Ziel der Entwicklung

In vielen Produkten der Mechatronik, Sensorik aber auch Energie- und Antriebstechnik müssen unterschiedliche Werkstoffe gefügt werden. Zur Sicherstellung dauerhafter Verbindungen sind hierbei spezielle Vorbehandlungen, so genannte Metallisierungen, erforderlich.
Das betrifft beispielsweise die Herstellung von Lötverbindungen, die aus schwierig benetzbaren Werkstoffen oder Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Derartige Hybridbauteilen aus zum Beispiel Metall und Keramik erlangen eine immer größere Bedeutung, da sie über nützliche Leistungsmerkmale beider Werkstoffe verfügen und erfordern die Metallisierung, um ein Löten durch Anschmelzvorgänge zu ermöglichen. Galvanisch, pulverbeschichtete, gedruckte oder spritztechnisch hergestellte Metallisierungen sind jedoch oftmals nicht dicht, wenig belastbar, geringe Wärmeleiter oder nicht vakuumtauglich.
Neben dem Fügen von Materialkombinationen sind zunehmend auch partielle metallische Beschichtungen für die beispielsweise Herstellung von Leiterbahnen auf Kunststoffen, die Herstellung von Dichtungen oder bei der Produktion von Elektronenstrahlröhren erforderlich. Die hierfür verfügbaren Fertigungsverfahren sind meist kostenintensiv, an Schablonen oder Masken gebunden, benötigen externe Anlagen und/oder beeinflussen die Werkstoffeigenschaften der Basismaterialien ungünstig. Realisiert werden derartige Metallisierungen nach dem Stand der Technik meist außerhalb des Fertigungsprozesses, zum Beispiel durch Sputtern in einer Ionenstrahlanlage im Vakuum. Dadurch, dass diese Verfahren oftmals nicht in den Fertigungsprozess integrierbar sind, verursachen sie einen hohen Zeit- und Kostenaufwand.
Diese Aufwände zu reduzieren ist in Hinblick des internationalen Wettbewerbs von großer Bedeutung. Die grundlegende Zielstellung des Vorhabens beinhaltete in diesem Kontext die Entwicklung einer Technologie zum mehrdimensionalen Herstellen dünner Metallschichten auf temperaturempfindlichen Werkstoffen unter Nutzung von atmosphärischen Plasma im Niedrig-Energiebereich. Die entwickelte Technologie dient dem wirtschaftlichen und Inline-fähigen Beschichten dünner Metallschichten auf wärmeempfindlichen Werkstoffen und ermöglicht sowohl Flächen- als auch partielle Beschichtungen. Das betrifft beispielsweise die Herstellung von Lötverbindungen, die aus schwierig benetzbaren Werkstoffen oder Werkstoffen mit stark unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. Das Verfahren arbeitet unter atmosphärischen Bedingungen und ist damit besonders für einen industriellen Einsatz geeignet. Der realisierbare Energieeintrag bewirkt einen schnellen Anschmelzvorgang der Pulverpartikel auf dem Grundwerkstoff und damit eine geringe Temperaturbeeinflussung des zu beschichtenden Bauteiles.

Vorteile und Lösungen

Auf wärmeempfindlichen Werkstoffen als inline-fähige Lösung; die Schaffung von Möglichkeiten von Beschichtungen partieller Strukturen ohne Temperaturbeeinflussung angrenzender Gebiete; eine hohe Flexibilität in der Konturbearbeitung durch NC-Steuerung der Wärmequelle und des Bearbeitungstisches; gute Möglichkeiten zur sowohl Flächenbeschichtung als auch Beschichtung mehrdimensionaler Konturen durch Integrationsmöglichkeiten von Mehrachsensteuerungen; eine hohe Flexibilität bei der Integration in unterschiedliche Fertigungsorganisationen. Das Kernelement der Entwicklung beinhaltete in diesem Kontext die Nutzung eines kalten Plasmas in Verbindung mit speziellen Nano- oder Mikrometallpulvern, welche unter atmosphärischen Bedingungen dem Plasma zugeführt und aufgeschmolzen werden und somit festhaftende Metallschichten auf Glas, Keramik, Kunststoffen oder anderen Werkstoffen realisieren können. Durch Massereduzierung der Metallpartikel sowie minimaler Temperatureinbringung kann eine Wärmeschädigung temperaturempfindlicher Werkstoffe weitestgehend vermieden werden. Dazu wurden Möglichkeiten geschaffen, diese Werkstoffe sowohl partiell als auch ganzflächig zu metallisieren. Als Wärmequelle dient ein Plasmastrahl, der durch seine geringen Abmessungen mittels einer geeigneten Strahlführung eine hohe Flexibilität in der Anwendung aufweist.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die über das FuE-Projekt erfolgte Entwicklung einer Metallisierungstechnologie einschließlich der Schaffung von Möglichkeiten zur Oberflächenaktivierung sowie der zugehörigen Einrichtungen erbringt vielfältige Möglichkeiten für einen industriellen Einsatz. Insbesondere im Bereich der Medizintechnik, Elektronik, Sensor- und Reaktortechnik, der Leiterplattenindustrie, des Maschinenbaues sowie der Fahrzeugindustrie werden Bauteile mit entsprechenden Eigenschaften benötigt, die durch Werkstoffkombinationen und -Substitution gekennzeichnet sind. Besonders deutlich zeigt sich diese Trendentwicklung im Bereich der Sensorik, welche wiederum durch die digitale Fertigung getrieben wird. Obgleich ein sehr dynamisch wachsender Markt, ist er auch durch einen sich verschärfenden Wettbewerbsdruck gekennzeichnet. Dieser schlägt sich einerseits im Kostendruck nieder, gleichzeitig steigen die Anforderungen, Einsatzmöglichkeiten für immer problematischere Betriebsumgebungen zu erschließen (Temperatur, chem. Einflüsse etc.).
In diesem Komplex stellt die Entwicklung neuer Verfahren zum Metallisieren und Fügen von Nichtmetallen, Kunststoffen oder partiellen eigenschaftsverändernden Beschichtungen an unterschiedlichen Werkstoffkombinationen ein wesentliches Erfordernis dar. So können beispielsweise durch die Integration der Metallisierungstechnologie in die Fertigungsprozesskette eine Reihe, auch von wirtschaftlichen, Potenzialen erschlossen werden.