LTB Lasertechnik Berlin GmbH
Am Studio 2 c
12489 Berlin
Im Jahr 2023 wurden allein von der deutschen Glasindustrie 6,92 Mio. Tonnen Glas produziert, die weltweite Glasproduktion beläuft sich schätzungsweise auf mehrere 100 Mio. Tonnen pro Jahr. Die Sicherstellung der geforderten chemischen Zusammensetzung von Gläsern ist dabei besonders vor dem Hintergrund der Lebensmittelsicherheit (Behältergläser), der Medikamentensicherheit (Spezialgläser und technische Gläser), sowie der optischen und mechanischen Langzeitstabilität (Flachgläser) von Bedeutung. Diese Marktsegmente machen mehr als 90 % der Glasproduktion in Deutschland, in 2023 also rund 6,2 Mio. Tonnen Glas aus. Der dabei auftretende Ausschuss hängt stark von den jeweiligen Branchen ab, beträgt in Extremfällen jedoch bis zu 50 %. Dabei werden große Mengen dieses Ausschusses nach Abkühlung der Glasschmelze wieder eingeschmolzen.
In diesem Vorhaben wird angestrebt, eine Analytik zu entwickeln, die es erlaubt, durch eine frühzeitige Erkennung von Ausschuss und dessen Rückführung in das Schmelzbad vor der Abkühlung, erhebliche Energiemengen einzusparen. Der Einsatz von LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) als online-Prozesskontrolle in der Glasindustrie ermöglicht die elementare Zusammensetzungsanalyse von Glasschmelzen in Echtzeit ohne Probenvorbereitung und mit unmittelbarer Ergebnisverfügbarkeit. Dies ist besonders relevant, da die Zusammensetzung der Schmelze, der Anteil von Recyclingglas und die Stabilität der Schmelzführung direkt den Energieverbrauch und die CO2-Emissionen beeinflussen. Die Umwelt kann damit direkt durch weniger Materialausschuss, einen optimierten Einsatz von Rohstoffen und Recyclingscherben sowie eine energieeffizientere Prozessführung entlastet werden.
Das geplante Projekt zielt darauf ab, CF-LIBS (Calibration Free LIBS) anhand des Werkstoffs Glas in einer industrierelevanten Umgebung zu erproben. Hierbei sollen etablierte Diagnostikgeräte von LTB genutzt werden, um das Verfahren praxisnah zu validieren und das Fundament für eine künftige Integration in den industriellen Produktionsprozess zu legen. Damit könnte ein wichtiger Schritt hin zu einer energieeffizienteren, ressourcenschonenderen und nachhaltigeren Produktion in der Glasindustrie erreicht werden. Konkretes Ziel des Projekts ist es CF-LIBS für die Diagnostikgeräte von LTB einsatzfähig zu machen und anhand der nötigen Genauigkeit für die Marktsegmente zu bewerten, welcher industrierelevante Einsatzbereich für das Material Glas mit dieser Methode abgedeckt werden könnte
Zur Implementierung einer CF-LIBS-Methode kann eine Reihe an Algorithmen herangezogen werden. Für die Entwicklung einer LTB-eigenen Lösung, die Industrierelevanz anstrebt, ist herauszuarbeiten, welcher Ansatz am vielversprechendsten ist. Zu bewerten ist dies auf Grundlage der verwendeten Probenmatrix, der Komplexität der Messbedingungen, der nötigen Rechenleistung und der möglichen Genauigkeit der Methode. Auszuwählende Referenzproben müssen eine Reihe an Glasmatrizen abdecken, um einen repräsentativen Probensatz zu erstellen, der für die Erprobung der CF-LIBS-Methoden ausreichend sein kann. Für die unterschiedlichen Marktsegmente ist die Frage zu klären, ob die Methode den Anspruch haben soll, in erster Linie Haupt- und Nebenelemente, oder auch Spurenelemente in der Matrix zu charakterisieren und zu quantifizieren.
Als Hardwareoptionen sollen unterschiedliche Spektrometer (Aryelle 200 oder Aryelle 400, jeweils mit iCCD-Kamera) und unterschiedliche Messysteme (OEM-LIBS-Messkopf oder ein Coralis-Laborgerät) evaluiert werden.
Die CF-LIBS Methode wird parallel entwickelt und alle benötigten Datenbanken, welche für die Berechnungen erforderlich sind, müssen aufgebaut werden. Eine Erprobung erfolgt iterativ mit Testmessungen sowohl bei LTB als auch an der HAWK, wobei beides (Messung und Auswertung) parallel optimiert und aufeinander abgestimmt wird.
Ein Vergleich von Geräten und Algorithmen soll abschließend klären, welche Einschränkungen damit einher gehen, auf die hohe spektrale Auflösung des Aryelle 400 zu Gunsten des günstigeren Aryelle 200 zu verzichten.
Das Ziel besteht darin, ein System zu entwickeln, welches günstig genug für eine breite Einsetzbarkeit ist. Gleichzeitig muss es durch die erreichte Messpräzision und Schnelligkeit der Analyse in der Lage sein, Ausschuss in der Glasproduktion und damit Energieverlust so weit zu reduzieren, dass eine signifikante CO2-Reduktion erreicht wird.