LU502912B1 - Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer Auftragungsvorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs (14) auf einem keramischen oder mineralischen Substrat (6) mit einer Auftragungsvorrichtung (1). Von einer an der Auftragungsvorrichtung (1) angeordneten Energiequelle (2) wird ein hochenergetischer Strahl auf eine Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) gerichtet. Mit Hilfe der Auftragungsvorrichtung (1) wird der metallische Werkstoff (14) auf einen Bereich der Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) aufgebracht. Der metallische Werkstoff (14) wird zumindest anteilsweise mit dem hochenergetischen Strahl aufgeschmolzen, sodass sich nach dem Erstarren des metallischen Werkstoffs (14) der metallische Werkstoff (14) als Materialauftrag auf der Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) abscheidet. Der auf die Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) auftreffende hochenergetische Strahl definiert einen Arbeitsbereich (7), wobei die Position des Arbeitsbereichs (7) auf der Oberfläche (5) durch eine relative Verlagerung der Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) und der Lasereinrichtung (3) veränderbar ist. In den Arbeitsbereich (7) wird auf der Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) eine Vertiefung (13) eingebracht, wobei der Materialauftrag in die Vertiefung (13) erfolgt.
Description
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LU502912
Ponticon GmbH
Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer
Auftragungsvorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder einem mineralischen Substrat mit einer Auftragungsvorrichtung, wobei von einer an der Auftragungsvorrichtung angeordneten
Energiequelle ein hochenergetischer Strahl auf eine
Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats gerichtet wird, wobei mit Hilfe der Auftragungsvorrichtung der metallische Werkstoff auf einen Bereich der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats aufgebracht wird, wobei der metallische Werkstoff zumindest anteilsweise mit dem hochenergetischen Strahl aufgeschmolzen wird, sodass sich nach dem Erstarren des metallischen Werkstoffs der metallische Werkstoff als Materialauftrag auf der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats abscheidet, wobei der auf die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats auftreffende hochenergetische Strahl einen Arbeitsbereich definiert, wobei die Position des
Arbeitsbereichs auf der Oberfläche durch eine relative
Verlagerung der Oberfläche des keramischen oder mineralischen
Substrats und der Energiequelle veränderbar ist.
Zum Abscheiden bzw. zum Auftrag eines metallischen Werkstoffs auf die Oberfläche eines Metallsubstrats ist das
LaserauftragsschweifBen zur Bearbeitung von Werkstücken ein
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LU502912 etabliertes Verfahren. Bei dem herkômmlich durchgeführten
Verfahren wird dazu eine Auftragungsvorrichtung mit einer
Lasereinrichtung eingesetzt. Dabei wird die Oberfläche des
Metallsubstrats durch einen von der Lasereinrichtung emittierten und auf die Oberfläche gerichteten Laserstrahl lokal an der Stelle des Auftreffens aufgeschmolzen. Der so entstandenen lokalen Schmelze wird ein feinkôrniger metallischen Werkstoff zugeführt. Die Zuführung erfolgt durch den Transport mittels eines inerten Trägergases. Das der lokalen Schmelze so zugeführte Metallpulver wird ebenfalls durch den Laserstrahl bzw. die Wärme der vorhandenen Schmelze des Substrats aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren des aufgeschmolzenen metallischen Werkstoffs entsteht zwischen dem metallischen Werkstoff und dem Metallsubstrat eine stoffschlüssige Verbindung. Dieses Verfahren kann durch eine
Relativbewegung des Metallsubstrats und/oder der
Auftragungsvorrichtung an verschiedenen Stellen des
Metallsubstrats wiederholt oder auch über einen zusammenhängenden Bereich der Oberfläche durchgeführt werden.
Dieses herkömmliche Verfahren hat jedoch Nachteile bei dem
Auftrag eines metallischen Werkstoffs auf ein nichtmetallisches Substrat wie ein keramisches Substrat oder ein mineralisches Substrat. Durch die den Materialienklassen innewohnenden unterschiedlichen chemischen wie auch physikalischen Eigenschaften ist es herausfordernd beispielsweise eine Verbindung zwischen Metall und Keramik mittels eines Laserstrahls herzustellen. Durch die allgemein hohen Schmelzpunkte der Keramiken, die gerne in einem Bereich zwischen 2000 und 3000 °C liegen können ist ein Aufschmelzen aufwendig, insbesondere da die erforderlichen Temperaturen teilweise über dem Siedepunkt der verwendeten metallischen
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Werkstoffe liegen. Somit wäre durch das Verdampfen des aufgebrachten metallischen Werkstoffs kein Materialauftrag môglich. Weiterhin besitzen Keramiken und metallische
Werkstoffe unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, welche für Keramiken im Bereich von 4 bis 13 10-6K-} und für metallische Werkstoffe zwischen 1 und 30 106K! Liegen.
