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Statischtische Versuchsplanung in der Entwicklung von Spezialgläsern


Als Glas bezeichnet man einen festen, meist spröden und überwiegend amorphen anorganischen Werkstoff. Bei Erhitzen erweicht es langsam ohne einen bestimmten Schmelzpunkt. Glas im herkömmlichen Sinne besteht aus einem Netzwerk von Siliciumdioxid, das als Quarzsand in der Natur vorkommt. Dessen Schmelzpunkt von mehr als 1700 Grad Celsius senkt man durch Zugabe von Soda, Pottasche, Glaubersalz und anderen sogenannten Flußmitteln unter 850 Grad. Weil das entstehende Material wasserlöslich und grünstichig wäre, müssen dem Gemenge des weiteren das Netzwerk stabilisierende Stoffe wie insbesondere Kalk sowie eventuell auch färbende oder entfärbende Mittel zugesetzt werden. Durch geeignete Rezeptur kann man die Eigenschaften des Produkts auf die jeweilige Anwendung ausrichten.

Diese Variabilität ist einer der Gründe für die wirtschaftliche Bedeutung des meist transparenten Materials. Jährlich werden weltweit Gläser im Wert von etwa 130 Milliarden Mark umgesetzt. Den weitaus größten Anteil haben Scheiben und Behälter sowie Fasern; doch etwa 15 Prozent entfallen auf Spezialgläser – allein in Westeuropa werden damit jährlich 3,8 Milliarden Mark erwirtschaftet.

Häufig muß Glas mit anderen Materialien zusammenwirken, und erst in der genauen Abstimmung aufeinander kommt das gewünschte Ergebnis zustande. Die Kunden der glasentwickelnden Unternehmen legen demgemäß meist eine Liste detaillierter Anforderungen vor, etwa genau einzuhaltende Werte der thermischen Dehnung, um mechanische Spannungen bei Erwärmung der Materialkombination zu vermeiden, oder definierte elektrische Leitfähigkeiten oder auch chemische Beständigkeit gegenüber bestimmten Reagenzien.

Freilich muß ein derart spezifiziertes Glas auch großtechnisch und wirtschaftlich herstellbar sein. Sehr teure Komponenten wird man nicht in großen Mengen verwenden; die gängigen Produktionsverfahren setzen Grenzen für Viskositäten und Schmelztemperaturen. Zudem darf die Glasschmelze die Tiegel, Häfen oder Schmelzwannen aus Keramik, die zum Teil mit Platin ausgekleidet sind, nicht zu stark angreifen. Auch bei der Formgebung gibt es häufig Einschränkungen, etwa wenn die Temperaturführung unerwünschte Kristallbildung fördern würde.

Bei der Suche nach einem günstigen Kompromiß zwischen dem im Labor und dem in der Praxis Erreichbaren ist überdies das Qualitätsmanagement zu bedenken. Zu neuen Materialien gibt es aber erst wenige Erfahrungswerte und Meßdaten. Um während der Produktion lenkend eingreifen zu können, wären also analytische Meßverfahren vonnöten, die das Glas vollständig charakterisieren. Sie anzuwenden ist wegen der Vielzahl der zu beobachtenden Eigenschaften aufwendig und kostspielig. Deshalb bieten sich Methoden der statistischen Versuchsplanung an, die mit minimalem Aufwand ein Maximum an Information liefern (Spektrum der Wissenschaft, Januar 1997, Seite 103). Dabei ermittelt man Wirkzusammenhänge verschiedener Einflußgrößen, indem man sie nach statistischen Gesetzmäßigkeiten gleichzeitig variiert, wodurch sich die erforderliche Zahl der Experimente stark reduziert.

Glas wird dabei formal als eine Mischung von Oxiden aufgefaßt, deren Anteile sich jeweils zu 100 Prozent addieren. Diese Normierung unterscheidet die Mischungsvariablen von den kontinuierlich Veränderlichen wie Temperatur und Druck, so daß sie unabhängig davon mit statistischen Versuchsplänen zu behandeln sind.

Durch Vorversuche wird zuerst geklärt, welches Glassystem für einen bestimmten Zweck überhaupt in Frage kommt und innerhalb welcher Grenzen der chemischen Zusammensetzung das Anforderungsprofil vermutlich erfüllt werden kann. Wählt man sie zu weit, sind nicht schmelzbare Gemenge oder stark entmischte Gläser sehr wahrscheinlich; sind sie zu eng, werden die Versuchsergebnisse nicht signifikant voneinander abweichen.

