LU502912B1 - Method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device - Google Patents
Method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device Download PDFInfo
- Publication number
- LU502912B1 LU502912B1 LU502912A LU502912A LU502912B1 LU 502912 B1 LU502912 B1 LU 502912B1 LU 502912 A LU502912 A LU 502912A LU 502912 A LU502912 A LU 502912A LU 502912 B1 LU502912 B1 LU 502912B1
- Authority
- LU
- Luxembourg
- Prior art keywords
- ceramic
- metallic material
- mineral substrate
- substrate
- application device
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims abstract description 84
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 239000007769 metal material Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 65
- 239000011707 mineral Substances 0.000 title claims abstract description 65
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 238000000151 deposition Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 25
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 17
- 239000002318 adhesion promoter Substances 0.000 claims description 10
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000001154 acute effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 3
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 21
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 17
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 239000012159 carrier gas Substances 0.000 description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 4
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 4
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 238000009736 wetting Methods 0.000 description 4
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 3
- 239000007767 bonding agent Substances 0.000 description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 1
- 239000010438 granite Substances 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004372 laser cladding Methods 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 150000004760 silicates Chemical class 0.000 description 1
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N vanadium Chemical compound [V]#[V] GPPXJZIENCGNKB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/0036—Laser treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/009—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone characterised by the material treated
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
- C04B41/52—Multiple coating or impregnating multiple coating or impregnating with the same composition or with compositions only differing in the concentration of the constituents, is classified as single coating or impregnation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
- C04B41/80—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone of only ceramics
- C04B41/81—Coating or impregnation
- C04B41/89—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions
- C04B41/90—Coating or impregnation for obtaining at least two superposed coatings having different compositions at least one coating being a metal
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
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.The invention relates to methods for depositing a metallic material (14) on a ceramic or mineral substrate (6) using an application device (1). A high-energy beam is directed onto a surface (5) of the ceramic or mineral substrate (6) from an energy source (2) arranged on the application device (1). The metallic material (14) is applied to an area of the surface (5) of the ceramic or mineral substrate (6) using the application device (1). The metallic material (14) is at least partially melted using the high-energy beam, so that after the metallic material (14) has solidified, the metallic material (14) is deposited as a material deposit on the surface (5) of the ceramic or mineral substrate (6). The high-energy beam striking the surface (5) of the ceramic or mineral substrate (6) defines a working area (7), wherein the position of the working area (7) on the surface (5) can be changed by a relative displacement of the surface (5) of the ceramic or mineral substrate (6) and the laser device (3). A depression (13) is made in the working area (7) on the surface (5) of the ceramic or mineral substrate (6), wherein the material is applied into the depression (13).
Description
- 1 - PON 3345 P LU- 1 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Ponticon GmbHPonticon GmbH
Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einerProcess for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate with a
AuftragungsvorrichtungApplication device
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 angeordnetenThe invention relates to a method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device, wherein a coating layer arranged on the application device
Energiequelle ein hochenergetischer Strahl auf eineEnergy source a high-energy beam on a
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 desSurface of the ceramic or mineral substrate, wherein with the aid of the application device the metallic material is applied to an area of the surface of the ceramic or mineral substrate, wherein the metallic material is at least partially melted with the high-energy beam, so that after the metallic material has solidified the metallic material is deposited as a material deposit on the surface of the ceramic or mineral substrate, wherein the high-energy beam impinging on the surface of the ceramic or mineral substrate defines a working area, wherein the position of the
Arbeitsbereichs auf der Oberfläche durch eine relativeWorking area on the surface by a relative
Verlagerung der Oberfläche des keramischen oder mineralischenDisplacement of the surface of the ceramic or mineral
Substrats und der Energiequelle veränderbar ist.substrate and the energy source can be changed.
