Ziel der Entwicklung
Ziel ist die Entwicklung einer Verbindungstechnologie mit lokaler Wärmeeinflusszone zur Herstellung von rotationssymmetrischen Gehäusen aus Al2O3-Keramik beziehungsweise Saphir mittels Hochtemperaturglaslot durch Laserstrahllöten. Einerseits sind temperaturempfindliche Funktionsbauteile sowie Medien einzuschließen und andererseits Bauteile zu verbinden, deren Dimensionen eine Wärmekammer überschreiten. Temperaturregime zur Prozessführung sind zu entwickeln, um spannungsfreie Verbindungen der temperaturempfindlichen Werkstoffe zu gewährleisten und deren typischen Eigenschaften zu erhalten.
Im Projekt wurden anhand von rotationssymmetrischen Bauteilen aus Al2O3-Keramik und Saphir Untersuchungen zum selektiven Hochtemperaturlöten von Glaslot mittels simultaner CO2-Laserstrahltechnologie durchgeführt. Zur Strahlformung und homogenen Energieeinbringung am Bauteil fand eine Ringspiegelanordnung mit ringförmiger Lasereinstrahlung (Ringmode) Verwendung. Die Experimente belegen, dass mit einer gezielten geometrieangepassten Einstellung der Lasereinwirkzone am Bauteil Temperaturgradienten und damit unzulässig auftretende Spannungen in der Verbindungszone sowie den angrenzenden Bauteilbereichen vermieden werden können. Die Arbeiten zur numerischen Simulation zeigten, dass durch den iterativen Prozess aus experimentellen Untersuchungen, numerischer Simulation, konstruktiver Gestaltung von Bauteilen und Prozessparametern die Grundlagen für eine zielgerichtete Prozessentwicklung geschaffen werden können. Die simultane Laserstrahltechnologie ermöglicht vakuumdichte Lotverbindungen (1,0 x 10^-8…1,0 x 10^-10 mbar l/s) mit Festigkeiten, die den Anwendungen entsprechen, reproduzierbar für Al2O3-Keramik (? 15 mm, ? 25 mm) mit dem untersuchten Glaslot GP06 herzustellen. Am Beispiel eines Gehäuse-Konzeptes (? 15 mm, L = 330 mm, Keramik-Saphir-Kombination) für die experimentelle Werkstoffforschung konnte exemplarisch das simultane Hochtemperaturlöten mittels laserbasierten Prozessen nachgewiesen werden.
Vorteile und Lösungen
Der Entwicklung und Herstellung von Verbundkomponenten aus keramischen Hochleistungswerkstoffen kommt eine zunehmende Bedeutung zu. Besonderes Interesse gilt dem Hochtemperaturbereich, in dem insbesondere Al2O3-Keramik und Saphir hohe mechanische und chemische Eigenschaften aufweisen. Bei Einsatztemperaturen über 800°C unterliegen keramische Verbunde neben den mechanischen und thermischen Beanspruchungen, auch chemischen Einflüssen. Das komplexe Beanspruchungsprofil in Hochtemperaturanwendungen mit keramischen Bauteilen stellt hinsichtlich der Langzeitstabilität und der Eigenspannungsproblematik sehr hohe Anforderungen an das Werkstoff- und Prozessdesign einer stoffschlüssigen Verbindung. Anwendungsbereiche dieser innovativen Technologie sind bspw. in den Bereichen der Luft- und Raumfahrt (Erforschung neuer Materialien), Automobilindustrie (reduzierter Energiebedarf / -verbrauch, Gewährleistung der Sicherheit bei neuen Vergasungstechnologien, zum Beispiel Wasserstoffbetrieb), der Energie- und Umwelttechnik (Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Energiegewinnung, Einsatz regenerativer Energien, Industriekatalysatoren) und der Medizintechnik (optische Transparenz) zu finden.
Um neue, innovative, wettbewerbsfähige Produkte auf den Markt zu bringen beziehungsweise die Qualität bestehender Produkte mit herausragenden Eigenschaften entscheidend zu verbessern, ist es notwendig, die Fügeverfahren kontinuierlich weiter zu entwickeln und zu qualifizieren. Durch angestrebte Materialkombinationen mit einer ressourcen- und effizienzoptimierten Rohstoff- und Werkstoffauswahl sowie Produktgestaltung wird es möglich, die Materialkosten zu senken und innovative Systemlösungen mit einem hohen Marktwert, einer verbesserten Konkurrenz- und Exportfähigkeit zu schaffen.
Zielgruppe und Zielmarkt
Einschätzung der wirtschaftlichen Erfolgsaussichten
Wie in der Darstellung der Anwendungsbereiche beschrieben, kann das Potenzial für den Einsatz des qualifizierten Fügeverfahrens und daraus generierter Systemlösungen für zukünftige Anwendungen als hoch eingeschätzt werden. Aufgrund des großen technologischen Potenzials in der Wertschöpfung hochwertiger Produkte werden für interessierte Unternehmen die zu erwartenden Umsätze steigen. Bezüglich der Marktgröße ist davon auszugehen, dass aufgrund der Verfügbarkeit neuer Fügetechnologien, die Herstellung komplexer Keramik- sowie Saphirapplikationen in den nächsten Jahren signifikant steigen wird, wenn technologisch ausgereifte Fügeverfahren zur Verfügung stehen. Aufgrund der aktuellen Randbedingungen ist davon auszugehen, dass es sich dabei einerseits um spezielle, sehr hochwertige Einzellösungen aber auch Produkte der Massenfertigung mit hoher Zuverlässigkeit (Sensoren) handeln wird. Bei steigenden Stückzahlen wird der Bedarf an Maschinen und Laseranlagen für selektive Verschlusstechnologien im Bereich sprödharter Werkstoffe steigen, wie beispielsweise die Lasertechnik heute in vielen Bereichen der Fertigung (Laserschneiden, Laserschweißen, Laserlöten usw. von Mikro- bis Makroanwendungen der verschiedensten Werkstoffe) zum Stand der Technik gehört und konventionelle Verfahren abgelöst hat.
Der Nachweis der Umsetzbarkeit kann zukünftig in unterschiedlichen Prozesskonzepten anhand von Funktionsmustern erfolgen. Der Transfer der Ergebnisse in die Industrie wird zum einen über Anfragen interessierter Firmen aus der Glas- und Keramikbranche und zum anderen über die Arbeitskreise der Forschungsvereinigungen des DVS, der DGG und der DKG gewährleistet. Dadurch werden in einer übergreifenden Zusammenarbeit zwischen der FuE-Einrichtung ifw und den Industriepartnern Systemlösungen mit entsprechenden Anforderungsprofilen (Eigenschaften, Geometrien und Bauteilspezifika) erarbeitet. Die Umsetzung in konkrete Produkte der Unternehmen steht für die wirtschaftliche Anschlussfähigkeit der Verfahrensentwicklung.