Löten und 3D-Drucken ohne Oxidation

LZH forscht an sauerstofffreier Produktion.

Bei der Metallverarbeitung ist Oxidation ein leidiges Thema. Abhilfe schaffen könnte die Produktion in sauerstofffreier Umgebung. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) erforscht, wie sich dieses Konzept in der Additiven Fertigung und beim Löten umsetzen lässt.

Sauerstoff ist in vielen Produktionsprozessen in der metallverarbeitenden Industrie ein Störfaktor: Die Oxidschichten, die beim Bearbeiten von Metallen durch den Sauerstoff in der Umgebung entstehen, können das Fügen von Werkstücken erschweren und den Verschleiß von Bauteilen und Werkzeugen beschleunigen. Im Sonderforschungsbereich 1368 „Sauerstofffreie Produktion“ nutzen die Forscher:innen eine innovative Methode, um dem Oxidationsproblem zu begegnen: Sie führen während der Produktion ein Argon-Schutzgas mit einem kleinen Anteil Silan zu. Das Silan reagiert mit dem Sauerstoff der Umgebung und es entsteht eine XHV-adäquate Atmosphäre, also eine Atmosphäre mit einem so geringen Sauerstoffgehalt wie in einem extrem hohen Vakuum. Dieser Ansatz zum Ausschließen von Sauerstoff ist dabei wesentlich wirtschaftlicher als die Umsetzung eines technischen Vakuums. Am LZH erforschen Wissenschaftler:innen diesen Ansatz für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen und für das Laserstrahlhartlöten.

Im SFB 1368 untersucht das LZH das Laserstrahllöten in sauerstofffreier Atmosphäre. Foto: LZH

Ziel: Laserstrahlhartlöten ohne Flussmittel

Die Gruppe Fügen und Trennen von Metallen hat in einem Teilprojekt einen neuartigen Lötprozess entwickelt, der ohne den Einsatz von Flussmitteln auskommt. Die zum Teil umwelt- und gesundheitsschädlichen Flussmittel werden üblicherweise genutzt, um die Oxidschicht auf der Materialoberfläche aufzubrechen und so zu ermöglichen, dass Metall und Lot zusammen reagieren. In dem neu entwickelten Prozess brechen die LZH-Forscher:innen die Oxidschicht stattdessen mit einer ns-gepulsten Laserstrahlquelle auf. Anschließend erfolgt der Lötprozess mit cw-Laserstrahlung unter Silan-Atmosphäre. Durch die sauerstofffreie Atmosphäre wird verhindert, dass die Oberfläche zwischen den Prozessschritten erneut oxidiert.

Wie die Forscher:innen zeigen konnten, ist es möglich, unter sauerstofffreier Atmosphäre die Oxidschicht auf Aluminiumlegierungen dauerhaft zu entfernen. Somit war anschließend eine Benetzung der Oberfläche mit einem artgleichen Lotwerkstoff möglich. In der zweiten Förderperiode werden die Forscher:innen den Prozess auf die herausfordernde Mischverbindung aus Aluminium und Kupfer übertragen und die Prozessgrenzen erforschen.

Additive Fertigung unter sauerstofffreier Atmosphäre

Die Gruppe Additive Fertigung – Metalle erforscht, wie sich Metallpulver beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen in sauerstofffreier Atmosphäre verarbeiten lassen. Auf einer eigens dafür entwickelten Anlage für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen von Metallen (PBF-LB/M-Verfahren) wurde hierzu der Prozess anhand der Titanlegierung Ti-6Al-4V entwickelt und mittels Hochgeschwindigkeitskameras überwacht.

Ziel des Teilprojektes ist es, ein grundlegendes Verständnis für den Prozess unter sauerstofffreier Atmosphäre und den Einfluss des Sauerstoffs zu erlangen. Erwartet haben die Forscher:innen, dass die Abwesenheit von Sauerstoff zu einem stabileren Prozess, weniger Spritzern und besseren Bauteileigenschaften führt. Sie konnten zeigen: Die Spritzer verringern sich nicht nur in ihrer Anzahl, sondern oxidieren auch weniger stark, was die Degradierung des Pulvers vermindert. Für eine weitere Verbesserung des Prozesses und der Bauteilqualität ist es aber wichtig, auch die Feuchtigkeit in Atmosphäre und Pulver zu eliminieren, was in Förderperiode 2 eingehend untersucht werden soll.

Über den SFB 1368

Im Sonderforschungsbereich 1368 „Sauerstofffreie Produktion – Prozesse und Wirkzonen in sauerstofffreier Atmosphäre zur Entwicklung zukunftsfähiger Produktionstechniken und Fertigungsverfahren“ sind neben dem LZH acht Institute der Leibniz Universität Hannover, vier Institute der Technischen Universität Clausthal sowie der Lehrstuhl Datenmanagement im Maschinenbau der Universität Paderborn beteiligt. Der SFB wird von der DFG gefördert. Die zweite Förderperiode wird mit rund 10,5 Millionen Euro bis Ende 2027 gefördert.

Weitere Informationen:

https://www.lzh.de/pressemitteilung/2024/loeten-und-3d-drucken-ohne-oxidation-lz…
https://www.sfb1368.uni-hannover.de/de/der-sfb