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Zur Vorspannung von Abdeckgläsern für industrielle HMIs kommen hauptsächlich chemische Vorspannung (durch Ionenaustausch) und thermisches Vorspannen (durch rasches Abkühlen) zum Einsatz. Die Verfahren erzeugen unterschiedliche Spannungsprofile an der Glasoberfläche und im Glasinneren und führen dadurch zu unterschiedlichen Eigenschaften hinsichtlich Festigkeit, optischer Qualität, Nachbearbeitungsmöglichkeiten und Kosten. Chemisch vorgespanntes Glas wird in der Regel für dünne Scheiben verwendet, während thermisch vorgespanntes Glas für Anwendungen mit dickeren Scheiben vorgesehen ist – dieser Leitfaden vergleicht beide Möglichkeiten anhand aller vier Kriterien und richtet sich gezielt an Ingenieure, die ein Abdeckglas für industrielle Touchdisplays auswählen möchten.
Auf einen Blick – chemisch vorgespanntes Glas und thermisch vorgespanntes Glas im Vergleich
Hier finden Sie einen direkten Vergleich der wichtigsten Unterschiede zwischen chemisch vorgespanntem und thermisch vorgespanntem Glas. Bei der Auswahl des besten Glases für Ihr Panel müssen Sie Scheibendicke, Anforderungen an die Schlagfestigkeit, zulässige optische Abweichungen und Anforderungen an die Nachbearbeitung gegeneinander abwägen. Beide Glasarten eignen sich für industrielle Anwendungen, allerdings ohne Berücksichtigung der jeweiligen Zielkonflikte.
| Eigenschaft | Chemische Vorspannung | Thermisches Vorspannen |
|---|---|---|
| Verfahren | Ionenaustausch in einer KNO₃-Salzschmelze | Erhitzen auf ~620 °C + rasches Abkühlen mit Luft |
| Geeignete Glasdicken | 0,1–6 mm | ≥3 mm (praktische Mindestdicke) |
| Festigkeit gegenüber nicht vorgespanntem Glas | 6–8× höhere Festigkeit | 4–5× höhere Festigkeit |
| Oberflächendruckspannung (CS) | Bis zu 690 MPa (Kalk-Natron-Glas); >1.000 MPa (Aluminosilikatglas) | Typischerweise 80–150 MPa |
| Bruchbild | Große Bruchstücke (nicht als Sicherheitsglas eingestuft) | Zerbricht in kleine, körnige Bruchstücke (Sicherheitsglas nach EN 12150) |
| Optische Verzerrungen | Vernachlässigbar – keine Wölbung, kein Verzug und keine Abschreckspuren | Messbar – Rollenwelligkeit und Abschreckmuster möglich |
| Nachbearbeitung | Zuschnitt, Bohren und Kantenpolieren nach der Vorspannung möglich | Muss vor dem thermischen Vorspannen in die endgültige Form gebracht werden |
| Stückkosten | Höher (längere Zykluszeit, Verbrauchsmaterial für das Salzbad) | Niedriger (kurze Zykluszeit, hoher Durchsatz) |
| Besonders geeignet für | Dünnes Abdeckglas (<3 mm), PCAP-Touchpanels, hohe optische Anforderungen | Dickere Scheiben (≥3 mm), Gehäuse mit Sicherheitszertifizierung, Projekte mit begrenztem Budget |
Tipp: Verwenden Sie chemisch vorgespanntes Glas für dünne HMI-Panels, bei denen Verzerrungsfreiheit und flexible Nachbearbeitungsmöglichkeiten erforderlich sind. Verwenden Sie thermisch vorgespanntes Glas für kostensensible Anwendungen mit dickeren Scheiben, bei denen eine Sicherheitsglaszertifizierung wichtig ist.
So funktioniert die chemische Vorspannung – Ionenaustausch im Salzbad
Bei der chemischen Vorspannung (auch als chemisches Vorspannen oder Vorspannung durch Ionenaustausch bezeichnet) wird das Glas für 4-16 Stunden bei einer Temperatur von 380-450 C in eine Kaliumnitratschmelze (KNO) eingetaucht. Während dieser Zeit treten kleinere Natriumionen mit geringerem Radius (Na, Radius ~0.95 ) aus dem Glas aus und werden durch größere Kaliumionen mit höherem Radius (K, Radius ~1.33 ) ersetzt, die sich dicht an die benachbarten Ionen anlagern. Indem die Kaliumionen die von den Natriumionen hinterlassenen Plätze einnehmen, erzeugen sie eine Druckspannungsschicht an der Glasoberfläche. (Die Farbeffekte einer Kalium-Aluminosilikat-Zusammensetzung sind für den ausgeprägten Grünstich verantwortlich, der häufig bei klarem Kalk-Natron-Glas zu sehen ist).