Anschließend werden systematisch in der Zusammensetzung variierte Mustergläser gefertigt, die den durch die festgelegten Grenzen bestimmten Versuchsraum bestmöglich abdecken. Allerdings kann man daraus nur Proben einfacher Geometrien wie Blöcke, kleinere Scheiben, Pulver oder kurze Rohrabschnitte gewinnen, weil Versuchsschmelzen selten genug Menge für die großen Form-gebungsmaschinen haben. Ausgebildete Glasbläser, die etwa aus einer Tiegelschmelze freihändig Rohre mit definierten Abmessungen ziehen können, gibt es kaum noch.

Diese sogenannten Systemschmelzen sollten möglichst vollständig analysiert und quantitativ bewertet werden; notfalls ordnet man die Meßwerte in Skalen von eins bis zehn ein. Eine Regressionsanalyse ermöglicht dann auch, für beliebige Glaszusammensetzungen – sofern sie innerhalb der Grenzen liegen – Eigenschaften zu berechnen. Mit geeigneten Optimierungsverfahren läßt sich schließlich die beste Glaszusammensetzung für einen vorgegebenen Satz von Merkmalen finden.


Brandschutz

Ein solches Verfahren lag zum Beispiel der Entwicklung des Sicherheitsglases "Pyran S" zugrunde. Das Anforderungsprofil umfaßte 15 Variablen wie thermisches Ausdehnungsverhalten, Viskositätswerte, elektrische Eigenschaften, gute chemische Beständigkeit gegenüber Wasser, Säuren und Laugen, Korrosionsverhalten gegenüber dem feuerfesten Material der Schmelzwannen sowie insbesondere Aspekte des Brandschutzes. Alle Vorgaben erfüllte schließlich ein Borosilicatglas aus zehn Komponenten.

Scheiben daraus können auf konventionellen Anlagen thermisch vorgespannt werden, so daß sie beim Bruch in sehr viele kleine Partikel zerkrümeln, statt in große Scherben zu zerspringen. Vor allem für die Brandschutzverglasung öffentlicher Gebäude mit viel Publikumsverkehr, so für Krankenhäuser, Schulen und Museen, ist das unbedingt erforderlich (Bild 1).

Voraussetzung einer solchen Vorspannung ist eine thermische Dehnung des Glases um mindestens vier Millionstel je Kelvin. Die Scheiben werden zunächst aufgeheizt und dann durch Anblasen mit kalter Luft abgeschreckt. Weil Glas Wärme relativ schlecht leitet, verhärtet sich vor allem die Oberfläche, während das Scheibeninnere noch relativ weich ist. Kühlt man weiter, erstarrt das Material auch dort und sucht sich zusammen-zuziehen; dabei gerät die schon steife Oberfläche unter Druckspannung – und zwar um so mehr, je stärker sich das Glasvolumen beim Erwärmen vergrößern würde. Andererseits bergen hohe Wärmedehnungswerte die Gefahr, daß die Scheibe Temperaturunterschieden zwischen Mitte und Rand nicht standhält. Der genannte Wert ist ein guter Kompromiß.

Hergestellt werden die Spezialglas-Scheiben auf einer Mikrofloatanlage im Jenaer Glaswerk. Beim Floatverfahren erstarrt die Glasschmelze auf flüssigem Zinn, wobei Oberflächenspannung und Eigengewicht eine gleichmäßige Scheibendicke gewährleisten; entsprechende Wannen für herkömmliches Fensterglas sind im Verhältnis zu dieser Anlage um einiges größer.

Je zäher ein Glas ist, desto langsamer fließt es bei Erhitzung durch einen Brand und desto später geht es auch zu Bruch. Weil schon das Grundglas für "Pyran S" besonders viskos ist, hält dieses im Versuch gegenüber dem normalen Schutzglas "Pyran" etwa 20 Minuten länger einem Feuer stand (Bild 2 links).