Daraus resultiert bei einem Aufheizen durch die
Sprôdbruchneigung der Keramik die Problematik von Riss- und
Bruchbildung in dem keramischen Substrat, insbesondere bei schnellen Aufheiz- und Abkühlvorgängen, wie sie bei der
Verwendung von Laserstrahlung gegeben sind. Infolge der großen und schnellen induzierten Wärme und der geringen
Warmeleitfahigkeit der Keramik entstehen Spannungen in der
Keramik. Da Keramik auch bei hôheren Temperaturen nur eine sehr geringe Verformbarkeit aufweist, kann es diese thermischen Spannungen, anders als metallische Werkstoffe, schwierig abbauen. Übersteigen diese Spannungen die
Werkstoffhärte, führen sie zum Bruch. Diese Effekte führen dabei zum Versagen des Bauteils und sind irreparabel. Eine weitere Problemstellung liegt in der schlechten Benetzbarkeit des der Keramik mit aufgeschmolzenen Metallen durch den sogenannten ,Balling-Effekt™.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren bekannt, um die genannten Problemstellungen überwinden zu kônnen. Zum einen ist der Auftrag über Physical Vapour
Deposition (PVD) das am häufigsten angewendete Verfahren.
Dabei wird ein Aktivmetall wie eine Metalllegierung oder ein
Reinmetall in die Gasphase überführt und im Anschluss als
Haftvermittler auf der Keramikoberfläche abgeschieden, sodass eine dünne Metallschicht entsteht. Auf dieser als
Haftvermittler fingierenden dünne Metallschicht kann im
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Anschluss der eigentliche metallische Werkstoff aufgebracht werden. Dieser Prozess findet dabei aufwendig unter Vakuum- oder unter Schutzgasbedingungen statt. Weiterhin muss die
Oberfläche des keramischen Substrats aufwendig vor der
Aufbringung gereinigt werden, um eine geeignete Anbindung an das keramische Substrats zu ermôglichen. Die Metallisierung über PVD-Verfahren unterliegt dabei neben der Reinigung der
Oberfläche anderen limitierenden Faktoren. Beispielsweise ist die Größe des zu beschichtenden Substrats dabei auch von der
Größe der zur Verfügung stehenden Prozesskammer abhängig.
Ebenfalls bekannt ist das sogenannte Aerosol-Jet-Printing (AJP). Dabei erfolgt der Auftrag des metallischen Werkstoffs als Aerosol. Dazu wird in einem Ultraschall- oder pneumatischen Zerstäuber das Aerosol generiert und zusammen mit einem Trägergas mit hohem Druck auf das Substrat aufgebracht. Nachteilig ist hierbei, dass lediglich Schichten im Mikrometerbereich aufgetragen werden können und bisher keine Schichtdicken im Bereich von Millimetern erzeugt werden können.
Als Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird es deshalb angesehen, eine Alternative zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu bieten, die deutliche wirtschaftliche und technische Vorteile bieten kann.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Arbeitsbereich auf der Oberfläche des keramischen oder mineralischen
Substrats eine Vertiefung eingebracht wird, wobei der
Materialauftrag in die Vertiefung erfolgt.
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Durch den Auftrag des metallischen Werkstoffs in die
Vertiefung kann eine zuverlässige Anhaftung des metallischen
Werkstoffs an das keramischen oder mineralische Substrat erreicht werden. Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Geometriefreiheit, welche es erlaubt auch 3D-Geometrien zu beschichten. Außerdem können isolierte, einzelne Bereiche selektiv beschichtet werden, ohne dass Maskierungen oder andere Vorarbeiten durchgeführt werden müssen, wie sie bei den Verfahren aus dem Stand der
Technik bekannt sind. Das Verfahren ermöglicht es weiterhin, eine fest anhaftende, elektrisch leitende Metallbeschichtung ohne zusätzliches Flussmittel und mit hohen Auftragsraten auf keramischen oder mineralischen Substraten zu erzeugen. Im
Unterschied zu Verfahren wie PVD wird keine mit einem
Schutzgas flutbare oder eine evakuierbare Prozesskammer benötigt. Anwendungsgebiete können beispielsweise Implantate in der Medizintechnik wie auch Komponenten im Automobilsektor sowie in der Luft- und Raumfahrt sein. Weiterhin können auch
Schaltkarten für beispielsweise Hochleistungs-LED-
Installationen realisiert werden. Das Verfahren kann ebenfalls im Zuge der Fertigung und Entwicklung von
Energiespeichern eingesetzt werden.