Zum Abscheiden bzw. zum Auftrag eines metallischen Werkstoffs auf die Oberfläche eines Metallsubstrats ist dasFor depositing or applying a metallic material onto the surface of a metal substrate, the
LaserauftragsschweifBen zur Bearbeitung von Werkstücken einLaser deposition welding for machining workpieces
- 2 - PON 3345 P LU- 2 - PON 3345 P LU
LU502912 etabliertes Verfahren. Bei dem herkômmlich durchgeführtenLU502912 established procedure. In the conventionally performed
Verfahren wird dazu eine Auftragungsvorrichtung mit einerThe method involves using an application device with a
Lasereinrichtung eingesetzt. Dabei wird die Oberfläche desLaser equipment is used. The surface of the
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 eineMetal substrate is melted locally at the point of impact by a laser beam emitted by the laser device and directed at the surface. A fine-grained metallic material is fed into the local melt thus created. The feed takes place by transport using an inert carrier gas. The metal powder fed into the local melt in this way is also melted by the laser beam or the heat of the existing melt of the substrate. After the molten metallic material has solidified, a material bond is formed between the metallic material and the metal substrate. This process can be carried out by a
Relativbewegung des Metallsubstrats und/oder derRelative movement of the metal substrate and/or the
Auftragungsvorrichtung an verschiedenen Stellen desApplication device at various points of the
Metallsubstrats wiederholt oder auch über einen zusammenhängenden Bereich der Oberfläche durchgeführt werden.metal substrate repeatedly or over a continuous area of the surface.
Dieses herkömmliche Verfahren hat jedoch Nachteile bei demHowever, this conventional method has disadvantages in the
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 metallischenApplication of a metallic material to a non-metallic substrate such as a ceramic substrate or a mineral substrate. Due to the different chemical and physical properties inherent in the material classes, it is challenging to create a bond between metal and ceramic using a laser beam, for example. Due to the generally high melting points of ceramics, which can be in a range between 2000 and 3000 °C, melting is complex, especially since the required temperatures are sometimes above the boiling point of the metallic materials used.
- 3 - PON 3345 P LU- 3 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Werkstoffe liegen. Somit wäre durch das Verdampfen des aufgebrachten metallischen Werkstoffs kein Materialauftrag môglich. Weiterhin besitzen Keramiken und metallischematerials. Thus, no material application would be possible due to the evaporation of the applied metallic material. Furthermore, ceramics and metallic
Werkstoffe unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, welche für Keramiken im Bereich von 4 bis 13 10-6K-} und für metallische Werkstoffe zwischen 1 und 30 106K! Liegen.Materials have different expansion coefficients, which are in the range of 4 to 13 10-6K-} for ceramics and between 1 and 30 106K! for metallic materials.
Daraus resultiert bei einem Aufheizen durch dieThis results in heating by the
Sprôdbruchneigung der Keramik die Problematik von Riss- undBrittle fracture tendency of ceramics the problem of cracks and
Bruchbildung in dem keramischen Substrat, insbesondere bei schnellen Aufheiz- und Abkühlvorgängen, wie sie bei derFracture in the ceramic substrate, especially during rapid heating and cooling processes, such as those
Verwendung von Laserstrahlung gegeben sind. Infolge der großen und schnellen induzierten Wärme und der geringenuse of laser radiation. Due to the large and rapid induced heat and the low
Warmeleitfahigkeit der Keramik entstehen Spannungen in derThermal conductivity of the ceramic creates tensions in the
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 dieCeramics. Since ceramics have very little deformability even at higher temperatures, it is difficult to reduce these thermal stresses, unlike metallic materials. If these stresses exceed the
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™.If the material hardness is too high, they lead to fracture. These effects lead to the failure of the component and are irreparable. Another problem is the poor wettability of the ceramic with molten metals due to the so-called "Balling Effect™".
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren bekannt, um die genannten Problemstellungen überwinden zu kônnen. Zum einen ist der Auftrag über Physical VapourVarious methods are known from the state of the art to overcome the problems mentioned. On the one hand, the application of physical vapour
Deposition (PVD) das am häufigsten angewendete Verfahren.Deposition (PVD) is the most commonly used method.
