine feine Topfscheibe zum weiteren Polieren. Die Schleiftöpfe gegen Ende des Prozesses an den Stationen 8 bis 11 sind feiner. Sie reduzieren die Oberflächenrauheit und erzeugen eine hohe Transparenz. Je nach Kantentyp können dabei die benötigten Stationen separat zugeschaltet werden. Die polierte Kante durchläuft alle Stationen und gehört somit zur höchsten Qualitätsstufe. Für die Herstellung hochwertiger Glaskanten sind aufeinander abgestimmte Konfigurationen der Schleifscheiben und weitere Prozessparameter unerlässlich.

Topfscheiben schleifen und polieren

Beim Schleifvorgang werden durch den Einsatz von Schleif- und Poliertöpfen mikroskopisch kleine und geometrisch undefinierte Bruchteile vom Glasrand entfernt. Diese unterscheiden sich in der Zusammensetzung des Bindungssystems und der Korngröße. Abbildung 5 zeigt Beispiele verschiedener Schleif- und Poliertöpfe und deren mikroskopische Oberflächen.

Für abrasive Bearbeitungsschritte werden grobe Körnungen in Kombination mit harten, metallischen oder kunstharzgebundenen Bindungen eingesetzt. Das linke Bild von Abb. 5 zeigt eine metallisch gebundene Diamantschleifscheibe, die durch den Einsatz extrem harter Diamantkörner einen hohen Materialabtrag gewährleistet. Sie erzeugen ein raues Aussehen auf den bearbeiteten Oberflächen. Das abgetragene Material kann sich in den Segmenten ansammeln und dann vom Kühlwasser ausgewaschen werden. Das mittlere Bild zeigt eine kunstharzgebundene Diamantschleifscheibe, die der metallisch gebundenen Schleifscheibe ähnelt, jedoch durch die Verwendung eines kunstharzbasierten Bindungssystems weicher ist. Dies führt zu einem reibungslosen Materialabtrag.

Der rechte Teil von Abb. 5 zeigt einen Poliertopf mit feiner Korundkörnung. Poliertöpfe entstehen durch die Kombination von Schleifkörnern wie Siliziumkarbid, Korund oder Ceroxid mit elastisch gebundenen Trägermaterialien wie Polyurethan, Gummi oder modifizierten Kunstharzen in verschiedenen Elastizitätsgraden. Die chemische Struktur des jeweiligen Bindungssystems in Kombination mit dem Schleifkorn beeinflusst die endgültigen Eigenschaften des Werkzeugs. Feinere Körnungen in weicheren, elastischen Bindemitteln sorgen für glatte und transparente Oberflächen. Ceroxid ist ein geeignetes Korn zum Hochpolieren, da es eine Entfernung durch mechanisches und chemisches Schleifen ermöglicht. Durch die chemische Reaktion werden Atome aus dem Glas gelöst, die sich dann von der Oberfläche abheben. Auf diese Weise wird eine Glättung kleinster Unebenheiten der Kante erreicht.

Zur Bearbeitung von Glaskanten muss eine Topfscheibe immer über mehrere freiliegende Schleifkörner auf ihrer Oberfläche verfügen. So kann effizient gearbeitet werden. Um die gewünschte Schleifwirkung zu erzielen, dürfen die Schleifkörner nicht schneller als das Bindungssystem abgeschliffen werden, das Bindungssystem darf nicht ausbrechen und auch kein einzelnes Korn freiliegen (Abb. 6).

Schleifparameter auf die Oberflächenqualität

Die endgültige Kantenqualität ergibt sich aus der Kombination und Menge der Schleiftöpfe, mehreren Prozessparametern und deren passendem Zusammenspiel. Für den Schleif- und Polierprozess sind derzeit keine allgemein bekannten optimierten Prozessparameter bekannt, die sich auf eine definierte Kantenqualität bzw. -festigkeit beziehen. In der Praxis basiert die Optimierung auf der optischen Qualität der Glaskante. Die Einflüsse des Herstellers und der Schleifmaschine sind hoch und werden nicht ausreichend untersucht. Die Einflüsse der einzelnen Prozessparameter lassen sich jedoch aus den Wirkprinzipien des Mahlens ableiten. Eine hohe Drehzahl der Schleiftöpfe in Kombination mit einer langsamen Geschwindigkeit sorgt dafür, dass die Schleifscheibe häufiger mit der Glasoberfläche in Kontakt kommt. Dadurch sollen die physikalischen Materialabtrags- und Polierprozesse verbessert werden. Darüber hinaus können Menge und Sauberkeit des Kühlwassers einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität haben.

Von besonderem Interesse sind in den vorliegenden Betrachtungen die Fasenfläche und die Übergangsbereiche. Daher werden drei verschiedene Poliertöpfe für die Fase optisch und hinsichtlich der Kantenfestigkeit untersucht.