Nach Angaben der American Ceramic Society (ACerS) lassen sich bei Kalk-Natron-Silikatglas Oberflächendruckspannungen von bis zu 690 MPa und bei Aluminosilikatglas-Zusammensetzungen von bis zu 1.000 MPa erreichen. Die Tiefe der Druckspannungsschicht beträgt je nach Verweildauer im Bad, Temperatur und Zusammensetzung typischerweise 15-50 m.
Fertigungsspezifikation von SW Glass
CS >450 MPa | DOL >8 µm
Bei jeder Charge mit einem Oberflächenspannungsmessgerät geprüft
Unsere Fertigungslinie für chemisch vorgespanntes Glas arbeitet mit KNO-Bädern bei präzise geregelten Temperaturen und erzielt CS-Werte von über 450 MPa sowie eine Druckschichttiefe von mehr als 8 m – diese Messwerte werden bei jeder Fertigungsserie mit einem Oberflächenspannungsmessgerät überwacht. Die präzise Regelung dieser Parameter gewährleistet eine zuverlässige Leistung als Abdeckglas.
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So funktioniert thermisches Vorspannen – Erhitzen und rasches Abkühlen
Beim thermischen Vorspannen (auch physikalisches Vorspannen genannt) wird eine nicht vorgespannte Glasscheibe auf etwa 620 C und damit über die Glasübergangstemperatur (~564 C) erhitzt und anschließend durch einen Hochdruckluftstrom rasch abgekühlt. Durch die hohe Abkühlgeschwindigkeit gehen die äußeren Glasoberflächen dauerhaft in einen Druckspannungszustand über, während das Innere vergleichsweise langsam abkühlt, wodurch dort Zugspannungen entstehen. Das Zusammenspiel von Druckspannungen an der Oberfläche und Zugspannungen im Inneren verleiht thermisch voll vorgespanntem Glas eine höhere Festigkeit.
Nach dem Abschrecken ist das Glas 4-5 Mal fester als herkömmliches, nicht vorgespanntes Glas gleicher Dicke. Bei einem Bruch zerfällt thermisch vorgespanntes Glas in kleine, (annähernd) würfelförmige Stücke statt in große, scharfkantige Scherben. Glas mit diesem Bruchbild wird in EN 12150 und ASTM C1048 als Sicherheitsglas bezeichnet. Solche kleinen Bruchstücke sind bei Anwendungen mit menschlichem Kontakt im Allgemeinen sicher.
Der Aufheiz- und Abkühlvorgang erzeugt messbare optische Verzerrungen. Rollenwelligkeit durch die Ofenrollen und Abschreckmuster durch ungleichmäßige Luftzirkulation können bei hochwertigen Displayanwendungen unzulässig sein, wenn der Displayinhalt aus kurzer Entfernung durch das Abdeckglas betrachtet wird.
Hinweis: Für das thermische Vorspannen ist eine Mindestglasdicke von etwa 3 mm erforderlich. Bei dünnem Glas (unter etwa 3 mm) kann sich während des Abkühlens nicht das Temperaturgefälle ausbilden, das für eine nennenswerte Vorspannung erforderlich ist. Aus diesem Grund ist die chemische Vorspannung für dünne Glasscheiben unter 3 mm die einzige Möglichkeit.
Unser thermisch voll vorgespanntes Flachglas für industrielle und architektonische Anwendungen wird auf unserer hochwertigen thermischen Vorspannanlage hergestellt und ist nach EN 12150 zertifiziert.