Dabei wird ein Aktivmetall wie eine Metalllegierung oder einAn active metal such as a metal alloy or a
Reinmetall in die Gasphase überführt und im Anschluss alsPure metal is transferred into the gas phase and then used as
Haftvermittler auf der Keramikoberfläche abgeschieden, sodass eine dünne Metallschicht entsteht. Auf dieser alsBonding agents are deposited on the ceramic surface, creating a thin metal layer.
Haftvermittler fingierenden dünne Metallschicht kann imThin metal layer acting as an adhesion promoter can be
- 4 - PON 3345 P LU- 4 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Anschluss der eigentliche metallische Werkstoff aufgebracht werden. Dieser Prozess findet dabei aufwendig unter Vakuum- oder unter Schutzgasbedingungen statt. Weiterhin muss dieThe actual metallic material is then applied. This process takes place under vacuum or inert gas conditions. Furthermore, the
Oberfläche des keramischen Substrats aufwendig vor derSurface of the ceramic substrate elaborately before
Aufbringung gereinigt werden, um eine geeignete Anbindung an das keramische Substrats zu ermôglichen. Die Metallisierung über PVD-Verfahren unterliegt dabei neben der Reinigung derThe metal must be cleaned before application in order to enable a suitable bond to the ceramic substrate. Metallization using PVD processes is subject to cleaning of the
Oberfläche anderen limitierenden Faktoren. Beispielsweise ist die Größe des zu beschichtenden Substrats dabei auch von derSurface other limiting factors. For example, the size of the substrate to be coated is also dependent on the
Größe der zur Verfügung stehenden Prozesskammer abhängig.Size of the available process chamber.
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.Another well-known method is aerosol jet printing (AJP). The metallic material is applied as an aerosol. The aerosol is generated in an ultrasonic or pneumatic atomizer and applied to the substrate together with a carrier gas at high pressure. The disadvantage here is that only layers in the micrometer range can be applied and layer thicknesses in the millimeter range cannot yet be produced.
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.It is therefore considered to be the object of the present invention to offer an alternative to the methods known from the prior art, which can offer significant economic and technical advantages.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem Arbeitsbereich auf der Oberfläche des keramischen oder mineralischenThe task is solved by applying in the working area on the surface of the ceramic or mineral
Substrats eine Vertiefung eingebracht wird, wobei derA depression is made in the substrate, whereby the
Materialauftrag in die Vertiefung erfolgt.Material is applied into the recess.
- 5 - PON 3345 P LU- 5 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Durch den Auftrag des metallischen Werkstoffs in dieBy applying the metallic material to the
Vertiefung kann eine zuverlässige Anhaftung des metallischenIndentation can ensure reliable adhesion of the metallic
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 derThe method according to the invention advantageously allows a geometrical freedom, which also allows 3D geometries to be coated. In addition, isolated, individual areas can be coated selectively without the need for masking or other preparatory work, as is the case with the methods from the prior art.
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. ImThe process also makes it possible to produce a firmly adhering, electrically conductive metal coating without additional flux and at high application rates on ceramic or mineral substrates.
Unterschied zu Verfahren wie PVD wird keine mit einemUnlike processes such as PVD, no
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 auchA process chamber that can be flooded with protective gas or an evacuatable process chamber is required. Application areas can include implants in medical technology as well as components in the automotive sector and in aerospace.
Schaltkarten für beispielsweise Hochleistungs-LED-Circuit boards for high-performance LED
Installationen realisiert werden. Das Verfahren kann ebenfalls im Zuge der Fertigung und Entwicklung voninstallations. The process can also be used in the production and development of
Energiespeichern eingesetzt werden.Energy storage can be used.
Der durch die hochenergetische Strahlung aufgeschmolzene metallische Werkstoff kann in flüssiger Form in dieThe metallic material melted by the high-energy radiation can be fed in liquid form into the
Vertiefung der Oberfläche des keramischen oder mineralischenDeepening of the surface of the ceramic or mineral
Substrats fließen, wobei er nach der Erstarrung durch eine mechanische Verklammerung an den Wandbereichen und demSubstrate, whereby after solidification it is mechanically clamped to the wall areas and the
Bodenbereich der Vertiefung gebunden wird und dort anhaftet.bottom area of the depression and adheres there.