Überblick

Um die Qualität der Kanten- und Fasenflächen zu bewerten und Rückschlüsse auf die Fehler zu erhalten, die den Bruch verursachen können, wurde ein dreistufiges experimentelles Prüfprogramm entwickelt. Zunächst wurden die Kanten und Fasenflächen mikroskopisch erfasst und untersucht. Anschließend wurden Vierpunkt-Biegeversuche durchgeführt. Im letzten Schritt wurde der Bruchursprung lokalisiert und der bruchverursachende Defekt durch einen Vergleich mit den aufgenommenen Bildern der Oberfläche vor dem Bruch erkannt.

Probe

Bei den hergestellten Probekörpern handelt es sich um Balken mit den Maßen 125 mm x 1100 x 10 mm mit polierter Kante (Abb. 7). Die Abmessungen basieren auf der Konstruktion des Aufbaus für den Vierpunkt-Biegeversuch. Die Wahl fiel auf die polierte Glaskante, da die Herstellung von Kanten mit hoher optischer Qualität eines der Ziele des Forschungsvorhabens war. Um eine größere Oberfläche zu untersuchen und so mehr Informationen über die Schleif- und Polierprozesse zu erhalten, wurde für die Proben eine Dicke von 10 mm gewählt. Für eine eindeutige Vergleichbarkeit ist die Definition der Fasen als Fase 1 und Fase 2 gemäß Abb. 7 erforderlich. Die Klassifizierung richtet sich nach dem Schliffbild. Die Proben wurden mit einem Übermaß hergestellt und anschließend geschnitten, da die Schleifmaschine zur Bearbeitung der Kanten eine Mindesthöhe von 250 mm benötigt.

Mikroskopische Analyse

Die mikroskopische Oberflächenanalyse wurde mit einem digitalen Lichtmikroskop der Firma Zeiss mit einer möglichen Vergrößerung von 34-fach bis 1100-fach durchgeführt. Die Kanten- und Fasenflächen aller Prüfkörper wurden markiert und protokolliert. Dies ermöglichte eine Charakterisierung der Kantenqualität und eine weitere Lokalisierung des bruchverursachenden Defekts. Die aufgenommenen Flächen bedecken die Probenmitte und haben eine Länge von etwa 200 mm (der Bereich ist in Abb. 7 markiert). Dieser spezielle Bereich entspricht dem belasteten Bereich im folgenden Vierpunkt-Biegetest. Daher besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass der Ursprung des Bruchs in diesem Bereich liegt. Die Kantenfläche wird mit 70-facher Vergrößerung aufgenommen, die Fasenflächen mit 100-facher Vergrößerung. Abbildung 8a zeigt das Mikroskop mit geneigter Auflage zur Aufnahme der Bilder der Fasenflächen und ein Beispiel einer mikroskopischen Aufnahme von ca. 20 mm einer Fasenfläche (Abb. 8b).

Vierpunktbiegen

Die Vierpunkt-Biegeversuche wurden in Anlehnung an die DIN EN 1288-3 (2000) und die Untersuchungen des Arbeitskreises Kantenfestigkeit der FKG durch Belastung der Glasproben bei Biegung um die starke Achse durchgeführt. Die untersuchte Kante zeigt nach unten, wo die Biegezugspannungen auftreten. Abbildung 9 zeigt den Versuchsaufbau an der Technischen Universität Dresden und ein entsprechendes Piktogramm. Das Kugellager und die seitlichen Stützen an den Trägerenden sind in einem tragenden Kugellagersystem zusammengefasst. Die Probe wird vertikal auf 80 mm breiten POM-Blöcken mit einer Spannweite von 1000 mm gestützt. Die Lasteinleitung erfolgt punktuell in einer Spannweite von 200 mm über kleine POM-Klötze, die auf der oberen Glaskante aufliegen. Die Bruchversuche werden mit einer konstanten Belastungsgeschwindigkeit von 2 N/(mm2s2s) bis zum Bruch durchgeführt. Nach der Zerstörung wird die Bruchlast gemessen.

Fehleranalyse

Nach dem Bruchtest wird die globale Position des Bruchs xglobglob bestimmt, um zu entscheiden, ob ein Test ausgewertet wird oder nicht (Abb. 10). Es werden nur Bruchursprünge innerhalb des belasteten Bereichs ausgewertet. Der genauere Blick auf den Bruchspiegel ermöglicht es, den Beginn des Bruchursprungs des anfänglichen Risses zu bestimmen (Quinn 2016, 7–10). Eine weitere Differenzierung erfolgt ausgehend von der Kantenfläche (e), der Fasenfläche (c), dem Übergangsbereich (tc) oder der Glasscheibenfläche (p), um auf den aufgenommenen Bildern den bruchverursachenden Defekt zu lokalisieren intakte Oberflächen. Der Kreismittelpunkt des Bruchspiegels in Abb.10 weist auf den anfänglichen Riss an der Fasenfläche auf Seite 2 hin.

