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TU Berlin

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Füge- und Beschichtungstechnik

Die modernen Füge- und Beschichtungstechnologien nehmen als eigenständiges Wissenschaftsgebiet eine Schlüsselfunktion bei der Fertigung von Produkten aus allen Branchen bzw. Industriebereichen ein. Als Querschnittstechnologien resultieren für sie aus der interdisziplinären Kooperation in den Zukunftsfeldern wie Energie-, Verkehrs-, Werkstoff- und Mikrotechnik neue Herausforderungen, für deren nachhaltige Bewältigung der Standort Berlin ideal geeignet ist.

Das Fachgebiet Füge- und Beschichtungstechnik beschäftigt sich daher sowohl mit der Optimierung „konventioneller" Füge- und Beschichtungsverfahren, als auch mit der Entwicklung neuer Füge- und Beschichtungstechnologien mit der Zielstellung, die bisherigen Grenzen in der Füge- und Beschichtungstechnik zu überwinden und neue Lösungsansätze technologisch zu realisieren.

Die Entwicklung der Fügetechnik wird heute im Wesentlichen getrieben von Entwicklungen im Bereich der Werkstoffe, der Anlagentechnik und von den Anforderungen an die Produktivität.

Der Trend in der Werkstoffentwicklung geht bei metallischen Werkstoffen in die Richtung Festigkeitssteigerung bei geringerem Gewicht, um insbesondere in der Verkehrstechnik Leichtbaukonzepten gerecht werden zu können. Aber auch im allgemeinen Maschinenbau, der Energietechnik etc. sind Werkstoffe mit höchster Festigkeit von Interesse. Nachdem über viele Jahre hinweg legierungstechnische Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung genutzt wurden, kommen heute derartige Maßnahmen in Kombination mit einer Verringerung der Korngröße zur Anwendung. Die erzielbaren Festigkeiten lassen sich heute jedoch konstruktiv noch nicht vollständig nutzen, da in der Fügezone auf Grund thermischer Beeinflussung ein unverhältnismäßig hoher Festigkeitsabfall erfolgt. In dieser Thematik besteht sowohl heute als auch langfristig für alle metallischen Werkstoffgruppen ein hoher Forschungs- und Entwicklungsbedarf.

Darüber hinaus ist auch ein klarer Trend hin zu Mischverbindungen zu erkennen, bei denen die jeweiligen Eigenschaften am Wirkort durch geeignete Werkstoffauswahl sichergestellt werden und durch ein erhebliches Potential zur weiteren Gewichtsoptimierung geschaffen wird. Aufgrund bestimmter metallurgischer Vorgänge und Eigenschaften lassen sich jedoch nicht alle Werkstoffe miteinander Fügen, so dass auch hierfür ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsbedarf besteht.

So liegen Lösungsansätze einerseits in der Beeinflussung der Erstarrung in der Schmelzzone und andererseits in der Minimierung des Wärmeeintrages in die Wärmeeinflusszone. Prozesstechnisch können hierzu neue „kalte“ Lichtbogen- und Plasmaprozesse (PDF, 165,9 KB) mit entsprechender Energieregelung eingesetzt werden.
Mit im Puls modulierbaren Laserstrahlquellen (PDF, 195,3 KB) ist es möglich, die zeitliche Leistungsverteilung im Puls und damit die Temperatur an die Metallurgie der zu fügenden Werkstoffe anzupassen (metallurgische Pulsformung). Hieraus resultiert zum einen eine wesentliche Verbesserung der Qualität der Fügeverbindung und zum anderen eine erhebliche Erweiterung des Anwendungspektrums z.B. im Bereich der Mischverbindungen.

Durch die Elektronenstrahltechnologie (PDF, 359,7 KB) ist es möglich sowohl dickwandige (30mm in Kupfer, 50mm in Stahl, 100mm in Aluminium), als auch sauerstoffempfindliche Bauteile im Vakuum schmelzmetallurgisch zu fügen. Durch die sehr genaue Prozesssteuerung ist es überdies möglich, auch Mischverbindungen zu schweißen, die bisher als nicht schweißgeeignet benannt wurden. Darüber hinaus kann die Elektronenstrahltechnologie für eine Vielzahl weiterer Anwendungen (PDF, 165,5 KB) wie das Elektronenstrahlhärten, Elektronenstrahlbeschichten und das Elektronenstrahlgravieren eingesetzt werden.
Neben Technologien zum Fügen von Blechen, besteht auch Bedarf an Fügeverfahren, mit denen Bulkmaterials gefügt werden können. Technologisch eingeführt ist hierzu das Hochtemperaturlöten, das es ermöglicht, eine Vielzahl von Werkstoffen und Bauteilgeometrien zu fügen. Die Werkstoffpalette umfasst neben Metallen auch keramische Werkstoffe. Hier entsteht vor dem Hintergrund neuester Entwicklungen im Bereich nanostrukturierter Keramiken Bedarf an hochtemperaturbeständigen Verbindungen Keramik-Keramik und Keramik-Metall.

