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TU Berlin

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FBT Darstellung

Füge- und Beschichtungsprozesse sind in der Industrie unverzichtbar. Das hohe technische und werkstoffwissenschaftliche Niveau in diesem Bereich ist auch heute noch ein bedeutender Vorteil für den Standort Deutschland gegenüber Niedriglohnländern. Die Entwicklung hochwertiger Maschinen durch kleine und mittelständige Unternehmen ist heute an innovative Werkstoff-, Füge- und Beschichtungskonzepte gekoppelt. Sie ist von essentieller Bedeutung für das Überleben dieser Firmen, da reine Produktpflege bestehender Technologien auf Dauer allein nicht das finanzielle Firmenkonzept trägt.

Aus diesem Grund sind insbesondere kmU auf Kooperationen mit Hochschulen als "verlängerte Werkbank" angewiesen. Große Firmen verfügen hingegen zumeist über die entsprechenden Entwicklungsabteilungen, um sich derartige Kenntnisse selbst zu erarbeiten. Gleichzeitig publizieren große Unternehmen ihre gewonnenen Kenntnisse meist nicht.

In Gesprächen mit Firmen innerhalb Berlins und im näheren Umland hat sich herausgestellt, dass sehr viele Firmen dringend einen schnellen und unbürokratischen Zugang zu modernen Füge- und Beschichtungstechnologien sowie Analysemethoden benötigen, wo zusätzlich individuell qualifizierte und auf die Fragestellung zugeschnittene Problemlösungen angeboten werden. Mit dem geplanten Forschungs- und Anwendungszentrum Füge- und Beschichtungstechnik (FORUM) wird die Zielstellung verfolgt, den o.g. Bedarf zu decken und Firmen der Region als technologisch und personell auf höchstem Niveau ausgestattete Institution zur Verfügung zu stehen. Die enge Kooperation von Hochschule und Industrie wird neue Arbeitsplätze schaffen. Darüber hinaus bietet das Zentrum die Möglichkeit zur Akquisition national und international geförderter Drittmittelprojekte.

Im FORUM kommen im Bereich der Füge- und Beschichtungstechnik folgende Verfahren zum Einsatz:

Fügetechnik:

Lichtbogenfügeverfahren dominieren mit einem Marktanteil von knapp 40 % den Markt auf hohem Niveau. Qualitativ hochwertige Schweißnähte für eine große Anzahl von Eisen- und Nichteisenlegierungen zu geringen Kosten festigen diesen hohen Prozentsatz. Die geringen Investitionskosten haben gerade in kmU zu einem hohen Verbreitungsgrad dieser Verfahren geführt. Mit dem Metallschutzgas- oder Wolfram-Inertgas-Verfahren können z. B. sowohl Schweiß- als auch Lötprozesse ausgeführt werden. Auf Grund der hohen Ausgereiftheit der Anlagentechnik können neue Marktanforderungen nur durch die Weiterentwicklung bestehender Technologien und die Entwicklung innovativer Technologien generiert werden. Während Informationsveranstaltungen im FORUM können sich interessierte Personen die Anlagen auf „neutralem“ Boden in örtlicher Nähe zur eigenen Betriebsstätte über die Aktivitäten und Projekte in der Region Berlin-Brandenburg informieren. Bei Füge-, Beschichtungs- und Trennprozessen gewinnt die Lasertechnik heute zunehmend an Bedeutung. Die unterschiedlichen Laserstrahlquellen bieten angepasste Lösungen für die unterschiedlichsten Problemstellungen. So eignen sich beispielsweise Diodenlaser mit Tophead-Profil und der über die Fokusfläche homogenen Energiedichte hervorragend für Löt- und Beschichtungsprozesse. Der - verglichen mit anderen Laserstrahlquellen - geringere Anschaffungspreis und der relativ hohe optische Wirkungsgrad dieser Technologie machen gerade Diodenlaser für kmU interessant.