Der durch die hochenergetische Strahlung aufgeschmolzene metallische Werkstoff kann in flüssiger Form in die
Vertiefung der Oberfläche des keramischen oder mineralischen
Substrats fließen, wobei er nach der Erstarrung durch eine mechanische Verklammerung an den Wandbereichen und dem
Bodenbereich der Vertiefung gebunden wird und dort anhaftet.
Dadurch kann die Anhaftung des metallischen Werkstoffs an das keramische oder mineralische Substrats im Gegensatz zu dem direkten Aufbringen des metallischen Werkstoffs auf eine
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LU502912 planare Oberfläche deutlich verbessert und erhôht werden.
Durch die eingebrachte Vertiefung kann ebenfalls eine stabile stoffschlüssige Verbindung des metallischen Werkstoffs an das keramische oder mineralische Substrat durch
Diffusionsvorgänge und letztendlich durch Reaktionen auf atomarer Ebene - die zu Bindungen führen - ermöglicht werden.
Dabei ist es môglich, dass der metallische Werkstoff in
Anlehnung an das klassische LaserauftragsschweiBen als feinkôrniges Pulver aufgebracht wird, oder die Auftragung kann als über die Auftragsvorrichtung zugeführter oder in der
Vertiefung angeordneter Draht erfolgen, welcher durch die eingebrachte Energie aufgeschmolzen wird.
Unter einem keramischen Substrat wird dabei ein Substrat aus einem keramischen Material verstanden. Fin keramisches
Material ist ein Werkstoff, welcher aus nichtmetallischen anorganischen Stoffen bei erhôhten Temperaturen synthetisiert wird und dadurch seine charakteristischen Eigenschaften wie seinen hohen Schmelzpunkt, seine geringe elektrische
Leitfähigkeit wie auch seine Sprödigkeit erhält. Darunter fallen beispielsweise Oxide, Nitride oder auch Silikate.
Weiterhin werden in diesem Sinne auch Glaskeramiken, die neben einer polykristallinen auch eine amorphe Phase aufweisen als Keramiken im weitesten Sinne aufgefasst.
Darüber hinaus können auch Gläser eingesetzt werden.
Unter einem mineralischen Substrat werden durch geologische
Prozesse gebildete im allgemeinen kristalline Substanzen unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung wie beispielsweise Granit verstanden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Energiequelle eine einen Laserstrahl emittierende Lasereinrichtung ist, wobei die Oberfläche durch den auf die Oberfläche gerichteten Laserstrahl selektiv abgetragen wird, sodass durch das abgetragene Material die
Vertiefung auf der Oberfläche entsteht. Die Verwendung eines
Laserstrahl stellt dabei eine kostengünstige wie auch effektive Möglichkeit dar die Vertiefung in der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats auszuführen. Als
Lasereinrichtung können dabei insbesondere Lasereinrichtungen mit einer hohen Leistung wie Festkörperlaser - darunter
Dioden oder Faserlaser - aber auch klassische CO2-Laser zum
Einsatz kommen. Durch die hohe Leistung der auf die
Oberfläche auftreffenden Laserstrahlung können einzelne
Schichten oder auch Partikel aus der Oberfläche gelöst und selektiv abgetragen werden. Durch den Abtrag kann die
Vertiefung ausgebildet werden. Abhängig von der jeweiligen konkreten Leistung wie auch dem Querschnitt der
Laserstrahlung kann die gewünschte geometrische Form der
Vertiefung gesteuert werden. Der Abtrag und damit die
Entfernung von aufgeheiztem Material aus dem keramischen oder mineralischen Substrat beugt darüber hinaus ebenfalls wärmeindizierten Spannung vor, die in das keramische oder mineralische Substrat übergehen und dieses beschädigen könnten.