Verarbeitungsparameter

Alle Proben wurden mit einer Geschwindigkeit von 2 m/min und einer Schleiftiefe von 1 mm geschliffen. Die Schleiftiefe beschreibt die Menge des Materialabtrags der Glaskante beim Schleifvorgang. Vor dem Schleifprozess wurden die sichtbaren Mittelrisse, die durch den Schneidprozess entstehen (Müller-Braun et al. 2020), mit einer Länge von etwa 300 μmμm gemessen. Bei der gewählten Schleiftiefe von 1 mm werden die sichtbaren Mittelrisse aus dem Schleifprozess vollständig entfernt.

Daher wird davon ausgegangen, dass ein Einfluss des Schneidprozesses ausgeschlossen ist. Die Vermutung soll jedoch in einer weiteren Versuchsreihe durch Schleifen unterschiedlicher Schnittkantenqualitäten bei konstanten Schleifprozessparametern überprüft werden. Das Bindungssystem und die Kornart der verwendeten Schleiftöpfe sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der einstellbare Anpressdruck jeder Schleiftöpfe wurde entsprechend den Erfahrungen des Herstellers und den makroskopischen optischen Ergebnissen während der Produktion eingestellt und aufgezeichnet. Da sie vom Abrieb der verwendeten Topfscheibe abhängig ist, kann sie innerhalb der Versuchsreihe variieren.

Tabelle 1 Schleifscheiben, die in der Kantenschleifmaschine verwendet werden –Tisch in voller Größe

Tabelle 2 Untersuchte Versuchsreihen –Tisch in voller Größe

Tabelle 2 gibt einen Überblick über die getesteten Serien. Insgesamt wurden für die Stationen 5 und 7 (gemäß Abb. 3) drei verschiedene Poliertöpfe für die Fase der Firma Artifex untersucht. Für die Proben der Versuchsreihe A wurde ein kunstharzgebundener Poliertopf mit sehr feiner Korundkörnung verwendet. Diese Art von Poliertopf wird als hart eingestuft. Die Proben der Versuchsreihe B wurden mit einem Poliertopf aus Polyurethan als Bindung und einer Korund mittlerer Körnung hergestellt.

Dadurch entsteht ein weicherer Polyurethanschaum, der den Poliertopf als weich einstuft. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurden für die Fase spezielle Poliertöpfe aus einem Polyurethan-Bindungssystem und einer Innenkörnung entwickelt. Diese werden zu einem feinporösen, aber harten Polyurethanschaum aufgeschäumt. Die genaue Zusammensetzung unterliegt der Geheimhaltungsvereinbarung mit der Firma Artifex. Die Proben der Versuchsreihe C wurden mit dem speziell entwickelten Poliertopf hergestellt.

Darüber hinaus wurden drei Versuchsreihen mit unterschiedlicher Fasengröße untersucht, um den Einfluss eines unterschiedlich starken Materialabtrags der Fase zu testen. Daher wurden die Schleiftöpfe für die Fase manuell eingestellt. Durch die allgemeine Verstellung wird bei einem Winkel von 45° auf jeder Seite ca. 1 mm der Kantenfläche abgetragen, wodurch sich eine Breite der Fasenfläche von 1,4 mm ergibt. Bei einer kleinen Fase (Versuchsreihe KS) sollten die Anpassungen auf jeder Seite ca. 0,5 mm der Kantenbreite entfernen, was zu einer Fasenbreite von 0,7 mm führt.

Die große Fase (Versuchsreihe GS) mit einer Breite von ca. 1,7 mm wurde durch Einstellen der Fasenschleiftöpfe auf einen Abtrag von 1,5 mm auf jeder Seite erzeugt. Darüber hinaus wurde eine Versuchsreihe mit polierter Kante, aber ohne Fase hergestellt (Versuchsreihe O). Ziel war es, Fehler durch die Herstellung der Fase zu vermeiden. Für die Versuchsreihe O wurden die Stationen 4 bis 7 stillgelegt. Pro Versuchsreihe wurden acht bis zwölf Prüfkörper hergestellt.

Typische Oberflächen und Mängel

Durch die mikroskopische Analyse konnten allgemeine Informationen über die bearbeiteten Kanten- und Fasenflächen gewonnen werden. Einige typische Oberflächen und auftretende Fehler sind in Abb. 11 dargestellt. Der Aufprall der Schleiftöpfe auf das Glas hinterlässt ein Schleifmuster auf der Oberfläche, das mit der Drehrichtung der Schleiftöpfe in Zusammenhang gebracht werden kann. Das Schliffbild ist als gleichmäßiges Rillenmuster auf der Oberfläche zu erkennen. Darüber hinaus wurden typische Fehler wie einzelne Kratzer in Schleifbildrichtung, Fehlstellen in den Übergangsbereichen, weiter beschrieben als Absplitterungen und Muscheln, ermittelt.

