Saphir: Das schwarze Schaf der Uhrenindustrie

Jan 16, 2024

Jeden Wenn Sie auf Ihre Uhr schauen, nutzen Sie die Eigenschaften von Saphir, ohne sie zu bemerken. Saphir ist aufgrund seiner Transparenz und Unempfindlichkeit gegenüber Kratzern in unserem täglichen Leben wichtig. Neben Uhrengehäusen wird es in großen Mengen für Anwendungen von LED-Substraten bis hin zu kratzfesten Fenstern für Militärfahrzeuge eingesetzt.

Eine beträchtliche Menge Saphir wird zur Herstellung von Schmuck und Uhren verwendet, wobei sich gehobene Verbraucher zunehmend der Nachhaltigkeit der von ihnen gekauften Produkte bewusst werden. Sie kaufen lieber gut verarbeitete Produkte, die lange halten und ihren Wert behalten, als billigere Ware, die sie nach kurzer Zeit wegwerfen müssten. Industriell hergestellter synthetischer Saphir ist genauso hart wie natürlicher Saphir, aber transparenter, da ihm die Spurenelemente fehlen, die Edelsteinen ihre verschiedenen Farbtöne verleihen. Saphir wird oft als „kratzfest“ oder „nahezu kratzfest“ vermarktet. Dies liegt daran, dass es auf der Mohsschen Härteskala den Wert neun hat, was bedeutet, dass es nur von einer härteren Substanz wie Diamant zerkratzt werden kann, der mit zehn,1 bewertet wird

Der industrielle Prozess zur Herstellung und Individualisierung von Saphir erfolgt in drei Hauptschritten. Der erste Schritt besteht in der Herstellung des hochreinen Aluminiumoxids (Aluminiumoxid, genannt HPA). Der zweite Schritt besteht darin, dieses HPA bei sehr hohen Temperaturen von etwa 2.050 °C zu kristallisieren, um einen Rohkristall aus synthetischem Saphir zu bilden. Im dritten Schritt wird diese Kristallmasse geformt und mit diamantbeschichteten Sägen in Stücke geschnitten. Die resultierenden Wafer werden dann für die gewünschte Anwendung geschliffen und poliert.

Diese Prozesse verursachen einen erheblichen CO2-Fußabdruck, über den wir möglicherweise erst nachdenken, wenn wir uns dessen bewusst werden. Beispielsweise erzeugt der gesamte Kristallisationsschritt (zweiter Schritt) 43 kg CO2 pro kg produziertem Saphir. Durch die sorgfältige Beachtung jedes einzelnen Schritts kann dieser Wert jedoch erheblich reduziert werden.

Die Herstellung von HPA beginnt mit einem mineralischen Rohstoff. Wenn dieser Rohstoff ausschließlich mit Wasserkraft hergestellt wird, ist sein einziger CO2-Fußabdruck am Tor der Fabrik, in der HPA hergestellt wird, auf den Transport zurückzuführen.

Liegt die Quelle in der Nähe der Fabrik, kann dieser minimal sein oder durch Kompensation sogar auf Null gebracht werden. Dies ist der Fall bei Advanced Energy Minerals (AEM), das HPA in Québec, Kanada, herstellt. Es nutzt Rohstoffe aus Québec, die überwiegend mit Wasserkraft produziert werden.

Die AEM-Fabrik wurde so konzipiert, dass der Stromverbrauch durch den Einsatz eines patentierten Chlorlaugungskristallisationsverfahrens minimiert wird. Lokale erneuerbare Quellen, Wasserkraft und Windkraft von Hydro Quebec, liefern den Strom von AEM. Die Fabrik in Cap-Chat ist der Nachbar des Windparks Le Nordais mit 133 Turbinen. Derzeit liegt der Anteil der erneuerbaren Energien bei 96 %, konkrete Pläne bestehen darin, bis Ende des Jahres 100 % zu erreichen. Dadurch werden die CO2-Emissionen von derzeit weniger als zwei Tonnen CO2 pro Tonne HPA auf praktisch Null reduziert.

