Prozesssimulation und Diagnostik
Die Computersimulation ist ein wichtiges Hilfsmittel, um Entwicklungszeit zu sparen und kostspielige Fehlschläge zu vermeiden. Zunächst beschreibt man die interessierenden Vorgänge durch physikalisch- chemische Modelle. Diese werden in mathematische Gleichungen umgesetzt, welche durch spezielle Rechenverfahren numerisch gelöst werden.
Die Forschungsstelle WOPAG führt Simulationsrechnungen durch, mit denen sich auch verborgene Eigenschaften und schwer zu messende Größen von Glas und Glasprodukten bestimmen lassen. Die Ergebnisse liefern wertvolle Hinweise zur Verbesserung von Herstellungs- und Verarbeitungsprozessen.
Beispielsweise kann man die Restspannungen in thermisch behandelten Glasprodukten vorhersagen und in Beziehung zum Abkühlverlauf setzen. Dies ist besonders bei Erzeugnissen mit komplexer Formgestaltung nützlich. Solche Simulationen sind eine wichtige Grundlage für die Optimierung des Kühlprozesses und für die gezielte thermische Härtung von Gläsern.
Neben der Vorausberechnung thermomechanischer Zustände erlaubt die Simulation auch einen Einblick in Stofftransportprozesse. Viele makroskopische Produkteigenschaften wie die Haltbarkeit und Haftung von Beschichtungen werden durch mikroskopische Vorgänge bestimmt. So kann das Eindringen geringfügiger Feuchtigkeit oder winziger Verunreinigungen bedeutsam sein. Mit speziellen Simulationsverfahren gelingt es, die Diffusion von Atomen und Molekülen im Nanometer-Bereich zu beschreiben und deren Wirkung auf die Glaseigenschaften vorherzusagen.
Trotz ihrer interessanten Möglichkeiten kann die Computersimulation Experimente nicht ersetzen. In die Berechnungen gehen Stoffeigenschaften als Parameter ein, welche gemessen werden müssen. Außerdem müssen Modellvorstellungen abgesichert und verbessert werden, indem man Simulations- und Messergebnisse miteinander vergleicht. Die Forschungsstelle WOPAG entwickelt daher speziell für den besonderen Werkstoff Glas geeignete Messmethoden weiter und setzt diese ein.
Beispielsweise kann man mit der Brillouin-Spektroskopie den Dichtegradienten in gehärtetem Glas genau messen. Dies erlaubt es, die Vorhersagen entsprechender Simulationsrechnungen zu prüfen.
Für andere Anwendungen wird die Infrarot-Spektroskopie und die Thermographie eingesetzt. Sie ermöglichen eine berührungslose Analyse und Temperaturbestimmung der Glasoberfläche nicht nur bei Laborproben sondern auch während des Herstellungs- und Verarbeitungsprozesses.