Einzelne sichtbare Kratzer (Abb. 11, links) in Schleifbildrichtung können durch einen nicht ausreichend dimensionierten Abtrag des Glasabriebs, ein freiliegendes oder ausgebrochenes Schleifkorn aus der Topfscheibe entstehen. Durch den Materialabtrag sowohl an der Kante als auch im Fasenbereich entstehen Ausbrüche und Muscheln. Sie entstehen natürlicherweise an der Stelle, an der das Material ausbricht (Abb. 11, Mitte und rechts). Da die Fehler beim Schleif- oder Poliervorgang entstehen, werden sie als typisch eingestuft. Die folgende Analyse beinhaltet den Vergleich dieser typischen Fehler innerhalb der unterschiedlichen Testreihen.

Mikroskopische Analyse der Testreihe

Die mikroskopischen Aufnahmen der Oberflächen ermöglichen eine erste Beurteilung und Charakterisierung der Kantenqualität. Abbildung 12 zeigt repräsentative Ausschnitte der Oberflächen der Fase 1, der Kante und der Fase 2 der Versuchsreihe mit unterschiedlichen Poliertopfscheiben (Versuchsreihen A, B und C). Die Anordnung der Bilder entspricht den Übergangsbereichen der angrenzenden Flächen. Die Fasenflächen sind im Vergleich zu den Kantenflächen 4-fach vergrößert dargestellt.

Der Vergleich der Kantenflächen der einzelnen Versuchsreihen zeigt keine signifikanten Unterschiede. Bei näherer Betrachtung erkennt man das Schliffbild mit leichten parallelen Rillen. Allerdings ist das mikroskopisch sichtbare Schleifbild auf makroskopischer Ebene kaum sichtbar. Daher ist die Kantenoberfläche eindeutig als poliert einzustufen.

Die Betrachtung der Fasenflächen der Versuchsreihen zeigt unterschiedliche Qualitäten, die auf die Eigenschaften der Poliertopfscheiben mit unterschiedlichen Fasen zurückzuführen sind.

Serie A

Serie B

Serie C

Somit zeigt der Poliertopf C die besten optischen Ergebnisse mit dem geringsten Anteil an Spänen und Muscheln. Makroskopisch zeigte die Probe der Versuchsreihe C auch die beste optische Fasenqualität mit den geringsten Fehlern.

Abbildung 13 zeigt mikroskopische Aufnahmen der Versuchsreihen mit unterschiedlicher Fasengröße (Versuchsreihen GS, KS und O). Für die Herstellung der Fase wurde der Fasenpoliertopf C verwendet, der in der Poliertopfstudie die besten Ergebnisse zeigte. Ausbrüche und Muscheln der Versuchsreihen KS und GS treten im Bereich von 80 μm auf. Lediglich ein Exemplar der Versuchsreihe GS zeigte außergewöhnliche Ausbrüche und Muscheln im Bereich von 450 μm. Abgesehen von dieser Einzelprobe war die Qualität der Fasenoberfläche reproduzierbar. Die unterschiedliche Größe war nicht erkennbar. Es wurde davon ausgegangen, dass die Höhe des Materialabtrags in den Übergangsbereichen durch auftretende Ausbrüche und Muscheln erkennbar ist.

Jeweils eine Fasenfläche der Versuchsreihen KS und GS zeigt das gleiche glatte Schleifbild mit nahezu keiner sichtbaren Richtung wie Versuchsreihe C in Abb. 12. Bei Versuchsreihe KS ist in Fase 2 ein Schleifbild sichtbar, bei Versuchsreihe GS zeigt sich ein Schleifbild ein Schleifbild in der Oberfläche der Fase 1. Aufgrund des Schleifbildes der Kanten- und Fasenflächen kann bestätigt werden, dass die Spezifikation der Fasen korrekt ist. Da sich zwischen den Versuchsreihen KS und GS lediglich die manuelle Verstellung der Fasenschleiftopfscheibe an Station 4 und 6 (gemäß Abb. 3) unterscheidet, kann das Zusammenwirken von Schleifdruck und Materialabtrag zu sichtbaren Veränderungen führen Auffälligkeit. Darüber hinaus ergab eine stichprobenartige Messung der Fasenbreite der Proben, dass sich durch die manuelle Einstellung unterschiedliche Fasengrößen ergeben.

Für die Versuchsreihe O wurde keine Fase hergestellt. Daher ist in Abb. 13 nur die Randfläche dargestellt. Die Randflächen entsprechen der optischen Qualität der anderen Versuchsreihen. Im Übergangsbereich der Randfläche der Versuchsreihe O zur Scheibenoberfläche 2 wurden einzelne Absplitterungen und Muscheln mit einer Reichweite von ca. 300 µm festgestellt. Da keine Fasen entstehen, sind diese auf den Materialabtrag der Glaskante zurückzuführen.

