Emaillierte Scheiben finden seit sehr langer Zeit ihre Anwendung im Bauwesen als opake Fassadenpaneele in System- oder vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden. Mit Mustern in Form von Punkten, Streifen oder Quadraten wird ein teilweiser Sonnen- beziehungsweise Blendschutz realisiert. Ebenso ist seit langem eine festigkeitsmindernde Wirkung einer solchen Bedruckung auf Glasbauteilen bekannt. Die Gründe dafür sind nicht geklärt, und es existieren mehrere Erklärungsversuche, die ihre Belastbarkeit aber noch nicht bewiesen haben. Ebenso beruhen die Normangaben zu bedruckten, vorgespannten Glasprodukten auf empirischen Untersuchungen ohne weitere wissenschaftliche Basis. Daher wird in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, eine in der Fachliteratur genannte mögliche Ursache der Festigkeitsminderung genauer zu untersuchen. Neben einer Bewertung der bereits vorhandenen, wenigen Erklärungsversuche wird die in der Literatur geäußerte und auch durch Versuche im Rahmen von Qualitätskontrollen der Glasveredler berechtigte Annahme der Festigkeitsminderung auf Grund geänderter Temperaturverhältnisse während des Abkühlvorgangs durch die Emailleschicht besonders untersucht. Dieser Annahme wird mit spannungsoptischen Messmethoden und in Bruchversuchen nachgegangen. Mit Streulichtmessungen werden mögliche Veränderungen im Eigenspannungsverlauf über die Glasdicke quantitativ ermittelt. Mit Bruchversuchen in einem modifizierten Doppelring-Biegeversuch können dann unter Ansatz der ermittelten Vorspannung im Glas Rückschlüsse auf mögliche strukturelle Veränderungen der Glasoberfläche beziehungsweise größere Defekte geschlossen werden. Mittels numerischer Simulationen des Vorspannprozesses von bedruckten und unbedruckten Scheiben kann auch die Auswirkung verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten genauer bestimmt werden. In praktischen Versuchen kann eine solche mögliche Auswirkung nicht untersucht werden, da die Emaille als Überzugsmaterial als handelsübliches Produkt verwendet und nicht frei konfektioniert wird. Daher können nur die thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Versuch berücksichtigt werden, die sich im handelsüblichen Produkt einstellen.

Emaillierte Scheiben finden seit sehr langer Zeit ihre Anwendung im Bauwesen als opake Fassadenpaneele in System- oder vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden. Mit Mustern in Form von Punkten, Streifen oder Quadraten wird ein teilweiser Sonnen- beziehungsweise Blendschutz realisiert. Ebenso ist seit langem eine festigkeitsmindernde Wirkung einer solchen Bedruckung auf Glasbauteilen bekannt. Die Gründe dafür sind nicht geklärt, und es existieren mehrere Erklärungsversuche, die ihre Belastbarkeit aber noch nicht bewiesen haben. Ebenso beruhen die Normangaben zu bedruckten, vorgespannten Glasprodukten auf empirischen Untersuchungen ohne weitere wissenschaftliche Basis. Daher wird in dieser Arbeit das Ziel verfolgt, eine in der Fachliteratur genannte mögliche Ursache der Festigkeitsminderung genauer zu untersuchen. Neben einer Bewertung der bereits vorhandenen, wenigen Erklärungsversuche wird die in der Literatur geäußerte und auch durch Versuche im Rahmen von Qualitätskontrollen der Glasveredler berechtigte Annahme der Festigkeitsminderung auf Grund geänderter Temperaturverhältnisse während des Abkühlvorgangs durch die Emailleschicht besonders untersucht. Dieser Annahme wird mit spannungsoptischen Messmethoden und in Bruchversuchen nachgegangen. Mit Streulichtmessungen werden mögliche Veränderungen im Eigenspannungsverlauf über die