Dies steht in starkem Gegensatz zu denen, die das traditionelle Alkoxidverfahren verwenden, das typischerweise nicht erneuerbar betrieben wird und 12,3 Tonnen CO2 pro Tonne HPA ausstößt. Andere Hersteller haben das Ziel, diesen um den Faktor fünf zu reduzieren, was immer noch sehr hoch ist.

Durch die Anpassung an die Kundenanforderungen werden die folgenden Prozessschritte effizienter. AEM verfügt über eine Produktlinie, um seinen Kunden maßgeschneidertes 4N- und 5N-verdichtetes Aluminiumoxid zu liefern. Die Größenordnung reicht von wenigen Gramm schweren Pucks bis hin zu riesigen Pucks mit einem Gewicht von bis zu 21 kg.

Bei allen Prozessen zur Umwandlung von HPA in Saphir wird das Aluminiumoxid bei einer Temperatur über 2.050 °C geschmolzen. Anschließend erfolgt ein langsamer Abkühlungsprozess, der ein bis zwei Wochen dauert, bis ein Saphirkristall entsteht. Da es sich um einen Low-Tech-Prozess handelt, ist der Kristall nicht perfekt. Sie kann jedoch durch die Qualität des verwendeten HPA und die Geschicklichkeit des Ofenbedieners beeinflusst werden. Für LEDs wird HPA mit geringerer Reinheit verwendet. Die nächste Reinheitsstufe findet Anwendung in Uhrengehäusen. Das hochwertigste HPA ist aufgrund seines geringen Titangehalts transparent für tiefes UV. Dadurch ist es für medizinische Anwendungen geeignet. Kristallisationsprobleme können sich auch auf die Qualität des Endprodukts auswirken und die endgültige Anwendung bestimmen. Beispielsweise kann es bei einem LED-Gerät, das eine unvollständige und inhomogene Saphirkomponente enthält, zu einer verringerten Effizienz, einer kürzeren Lebensdauer oder einer Variation in der Emissionsfarbe kommen.3

Neben der HPA-Qualität ergeben die verschiedenen Saphirzüchtungsverfahren Kristalle, die für unterschiedliche Anwendungen geeignet sind. Aus diesen Gründen teilen sich hier die Prozesse auf. Wir haben eine Fallstudie aus der Schweizer Uhrenindustrie ausgewählt, die die Umweltvorteile der Liebe zum Detail zeigt. Der weltweite Uhrenmarkt von 71 Milliarden US-Dollar im Jahr 2022 weist eine erwartete durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 5 % auf.4 Insbesondere ist er ein wichtiger Wirtschaftsmotor in der Schweiz, wo sich die Uhrenexporte auf fast 25 Milliarden US-Dollar belaufen.5 Um diese Nachfrage zu decken, 21 Millionen Uhrengehäuse werden jedes Jahr in hoher Qualität in der Schweiz hergestellt. (Es gibt auch einen riesigen Markt für in Asien hergestellte Smartwatches mit Saphirglasabdeckungen.) Wie wir sehen werden, vervielfacht die verbleibende Verarbeitung die Umweltkosten der vorherigen Schritte.

Saphirkristalle für Uhrendeckel werden traditionell im Verneuil-Verfahren gezüchtet. Das Ergebnis, das auf die weitere Verarbeitung wartet, wird im Fachjargon „Karotte“ genannt. Die Form ähnelt einem Zylinder, etwa 15 cm hoch und 3–4 cm im Durchmesser.

Natürlich hat dieser Schritt einen typischen Energiebedarf, wenn er nicht mit grüner Energie durchgeführt wird. Der relevante CO2-Ausstoß läge im Durchschnitt für die Schweiz bei 89g/kWh, weltweit bei 475g/kWh.

Da die Kristall-Saphir-Karotte eine unvollkommene Form hat und Mängel aufweist, kommt es bei den weiteren Verarbeitungsschritten zu erheblichen Ertragsverlusten. Dieser Verlust kann minimiert werden, indem ein digitales Modell der Karotte erstellt wird, das auf einem 3D-Scan mit speziellen konfokalen Tomographiegeräten basiert.

Es ist erwähnenswert, dass das Schneiden und Polieren von Saphir sehr energieaufwendig ist, da die außergewöhnliche Härte des Materials eine große Herausforderung darstellt.