Analyse der Biegezugspannung

Für die Untersuchung unterschiedlicher Poliertopfscheiben mit Fasen und Fasengrößen wurden insgesamt 62 Proben getestet. Die Biegezugspannungen jeder Probe wurden aus der gemessenen Bruchlast nach der Euler-Bernoulli-Balkentheorie ermittelt. Im Rahmen der Analyse wurden die globale Position Xglob der Fraktur sowie die genauen Frakturursprünge berücksichtigt. Es wurden Brüche mit Ursprung in der Kantenfläche (e), der Fasenfläche (c), dem Übergangsbereich zwischen Kanten- und Fasenfläche (tc) und der Scheibenoberfläche (p) gefunden. Zehn Proben wiesen einen Bruchursprung in der Scheibenoberfläche auf und wurden bei der Bewertung nicht berücksichtigt. Außerdem brachen neun Proben außerhalb des Belastungsbereichs, wo die höchste Spannung angenommen wird. Auch diese Exemplare wurden bei der Bewertung nicht berücksichtigt. Da nur der belastete Bereich mikroskopisch erfasst wurde, können diese Defekte nicht charakterisiert und nicht weiter mit den mikroskopischen Bildern korreliert werden.

Abbildung 14 zeigt die ermittelten Biegezugspannungen für jede Versuchsreihe in Form von Boxplots. Die dicke Linie in einem Kästchen markiert den Mittelwert der bewerteten Werte, während die Zahlen (n) über den Kästchen die Anzahl der bewerteten Proben angeben. Die grauen Boxplots enthalten alle Proben einer Versuchsreihe mit einem Bruch aus dem belasteten Bereich. Eine weitere Aufschlüsselung erfolgt je nach Bruchursprung mit einem Anfangsriss von der Kante (lila Boxplots), vom Übergang (blaue Boxplots) und der Fase (grüne Boxplots).

Generell weisen die Biegezugspannungen der einzelnen Versuchsreihen eine große Streuung auf. Beim Vergleich der Versuchsreihen A, B und C mit unterschiedlichen Poliertopfscheiben zeigte Versuchsreihe C deutlich die höchste ermittelte Biegezugspannung. Zusätzlich zeigt Tabelle 3 die jeweiligen Minimal-, Maximal- und Mittelwerte. Die Versuchsreihe C erreichte mit 103,77 N/mm² die höchste Biegezugspannung und mit 86,69 N/mm² den höchsten Mittelwert. Betrachtet man die Biegezugspannungen der Versuchsreihen GS und KS, sind diese anhand der Boxplots und Tabelle 3 mit der Versuchsreihe C vergleichbar. Lediglich ein Prüfling der Versuchsreihe GS weist eine relativ geringe Biegezugspannung auf. Die Versuchsreihe O ohne Fase zeigt eine große Streuung, aber im Vergleich zu den Versuchsreihen A und B immer noch etwas höhere Biegezugspannungen.

Tabelle 3 Ergebnisse der Vierpunkt-Biegeversuche –Tisch in voller Größe

Die Differenzierung der Positionen des Bruchursprungs konnte bisher keine eindeutigen Trends hinsichtlich der Biegezugspannungen aufzeigen. Zählt man die Proben mit einem anfänglichen Riss an der Fase oder im Übergangsbereich, so wiesen 60 % der Proben einen Bruch an der Fase und 40 % an der Kante auf. Dies bestätigt die Tatsache, dass die Fasen- und Übergangsbereiche von besonderem Interesse sind, da sie mehr bruchverursachende Fehler aufweisen als die Kante. Da die Anzahl der ausgewerteten Proben pro Versuchsreihe eher gering ist, sind die Aussagen mit Vorsicht zu genießen. Der Trend der Ergebnisse wird jedoch diskutiert und als Grundlage für weitere Untersuchungen herangezogen.

Feststellung bruchverursachender Defekte

Die Bestimmung der bruchverursachenden Defekte ermöglicht eine Korrelation mit den Biegezugspannungen. Um den bruchverursachenden Defekt zu bestimmen, wurde der Abstand zwischen dem Bruchursprung und den Markierungen am Fragment gemessen. Mit diesem Abstand wurde der entsprechende Punkt auf den intakten Bildern bestimmt. Abbildung 15 zeigt die bruchverursachenden Fehler der Probe mit den minimal und maximal ermittelten Biegezugspannungen jeder Versuchsreihe. Die dargestellten Bilder werden mit unterschiedlichen Vergrößerungen skaliert, um die Sichtbarkeit des Defekts zu vergrößern. Eine zweidimensionale geometrische Messung des Defekts konnte noch keine ausreichenden Informationen für eine Korrelation liefern und wird daher hier nicht dargestellt.