Glasdicke quantitativ ermittelt. Mit Bruchversuchen in einem modifizierten Doppelring-Biegeversuch können dann unter Ansatz der ermittelten Vorspannung im Glas Rückschlüsse auf mögliche strukturelle Veränderungen der Glasoberfläche beziehungsweise größere Defekte geschlossen werden. Mittels numerischer Simulationen des Vorspannprozesses von bedruckten und unbedruckten Scheiben kann auch die Auswirkung verschiedener thermischer Ausdehnungskoeffizienten genauer bestimmt werden. In praktischen Versuchen kann eine solche mögliche Auswirkung nicht untersucht werden, da die Emaille als Überzugsmaterial als handelsübliches Produkt verwendet und nicht frei konfektioniert wird. Daher können nur die thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Versuch berücksichtigt werden, die sich im handelsüblichen Produkt einstellen.:1 Problemstellung 1 1.1 Begriffsbestimmungen 3 1.1.1 Fachbegriffe zur Emaille 3 1.1.2 Festigkeitsbegriffe für Glas 5 1.2 Stand der Wissenschaft und Technik 7 1.2.1 Metallemaillierungen 7 1.2.2 Glasemaillierungen 8 1.3 Abgeleitete Fragestellungen 22 1.4 Lösungsansätze 23 2 Grundlagen der Werkstoffe 27 2.1 Viskosität 27 2.2 Spektrale Eigenschaften und Farbgebung 30 2.3 Glas 36 2.3.1 Mechanische Eigenschaften 36 2.3.2 Thermische Eigenschaften 37 2.4 Emaille / Glasfluss 45 2.4.1 Aufbau / Struktur / Zusammensetzung 45 2.4.2 Mechanische Eigenschaften 48 2.4.3 Thermische Eigenschaften 50 2.5 Emailliertes Glas 52 3 Thermische Vorspannung 56 3.1 Prinzip der thermischen Vorspannung 56 3.2 Mechanismus der thermischen Vorspannung 57 3.3 Mechanik der thermischen Vorspannung 60 3.3.1 Temperaturverlauf 61 3.3.2 Spannungsrelaxation 65 3.3.3 Strukturrelaxation 68 3.3.4 Zusammenfassung und Spannungsverlauf 71 4 Prüfungen und Prüfgeräte – Grundlagen 74 4.1 Optische Untersuchungen 74 4.1.1 Grundlagen der Spannungsoptik 74 4.1.2 Streulichtmessungen 75 4.1.3 Diskussion weiterer Verfahren 79 4.1.4 Anwendung Messgerät SCALP 81 4.1.5 Spektralmessung 86 4.2 Bruchversuche 87 4.2.1 Doppelring-Biegeversuche nach DIN EN 1288 88 4.2.2 Modifizierter Doppelring-Biegeversuch 90 4.2.3 Bestimmung der Versuchsgeometrie 93 4.3 Auswertung und Statistik 97 5 Prüfungen – Durchführung und Auswertung 100 5.1 Parameterzusammenstellung 100 5.2 Form und Art der Probekörper 103 5.3 Optische Untersuchungen 109 5.3.1 Überprüfung der bedruckten Seite 109 5.3.2 Differential-Refraktographie 109 5.3.3 Streulichtmessungen 110 5.3.4 Spektralmessung 117 5.3.5 Zusammenfassung optische Untersuchungen 119 5.4 Bruchversuche 120 5.4.1 Unbedruckte Proben 123 5.4.2 Schwarz bedruckte Proben 124 5.4.3 Weiß bedruckte Proben 126 5.4.4 Zusammenfassung Bruchversuche 127 5.5 Überlagerung Spannungsoptik und Bruchversuch 128 6 Numerische Simulationen 134 6.1 Simulation des Vorspannprozesses 134 6.1.1 Grundlagen 134 6.1.2 Numerische Modellierung 135 6.1.3 Temperaturprofil 137 6.1.4 Vorspannprozess für unbedrucktes Glas 140 6.1.5 Vorspannprozess für bedrucktes Glas 147 6.2 Parameterstudien 150 6.2.1 Auswirkung der Emailleschichtstärke 152 6.2.2 Auswirkung der Ausdehnungsdifferenz 155 6.2.3 Zusammenfassung numerische Simulation 158 7 Zusammenfassung und Ausblick 160 7.1 Zusammenfassung und Diskussion 160 7.2 Ausblick 170 8 Verzeichnisse 174 8.1 Bezeichnungen 174 8.1.1 Formelzeichen 174 8.1.2 Abkürzungen 177 8.2 Literaturverzeichnis 178 8.2.1 Allgemein über Glas und allgemeine Parameter178 8.2.2 Emaille 178 8.2.3 Vorspannung 180 8.2.4 Mechanik und Festigkeit 183 8.2.5 Bruchversuche und Statistik 184 8.2.6 Optik und Spannungsoptik 185 8.2.7 Normen und Richtlinien 186 8.3 Abbildungsverzeichnis 188