SiLaWer


Förderkennzeichen: MF120172
Projektlaufzeit: 01.02.2013 bis 31.12.2015

Simultanes Laserlöten von Hochleistungwerkstoffen zur ressourcen- und effizienzoptimierten Werkstofauswahl sowie Produktgestaltung

Ziel war die Entwicklung einer Verbindungstechnologie mit lokaler Wärmeeinflusszone zur Herstellung von rotationssymmetrischen Gehäusen aus Al₂O₃ -Keramik bzw. Saphir mittels Hochtemperaturglaslot durch Laserstrahllöten. Einerseits sollten temperaturempfindliche Funktionsbauteile bzw. Medien eingeschlossenen und andererseits Bauteile verbunden werden, deren Dimensionen einen Ofen überschreiten. Um spannungsfreie Verbindungen der temperaturempfindlichen Werkstoffe zu gewährleisten und deren typischen Eigenschaften zu erhalten, mussten Temperaturregime zur Prozessführung entwickelt werden.

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 belegten, 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.

Projektergebnisse

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 (Ø 15 mm, Ø 25 mm) mit dem untersuchten Glaslot herzustellen. Am Beispiel eines Gehäuse-Konzeptes (Ø 15 mm, L = 330 mm, Keramik-Saphir-Kombination) für die experimentelle Werkstoffforschung konnte exemplarisch das simultane Hochtemperaturlöten mittels laserbasierten Prozessen nachgewiesen werden.

Durch eine ressourcen- und effizienzoptimierten Rohstoff- und Werkstoffauswahl, die Produktgestaltung sowie die Verfahrenskombination können Materialkosten gesenkt und innovative sowie konkurrenzfähige Systemlösungen mit einem hohen Marktwert angeboten werden.

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, z.B. Wasserstoffbetrieb), der Energie- und Umwelttechnik (Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Energiegewinnung, Einsatz regenerativer Energien, Industriekatalysatoren) und der Medizintechnik (optische Transparenz) zu finden.

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