Thermisches Vorspannen von Glas erklärt: So entsteht thermisch vorgespanntes Sicherheitsglas

Wie thermisches Vorspannen Glas fester und sicherer macht

Thermisch vorgespanntes Glas wird für Duschtüren, Fahrzeugseitenscheiben und Schaufensterverglasungen verwendet, sofern das spezifizierte Glas die Anforderungen der jeweiligen Anwendung erfüllt. Durch kontrolliertes Erhitzen und Abkühlen, das sogenannte thermische Vorspannen, wird aus nicht vorgespanntem Glas vorgespanntes Glas. Im Vergleich zu nicht vorgespanntem Glas zerbricht thermisch vorgespanntes Glas in kleinere, weniger gefährliche Bruchstücke und verringert das Risiko von Schnittverletzungen. Auch beim Bruch von thermisch vorgespanntem Glas können Verletzungen entstehen. Die Bedingungen beim Erhitzen und Abkühlen beeinflussen die Eigenschaften des fertigen thermisch vorgespannten Glases. Nachfolgend finden Sie einen Überblick über die Herstellung von thermisch vorgespanntem Glas, den Vorspannprozess und die Prüfungen, die Sie als Käufer mit Ihrem Glasverarbeiter besprechen sollten.

Was ist thermisch vorgespanntes Glas und warum ist es wichtig?

Thermisch vorgespanntes Glas hat eine etwa 4- bis 5-mal so hohe Festigkeit wie nicht vorgespanntes Glas gleicher Dicke. Es zerbricht in kleine Bruchstücke und verringert das Verletzungsrisiko. Dieses Bruchbild entsteht durch das Spannungsprofil, das sich beim thermischen Vorspannen bildet.

Thermisches Vorspannen von Glas Schritt für Schritt

Führen Sie sämtliche Zuschnitte, Bohrungen und Kantenbearbeitungen vor dem thermischen Vorspannen durch. Eine mechanische Bearbeitung nach dem Vorspannen kann dazu führen, dass das Glas zerspringt. Nachfolgend werden die einzelnen Schritte des thermischen Vorspannens erläutert.

Schritt 1: Zuschnitt und Bearbeitung

Floatglas wird auf Maß zugeschnitten. Bohrungen, Ausklinkungen und Ausschnitte werden vor dem thermischen Vorspannen eingebracht. Die Kanten werden bearbeitet und auf Fehler geprüft, die beim Erhitzen oder Abschrecken zu Glasbruch führen könnten.

Schritt 2: Reinigung und Prüfung

Vor dem Erhitzen wird das Glas gereinigt und auf Oberflächen- und Kantenfehler geprüft. Lassen Sie sich die Prüfkriterien des Glasverarbeiters für das spezifizierte Glas bestätigen.

Schritt 3: Erhitzen

In einem Rollenherdofen zum thermischen Vorspannen wird Bauglas üblicherweise auf über 600 °C erhitzt und anschließend abgeschreckt. Die erforderlichen Heizbedingungen hängen vom Glas und von der Anlage ab. Eine ungleichmäßige Erwärmung kann zu Verformungen des Glases führen. Rollenwelligkeit entsteht, wenn sich das noch weiche Glas zwischen den Ofenrollen durchbiegt.

Schritt 4: Abschrecken (rasches Abkühlen)

Anschließend wird das Glas mit schnell strömenden Luftstrahlen abgeschreckt, die es von beiden Seiten rasch abkühlen. Die Oberflächen kühlen schneller ab als das Innere, sodass an den Oberflächen Druckspannungen und im Kern Zugspannungen entstehen. Die Luftstrahlen dienen der Kühlung; sie versetzen das Glas nicht durch mechanischen Druck in den vorgespannten Zustand. Die Bedingungen beim Erhitzen und Abschrecken hängen vom Glas und von der Anlage ab. Lassen Sie sich die Prozessbedingungen des Glasverarbeiters für das spezifizierte Produkt bestätigen.

Schritt 5: Qualitätsprüfung

Lassen Sie sich die Anforderungen an Sichtprüfung, Probenahme, Prüfungen und Kennzeichnung bestätigen. ASTM C1048 und EN 12150 haben unterschiedliche Geltungsbereiche und Bewertungsanforderungen; eine einzelne Bruchstückzählung weist die Konformität mit beiden Normen nicht nach. Fordern Sie vom Glasverarbeiter Unterlagen an, aus denen hervorgeht, welche Normen, Normausgaben, Glasdicke und Annahmekriterien gelten.

