Glas ein allgegenwärtiges Material, das in verschiedenen Formen in zum Teil großer Menge genutzt wird:
- Flaschenglas (für Aufbewahrung von Flüssigkeiten u.ä.)
- Flachglas (z.B. bei Fensterscheiben)
- Geräteglas (z.B. für chemische Apparaturen)
- Optisches Glas (z.B. für Linsen von Fotoapparaten)
- Glasfasern (für den Aufbau von Lichtleitern u.ä.)
Gerade beim Werkstoff Glas kann man die Wechselbeziehung zwischen den Gebieten "Physik" und "Technik" gut erkennen: Durch physikalische Untersuchungen und Erkenntnisse gelang es, reine Glassorten für qualitativ hochwertige Linsen herzustellen. Mit den nun möglichen hervorragenden optischen Geräten gelangte man zu neuen physikalischen Erkenntnissen wie z.B. der Entdeckung der Jupitermonde durch Galileo GALILEI (1564 - 1642) oder der Entdeckung der Absorptionslinien im Sonnenspektrum durch Joseph von FRAUNHOFER (1787 - 1826).
Daten über Glas
Es gibt eine Vielzahl von Glassorten. Hier sind die Daten von einigen wichtigen Sorten zusammengestellt, die in der Optik ein Rolle spielen.
| Glassorte | Dichte in \(\rm{\frac{g}{{c{m^3}}}}\) | Längenausdehnungszahl in \({10^{ - 6}}\frac{1}{{\rm{K}}}\) | Brechungsindex |
|---|---|---|---|
| Quarzglas | \(2{,}2\) | \(0{,}57\) | \(1{,}5\) |
| Kronglas | \(2{,}9\) | \(7{,}9\) | \(1{,}6\) |
| Flintglas | \(2{,}5\) | \(9{,}5\) | \(1{,}5\) |
- Quarzglas zeichnet sich als sehr temperaturbeständig aus. Es hat von den Gläsern die geringste Längenausdehnungszahl, ist noch fest bei Temperaturen knapp über \(1000^\circ {\rm{C}}\) und ist auch für ultraviolettes Licht durchsichtig.
- Für Brillenlinsen werden häufig auch transparente Kunststoffe verwendet, da deren Dichte geringer und somit die Brille leichter ist. Allerdings sind die Kunststoffe nicht so kratzfest wie Glas.
Glas ist ein amorpher (formloser), homogener aus der Schmelze hervorgegangener Stoff. Gläser haben nicht wie z.B. Kristalle einen definierten Schmelzpunkt, sie erweichen bei Temperaturerhöhung allmählich.
Glasherstellung
Normales Fensterglas entsteht hauptsächlich durch das Zusammenschmelzen von Quarzsand (\(\rm{SiO_2}\)), Soda (\(\rm{Na_2CO_3}\)) und Kalk (\(\rm{CaCO_3}\)). Der eigentliche glasbildende Stoff ist der Quarzsand. Soda und evtl. noch andere Stoffe werden als leichtschmelzbare Flussmittel hinzugefügt, da der Quarzsand allein erst ab \(1500^\circ {\rm{C}}\) schmilzt (früher verwandte man anstelle des Soda eine spezielle Asche). Um dem Glas Härte, Haltbarkeit, Glanz und Farbe zu verleihen, werden noch weitere Stoffe zugesetzt.
- Die Rohstoffe werden fein gemahlen und in genau berechneten Gewichtsanteilen in Trommeln vermischt.
- Sie werden kontinuierlich dem Glasschmelzofen zugeführt, wo es in der Schmelzzone zur chemischen Reaktion der Ausgangsstoffe kommt. Es entsteht eine klebrige, blasenreiche Masse:\[\rm{6 \cdot SiO_2 + Na_2CO_3 +CaCO_3 \rightarrow Na_2O \cdot CaO \cdot 6 \cdot SiO_2 + 2 \cdot CO_2}\]
- Auf die Schmelzzone folgt die sogenannte Läuterzone, in der Einschlüsse und andere Fehler beseitigt werden.
- So wie das Rohmaterial dem Ofen kontinuierlich zugeführt wird, verlässt das geschmolzene Glas den Ofen fortwährend und wird der Verarbeitungsanlage (z.B. Flaschenformung) zugeführt.
- Gleich welches Produkt erstellt wird, wichtig ist, dass das Glas in einem Kühlofen langsam und kontinuierlich von der Schmelztemperatur auf Zimmertemperatur heruntergekühlt wird. Der Vorgang beansprucht viel Zeit und beseitigt innere Spannungen, die im Glas vorhanden sind.
Formgebung und Bearbeitung des Glases
Es gibt fünf grundlegende Verarbeitungsmethoden für Glas im plastischen Zustand (Temperaturbereich ca. 900°C bis 1200°C): Gießen, Blasen, Ziehen, Pressen und Walzen.
Gießen
Bei der schon im Altertum bekannten Technik wird das geschmolzene Glas in eine Form gegossen.
Blasen
Diese Technik ist bereits seit dem 2. Jahrhundert v. Chr. bekannt. Glasmacherpfeifen sind ca. 1,20 m lang und mit einem Mundstück versehen. Der Glasmacher nimmt mit dem Ende der Pfeife eine kleine Menge geschmolzenes Glas auf und wälzt es auf einer Metallplatte hin und her, um die äußere Form herzustellen und das Glas abzukühlen. Anschließend bläst er in die Pfeife und stellt das Hohlgefäß her. Dieser Vorgang wird mehrmals wiederholt. Auf diese Weise lassen sich ein Vielzahl von Formen herstellen. Für Massenware wird mit Pressluft gearbeitet.
Walzen
Tafel- und Spiegelglas wurden ursprünglich hergestellt, indem man die Glasschmelze auf eine glatte Oberfläche goß und anschließend das Rohprodukt glatt strich und polierte.
Pressen
Das Pressen von heißem Glas zu optischen Elementen ist eine weit verbreitete Technologie. Als Ausgangsmaterial dienen Glasstäbe, die auf die richtige Temperatur erhitzt und dann in die Form gepresst werden. Wenn die Form etwas abgekühlt und geöffnet ist, kann man schon das halbfertige Bauelement entnehmen. Je nach Anwendung der Linsen werden die Teile entspannt oder gehärtet. Um das Endprodukt zu erhalten, wird die gepresste Fläche geschliffen und poliert.
Schleifen
Besonders hochwertige Linsen werden aus Glasblöcken, die völlig schlieren- und spannungsfrei sind, herausgeschliffen. Zunächst wird aus den Rohlingen die Form der Linse "erschliffen" dabei ist die Toleranz etwa 5 µm vom Normradius. Im zweiten Schritt, dem Feinschleifen, wird auf eine Abweichung von 1 µm vom Normradius hingearbeitet.