Durch die Relativbewegung des keramischen oder mineralischen
Substrats und der Auftragungsvorrichtung kann die Vertiefung an verschiedenen Stellen des keramischen oder mineralischen
Substrats wiederholt oder auch über einen zusammenhängenden
Bereich der Oberfläche durchgeführt werden. Auf diese Weise können graben- oder furchenartige Strukturen sowie jede
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LU502912 andere geometrische Struktur auf der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats erzeugt werden.
Neben der Verwendung einer Lasereinrichtung kann die
Energiequelle auch eine einen Elektronenstrahl emittierende
Elektronenquelle sein. Dies kann insbesondere dann von
Vorteil sein, wenn der metallische Werkstoff beispielsweise als Draht in die Vertiefung eingebracht und mittels einer
Energiequelle wie einem Elektronenstrahl aufgeschmolzen wird.
GemäB einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die in die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats eingebrachte Vertiefung eine v- fôrmige Vertiefung mit einem spitzen Winkel ist. Vorzugsweise weist die Vertiefung eine v-fôrmige Geometrie auf, sodass der aufgeschmolzene metallische Werkstoff in einfacher Weise in die Vertiefung fließen kann. Der metallische Werkstoff kann nach dem Erstarren bündig mit der Oberfläche abschließen, sodass eine im Querschnitt dreieckige Vertiefung entsteht. In einer alternativen Ausgestaltung kann der metallische
Werkstoff auch eine Erhebung auf der Oberfläche ausbilden, wodurch ein im Wesentlichen „kuchenförmiger“ Querschnitt resultiert. Darüber hinaus kann der metallische Werkstoff nach dem Erstarren die Vertiefung auch nur teilweise ausfüllen.
Neben einer v-förmigen Vertiefung kann die Vertiefung auch von einer v-Form abweichende Ausgestaltungen und dabei insbesondere eine u-förmige Formgebung aufweisen. Weiterhin sind ebenfalls Ausgestaltungen der Vertiefung mit einem rechteckigen, trapezförmigen oder einem anderweitigen
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LU502912 polygonalen Querschnitt erfindungsgemäß. Die Vertiefung kann dabei auch Hinterschnitte aufweisen.
Dabei ermôgliche die genannten Vertiefung das hineinflieBen des aufgeschmolzenen metallischen Werkstoffs in die
Vertiefung sowie gleichzeitig eine optimierte Benetzung der
Oberfläche durch den metallischen Werkstoff.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der in die Vertiefung eingebrachte und aufgeschmolzene metallische Werkstoff einen Kontaktwinkel © < 90° aufweist.
Unter dem Kontaktwinkel wird dabei der Winkel bezeichnet, den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines Feststoffs zu dieser Oberfläche bildet. Dieser Winkel kann dabei von der
Young’schen Gleichung beschrieben werden. Im vorliegenden
Fall kann der auf die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats aufgebrachte und aufgeschmolzene metallische Werkstoff als Flüssigkeit und das keramische oder mineralische Substrat als Feststoff angesehen werden.
Die GrôBe des Kontaktwinkels zwischen der Flüssigkeit und dem
Feststoff ist dabei eine Funktion unter anderem der
Wechselwirkung zwischen den beiden Phasen an ihrer
Berührungsfläche. Dabei kann die Benetzung der Oberfläche durch den Flüssigkeitstropfen in Abhängigkeit zwischen den
Kohäsionskräften innerhalb des Tropfens und den
Adhäsionskräften des Flüssigkeitstropfens gegenüber der
Oberfläche beschrieben werden. Überwiegen die Kohäsionskräfte innerhalb des Flüssigkeitstropfens die Adhäsionskrafte zwischen dem Flüssigkeitstropfen und der Oberfläche so wird der Flüssigkeitstropfen die Form einer Kugel annehmen und die
Oberfläche nur an einer kleinen Berührungsfläche berühren.
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Im Falle eines flüssigen Metalls auf einer keramischen oder mineralischen Substratoberfläche überwiegen die
Kohäsionskräfte die Adhäsionskräfte bei weitem, sodass sich auf einer planaren Oberfläche eine Kugel mit einem
Kontaktwinkel © > 90° aus. Dabei gilt: Je kleiner der
Kontaktwinkel ist, umso größer ist die Berihrungsfläche.
