Gehärtetes Glas für industrielle Touchscreens: Thermisches Härten vs. chemische Härtung

Bei industriellen Touchscreen-Projekten werden häufig die Begriffe gehärtetes Glas, gehärtetes Glas, und chemisch gehärtetes Glas als ob sie dasselbe bedeuten würden. Das tun sie jedoch nicht.

Sowohl das thermische Härten als auch die chemische Härtung erzeugen Druckspannungen an der Glasoberfläche und tragen so dazu bei, zu verhindern, dass sich kleine Fehler zu Rissen ausweiten. Die beiden Verfahren eignen sich jedoch für unterschiedliche Glasdicken, Produktgrößen, optische Anforderungen und Bruchprognosen.

Die Faustregel ist einfach:

• Thermisch vorgespanntes Glas ist in der Regel der bessere Ausgangspunkt für dickeres, größeres Schutzglas.
• Chemisch gehärtetes Glas wird in der Regel bevorzugt, wenn das Deckglas dünn, leicht, maßgenau und optisch flach sein muss.

Keines der beiden Verfahren ist automatisch besser. Die richtige Wahl hängt vom gesamten Touchscreen-Design ab.

Was ist thermisch vorgespanntes Glas?

Thermisch vorgespanntes Glas, allgemein als Hartglas bezeichnet, entsteht aus geglühtem Glas. Es wird geschnitten, geformt, gebohrt und an den Kanten bearbeitet, bevor es in den Vorspannofen gelangt.

Das Glas wird auf etwa 620–680 °C erhitzt und anschließend mit kontrollierten Luftströmen schnell abgekühlt. Die Oberflächen kühlen ab und ziehen sich zuerst zusammen, während der Kern langsamer abkühlt. Dadurch entsteht Druck an den Oberflächen und eine ausgleichende Spannung im Inneren des Glases.

Das Ergebnis ist in der Regel vier- bis fünfmal widerstandsfähiger als geglühtes Glas gleicher Dicke. Wenn vollständig gehärtetes Glas bricht, zerfällt es normalerweise in viele kleine Stücke und nicht in große, scharfe Scherben.

Wichtigste Vorteile

• Geeignet für relativ dickes und großes Deckglas
• Gute Beständigkeit gegen Biegung, Schlag und thermische Beanspruchung
• Bei sachgemäßer Verarbeitung ist ein vorhersehbarer Zerfall der Granulate zu erwarten
• Weit verbreitet bei Frontplatten für Industrieanlagen und Geräten für den öffentlichen Bereich

Wichtigste Einschränkungen

• Dünnes Glas lässt sich von manchen Verarbeitern möglicherweise nur schwer oder gar nicht gleichmäßig thermisch härten.
• Ofenwalzen können zu leichten Wellen oder optischen Verzerrungen führen
• Ausschnitte, Löcher und eine schwache Kantengeometrie können das Bruchrisiko erhöhen
• Glas kann nach dem Härten weder geschnitten noch gebohrt werden

Die Mindestdicke, die maximale Größe, die Lochposition und der Randabstand hängen vom Glasverarbeiter und den erforderlichen Qualifikationsanforderungen ab. Diese sollten vor der Freigabe der Zeichnung bestätigt werden.

Was ist chemisch gehärtetes Glas?

Bei der chemischen Verstärkung kommt in der Regel der Ionenaustausch zum Einsatz. Das fertige Glasbauteil wird in ein erhitztes Salzschmelzbad getaucht. Größere Kaliumionen ersetzen kleinere Natriumionen nahe der Glasoberfläche, wodurch eine verdichtete Oberflächenschicht entsteht.

Da dieser Prozess unterhalb der Glaserweichungstemperatur abläuft, verursacht er weitaus weniger hitzebedingte Verformungen als das Ofenhärten. Er eignet sich besonders für dünnes Deckglas und Anwendungen, bei denen eine hohe optische Ebenheit oder eine strenge Maßhaltigkeit erforderlich ist.

Die chemische Härtung wird üblicherweise mit Aluminosilikat-Deckglas in Verbindung gebracht, wobei das verfügbare Verfahren und die Leistungsmerkmale von der genauen Glaszusammensetzung abhängen.

Wichtigste Vorteile

• Geeignet für dünnes Deckglas
• Es lassen sich hohe Druckspannungen an der Oberfläche erzielen
• Minimale Welligkeit und thermische Verformung
• Gute optische Qualität und Formstabilität
• Gut geeignet für präzise Touch-Schnittstellen

Wichtigste Einschränkungen

• Die Leistung hängt stark von der Glaszusammensetzung und der Prozesssteuerung ab
• Die verstärkte Schicht hat eine bestimmte Tiefe; tiefere Schäden können sie durchdringen
• Bei einem Bruch können dennoch größere, schärfere Bruchstücke entstehen
• Chemisch vorgespanntes Glas wird nicht automatisch als Sicherheitsglas eingestuft.
• Das nachträgliche Schneiden oder Kantenschleifen beschädigt die Kompressionsschicht und sollte vermieden werden

Bei chemisch gehärtetem Glas werden häufig zwei wichtige Werte angegeben:

• CS – Druckspannung: der an der Oberfläche entstehende Kompressionsgrad
• DOL – Schichttiefe: wie weit sich die verstärkte Schicht in das Glas hinein erstreckt

Ein hoher CS-Wert allein sagt noch nichts über die Gesamtleistung aus. CS, DOL, Glaszusammensetzung, Dicke, Kantenqualität und die Unterstützung bei der Endmontage müssen gemeinsam bewertet werden.