Elektronenstrahlschweißen basiert auf der Umwandlung der kinetischen Energie von Elektronen in Wärme. Durch diesen Anlagenaufbau ergeben sich zahlreiche Vorteile des Verfahrens gegenüber konventionellen Fügeprozessen. Die hohe Energiekonzentration im Strahlfokus erlaubt einerseits das Schweißen sehr dicker Bauteile oder das Fügen mit hohen Schweißgeschwindigkeiten. Durch den reduzierten Energieeintrag in das Bauteil kann so der Bauteilverzug minimiert werden. Da sich der Elektronenstrahl mit Hilfe elektromagnetischer Felder nahezu trägheitslos ablenken lässt, kann der Prozess sehr flexibel eingesetzt werden. Diese Vorteile werden heute bereits im großtechnischen Maßstab, z.B. zur Massenfertigung von Getriebebauteilen in der Automobilindustrie, genutzt.

Auch wenn es heute bereits Anwendungen gibt, bei denen Elektronenstrahlschweißen unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden kann, lassen sich die Vorteile dieses Verfahrens – hochreine Nähte und der feine Fokuspunkt – nur im Vakuum realisieren. Aus diesem Grund scheitert genau wie beim Vakuumplasmaspritzen der großflächige Einsatz des Elektronenstrahlschweißens in kmU heute an den hohen Investitionskosten. Dabei ist vor Allem die Vakuumtechnik mit den damit verbundenen Schleuszeiten für ein kmU mit häufig wechselnden Bauteilgeometrien unrentabel. Trotz allem sind kmU mit Aufgaben konfrontiert, die den Zugriff auf eine Elektronenstrahlanlage erfordern. Diese Möglichkeit kann über das geplante Forschungs- und Anwendungszentrum für Füge- und Beschichtungsprozesse erfolgen. Gleichzeitig können Mitarbeiter der kmU im Rahmen der Arbeiten an der Anlage die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Fügeprozesse erfahren und die für ihr Problem am besten geeignete Technologie auswählen.

Beschichtungstechnik

Zum vollautomatischen Regenerieren von großen Tiefziehwerkzeugen durch Auftrag¬schweißen steht die entsprechende Ausstattung zur Verfügung. Auftragschweißverfahren können auch zum generativen Herstellen von Bauteilen genutzt werden. Insbesondere für kleinere Bauteile (Mikrosystemtechnik, Medizintechnik…) eignet sich das Lasersintern, das heute an der Schwelle zur industriellen Nutzung steht. In diesem Bereich liegt bisher nur sehr wenig Wissen in kmU vor.

Unter den verschiedenen thermischen Beschichtungsverfahren nimmt das atmosphärische Plasmaspritzen (APS) heute eine führende Position ein. Der Vorteil des Plasmaspritzens liegt darin, dass sich aufgrund der sehr hohen Prozesstemperaturen im Plasma (bis zu 15000 K) auch hochschmelzende Werkstoffe wie beispielsweise Oxide sicher aufschmelzen lassen. Trotz der zahlreichen Anwendungen, bei denen sich das atmosphärische Plasmaspritzen als hervorragend geeignet erweist, stößt dieses Verfahren bei bestimmten Werkstoffen (z.B. reaktiven Metallen) an seine Grenzen. Diese Problematik führte zur Entwicklung des Vakuumplasmaspritzens (VPS). Die Verwendung einer Laval-Düse im Brenner ermöglicht im Vakuum die Erzeugung von Überschall-Gasströmungen, die sich in doppelt bis dreimal so hohen Partikelgeschwindigkeiten wie beim atmosphärischen Plasmaspritzen äußern. Durch Absenken des Arbeitsdrucks auf Werte von 2-50 kPa in einer Argonatmosphäre während des Spritzens gelingt es, auch oxidationsempfindliche Werkstoffe chemisch nahezu unverändert in eine Spritzschicht zu übertragen. Entscheidend für die Schichtqualität sind der Sauerstoffpartialdruck sowie die Bauteiltemperatur, die kontinuierlich während des Beschichtungsprozesses gemessen werden müssen.