Um eine môglichst optimale Anbindung und damit eine môglichst große Anlagefläche des Flüssigkeitstropfens an das keramischen oder mineralische Substrat zu ermöglichen, sollte vorzugsweise der Kontaktwinkel 6 > 90° sein.
Die Vertiefung bildet eine geometrische Form auf der
Oberfläche des Substrats aus. Durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung dieser Vertiefung mit einer beispielsweise v- förmigen Ausgestaltung mit einem spitzen Winkel wird der
Kontaktwinkel des in die Vertiefung fließenden oder dort aufgeschmolzenen metallischen Werkstoffs unter 90 ° gesenkt, wodurch die Benetzbarkeit der Oberfläche der Vertiefung optimiert wird. Somit kann durch das künstliche Herabsetzen des Kontaktwinkels durch die geometrische Ausgestaltung der
Vertiefung eine optimale Anbindung des metallischen
Werkstoffs an das keramischen oder mineralische Substrats erreicht werden. Wie bereits angesprochen kann die Vertiefung auch andere von einer v-Form abweichende Ausgestaltungen aufweisen, solange sich durch die gewählte Ausgestaltung ein geeigneter Winkel der sich gegenüberliegenden Flächen in einem oberen Bereich der Nut ausbildet.
Der geringe Kontaktwinkel und damit die möglichst großflächige Anbindung der zwei Phasen bleibt dabei auch nach
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LU502912 dem Aushärten des metallischen Werkstoffs erhalten, wodurch eine durchgehende Anbindung môglichst ohne Blasen oder
Hohlräume erreicht werden kann.
Es ist auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein
Haftvermittler eingesetzt wird, um die Haftung zwischen dem aufgebrachten metallischen Werkstoff und dem keramischen oder mineralischen Substrat zu verbessern. Fin Haftvermittler kann beispielsweise ein Metall oder eine Metalllegierung sein, die direkt auf die Oberfläche des keramischen oder mineralischen
Substrats aufgebracht wird. Vorzugsweise ist sie in ihren
Eigenschaften so ausgewählt, dass sie zum einen eine optimale
Anbindung an das keramische oder mineralische Substrat und zum anderen an den auf dem Haftvermittler aufgebrachten metallischen Werkstoff aufweist. Auf diese Weise kann die
Anbindung des metallischen Werkstoffs an das keramische oder mineralische Substrat verbessert werden. Der Auftrag des
Haftvermittlers erfolgt dabei ebenfalls in die Vertiefung.
Dafür weist der Haftvermittler vorzugsweise einen geringen
Kontaktwinkel auf, sodass eine optimale Anbindung erfolgen kann. Bei metallischen Haftvermittlern kann darüber hinaus eine Stärkung der Bindung zwischen dem Haftvermittler und dem darauf aufgetragenen metallischen Werkstoff durch eine £formschlüssige Verbindung in Form einer metallischen Bindung und dabei insbesondere durch die Bildung einer Legierung an der Grenzfläche der beiden Metalle erreicht werden.
Der Haftvermittler kann auch zur Begünstigung des
Anbindungsprozesses an den geringen
Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen oder mineralischen Substrats angepasst werden. Dafür können
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LU502912 duktile Legierungselemente verwendet werden, die die thermisch induzierten Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in der
Grenzschicht kompensieren können.
Als Haftvermittler kann beispielsweise Kupfer oder Titan eingesetzt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Abtrag eines Bereichs der Oberfläche durch den Laserstrahl und das Aufbringen des metallischen Werkstoffs zeitgleich durchgeführt wird. Dadurch kann es ermöglicht werden, dass die Prozesskette für das
Aufbringen des metallischen Werkstoffs - gegebenenfalls das vorherige Aufbringen des Haftvermittlers - in einem einzigen
Prozessschritt durchgeführt wird. Dazu kann in Anlehnung an das Laserauftragsschweißen ein Gemisch aus einem inerten
Trägergas sowie einem feinkörnigen metallischen Werkstoff zugeführt werden. Der durch beispielsweise die Laserstrahlung aufgeschmolzene metallische Werkstoff kann so ebenfalls durch den Laserstrahl bzw. die Wärme des keramischen oder mineralischen Substrats aufgeschmolzen werden und bevor der
Erstarrung in die Vertiefung fließen.
Des Weiteren ist es möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Herstellung der Vertiefung in einem separaten
Schritt vor dem Auftrag des metallischen Werkstoffs erfolgt.