Thermisches Tempern vs. chemische Härtung

Faktor	Thermisch vorgespanntes Glas	Chemisch gehärtetes Glas
Verfestigungsverfahren	Erwärmung, gefolgt von einer schnellen Luftkühlung	Ionenaustausch in einem beheizten Salzbad
Typische Gestaltungsrichtung	Dickeres und größeres Schutzglas	Dünnes, leichtes Präzisions-Deckglas
Gängiges Glassubstrat	Kalk-Natron-Glas	Aluminiumsilikat oder geeignetes Kalk-Natron-Glas
Optische Ebenheit	Es kann zu leichten Wellen kommen.	Sehr geringe verfahrensbedingte Verzerrung
Oberflächenkompression	Detailliertes Spannungsprofil durch die Glasstruktur hindurch	Hohe Verdichtung in einer kontrollierten Oberflächenschicht
Bruchverhalten	In der Regel kleine körnige Fragmente	Es können größere, schärfere Bruchstücke entstehen
Status des Sicherheitsglases	Erfüllt bei Prüfung und Zertifizierung die geltenden Normen für Sicherheitsglas	Nicht automatisch Sicherheitsglas
Bearbeitung nach der Verstärkung	Nicht zulässig	Nicht empfehlenswert; dies beschädigt die verstärkte Schicht
Gängige industrielle Passform	Kiosksysteme, Ladestationen für Elektrofahrzeuge, öffentliche Terminals, große Benutzeroberflächen	Schlanke HMIs, medizinische Schnittstellen, präzise Touch-Module

Hierbei handelt es sich um Auswahlrichtlinien und nicht um allgemeingültige Regeln für das Bestehen oder Nichtbestehen. Die tatsächliche Leistung muss unter Berücksichtigung des ausgewählten Glases, des Lieferantenprozesses, der mechanischen Konstruktion und der abschließenden Validierungsprüfung bestätigt werden.

Welches Glas sollten Sie wählen?

Entscheiden Sie sich für thermisch vorgespanntes Glas, wenn:

• Bei der Konstruktion kommt relativ dickes Schutzglas zum Einsatz
• Die Frontblende ist groß
• Es ist eine Zerkleinerung auf Granulatgröße erforderlich
• Die Anlage ist an einem öffentlichen oder stoßgefährdeten Ort installiert
• Leichte, durch den Brennofen bedingte Verformungen sind akzeptabel

Entscheiden Sie sich für chemisch gehärtetes Glas, wenn:

• Das Deckglas muss dünn und leicht bleiben
• Die optische Ebenheit ist entscheidend
• Es sind enge Maßtoleranzen erforderlich
• Das Produkt verfügt über eine schlanke Touch-Struktur
• Die angegebene Glaszusammensetzung ist für den Ionenaustausch ausgelegt.

Entscheiden Sie sich nicht allein aufgrund der Dicke

Eine dickere Scheibe ist nicht automatisch die bessere Touchscreen-Lösung. Sie mag zwar den mechanischen Schutz verbessern, erhöht jedoch auch das Gewicht und stellt höhere Anforderungen an die Abstimmung des projektiv-kapazitiven Touchscreens.

Ebenso ist chemisch gehärtetes Glas nicht automatisch in jedem konkreten Produkt widerstandsfähiger. Kantenbeschädigungen, Befestigungsspannungen, Aussparungen, die Klebeunterlage und die Aufprallstelle können das Ergebnis beeinflussen.

Informationen zu den Optionen hinsichtlich Dicke, Kantenausführung, Bedruckung und Oberflächenbehandlung finden Sie in unserem Leitfaden zur Gestaltung von Touchscreen-Deckgläsern für den industriellen Einsatz.

Drei Punkte, die oft missverstanden werden

1. Gehärtetes Glas ist nicht kratzfest.

Durch die Verstärkung wird die Oberfläche unter Druck gesetzt, wodurch die Widerstandsfähigkeit gegen Rissausbreitung verbessert wird. Das bedeutet jedoch nicht, dass das Glas kratzfest ist. Schleifpartikel, ungeeignete Reinigungsutensilien und harte Verunreinigungen können die Oberfläche weiterhin beschädigen.

2. Die Glasfestigkeit entspricht nicht der IK-Schutzklasse

Eine IK-Einstufung bezieht sich auf die geprüfte Baugruppe, nicht auf die Glasscheibe allein. Glasart und -dicke spielen zwar eine Rolle, ebenso jedoch die Kantenabstützung, die Steifigkeit des Gehäuses, die Befestigungsart und die Aufprallstelle. Die Angabe einer Glasdicke von 6 mm allein ist kein Nachweis für die Einhaltung der IK10-Anforderungen.