Die physikalischen Grundlagen des thermischen Vorspannens von Glas: Druck- und Zugspannungen

Zugspannungen können dazu führen, dass sich Risse ausbreiten. Druckspannungen, die durch das thermische Vorspannen an der Glasoberfläche entstehen, können die weitere Rissausbreitung hemmen. Für thermisch vorgespanntes Glas nennt der Leitfaden der National Glass Association von 2019 zu ASTM C1048 als ein Nachweisverfahren eine Oberflächendruckspannung von mindestens 69 MPa (10.000 psi), als weiteres Verfahren eine Kantendruckspannung von mindestens 67 MPa (9.700 psi) und als drittes Verfahren den Nachweis festgelegter Sicherheitseigenschaften der Verglasung. Prüfen Sie, welches Nachweisverfahren für das Produkt verwendet wird, und kontrollieren Sie die Ausgabe der festgelegten Norm. Diese Zusammenfassung des damaligen Stands ist nicht als Nachweis dafür zu verstehen, dass das Produkt einer neueren Ausgabe der Norm entspricht. Das Spannungsprofil weist Druckspannungen an den Oberflächen und Zugspannungen in der Mitte auf. Dieses Profil führt zum charakteristischen Bruchbild mit kleinen Bruchstücken, das gegenüber nicht vorgespanntem Glas das Risiko von Schnittverletzungen verringert, Verletzungen jedoch nicht ausschließt.

Thermisches Vorspannen und chemische Vorspannung im Vergleich

Thermisches Vorspannen ist ein gängiges Verfahren zur Vorspannung von Bauglas, Automobilglas und Glas für Haushaltsgeräte. Für Abdeckglasanwendungen ist eine chemische Vorspannung (d. h. durch Ionenaustausch) möglich; lassen Sie sich jedoch die Festigkeitsgrenzen und die Eignung für die gewünschten Eigenschaften bestätigen. Bei einem gängigen Ionenaustauschverfahren ersetzen größere Kaliumionen kleinere Natriumionen nahe der Glasoberfläche, wodurch Druckspannungen entstehen. Corning nennt für Gorilla Glass eine Temperatur des Salzschmelzbads von etwa 400 °C. Dieses Beispiel bezieht sich auf ein bestimmtes Produkt und lässt sich nicht allgemein auf die Glasverarbeitung durch Ionenaustausch übertragen. Lassen Sie sich die Grenzwerte und Toleranzen des zu verarbeitenden Produkts bestätigen. Chemische Vorspannung erzeugt durch Ionenaustausch Druckspannungen an der Oberfläche. Die Oberflächendruckspannung und die Tiefe der Druckspannungszone hängen vom Glas und von der Behandlung ab; fordern Sie produktspezifische Daten an, statt von einem allgemeingültigen Wert auszugehen.

Wo thermisch vorgespanntes Glas eingesetzt wird: Anwendungen nach Branche

Die Fachpublikation FB45-14 der National Glass Association behandelt empfohlene Anwendungen für wärmebehandeltes Glas im Bauwesen. Bei der Produktauswahl müssen die Planung, die statischen Anforderungen und die geltenden Sicherheitsvorschriften berücksichtigt werden. Klären Sie bei Bauverglasungen das vorgesehene Herstellungsverfahren, die realisierbare Geometrie und den Glasaufbau mit dem Lieferanten und lassen Sie sich die erforderlichen Prüfnachweise bestätigen.

Qualitätskontrolle und Prüfnormen für thermisch vorgespanntes Glas

Klären Sie vor der Bestellung, welche Kontrollen und Prüfungen am spezifizierten Glas durchgeführt werden, wie die Fertigungsaufzeichnungen dem Auftrag zugeordnet werden und welche Nachweise bereitgestellt werden. Nickelsulfid-Einschlüsse (NiS) können bei thermisch vorgespanntem Glas ein Risiko für Spontanbruch darstellen. Die Heißlagerungsprüfung verringert dieses Risiko, indem gefährdete Scheiben während der Prüfung zu Bruch gehen. Dieses Risiko lässt sich nicht vollständig ausschließen. Wenn eine Heißlagerungsprüfung erforderlich ist, legen Sie die notwendigen Anforderungen nach EN 14179 fest und fordern Sie entsprechende Nachweise für das Glas an.

• ✔ Welche Sichtprüfungen und Prüfungen der optischen Eigenschaften werden durchgeführt und welche Annahmekriterien werden angewendet?
• ✔ Welches Verfahren zur Spannungsmessung wird eingesetzt, ist ASTM C1279 anwendbar und wie werden die Ergebnisse anhand von ASTM C1048 bewertet?
• ✔ Welche Bruchbildprüfung, welcher Probenahmeplan und welche Annahmekriterien gelten für das spezifizierte Glas und dessen Dicke?
• ✔ Heißlagerungsprüfung, sofern spezifiziert: Lassen Sie sich die anwendbaren Anforderungen nach EN 14179 und die Prüfnachweise bestätigen. Eine Heißlagerungsprüfung verringert das Risiko eines durch NiS verursachten Glasbruchs, schließt es jedoch nicht aus.

Häufig gestellte Fragen zum thermischen Vorspannen von Glas