Dazu kann zum einen die Vertiefung in einem separaten
Prozessschritt mittels der auf die Oberfläche gerichteten
Laserstrahlung herausgearbeitet werden, während in einem zweiten nachfolgenden Prozessschritt der metallische
Werkstoff in die Vertiefung eingebracht und aufgeschmolzen wird. Dazu kann für die Erstellung der Vertiefung eine
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Vorrichtung mit einer Lasereinrichtung verwendet werden, oder die Erstellung erfolgt mittels der Auftragungsvorrichtung
Die Vertiefung kann weiterhin auch durch ein Atzverfahren mit einer ätzenden Verbindung oder durch anderweitige mechanische
Verfahren hergestellt werden. Weiterhin kann das keramische oder mineralische Substrat auch bereits bei der Herstellung, beispielsweise durch die Verwendung dafür geeigneter Formen mit den gewünschten Vertiefungen versehen werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch den Laserstrahl ein Arbeitsbereich zwischen 0,2 und 3 mm erzeugt wird. Dadurch lassen sich
Vertiefungen mit einem Auftrag von metallischen Strukturen in einem großen Bereich ausbilden. Die Abmessungen der
Vertiefung werden dabei im Wesentlichen von der Fläche des
Arbeitsbereichs und damit von dem Querschnitt des
Laserstrahls sowie der Leistung des Laserstrahls bestimmt.
In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass eine Auftragungseinrichtung mit einer
Pulverdüse zur Erzeugung eines koaxialen kontinuierlichen
Pulvergasstrahls verwendet wird. Die Pulverdüse kann dabei über einen umlaufenden Ringspalt verfügen, welcher den emittierten Laserstrahl umgibt, oder es können auch
Mehrstrahldüsen verwendet werden, die über mehrere diskrete
Pulverdüsen verfügen, welche so angeordnet sind, dass sich das injizierte Metallpulver in einem gemeinsamen Fokus trifft.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als keramisches Substrats ein Metalloxid und/oder ein Nitrid
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LU502912 und/oder ein Silikat verwendet wird. Vorzugsweise kann als keramisches Substrat Aluminiumoxid Al:03 Verwendung finden.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass als metallischer Werkstoff Kupfer und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Vanadium und/oder Silber und/oder
Eisen und/oder Gold und/oder eine Legierung davon verwendet wird. Vorzugsweise kann als metallischer Werkstoff Titan oder eine Titanlegierung wie Ti-6A1-4V Verwendung finden.
Weitere vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens zum
Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer
Auftragungsvorrichtung werden an Hand der nachfolgenden
Zeichnung verdeutlicht. Es zeigt:
Figur 1 ein erfindungsgemäße Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer Auftragungsvorrichtung, wobei ein Laserstrahl auf die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats gerichtet ist,
Figur 2 das Verfahren aus Figur 1, wobei die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats selektiv abgetragen wird, sodass eine Vertiefung entsteht,
Figur 3 das Verfahren aus Schritt 2, wobei in die entstandene
Vertiefung ein metallischer Werkstoff aufgetragen wird,
Figur 4 einen Vergleich eines Kontaktwinkels zwischen einem
Flüssigkeitstropfen auf einer planaren Fläche sowie einem
Flüssigkeitstropfen in der Vertiefung,
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Figur 5 eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Schaltkarte mit aufgebrachten Leiterbahnen aus dem metallischen Werkstoff, und
Figur 6 eine Schnittzeichnung entlang der Schnittlinie VI-VI aus Figur 5.
In den Figuren 1 bis 3 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer Auftragungsvorrichtung schematisch dargestellt.
Figur 1 zeigt eine Auftragungsvorrichtung 1 mit einer
Energiequelle 2 in Ausgestaltung einer Lasereinrichtung 3.
Mit Hilfe der Lasereinrichtung 3 wird ein Laserstrahl 4 auf die Oberfläche 5 eines keramischen oder mineralischen
Substrats 6 in Form einer Platte emittiert. Dabei definiert der auf die Oberfläche 5 gerichtete Laserstrahl 4 auf der
Oberfläche einen Arbeitsbereich 7. Die Auftragungseinrichtung 1 weist weiterhin eine an der Auftragungseinrichtung 1 angeordnete Pulverdüse 8 auf, mit welchen ein kontinuierlicher Pulvergasstrahl 9 eines Trägergases und eines feinverteilten metallischen Werkstoffs entlang eines
Pulvergaswegs 10 auf die Oberfläche 5 des keramischen oder mineralischen Substrats 6 im Bereich des Arbeitsbereichs 7 geleitet wird. Der auf die Oberfläche 5 gerichtete
Laserstrahl 4 erwärmt dabei das keramischen oder mineralische
Substrats 6 innerhalb eines Wirkbereichs 11.