Die vollständige Testlogik finden Sie unter Was ist ein IK10-Touchscreen?.

3. Die Verstärkungsmethode hat keinen Einfluss auf die Berührungsempfindlichkeit

Die Leistung von PCAP wird hauptsächlich durch den gesamten dielektrischen Schichtstapel beeinflusst, einschließlich Glasdicke, Sensorkonstruktion, Verbindungsstruktur, Leistungsfähigkeit des Controllers, Erdung, Handschuhe und Wasserbedingungen.

Sowohl thermisch vorgespanntes als auch chemisch gehärtetes Glas ist für den Einsatz mit PCAP geeignet. Die Endmontage muss als komplettes System abgestimmt und getestet werden. Unser Leitfaden für industrielle PCAP-Touchscreens erläutert diesen Zusammenhang näher.

Was Sie vor der Bestellung überprüfen sollten

Bevor Sie das Deckglas für die Produktion freigeben, überprüfen Sie bitte Folgendes:

1. Glassubstrat und genaue Materialgüte
2. Verfahren zur thermischen Vergütung oder chemischen Härtung
3. Dicke und Toleranz des fertigen Glases
4. Umriss, Eckenradius, Öffnungen und Kantenausführung
5. Anforderungen an die Ebenheit und das Aussehen
6. Vorgeschriebene Bruch- oder Sicherheitsnorm
7. CS- und DOL-Anforderungen an chemisch gehärtetes Glas
8. Mechanische Befestigung und Einbaubedingungen
9. Methode zur Endbearbeitung und zur Überprüfung der Wirksamkeit

Alle Schneide-, Bohr- und Kantenbearbeitungsarbeiten sollten vor der Verstärkung abgeschlossen sein. Die Reihenfolge für Druck, Beschichtung und Verklebung muss mit den Verarbeitern abgestimmt werden, da die Anforderungen an Material und Aushärtung variieren.

FAQ

Sind gehärtetes Glas und temperiertes Glas dasselbe?

Im üblichen technischen Sprachgebrauch beziehen sich beide Begriffe auf thermisch vorgespanntes Glas. Der Begriff “Toughened Glass” ist in Großbritannien und Europa gebräuchlicher, während in Nordamerika eher von “Tempered Glass” die Rede ist. Einige Anbieter verwenden diese Begriffe jedoch auch im weiteren Sinne für chemisch gehärtetes Glas, weshalb stets das tatsächliche Herstellungsverfahren angegeben werden sollte.

Ist chemisch gehärtetes Glas sicherer als vorgespanntes Glas?

Nicht unbedingt. Durch chemische Härtung lässt sich eine hervorragende Bruchfestigkeit erzielen, insbesondere bei dünnem Glas, doch führt dies nicht automatisch zu dem körnigen Bruchbild, das für vollständig gehärtetes Sicherheitsglas charakteristisch ist.

Kann gehärtetes Glas nach der Bearbeitung geschnitten werden?

Thermisch vorgespanntes Glas kann nach dem Vorspannen weder geschnitten noch gebohrt werden. Auch chemisch gehärtetes Glas sollte anschließend nicht bearbeitet werden, da durch das Schneiden oder Schleifen die verdichtete Oberflächenschicht entfernt oder beschädigt wird.

Welches Verfahren eignet sich besser für industrielle Touchscreens?

Verwenden Sie thermisches Härten für dickeres, größeres Schutzglas, wenn robuster Frontschutz und eine körnige Bruchstruktur im Vordergrund stehen. Verwenden Sie chemisches Härten für dünnes, präzises Deckglas, wenn optische Qualität, geringes Gewicht und Maßhaltigkeit wichtiger sind.

Abschließende Empfehlung

Geben Sie in einer technischen Zeichnung für einen industriellen Touchscreen nicht lediglich “gehärtetes Glas” an. Diese Beschreibung lässt zu viel Interpretationsspielraum.

Legen Sie das Glassubstrat, das Härtungsverfahren, die Dicke, den Kantenzustand, die Maßtoleranz, die Bruchanforderungen und die Methode zur abschließenden Validierung fest. Bei chemisch gehärtetem Glas legen Sie außerdem die erforderlichen CS- und DOL-Werte fest.

Das auf dem Papier stärkste Glas ist in der Praxis nicht immer das zuverlässigste für Touchscreens. Das richtige Glas ist dasjenige, das mit dem jeweiligen Sensor, dem Gehäuse, der Befestigungskonstruktion und der Betriebsumgebung harmoniert.

Wenn Sie eine industrielle HMI, einen Kiosk, eine Ladestation für Elektrofahrzeuge oder ein maßgeschneidertes Touchdisplay entwickeln, kann Eagle Touch das Deckglas und die Touch-Struktur vor der Musterfertigung als eine komplette Baugruppe prüfen.