Leichte SpracheMikrowellenunterstütztes Biegen von Quarzglas für die Mikrosystemtechnik (MiWeBiQ)
links: Einstufiges Biegen von Glas (Quelle: Vogelsberger Quarzglastechnik Klaus-Dieter Kindl GmbH Hauzenberg) rechts: Abstrahlcharakteristik der entwickelten Fächerhornantenne (Quelle: Dr. M. Reichmann, Muegge GmbH Reichelsheim)
Der Einsatz von Mikrowellen zum Erwärmen ist eine bereits bei anderen Gläsern etablierte Methode. Im Unterschied dazu besteht das Gefüge von Quarzglas bei Raumtemperatur aus α-Quarz. Erst bei etwa 700 °C konvertiert dieses α-Quarz zu β-Quarz mit entscheidender Bedeutung für die vorliegende Anwendung. Hier verändert das Quarzglas seine Transmissionseigenschaften, was einen starken Anstieg der Absorption von Mikrowellenstrahlung bedeutet.
Im Projekt wurde deshalb ein Demonstrator entwickelt, der die Möglichkeit eines zweistufigen Prozesses bietet. Der erste Schritt beinhaltet ein autogenes und dabei definiertes Erhitzen der Quarzplatte mit Linien-Gasbrennern. Die autogene Vorwärmung erfolgt mit einem Gasgemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff, um Adsorbate am Quarzglas für dessen spätere Verwendung zu vermeiden. Im zweiten Schritt erfolgt das Aufheizen mittels Mikrowellen bis zur Biegetemperatur. Kernelement für diesen Schritt ist der verwendete Mikrowellengenerator, der ein Magnetron ansteuert. Dieses liefert Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,45 GHz und einer Mikrowellenleistung von bis zu 1250 W.
Um die Mikrowellenleistung an der Oberfläche des Quarzglases auch optimal einkoppeln zu können, erfolgte eine Simulation der Mikrowellenantenne mit der Software Comsol in einer Multiphysik-Simulationsumgebung. Diese Simulation brachte Aussagen zur Intensitäts-verteilung des elektromagnetischen Feldes und letztlich für die Erwärmung der Quarzglasplatte.
Es wurden drei Geometrien von Mikrowellenantennen mit am Antennenaustritt zunehmend steigender Mikrowellenleistung (Faktor 10 für eine Fächerhornantenne) erprobt. Ein weiterer Steigerungsfaktor 10 wird bei Einschnürung der Mikrowellenantenne auf den unmittelbaren Biegebereich erwartet.
Die Temperaturmessung während der autogenen Vorwärmung des Quarzglases erfolgte strahlungspyrometrisch. Das beim Transfer in die Mikrowellenaufheizposition verstreichende Zeitfenster wird dabei genutzt, um die Mikrowellen im Innern der Quarzplatte absorbieren zu lassen.