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Durch die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls 4 wird in dem
Arbeitsbereich 7 die Oberfläche 5 des keramischen oder mineralischen Substrats 6 in diesem Bereich Stück für Stück abgetragen und von der Oberfläche 5 entfernt. Durch die
Entfernung des Materials 12 kann eine durch die
Hitzeeinwirkung verursachte Rissbildung, die zum Versagen des keramischen oder mineralischen Substrats 6 führen könnte verhindert. Durch das Herauslösen des Materials 12 wird eine
Vertiefung 13 auf der Oberfläche 5 des keramischen oder mineralischen Substrats 6 herausgearbeitet. Die Figur 2 zeigt den Verfahrensschritt der Bildung der Vertiefung 13.
Durch die Pulverdüse 8 in die Vertiefung 13 eingeleiteter metallischer Werkstoff 14 wird durch die einfallende
Laserstrahlung 4 aufgeschmolzen und fließt in die Vertiefung 13 hinein, erstarrt dort und bildet in der Vertiefung 13 einen Materialauftrag aus. Dieser Verfahrensschritt ist in
Figur 3 dargestellt.
In der Figur 4 ist der Vorteil des erfindungsgemäßen
Verfahrens an Hand einer schematischen Ansicht dargestellt.
Auf der linken Seite ist der Auftrag eines geschmolzenen metallischen Werkstoffs 14 als Flüssigkeitstropfen auf einem planaren keramischen oder mineralischen Substrats 6 dargestellt. Die Benetzung der Oberfläche 5 durch den
Flüssigkeitstropfen ist dabei abhängig von den
Kohäsionskräften innerhalb des Flüssigkeitstropfens und den
Adhäsionskräften des Flüssigkeitstropfens gegenüber der
Oberfläche. Überwiegen wie im Falle eines metallischen
Werkstoffs 14 die Kohäsionskräfte innerhalb des
Flüssigkeitstropfens die Adhäsionskräfte so wird der
Flüssigkeitstropfen die Form einer Kugel annehmen und die
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Oberfläche nur an einem geringer Berührungsfläche 15 berühren. In diesem Falle ist der Kontaktwinkel 6 16 - der
Winkel den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche eines
Feststoffs zu der Oberfläche bildet - größer als 90 °.
Durch die v-fôrmige Geometrie der Vertiefung 13 mit einem spitzen Winkel hingegen ist der Kontaktwinkel 6 16 eines
Flüssigkeitstropfens in der Vertiefung 14 stets kleiner als 90 °C, wodurch eine vollständige Benetzung der Seitenbereiche und des Bodenbereichs der Vertiefung 13 erreicht wird. Der
Kontaktwinkel © 16 eines Flüssigkeitstropfens in der erfindungsgemäfen Vertiefung ist in Figur 3 auf der rechten
Seite dargestellt.
Die Figur 5 zeigt eine mit dem erfindungsgemäfben Verfahren hergestellte Schaltkarte 17 mit aufgebrachten Leiterbahnen 18 aus dem metallischen Werkstoff 14, während in Figur 6 eine
Schnittzeichnung der Schaltkarte 17 entlang der Schnittlinie
VI-VI aus Figur 5 dargestellt ist. Dabei sind die v-fôrmigen
Vertiefungen 13 zu erkennen.