Bleifreies Kristallglas

Der Werkstoff Glas hatte schon eine fast drei Jahrtausende lange Geschichte hinter sich, als um 200 vor Christus wohl erstmals in Assyrien wasserhelles bleihaltiges Glas gefertigt wurde. Kurz darauf, zur Zeitenwende, kam an der syrischen Küste als revolutionäre Erfindung die Glasmacherpfeife hinzu. Alsbald entstanden am östlichen Mittelmeer, dann auch in Italien, im römischen Rheinland und Gallien sowie später in England und Spanien Manufakturen, die kunstvoll geblasene Gebrauchs- und Luxusgefäße fertigten. An der Wende zur Neuzeit kam schließlich in Venedig ein cristallo genanntes Produkt aus einer besonders verfeinerten Glasmasse auf.

Kristallglas, meist geschliffen, zeichnet sich durch Brillanz und starke Lichtbrechung aus, so daß es diamantartig funkelt. Verschiedene Parameter wie hohe Dichte und geringe Verformbarkeit geben ihm zudem einen angenehmen Klang. Ein wichtiger Bestandteil ist aber – beim Bleikristall zu mindestens 24 und beim Hochbleikristall zu mehr als 30 Prozent – das toxikologisch bedenkliche Bleioxid, das beim Schleifen und Veredeln in Schlämmen und Stäuben anfällt. Es galt deshalb, eine alternative Rezeptur zu finden, die qualitativ gleichwertig ist, und sie vorhandenen Schmelz- und Formgebungsverfahren anzupassen. Das neue Glas sollte sich zudem ebensogut reinigen und polieren lassen wie das herkömmliche und sogar spülmaschinenfest sein (Bild 2 rechts).

Für eine statistische Versuchsplanung mußten allerdings erst Meßmethoden für diese Eigenschaften erarbeitet werden. Gemeinsam mit der Universität Erlangen haben wir systematisch variierte Systemschmelzen hergestellt und bewertet. Gezieltes Einstellen von 13 Komponenten ermöglichte schließlich, 20 Merkmale gleichzeitig zu optimieren. Zwar wurde die Dichte des Bleikristalls nicht erreicht, wohl aber der von Glasmachern geschätzte große Temperaturunterschied zwischen bestimmten Zähigkeitswerten, bei denen sich die Masse schon und noch formen läßt – er gibt ihnen Zeit für die kunsthandwerkliche Arbeit.


Zufall, Versuch und Irrtum

Mitunter ergeben sich neue Entwicklungen auch durch glücklichen Zufall. So wollte man beispielsweise die Lichtausbeute von Blitzlampen durch Zusatz fluoreszierender Oxide erhöhen, die ultraviolette in sichtbare Strahlung umwandeln. Doch gleichzeitig waren die dotierten Gläser weniger transparent, so daß der Gewinn kompensiert wurde.

Im Laufe der Experimente haben wir die Oxide der Alkalimetalle Natrium und Kalium vollständig durch das von Cäsium ersetzt. Obwohl es nicht das Ziel der Versuche gewesen war, fand man nun eine deutlich höhere Belastbarkeit und längere Gebrauchsdauer der Lampen. Beim Nachforschen stellte sich heraus, daß Cäsiumoxid unter der hohen Temperatur eines Blitzes aus dem Glas verdampft, sich darauf und auf den anderen Komponenten niederschlägt und sie bei weiteren Blitzen schützt, indem es zunächst wieder verdampft.

Zufälle sind freilich selten so glückhaft, und man sollte sich bei der Entwicklung von Gläsern auf die bewährte Planung verlassen. Doch dem schnellen und kostengünstigen Berechnen von Merkmalen und optimalen Rezepturen stehen langwierige Vorarbeiten wie das Herstellen und Vermessen der Systemschmelzen gegenüber. Für die Lösung aktueller Tagesprobleme verfährt man deshalb häufig nach dem Prinzip von Versuch und Irrtum. Indes sind die so gewonnenen Daten später nicht mehr zu gebrauchen, weil die Belange der Statistik nicht berücksichtigt wurden.

Immerhin sind für die wichtigsten Glasfamilien die Zusammenhänge von wesentlichen Eigenschaften und Rezeptur bereits untersucht, und kommerzielle Software-Programme ermöglichen, auf der Grundlage umfassender Datenbasen Gläser zu modellieren. Dennoch wird das beschriebene Vorgehen damit nicht obsolet, denn die vorhandenen Informationen sind selten vollständig, so daß für die Optimierung spezieller Eigenschaften doch wieder Systemgläser erschmolzen und ausgewertet werden müssen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 12 / 1997, Seite 105
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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