Das Vakuumplasmaspritzen wird heute vor allem in der Medizin- und Energietechnik eingesetzt. So werden beispielsweise medizinische Implantate mit Titan beschichtet und Turbinen¬schaufeln mit heißgaskorrosionsbeständigen MCrAlY-Legierungen (M = Ni, Co, Fe). Derartige Anwendungen sind heute in großen Unternehmen bereits Stand der Technik, erschöpfen jedoch bei weitem nicht das Anwendungspotenzial. Dieses erstreckt sich von der Herstellung von Halbzeugen und Schichten aus Funktionswerkstoffen für die Medizin- und Mikrotechnologie bis hin zu Schichten mit speziellen elektrischen oder elektro-chemischen/-optischen Eigenschaften wie sie in Brennstoffzellen oder auch der Photovoltaik benötigt werden. Derartige Anwendungen können auf der vorhandenen Anlagentechnik in Kooperation zwischen Industrie und Hochschule gemeinsam entwickelt und qualifiziert werden.

Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) hat sich, obwohl noch ein relativ junges Spritzverfahren, bereits in der Industrie etabliert. Aufgrund der geringeren Erwärmung der Spritzpartikel gegenüber anderen Spritzverfahren können auch temperaturempfindliche Werkstoffe mit diesem Verfahren thermisch aufgebracht werden. Zusätzlich liegen die Partikelgeschwindigkeiten bei diesem Spritzverfahren wesentlich höher, was sich positiv in sehr haftfesten und wenig porösen Schichten äußert. Aus diesem Grund finden HVOF-Schichten immer der Anwendung, wo besonders haftfeste und dichte Schichten gefordert sind. Hauptanwendung des HVOF-Spritzens ist heute das Aufbringen von Verschleißschutzschichten aus Karbid-Metall-Verbundwerkstoffen und das Aufbringen von Heißgas¬korrosionsschutzschichten auf Basis von MCrAlY-Legierungen zum Beispiel auf Turbinen-schaufeln als Alternative zum Vakuumplasmaspritzen. Durch den erst relativ kurzen Nutzungszeitraum dieser Technologie und die Vielzahl an Betriebsparametern (z.B. Brennstoff, Sauerstoffverhältnis, Düsenkonfiguration, …) sind die Möglichkeiten des Verfahrens bei Weitem noch nicht ausgeschöpft. Für kmU ist das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen vor allem deswegen interessant, weil sich auch oxidationsempfindliche Werkstoffe aufbringen lassen, im Gegensatz zum Vakuumplasmaspritzen aber keine Vakuumtechnik benötigt wird. Andererseits schreckt die Vielzahl an Parametern und der - verglichen mit anderen atmosphärischen Beschichtungs¬technologien - hohe Anschaffungspreis immer noch viele kmU ab, eine HVOF-Anlage zu erwerben.

Beim Kaltgasspritzen werden Pulverpartikel in einen Gasstrahl injiziert, der durch Expansion eines erwärmten Gases in einer Laval-Düse entsteht. Bei diesem Vorgehen erfahren die einzelnen Partikel eine hohe Beschleunigung und somit eine hohe Geschwindigkeit bei nur moderater Erwärmung im Vergleich zu anderen Spritzverfahren. Aus der geschwindigkeitsbedingten starken Verformung beim Aufprall auf das Substrat resultieren hochhaftfeste und dichte Schichten. Das jüngste Verfahren in der Geschichte des thermischen Spritzens befindet sich in den Anfängen der Industrialisierung. Erste Serieneinsätze sind im Bereich des Automobilbaus und der Mikroelektronik, um beispielsweise Kupfer als Dickschicht ohne Oxidation aufzutragen. Eine breitere Anwendung erfolgt zur Zeit auch aufgrund des geringen Bekanntheitsgrades des Verfahrens noch nicht. Mit der Integration des Verfahrens in das Zentrum und öffentlichkeitswirksamen Veranstaltungen wird es möglich, das Potenzial der Technologie des Kaltgasspritzens einem größeren Personenkreis vorzustellen.

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