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BEZUGSZEICHENTLTI® STE 1 Auftragungsvorrichtung 2 Energiequelle 3 Lasereinrichtung 4 Laserstrahl 5 Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats 6 Keramisches oder mineralisches Substrat 7 Arbeitsbereich 8 Pulverdüse 9 Pulvergasstrahl 11 Pulvergasweg 11 Wirkbereich 12 von der Oberfläche entferntes Material 13 Vertiefung 14 metallischer Werkstoff 15 Berührungsfläche zwischen metallischem Werkstoff und der
Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats 16 Kontaktwinkel 17 Schaltkarte 18 Leiterbahn
Claims (11)
1. Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs (14) auf einem keramischen oder einem mineralischen Substrat (6) mit einer Auftragungsvorrichtung (1), wobei von einer an der Auftragungsvorrichtung (1) angeordneten Energiequelle (2) ein hochenergetischer Strahl auf eine Oberfläche (6) des keramischen oder mineralischen Substrats (5) gerichtet wird, wobei mit Hilfe der Auftragungsvorrichtung (1) der metallische Werkstoff (14) auf einen Bereich der Oberfläche (6) des keramischen oder mineralischen Substrats (5) aufgebracht wird, wobei der metallische Werkstoff (14) zumindest anteilsweise mit dem hochenergetischen Strahl aufgeschmolzen wird, sodass sich nach dem Erstarren des metallischen Werkstoffs (14) der metallische Werkstoff (14) als Materialauftrag auf der Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) abscheidet, wobei der auf die Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) auftreffende hochenergetische Strahl einen Arbeitsbereich (7) definiert, wobei die Position des Arbeitsbereichs (7) auf der Oberfläche (5) durch eine relative Verlagerung der Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) und der Energiequelle (2) veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Arbeitsbereich (7) auf der Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) eine Vertiefung (13) eingebracht wird, wobei der Materialauftrag in die Vertiefung (13) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (2) eine einen Laserstrahl (4) emittierende
- 20 - PON 3345 P LU LU502912 Lasereinrichtung (3) ist, wobei die Oberfläche (5) durch den auf die Oberfläche (5) gerichteten Laserstrahl (4) selektiv abgetragen wird, sodass durch das abgetragene Material (12) die Vertiefung (13) auf der Oberfläche (5) entsteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) eingebrachte Vertiefung (13) eine v-fôrmige Vertiefung mit einem spitzen Winkel ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Vertiefung (13) eingebrachte und aufgeschmolzene metallische Werkstoff (14) einen Kontaktwinkel (16) © < 90° aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Haftvermittler eingesetzt wird, um die Haftung zwischen dem aufgebrachten metallischen Werkstoff (14) und dem keramischen oder mineralischen Substrat (6) zu verbessern.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrag eines Bereichs der Oberfläche (5) durch den Laserstrahl (4) und das Aufbringen des metallischen Werkstoffs (14) zeitgleich durchgeführt wird.
7. nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Vertiefung (13) in einem separaten Schritt vor dem Auftrag des metallischen Werkstoffs (14) erfolgt.
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8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Laserstrahl (4) ein Arbeitsbereich (7) zwischen 0,2 und 3 mm erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auftragungseinrichtung (1) mit einer Pulverdüse (8) zur Erzeugung eines koaxialen kontinuierlichen Pulvergasstrahls (9) verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als keramisches Substrat (6) ein Metalloxid und/oder ein Nitrid und/oder ein Silikat verwendet wird.
11. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallischer Werkstoff (14) Kupfer und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Vanadium und/oder Silber und/oder Eisen und/oder Gold und/oder eine Legierung davon verwendet wird.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LU502912A LU502912B1 (de) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer Auftragungsvorrichtung |
| PCT/EP2023/071085 WO2024083375A1 (de) | 2022-10-17 | 2023-07-28 | Verfahren zum abscheiden eines metallischen werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen substrat mit einer auftragungsvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| LU502912A LU502912B1 (de) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer Auftragungsvorrichtung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| LU502912B1 true LU502912B1 (de) | 2024-04-18 |
Family
ID=84604054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| LU502912A LU502912B1 (de) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer Auftragungsvorrichtung |
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| WO (1) | WO2024083375A1 (de) |
Citations (2)
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| US20130205554A1 (en) * | 2010-07-20 | 2013-08-15 | Lufthansa Technik Ag | Method and apparatus for repairing gas turbine components made of ceramic composite materials |
| US20190182962A1 (en) * | 2011-05-13 | 2019-06-13 | Byd Company Limited | Method for selectively metallizing surface of ceramic substrate, ceramic product and use of ceramic product |
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2022
- 2022-10-17 LU LU502912A patent/LU502912B1/de active IP Right Grant
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2023
- 2023-07-28 WO PCT/EP2023/071085 patent/WO2024083375A1/de unknown
Patent Citations (2)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2024083375A1 (de) | 2024-04-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG | Patent granted |
Effective date: 20240418 |