Ziel des Verbundprojektes ist die Bereitstellung von Prozess- und Systemtechnik für das energieeffiziente Fertigen von Solarröhrenkollektoren mit Laserstrahlung. Hierbei sollen mithilfe neuer Teiltechnologien die Prozessrestriktionen der derzeit eingesetzten Brennertechnologie überwunden werden. Die Teilziele sind im Einzelnen:

• Energieeffizientes Fügen von Rohrgläsern
• Entwicklung einer Onlineanalyse entstehender Eigenspannungen im Glas
• Entwicklung einer Temperaturfelderfassung mittels IR-Kamera zur Prozessführung
• Reduktion der Taktzeit
• Bau eines Prototyps zur Demonstration des Gesamtkonzeptes/Verfahrens

Die Projektziele werden im Einzelnen durch ein optimiertes Gesamtsystem, bestehend aus einer Rohrglasverschmelzanlage, einem CO2-Laser, einer glasspezifischen Infrarotkamera sowie einer Onlineanalyse der Eigenspannungen im Glas erreicht. Das entwickelte Fügeverfahren soll in Kombination mit den Peripherietechnologien in einem Prototyp integriert werden, so dass am Ende des Projektes eine funktionstüchtige Einheit zur Demonstration des Verfahrens existiert. Das Gesamtkonzept soll auf eine energieeffiziente Fertigung ausgelegt werden. Durch diesen Schritt soll die mögliche Energieeinsparung und eine Kapazitätserhöhung der Produktion insbesondere in der Fertigung von Solarröhrenkollektoren erreicht werden. Die Überwindung der heutigen Brennertechnologie stellt einen wesentlichen Schritt für die energieeffiziente Fertigung dar, da sowohl die fertigungstechnischen Restriktionen in der Rohrglasverarbeitung als auch notwendige klimatechnische Maßnahmen für die Fertigungsstätten überwunden werden können. Hierzu ist eine ganzheitliche Betrachtung des Fügeprozesses inkl. vor- und nachgelagerter Produktionsschritte notwendig.

So ist es beispielsweise möglich, ca. 80% der CO2-Laserstrahlung in Wärme umzuwandeln, während beim Gasbrenner nur etwa 10% der in der Flamme gebundenen Energie für die Glaserwärmung genutzt werden können.

Abbildung 1: Fügeprozess von Rohrglas mit CO2-Laserstrahlung

Aufgrund der guten Regelbarkeit eines Lasers kann das Rohrglas entsprechend der materialspezifischen Anforderungen aufgeheizt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass durch zügiges Aufheizen bis zu 50% der notwendigen Energie eingespart werden können, da zeitabhängige Wärmeverluste minimiert werden. Typische Aufheizraten der Rohrgläser liegen derzeit bei 15.000 K/min, so dass die Verarbeitungstemperatur nach wenigen Sekunden erreicht wird. Zum besseren Verständnis wurde der Aufheizprozess von Rohrglas mit CO2-Laserstrahlung simuliert, um Einflüsse wie beispielsweise die Breite der Erwärmungsspur im Verhältnis zu den Verlustwärmeströmen zu charakterisieren. Weiterhin können präzise Aussagen zur Ausbildung des Temperaturverlaufes in axialer Richtung als auch über die Durchwärmung der Wandstärke getroffen werden. Zusätzlich erlaubt die Simulation eine Vorhersage der zum Fügen notwendigen Laserleistung.

Abbildung 2: Simulation des sich einstellenden Temperaturprofils und der Wärmestromdichte

Nicht zuletzt ermöglicht der Einsatz der Temperaturregelung im Fügeprozess einen hohen Grad an Reproduzierbarkeit. Daraus resultieren gleich bleibende Spannungsniveaus in den gefügten Rohrgläsern, so dass der abschließende und derzeit noch sehr energieaufwändige Tempervorgang angepasst werden kann.

Ergebnisse und Anwenderpotenzial

Der zu entwickelnde Prototyp soll dem Endanwender eine direkte Integration der neuen Technologie in seine Fertigung ermöglichen. Dabei wird eine hochautomatisierte Produktion von Solarröhrenkollektoren mit geringem Energieeinsatz angestrebt. Die Peripherietechnologien (Eigenspannungsanalyse, Infrarotkamera) sollen applikationsentkoppelt der Glasbranche zur Verfügung stehen. Dabei ist das Ziel, die verbundenen Problemfelder hinsichtlich des Energieaufwands in anderen glastypischen Heißprozessen zu analysieren und energetisch zu verbessern.

Die entwickelte Maschinentechnik soll neben der Fertigungsmöglichkeit für Solarröhrenkollektoren auch für andere Anwendungsgebiete nutzbar sein. So ist beispielsweise eine Adaption des Verfahrens aufgrund der Absorption der verwendeten CO2-Laserstrahlung an der Glasoberfläche auf die Quarzglasverarbeitung umsetzbar, während hier derzeit mit speziellen Brennergasen gearbeitet werden muss, um die für Quarzglas typischen hohen Verarbeitungstemperaturen einstellen zu können.

Fügen von Rohrgläsern mit dem CO2-Laser

Verbundpartner

• Herbert Arnold GmbH & Co.KG, Koordinator (www.h-arnold.de)
• ilis GmbH (www.ilis.de)
• IRCAM GmbH (www.ircam.de)
• Kollektorfabrik OHG (www.kollektorfabrik.de)
• Laser Zentrum Hannover e.V. (www.lzh.de)

Gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, Projektträger Karlsruhe, Förderkennzeichen: PO2140 im Rahmenkonzept "Forschung für die Produktion von morgen“.