Sichere Glascontainer für chemische Abfälle durch Laserschweißen
Mit zunehmender Elektromobilität wächst auch der Bedarf nach sicherer und dauerhafter Lagerung von Batteriematerialien und chemischen Industrieabfällen. Bestimmte Abfälle erfordern die Endlagerung in sogenannten Kategorie-IV-Deponien, die besonders hohe Anforderungen an Behälter stellen. Diese müssen Umweltschutz, sichere Handhabung und Langzeitstabilität gleichermaßen gewährleisten. Glas ist dafür ein vielversprechender Werkstoff: Es ist außergewöhnlich chemisch inert, reagiert also kaum mit anderen Stoffen, und eignet sich daher als dickwandiger Glascontainer besonders gut für die dauerhafte Einschließung gefährlicher Materialien. Besonders interessant sind Glascontainer auch für mögliche neue Recyclingmethoden der Zukunft. Die eingelagerten Reststoffe reagieren nicht mit den Containern und können aus diesen einfach zurückgewonnen werden.
Bisher werden diese Glascontainer hauptsächlich über thermische Gasverfahren hergestellt. Unkontrollierter Wärmeeintrag, hohe Eigenspannungen und eingeschränkte Automatisierbarkeit begrenzen diese Verfahren jedoch. Das Laserschweißen dagegen ermöglicht hohe Verarbeitungsgeschwindigkeiten und zeigt ausgezeichnetes Potenzial für die Automatisierung. Hierfür setzten die Forscher:innen einen CO2-Laser als primäre Laserquelle ein. Normalerweise hat dieser bei einer Wellenlänge von 10,6 µm eine geringe optische Eindringtiefe von wenigen Mikrometern. In Kombination mit der niedrigen Wärmeleitfähigkeit von Silikatglas führt dies üblicherweise zu einer unvollständigen Durchschweißung.
Kontinuierliche Schweißnaht ohne Mikrospalte erreicht
Wie die Wissenschaftler:innen zeigen konnten, ist es jedoch mit einer einzigen CO2-Laserquelle möglich, beide Schweißpartner gleichzeitig zu erwärmen und so geschlossene Glascontainer herzustellen. Dabei erreichten sie eine kontinuierliche Schweißnaht ohne Mikrospalte oder Hohlräume über die gesamte Dicke des 5 mm dicken Flachglases. Außerdem bleibt trotz der Wärmeeinbringung die mechanische Festigkeit erhalten. Dies zeigten Spannungstests an den Proben nach zweiwöchiger Lagerung.
Das Verfahren ist einzigartig: Der Deckel sinkt während der Bearbeitung durch die Schwerkraft von alleine auf die richtige Position ein. Komplexe Handling-Systeme oder Spannvorrichtungen werden dadurch überflüssig. Die Wissenschaftler:innen arbeiten nun an einer weiteren Anpassung der Kantengeometrien der Flachgläser. Sie wollen die Reibung während des Schweißprozesses weiter reduzieren und die Bildung von Ausstülpungen und Kerben an der Verbindungsstelle minimieren.
Über LasGlaReLa
Das Projekt Neuartige Fertigungstechnologie zur Herstellung laserverschweißter Glashohlkörper zur Reststofflagerung (LasGlaReLa) wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter dem Förderkennzeichen VN-KK5111715 gefördert. Projektpartner waren die TU Bergakademie Freiberg und die Glasbiegerei Pfaltz e.K.
Mehr dazu in der Publikation im „Journal of Laser Application“: https://doi.org/10.2351/7.0001941
Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)
Als unabhängiges gemeinnütziges Forschungsinstitut steht das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) für innovative Forschung, Entwicklung und Beratung. Das durch das Niedersächsische Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Bauen und Digitalisierung geförderte LZH widmet sich der selbstlosen Förderung der angewandten Forschung auf dem Gebiet der Photonik und Lasertechnologie. 1986 gegründet arbeiten inzwischen fast 200 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter am LZH.
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