Festigkeit, Schlagfestigkeit und Bruchbild
Festigkeit und Bruchverhalten sind die Eigenschaften, die Ingenieure bei der Auswahl zwischen chemisch vorgespanntem Glas und thermisch vorgespanntem Glas für industrielle Mensch-Maschine-Schnittstellen üblicherweise vergleichen. Diese Werte stammen aus der tatsächlichen Verarbeitung unseres Glases auf der Fertigungslinie und sind keine rein theoretischen Höchstwerte.
| Eigenschaft | Chemisch vorgespannt | Thermisch vorgespannt |
|---|---|---|
| Festigkeit gegenüber nicht vorgespanntem Glas | 6–8× | 4–5× |
| Oberflächendruckspannung (CS) | 450–1.000+ MPa | 80–150 MPa |
| Schlagfestigkeit (pro mm Glasdicke) | Höher | Niedriger |
| Bruchbild | Große Bruchstücke – das Glas kann zusammenhalten | Kleine, körnige Würfel – Sicherheitsglas |
| Sicherheitsglaszertifizierung | Nein (erfüllt die Anforderungen an das Bruchbild nach EN 12150 nicht) | Ja (EN 12150, ASTM C1048) |
Bitte beachten Sie: Stoßfestigkeitsklassen (wie IK10 nach IEC 62262) beziehen sich auf Prüfungen eines vollständigen Gehäuses und nicht nur einer Glasscheibe. Eine chemisch vorgespannte Glasscheibe kann möglicherweise höheren punktuellen Stoßbelastungen standhalten als eine thermisch vorgespannte Scheibe gleicher Dicke. Die vollständige Stoßfestigkeitsprüfung hängt jedoch von der gesamten Baugruppe ab: Glas, Dichtung, Rahmen und Befestigung. Lesen Sie hierzu unseren Artikel darüber, wie IK-Schutzarten für Baugruppen mit HMI-Abdeckglas gelten.
Hinweis: Chemisch vorgespanntes Glas bietet eine höhere Festigkeit pro Millimeter Dicke, erhält jedoch aufgrund der geringen optischen Verzerrung seines kontrollierten Bruchbilds keine Zulassung als Sicherheitsglas (wie thermisch vorgespanntes Glas). Für weniger als 3 mm dicke Abdeckgläser industrieller HMIs ist die chemische Vorspannung die einzige praktikable Möglichkeit.
Optische Qualität und Verzerrungen
Bei chemisch vorgespanntem Glas sind die optischen Verzerrungen praktisch gleich null. Da der Ionenaustausch bei einer Temperatur unterhalb des Erweichungspunkts des Glases stattfindet, bleibt Ihre Scheibe formstabil. Sie weist weder Wölbung noch Verzug oder erkennbare Abschreckmuster auf. Dies ist für ein Abdeckglas, durch das direkt hindurchgesehen wird, etwa bei einem Display, von enormer Bedeutung.
Thermisch vorgespanntes Glas wird verfahrensbedingt nahe seinem Erweichungspunkt thermisch behandelt. Jeder rasche Aufheiz- und Abkühlzyklus kann Rollenwelligkeit und wellenförmige Abschreckspuren verursachen, die unter polarisiertem Licht sichtbar sind. Bei Displayanwendungen beeinträchtigen diese optischen Verzerrungen die Lesbarkeit von Inhalten, die Bediener unter Umständen stundenlang betrachten müssen.
Alle Chargen unserer chemisch vorgespannten Abdeckgläser werden auf Wellenfrontverzerrungen in Transmission geprüft, damit diese unterhalb der kritischen Schwelle bleiben, ab der Bediener sie beim Lesen von Displayinhalten als störend empfinden. Die Wellenfrontmessung ist ein routinemäßiger Schritt der Qualitätskontrolle bei allen Aufträgen für HMI-Abdeckscheiben.
Dicke, Gewicht und Gestaltungsfreiheit
Die Glasdicke ist eines der wichtigsten Kriterien bei der Materialauswahl für HMI-Abdeckglas. Im Folgenden erfahren Sie, warum die chemische Vorspannung im Dünnglassegment dominiert.
Warum die chemische Vorspannung bei dünnem Glas unterhalb| Faktor | Chemische Vorspannung | Thermisches Vorspannen |
|---|---|---|
| Mindestdicke | 0,1 mm | ~3 mm |
| Maximale Dicke | ~6 mm | Keine praktische Obergrenze |
| Typischer Dickenbereich für HMIs | 0,55–2,1 mm | 3–6 mm |
| Nachträglicher Zuschnitt | Ja – Zuschnitt nach der Vorspannung möglich | Nein – muss vorher auf Maß zugeschnitten werden |
| Nachträgliches Bohren | Ja | Nein – das Glas zerspringt |
| Gewicht (relativ) | Leichter (dünneres Glas möglich) | Schwerer (dickeres Glas erforderlich) |
Chemisch vorgespanntes Glas dominiert überall dort, wo das Abdeckglas dünn sein soll – bei PCAP-Touchpanels, medizinischen Geräten, tragbaren Displays und flachen HMI-Modulen. Ein chemisch vorgespanntes Abdeckglas mit 0,7 mm oder 1,1 mm Dicke ließe sich durch thermisches Vorspannen nur mit zu großen Schwierigkeiten erfolgreich herstellen.