Die erste Zeile in Abb. 15 zeigt den Zusammenhang der niedrigsten Biegezugspannungen jeder Versuchsreihe. Die mikroskopischen Bilder zeigen deutliche Mängel. Die Proben mit der geringsten Biegezugspannung der Versuchsreihe GS lassen sich als Splitter und Muscheln charakterisieren. Derartige Mängel wurden am gesamten Exemplar wiederholt festgestellt. Die mikroskopische Analyse und der Vergleich mit den anderen Exemplaren der Testserie GS ergaben daher, dass es das einzige Exemplar der Serie mit dieser Größe an Splittern und Muscheln war. Durch den Vergleich dieser Beobachtung mit den ermittelten Biegezugspannungen wird die Streuung der Versuchsreihe GS erklärt. Der bruchverursachende Defekt des Probekörpers mit der geringsten Biegezugspannung der Versuchsreihe A ist ein Kratzer. Der Kratzer verläuft senkrecht zum Randrand. Ein solcher Fehler ist nicht repräsentativ für den Schleif- und Polierprozess, da er nicht in Richtung des Schleifbildes verläuft. Es wird angenommen, dass es nach dem Schleif- und Poliervorgang entstanden ist.

Die zweite Zeile in Abb. 15 zeigt bruchverursachende Defekte mit den höchsten Biegezugspannungen der Versuchsreihe. B, GS und KS zeigten keine optischen Unregelmäßigkeiten, was die These stützt, dass eine hohe optische Qualität der Oberflächen mit höheren Biegezugspannungen korreliert. Allerdings führt nicht jeder offensichtliche Mangel zu einem vorzeitigen Bruch. Die bruchverursachenden Fehler des stärksten Probestücks der Versuchsreihe A und des schwächsten Probestücks der Versuchsreihe B sind jeweils Kratzer in Richtung des Schleifbildes. Obwohl das optische Erscheinungsbild an der Oberfläche recht ähnlich ist, unterscheiden sich die Biegezugspannungen um etwa 45 N/mm22. Die digitale Mikroskopie ist eine zerstörungsfreie und berührungslose Methode zur Oberflächenanalyse mit der Aufzeichnung zweidimensionaler Oberflächenbilder. Daher ist die Tiefe von Kratzern nicht messbar. Aufgrund der Fokussierung und des Blitzes können einige Kratzer und Beschädigungen erkannt und im Vergleich zur Umgebung stärker charakterisiert werden. Besonders schmale mediale Risse, die zu einem frühzeitigen Bruch führen, können nicht erkannt werden.

Kraftbestimmung

Die Parameterkombination der Serien C und KS zeigte die besten Ergebnisse. Um Festigkeitswerte mit statistischer Signifikanz zu ermitteln, wurden zweite Versuchsreihen mit jeweils 30 Proben erstellt. Viele Bruchursachen lagen außerhalb des belasteten Bereichs, was die Probenmenge für die Auswertung reduzierte. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse der statistischen Auswertung mit einer zweiparameterigen Weibull-Verteilung. Die Bestimmung von 5 % Fraktilen mit einem Konfidenzniveau von 95 % ergab für die Versuchsreihe C_2 einen Wert von 42,74 N/mm² und für die Versuchsreihe KS_2 einen Wert von 52,09 N/mm². Die Versuchsreihe C_2 weist zwar eine geringere Fraktilität von 5 % auf, beide liegen jedoch deutlich über dem Grenzwert von 36 N/mm² nach DIN 18001 (2019).

Tabelle 4 Ergebnisse der zweiten Versuchsreihe C_2 und KS_2 mit einer Probenvergrößerung -Tisch in voller Größe

Aus der zweiten Versuchsreihe C_2 und KS_2 wurden jeweils zehn Proben mikroskopisch untersucht. Die bei der mikroskopischen Analyse ermittelten Oberflächen sind vergleichbar mit der ersten Testreihe. Da einige der analysierten Proben außerhalb des Belastungsbereichs brachen, war eine Zuordnung und Erkennung von bruchverursachenden Fehlern für beide Versuchsreihen insgesamt nur bei neun Proben möglich. Die Ermittlung der bruchverursachenden Defekte ergab einige untypische Defekte.

Typische Mängel in Abhängigkeit vom Veredelungsprozess

Qualität, Größe und Häufigkeit der Fehler können Aufschluss über ein gutes Zusammenspiel der einzelnen Bearbeitungsstationen und Bearbeitungsparameter geben oder eine Fehleinstellung aufdecken. Die Kombination aus hohem Anpressdruck, übermäßigem Materialabtrag und einer falschen Neigung der Schleifscheiben kann zu einem starken Schleifbild auf den Oberflächen und großen Fehlern in den Übergangsbereichen führen. Dadurch entsteht das Schleifbild bereits bei den ersten Schleifschritten und kann anschließend nicht durch die weiteren Polierschritte ausgeglichen werden. Durch das Polieren der umliegenden Oberfläche werden lediglich Rillen oder einzelne Kratzer besonders sichtbar. Ein stark sichtbares Schliffbild stellt nach derzeit vorliegenden Ergebnissen lediglich einen optischen Mangel dar; eine Festigkeitsreduzierung konnte nicht beobachtet werden.