Um die Prozessgeschwindigkeiten beim Hochtemperaturlöten zu erhöhen laufen derzeit Untersuchungen, bei denen die zum Löten erforderlichen Temperaturen über magnetische Wechselfelder (Uniform Magnetic Heating) und daraus resultierende Hystereseverluste. Dies ermöglicht eine Erwärmung des Bauteils von innen heraus und erhöht damit die Prozessstabilität bei gleichzeitiger Minimierung der erforderlichen Erwärmzeiten.
Während bei den „konventionellen" Fügetechnologien noch deutliche Innovationsschritte zu erzielen sind, bietet die Umsetzung von Nanoeffekten in neue Fügetechnologien (PDF, 521,1 KB) das Potenzial für einen „Quantensprung". Im Gegensatz zu mikroskopisch strukturierten Werkstoffen wird bei nanostrukturierten Werkstoffen das Werkstoffverhalten von der Oberflächenenergie bestimmt. Dies führt beispielsweise zu einer drastischen Absenkung der Schmelztemperatur, wenn die Strukturgröße im Bereich von wenigen Nanometer liegt. Die konsequente Nutzung dieser Effekte wird zu einer neuen „Qualität" der Fügetechnik bei niedrigen Temperaturen führen. So ist es beispielsweise mit reaktiven nanolagigen Folien möglich, sowohl Metalle als auch Kermiken zu fügen, ohne die Bauteile makroskopisch zu erwärmen. Lediglich in der direkten Fügezone erfolgt in Folge einer exothermen Reaktion die lokale Erwärmung der Grenzflächen, die jedoch nach ca. 20 ms wieder auf Raumtemperatur abgekühlt sind. Der Schlüssel zu dieser Fügetechnik liegt im Werkstoffdesign und in der Herstellung der Folien.


Im Bereich der Beschichtungstechnik führt ebenfalls eine Vielzahl neuartiger technologischer Ansätze zu einer erheblichen Verbreiterung des Anwendungsspektrums und damit zur Schaffung neuer innovativer Prozesse und Produkte.

So zielen die Forschungsarbeiten im Bereich des thermischen Spritzens (PDF, 268,2 KB) zum einen auf die Weiterentwicklung konventioneller Verfahren im Hinblick auf die Integration in Fertigungsprozessketten sowie das Erschließen neuer Anwendungen durch werkstoff- und prozesstechnische Entwicklungen ab.

Im Bereich des Lichtbogenspritzens liegt dabei die Zielstellung der Optimierung der Partikelgrößenverteilung und in der Minimierung des Oxid- und Porenanteils in der Schicht. Beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (PDF, 97,0 KB) erfolgt der Schichtaufbau durch die Zugabe von Pulver in einer im Überschallbereich arbeitenden Gasflamme. Hier sind vielfältige Anwendungen, z.B. im Bereich des Turbinenbaus umsetzbar.

Durch Vakuum- und Niederdruckprozesse (PDF, 117,3 KB) kann die Grenze zwischen konventionellen thermischen Spritzprozessen und physikalischen Abscheideprozessen überwunden werden. Damit lassen sich extrem dünne und hoch belastbare Schichten prozesssicher generieren.  

Geschichte

Die Technische Hochschule Charlottenburg errichtete 1923 als erste ein eigenständiges Lehrgebiet und Versuchsfeld für Schweißtechnik in Deutschland. Unter Leitung von Prof. A. Hilpert entwickelte sich hieraus einer der Schwerpunkte schweißtechnischer Forschung. 1937 übernahmen Dr. Le Compte (bis 1944), Prof. Beckstroem (bis 1971) und Prof. Farnbacher (bis 1974) die Institutsleitung. Mit der Berufung von Prof. Lutz Dorn (FG-Leitung 1975-2005) wurde die Fachbgebietsbezeichnung auf Fügetechnik und später auch auf Beschichtungstechnik erweitert. Von 2008 bis 2011 leitete Prof. Johannes Wilden das Fachgebiet Füge- und Beschichtungstechnik.

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