Bei beiden Verfahren dient Floatglas als Ausgangsmaterial, wobei Aluminosilikatglas-Zusammensetzungen (beispielsweise von Corning oder Schott) nach dem Ionenaustausch letztlich höhere CS-Werte erzielen. Die mit der jeweiligen Zusammensetzung erreichbare Oberflächendruckspannung hängt von ihrem spezifischen Alkaligehalt und ihrer Struktur ab.
Bei allen HMI-Produktanwendungen, die eine Dicke von weniger als 3 mm erfordern, ist die chemische Vorspannung nicht nur vorzuziehen, sondern das einzige verfügbare Vorspannverfahren.
Welches Verfahren sollten Sie für Ihr HMI-Abdeckglas wählen?
Ihre Anwendung bestimmt die Entscheidung, bei der es im Wesentlichen auf Dicke, optische und mechanische Gesichtspunkte sowie Zertifizierungsanforderungen ankommt. Nutzen Sie dieses einfache Entscheidungsdiagramm als Orientierungshilfe.
Wählen Sie die chemische Vorspannung, wenn:
✔ Ihr Abdeckglas dünner als 3 mm ist
✔ Sie für die Lesbarkeit des Displays völlige optische Verzerrungsfreiheit benötigen
✔ Nachträglicher Zuschnitt oder nachträgliches Bohren erforderlich ist
Ihr PCAP-Touchsensor ebene, spannungsfreie Oberflächen für die Verklebung benötigt
✔ Gewichtsreduzierung wichtig ist (dünner = leichter)
Wählen Sie das thermische Vorspannen, wenn:
✔ Ihr Glas 3 mm dick oder dicker ist
✔ Eine Sicherheitsglaszertifizierung erforderlich ist (EN 12150)
Ihre Stückkosten bei der Großserienfertigung niedrig bleiben müssen
Größere optische Verzerrungen zulässig sind (Gehäuseglas, keine Displayabdeckung)
In vielen industriellen HMI-Lösungen werden beide Verfahren kombiniert eingesetzt – chemisch vorgespanntes Abdeckglas über dem Display und das robustere thermisch vorgespannte Glas (auch Einscheibensicherheitsglas (ESG) genannt) für schützende äußere Gehäusescheiben.
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Über diesen Vergleich
SW Glass verfügt in unserem Werk in Dongguan, Taiwan, sowohl über eine KNO-Ionenaustauschlinie (CS>450 MPa) als auch über einen nach EN 12150 zertifizierten Qualitäts-Vorspannofen zur Herstellung von thermisch vorgespanntem Glas. Unser Ingenieurteam arbeitet täglich mit beiden Verfahren und kann Sie dank dieser praktischen Erfahrung bestmöglich beraten. Die obigen Empfehlungen beruhen auf der Verarbeitung von über einer Million Abdeckglasscheiben für OEM-Projekte unserer Kunden in den Bereichen Automobilglas, Medizintechnik und industrielle LCD-Displays in den vergangenen 10+ Jahren.
Häufig gestellte Fragen
Literatur und Quellen
- American Ceramic Society (ACerS) — “Einführung in chemisch vorgespannte Gläser” — ceramics.org
- Corning — “Das Geheimnis widerstandsfähigen Glases: Ionenaustausch” — corning.com
- Wikipedia — “Chemisch vorgespanntes Glas” — en.wikipedia.org
- Wikipedia — “Thermisch vorgespanntes Glas” (Verweis auf EN 12150, ASTM C1048) — en.wikipedia.org
- ASTM — “C1048 Normspezifikation für teilvorgespanntes und thermisch voll vorgespanntes Flachglas” — astm.org
- IEC — “IEC 62262:2002 Schutzarten durch Gehäuse für elektrische Betriebsmittel gegen äußere mechanische Beanspruchungen (IK-Code)” — webstore.iec.ch