Der erste Schritt bei Ertragsverlusten ist das Verschrotten der Karotten nach der Kontrolle und vor der Weiterverarbeitung aufgrund einer inakzeptablen Fehlerquote. Bei Karotten aus dem Verneuil-Verfahren beträgt dieser Wert typischerweise durchschnittlich 10 %. Das Mahlen der restlichen Karotten auf die richtige Kerngröße und -form ergibt eine Formfaktorausbeute von 42 %. Die Ausbeute an Kernen beträgt dann 87 %, was bedeutet, dass 13 % der Kerne, die diesen Punkt erreichen, aufgrund kleiner Defekte im Saphirkristall weggeworfen werden. Die Ausbeute beim Schneiden des Kerns in Wafer und deren Polieren beträgt 85 %. Das Ergebnis ist eine durchschnittliche Gesamtausbeute von 28 % in der Uhrenindustrie für einen flachen Uhrendeckel.6 Dieser hat einen Durchmesser von 25–45 mm und eine Dicke von 1,6–6 mm. Das typische Gewicht beträgt 4,6 g.

Der Ertrag bedeutet, dass man die anfallenden Umweltkosten durch 0,28 dividiert, was ihn fast vervierfacht. Bei einem gewölbten Uhrendeckel ist dieser Ertrag mit 4 % viel niedriger, was die Eingangskosten mit dem 25-fachen multipliziert.

Diese Schritte können alle mit der digitalen Qualitätskontrolle des Schweizer Unternehmens Scientific Visual optimiert werden. Das Unternehmen stellt Scanner zur Qualitätsprüfung von Industriekristallen her (Abb. 3). Mithilfe dieser automatisierten Tools können einzelne Schritte optimiert werden, um Fehler zu vermeiden. So wird beispielsweise verhindert, dass defekte Kristallteile in eine aufwendige Bearbeitung gelangen. Darüber hinaus müssen durch die Rückmeldung an die Kristallzüchter weniger Kristalle verschrottet werden.

Die simulierte Form für den Zylinder kann so verschoben werden, dass nur ein Minimum an Fehlern in der physischen Karotte verbleibt. Das Schneiden kann auch versetzt erfolgen, um Defekte zwischen benachbarten Wafern zu erzeugen. Alle diese Schritte führen dazu, dass die Rendite einer Flachdeckung auf 34 % steigt. Bei einer gewölbten Uhrenabdeckung beträgt die Verbesserung 4 % bis 5 %, was einer Verbesserung von 25 % entspricht.

Mal sehen, was die Zahlen zeigen. Im schlimmsten Fall emittiert HPA 12,3 Gramm CO2 pro Gramm HPA. Bei der Herstellung unseres flachen Uhrengehäuses werden Folgendes emittiert:

12,3 x 4,6 g / 0,28 Ausbeute = 202 g

Und der gewölbte Uhrendeckel strahlt aus:

12,3 x 4,6 g / 0,04 Ausbeute = 1,4 kg

Diese Zahlen zeigen, warum Kristallsaphir als „schwarzes Schaf der Uhrmacherei“ bezeichnet wird.7

Durch den Einsatz aktueller emissionsarmer HPA und digitaler Qualitätskontrolle reduzieren sich diese Werte auf 20g bzw. 138g. Dies gilt sogar, bevor emissionsfreies HPA die Kosten, wenn nicht sogar die Verschwendung, vollständig eliminiert. Die obige Tabelle zeigt, dass die CO2-Emissionen um 22 % reduziert werden können.

Wir haben gesehen, dass die Umweltkosten einer Uhrenhülle sehr hoch sein können, wenn man nicht darüber nachdenkt. Durch Liebe zum Detail bei allen Prozessschritten kann der Aufwand auf das Schmelzen des HPA und den Betrieb der Maschinen reduziert werden, wenn deren Energiequellen nicht umweltfreundlich sind. Dies lässt sich auf andere Märkte und Anwendungsfälle für Saphir übertragen, beispielsweise auf LEDs und andere Anwendungen. Wir werden diese Fälle in einem zukünftigen Artikel besprechen.

Bitte beachten Sie, dass dieser Artikel auch in der vierzehnten Ausgabe unserer vierteljährlichen Publikation erscheinen wird.

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