Laserschweißen Löten und 3D-Drucken ohne Oxidation

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Oxidation ist bei der Metallverarbeitung leidiges Thema. Abhilfe schaffen könnte die Produktion in sauerstofffreier Umgebung. Forscher am LZH erforschen derzeit, wie sich dieses Konzept in der Additiven Fertigung und beim Löten umsetzen lässt.

Sauerstoff ist in vielen Produktionsprozessen in der metallverarbeitenden Industrie ein Störfaktor: Beim Bearbeiten von Metallen entstehen durch den Sauerstoff in der Umgebung Oxidschichten. Diese können das Fügen von Werkstücken erschweren und den Verschleiß von Bauteilen und Werkzeugen beschleunigen. Im Sonderforschungsbereich 1368 „Sauerstofffreie Produktion“ am LZH nutzen die Forscher eine 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 Lösungsansatz ist dabei wesentlich wirtschaftlicher als die Umsetzung eines technischen Vakuums. Am LZH erforschen Wissenschaftler diesen Ansatz für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen und für das Laserstrahlhartlöten.

Ziel: Laserstrahlhartlöten ohne Flussmittel

Die Gruppe Fügen und Trennen von Metallen hat in einem Teilprojekt einen neuen Lötprozess entwickelt, der ohne den Einsatz von Flussmitteln auskommt. Überlicherweise werden die zum Teil umwelt- und gesundheitsschädlichen Flussmittel genutzt, um die Oxidschicht auf der Materialoberfläche aufzubrechen. Damit wird ermöglicht, dass Metall und Lot zusammen reagieren. In dem neu entwickelten Prozess brechen die LZH-Forscher 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.

Den Forscher ist es gelungen 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 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 durch Hochgeschwindigkeitskameras überwacht.

Ziel des Teilprojektes ist es, ein grundlegendes Verständnis für den Prozess unter sauerstofffreier Atmosphäre und den Einfluss des Sauerstoffs zu erlangen. Die Forscher haben erwartet, dass der Prozess ohne den Sauerstoff stabiler wird und es so zu weniger Spritzern und zu 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. 

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