Die weitere Korrelation der mikroskopischen Aufnahmen mit den Biegezugspannungen ergab, dass Fehler im Übergangsbereich, wie Absplitterungen und Muscheln, einzelne Kratzer und untypische Defekte meist bruchverursachend sind. Das wiederholte Auftreten sichtbarer Kratzer in Richtung des Schleifbildes kann auf einen schlechten Zustand einer Topfscheibe hinweisen. Ausbrüche und Muscheln entstehen durch den Materialabtrag infolge des Ausbruchs am Übergang. Unterschiedliche Poliertöpfe können die Menge und Größe der Defekte beeinflussen.

Untypische Mängel

Erkannte untypische Defekte korrelierten mit geringen Biegezugspannungen. Daher werden insbesondere die untypischen Fehler als Fehler angesehen, die die Kantenfestigkeit verringern können. Da die untypischen Fehlstellen nicht in Schleifrichtung verlaufen, ist davon auszugehen, dass sie nach dem Nachbearbeitungsprozess an der Glaskante entstehen. Obwohl Glasscheiben auf Setzklötzen aus Silikon gelagert werden, die die Kanten schützen sollen, wurden Fehler festgestellt, die senkrecht zur Kante verlaufen. Diese sind kritisch, da eine Rissöffnung durch Biegezugspannungen unterstützt wird. Um Mängel nach der Endbearbeitung auszuschließen, sollte die Kante direkt geschützt werden. Ein möglicher Schutz ist eine direkte Verpackung oder das Abkleben des Randes mit etwas Klebeband.

Einfluss der Poliertöpfe auf den Übergangsbereich

Die Variation von Fasenpoliertopfscheiben hat einen mikroskopisch erkennbaren Einfluss auf die Defektbildung und die Kantenform. Der kunstharzgebundene Poliertopf der Testreihe A mit feiner Körnung aus Edelkorund sorgt für scharfkantige Übergänge. Die feine Körnung schafft es nicht, die Riefen und Fehlstellen im Übergangsbereich zu reparieren, die beim Materialabtrag mit Diamantschleiftöpfen für die Fase entstehen. Versuchsreihe B zeigt eine Veränderung der Kantengeometrie durch den weichen Poliertopf mit mittlerer Korngröße aus Edelkorund.

Durch die Kombination der mittleren Körnung mit dem weichen Bindemittel ergibt sich eine runde Glättung des Übergangsbereichs zur Kantenoberfläche. Das weiche Bindungssystem des Poliertopfes passt sich der Form der Glaskante an und trägt nur minimal Material an der Glaskante ab. Ziel dieses Poliertopfes war es, gezielt die Kantenqualität zu verbessern, ohne durch den Materialabtrag Ausbrüche und Muscheln zu verursachen und darüber hinaus eine günstige Spannungsverteilung zu bewirken. Trotz der runden Glättung konnten Fehler in konstanten Größenbereichen festgestellt werden, die möglicherweise durch einen zusätzlichen Abrieb verursacht wurden.

Der Poliertopf der Versuchsreihe C zeigt die vielversprechendsten Ergebnisse zur Reduzierung von Fehlstellen und höheren Biegezugspannungen. Der Poliertopf mit einer feinporösen Zusammensetzung auf Polyurethanbasis und einer inneren Körnung erzeugte ein Oberflächenbild ohne Rillen auf der Oberfläche und mit scharfkantigen Übergängen. Der Übergangsbereich einer Seite wies Absplitterungen und Muscheln auf. Dadurch ist der Poliertopf hart genug, um nach den Bearbeitungsschritten der Diamantschleifscheiben den Oberflächenzustand der Fase zu reparieren, ohne dass neue Fehler entstehen.

Zusammenhang zwischen den Zugspannungen und dem bruchverursachenden Defekt

Die durchgeführten Biegezugspannungen zeigten große Streuungen. Eine Korrelation der bruchverursachenden Defekte ergab Gründe für einen frühen Bruch und geringe Biegezugspannungen einzelner Proben. Darüber hinaus konnten hohe Biegezugspannungen nicht mit eindeutigen Defekten in Zusammenhang gebracht werden. Die Bruchursprünge lagen in der Kantenfläche, der Fasenfläche, den Übergangsbereichen und der Scheibenoberfläche. Proben mit einem Bruchursprung von der Scheibenoberfläche und einem Bruchursprung außerhalb des belasteten Bereichs wurden bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Bei den untersuchten Proben wiesen 60 % der Proben einen Bruch an der Fase bzw. dem Übergang und 40 % an der Kante auf. Eine Reduzierung der Fehlstellen in den Fasen- und Übergangsbereichen mit speziellen Poliertöpfen kann daher zu höheren Biegezugspannungen führen. Um die Ergebnisse zu bestätigen, muss eine größere Anzahl ausgewerteter Proben durchgeführt werden.

