Wiedererwärmen und Ziehen von Glas für Interferenzsysteme und Mikrobauteile
28.08.2008
Ausgangssituation
Für Mechanik, Optik, Sensorik, Biotechnologie und Mikrosystemtechnik werden zunehmend Mikroteile aus Gläsern gefordert. Die Herstellung über Fotostrukturierung und Ätzen oder Beschichten erfordert viele unterschiedliche Verfahrensschritte, hohen apparativen Aufwand (z. B. Reinraumbedingungen) sowie Sicherheit und Reproduzierbarkeit der Prozessführung. Bei der Herstellung optischer Interferenzschichtsysteme durch Beschichtungsverfahren ist es sehr schwierig, die Anforderungen an die Präzision von Brechzahlen und Schichtdicken einzuhalten. Diese Präzision ist aber notwendig, damit die erwünschte Interferenzwirkung erreicht wird.
Lösungsweg
Bei hohen Viskositäten können Halbzeuge aus Glas mit beliebigen, auch nicht-rotationssymmetrischen Geometrien und Strukturen unter Beibehaltung der äußeren Form und inneren Struktur zu Bändern, Stäben oder Fasern ausgezogen werden. Die entsprechenden Preformen können aus beliebigen Glas-Glas-Kompositen bestehen, soweit die thermischen Eigenschaften wie Viskosität und Ausdehnungsverhalten der Gläser einander angepasst sind.
Experimentelles Verfahren
Die speziell für Forschung, Prototypen- und Kleinserienherstellung entwickelte Ziehanlage (Bild 1) ist sehr flexibel einsetzbar. Sie besitzt folgende Kennwerte:
- Heizraum: Höhe 10 cm, Heizplatten mit Kanthalwicklungen einstellbar von 6 x 6 bis 40 x 40 cm2, quadratisch oder rechteckig
- Temperatur: maximal 1000 °C
- Vorschub: maximal 1 mm/min (mit Abzugsgeschwindigkeit koppelbar)
- Abzugsgeschwindigkeit maximal 1000 m/min
- Zughöhe: maximal 200 cm
- Preform-Länge: bis 150 cm
Die Herstellung der Preformen kann durch Aufeinanderstapeln unterschiedlicher Glasarten erfolgen, wobei Schichten oder Zwischenschichten teilweise oder vollständig pulvertechnologisch oder mittels Siebdruck-/Rakelverfahren aufgebracht werden können. Vorformen können auch durch Ineinanderführen unterschiedlicher Glasrohre bzw. Glasstäbe hergestellt werden. Anschließend erfolgt die thermische Verklebung bzw. Sinterung/Verglasung bei einer Temperatur wenig oberhalb der Transformationstemperatur der Gläser zu Glasblöcken.
Eine weitere Möglichkeit der Preform-Herstellung ist die Fertigung von Glasblöcken durch Gießen der Schmelze (maximal fünf Liter) in entsprechende Gussformen und eventuelle mechanische Nachbearbeitung (z. B. äußere Geometrie, Einbringen von Bohrungen). In der Wiederziehanlage werden die so hergestellten Preformen bei Viskositäten von etwa 106 dPas auf unterschiedliche Dicken ausgezogen. Durch eine Ähnlichkeitstransformation wird die Preform kongruent abgebildet, d. h., äußere Form und innere Struktur wie Schichtaufbau oder Bohrungen werden um einen konstanten Faktor reduziert. Die Glaseigenschaften, z. B. Brechzahlen und das Verhältnis der Schichtdicken bzw. die Lage von Bohrungen (Bild 2) und Vertiefungen, bleiben erhalten. Die Glasschichten verschmelzen nur an den Berührungsflächen miteinander, so dass dadurch eine feste Verbindung zwischen einzelnen streng definierten Schichten entsteht. Äußere Formen bleiben erhalten. Handelt es sich bei einzelnen Schichten, Rohren oder Stäben um Ausgangsgläser für Glaskeramiken, kann es beim Wiederziehen zur gesteuerten Kristallisation kommen.
Die Einstellung vorbestimmter Faserdicken erfolgt durch die Geschwindigkeit des Abziehens. Diese kann für die erforderliche Dicken- und Größenreduzierung exakt vorberechnet werden. Bisher wurden Faserbänder mit minimalen Dicken von 18 Mikrometern hergestellt. Waren diese aus Glasschichten unterschiedlicher Gläser und Brechzahlen aufgebaut, wurden Einzelschichtdicken unter 100 Nanometer erreicht. Solche Schichtpakete sind infolge der guten Einstellbarkeit ihrer optischen Eigenschaften für unterschiedliche Einsatzbereiche von Interesse. Für ein Interferenzschichtsystem werden beispielsweise Glasplatten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex sowie Dicken höchster Präzision zusammengeschmolzen. Das Ausziehen in der Wiederziehanlage erfolgt jeweils so, dass Lambda/4-Interferenzschichten entstehen, wobei eine
Schwerpunktwellenlänge im sichtbaren Wellenlängenbereich schmal- oder breitbandig reflektiert wird (Bild 3).
Typische Anwendungsschwerpunkte
Interferenzschichtsysteme sind beispielsweise als farbintensive Perlmutt- oder Metallglanzpigmente für die Lack- und Automobilindustrie interessant, aber auch als Interferenzteilchen (Flakes) für fälschungssichere Produkte (Counterfeitings) wie Banknoten oder Dokumente. Darüber hinaus können mit dieser Technik verschiedenste Filter, Strahlteiler, Reflexions- oder Antireflexionsschichten für mikrooptische Anwendungen hergestellt werden.
Da sich selbst komplizierte Querschnitte mit hoher Formtreue wiederziehen lassen, ist dieses Verfahren auch für die Produktion von Bauteilen für die Mikrosystemtechnik geeignet. So können z. B. Getriebezahnräder für Mikromotoren (Bild 4), Komponenten für Informations- und Kommunikationsprodukte wie Abtastköpfe für CD- Spieler, Festplatten oder intelligente Chipkarten sowie Produkte für medizinische und biotechnische Anwendungen (Mikrosensoren für die Blutzuckerkontrolle, beliebig geformte Kapillaren) hergestellt werden.
Kundennutzen
Für das Wiederziehen von Gläsern und glasigen Preformen mit unterschiedlichster äußerer Geometrie und innerem Aufbau wurde ein kostengünstiges Verfahren entwickelt. Langjähriges glastechnisches Know-how und die Modulbauweise der speziell für Forschung, Prototypenherstellung und Kleinserien entwickelten Wiederziehanlage erlauben schnelles Eingehen auf Kundenwünsche.
Ansprechpartner
Dr. Manfred Krauß
Telefon +49 (0)931 4100-300
Fax +49 (0)931 4100-299
E-Mail: manfred.krauss@isc.fraunhofer.de