Kantenfestigkeit

Die zweiten Versuchsreihen C_2 und KS_2 wurden durchgeführt, um Festigkeitswerte mit statistischer Signifikanz zu ermitteln. Beides führte zu hohen Festigkeitswerten oberhalb des Grenzwertes von 36 N/mm² nach DIN 18001 (2019). Versuchsreihe C_2 ergab einen Festigkeitswert von 42,74 N/mm², Versuchsreihe KS_2 einen Festigkeitswert von 52,09 N/mm². Die Korrelation der bruchverursachenden Defekte ergab einige untypische Defekte, die der Grund für die hohe Anzahl an Bruchursprüngen außerhalb des belasteten Bereichs sein könnten. Daher könnte eine noch höhere Kantenfestigkeit erzielbar sein, nachdem die Bedingungen der Kanten durch die Vermeidung untypischer Fehler verbessert wurden.

Verwendung der mikroskopischen Methode

Die Untersuchungen zeigten, dass die mikroskopische Methode aussagekräftige Informationen über die Qualität bearbeiteter Glasoberflächen liefert. Es ermöglicht eine Charakterisierung auftretender Fehler und Defekte und ist darüber hinaus für die Auswertung der Bruchversuche nützlich, da bruchverursachende Defekte erkannt werden können. Eine detaillierte Aufnahme einer relativ großen Oberfläche von 200 mm jeder Probe erfordert individuelle Einstellungen des Mikroskops, eine gute Rechenkapazität und einige Zeit. Es ist vorstellbar, dass eine mikroskopische Methode als Unterstützung für die Einstellung der Schleifmaschine und eine häufige Qualitätskontrolle der Kantenoberflächenqualitäten eingesetzt werden kann. Daher ist die Methode nützlich, aber dennoch nicht leicht in eine praktische Produktionskette anpassbar und muss für einen möglichen Einsatz in der Praxis weiterentwickelt werden.

Fehler und Mängel treten bei bearbeiteten Kanten natürlicherweise auf und können nicht vollständig verhindert werden. Ziel dieser Studie war es dennoch, polierte Kanten und Fasenflächen mit reduzierten Oberflächendefekten und Fehlern in den Übergangsbereichen der Glaskanten zu erzeugen. Mit einem speziell entwickelten Poliertopf der Versuchsreihe C wurde eine bearbeitete Fase mit reduzierten Fehlstellen in den Übergangsbereichen erzeugt. Gleichzeitig wurden steigende Biegezugspannungen ermittelt, was wiederum zur Ermittlung einer höheren Glaskantenfestigkeit führte. Das zeigt, dass die resultierende Kantenqualität stark von der Wahl des Poliertopfes beeinflusst wird.

Die Korrelation der Biegezugspannungen und der bruchverursachenden Defekte zeigt, dass mikroskopisch erkennbare Defekte einen Einfluss auf die Biegezugspannungen haben. Allerdings müssen noch weitere Untersuchungen zur Charakterisierung und geometrischen Vermessung von Defekten durchgeführt werden, um Einfluss und Grenzwerte zu präzisieren. Die Korrelation ergab auch untypische Defekte, die zu geringen Biegezugspannungen führten. Diese können das Glas spürbar schwächen. Daher sollte ein starker Fokus in der Produktionskette auf der Vermeidung untypischer Fehler liegen.

Um universelle Aussagen zu generieren und relevante Parameter zu identifizieren, ist der Einsatz optischer Methoden von Vorteil, da die Analyse dabei helfen kann, die Herstellung von Kantenqualitäten zu kontrollieren, Schleifmaschinen einzustellen oder Fehleinstellungen zu erkennen. Die Methode und ihr sinnvoller Einsatz müssen für einen praktischen Einsatz weiterentwickelt werden. Im weiteren Verlauf der Untersuchung müssen weitere Prozessparameter generiert werden. Die Untersuchungen konzentrieren sich zunächst auf einen Hersteller, bevor die Übertragbarkeit auf einen zweiten erfolgt. Mit der Generierung weiterer standardisierter Parameter für die Veredelungsprozesse von Glaskanten werden reproduzierbare Glaskanten mit geregelter Qualität und allgemeingültiger Kantenfestigkeit eingeführt. Dies ermöglicht eine sichere und effiziente Verwendung von vorgespannten Glaskanten für das Design.

Open-Access-Förderung durch Projekt DEAL. Das Forschungsprojekt „Entwicklung eines neuartigen Schleifprozesses für Bauteile aus Glas“ (SAUM – Entwicklung eines neuartigen Schleifprozesses für Bauteile aus Glas) ist ein gemeinsames Forschungsprojekt der Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH, der Artifex Dr. Lohmann GmbH & Co. KG und des Instituts für Hochbau an der Technischen Universität Dresden. Es wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (ZF4123712TA7) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms ZIM gefördert. Besonderer Dank gilt dem Projektpartner Glaswerkstätten Frank Ahne GmbH für die gute Zusammenarbeit, technische Unterstützung und die Herstellung von Probekörpern.

Autoren und Zugehörigkeiten

Technische Universität Dresden, Dresden, Germany - Paulina Bukieda, Katharina Lohr & Bernhard Weller

Artifex Dr. Lohmann GmbH & Co. KG, Kaltenkirchen, Germany - Jens Meiberg

Korrespondenz mit Paulina Bukieda.

Interessenkonflikt

Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.