Dadurch kann die Anhaftung des metallischen Werkstoffs an das keramische oder mineralische Substrats im Gegensatz zu dem direkten Aufbringen des metallischen Werkstoffs auf eineThis allows the adhesion of the metallic material to the ceramic or mineral substrate in contrast to the direct application of the metallic material to a
- 6 - PON 3345 P LU- 6 - PON 3345 P LU
LU502912 planare Oberfläche deutlich verbessert und erhôht werden.LU502912 planar surface can be significantly improved and increased.
Durch die eingebrachte Vertiefung kann ebenfalls eine stabile stoffschlüssige Verbindung des metallischen Werkstoffs an das keramische oder mineralische Substrat durchThe recess also allows a stable, material-locking connection of the metallic material to the ceramic or mineral substrate through
Diffusionsvorgänge und letztendlich durch Reaktionen auf atomarer Ebene - die zu Bindungen führen - ermöglicht werden.diffusion processes and ultimately by reactions at the atomic level - which lead to bonds.
Dabei ist es môglich, dass der metallische Werkstoff inIt is possible that the metallic material in
Anlehnung an das klassische LaserauftragsschweiBen als feinkôrniges Pulver aufgebracht wird, oder die Auftragung kann als über die Auftragsvorrichtung zugeführter oder in derBased on the classic laser deposition welding, the coating can be applied as a fine-grained powder, or the coating can be applied as a powder fed via the application device or in the
Vertiefung angeordneter Draht erfolgen, welcher durch die eingebrachte Energie aufgeschmolzen wird.A wire arranged in a recess is used, which is melted by the introduced energy.
Unter einem keramischen Substrat wird dabei ein Substrat aus einem keramischen Material verstanden. Fin keramischesA ceramic substrate is understood to be a substrate made of a ceramic material. Fin ceramic
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 elektrischeMaterial is a material which is synthesized from non-metallic inorganic substances at elevated temperatures and thereby acquires its characteristic properties such as its high melting point, its low electrical
Leitfähigkeit wie auch seine Sprödigkeit erhält. Darunter fallen beispielsweise Oxide, Nitride oder auch Silikate.conductivity as well as its brittleness. These include, for example, oxides, nitrides or silicates.
Weiterhin werden in diesem Sinne auch Glaskeramiken, die neben einer polykristallinen auch eine amorphe Phase aufweisen als Keramiken im weitesten Sinne aufgefasst.Furthermore, in this sense, glass ceramics that have an amorphous phase in addition to a polycrystalline phase are also considered ceramics in the broadest sense.
Darüber hinaus können auch Gläser eingesetzt werden.In addition, glasses can also be used.
Unter einem mineralischen Substrat werden durch geologischeUnder a mineral substrate, geological
Prozesse gebildete im allgemeinen kristalline Substanzen unterschiedlichster chemischer Zusammensetzung wie beispielsweise Granit verstanden.Processes generally refer to crystalline substances of very different chemical composition, such as granite.
- 7 - PON 3345 P LU- 7 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
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 dieIn an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the energy source is a laser device emitting a laser beam, wherein the surface is selectively removed by the laser beam directed onto the surface, so that the removed material
Vertiefung auf der Oberfläche entsteht. Die Verwendung einesA depression is created on the surface. The use of a
Laserstrahl stellt dabei eine kostengünstige wie auch effektive Möglichkeit dar die Vertiefung in der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats auszuführen. AlsLaser beam is a cost-effective and effective way to create a recess in the surface of the ceramic or mineral substrate.
Lasereinrichtung können dabei insbesondere Lasereinrichtungen mit einer hohen Leistung wie Festkörperlaser - darunterLaser devices can be particularly high-performance laser devices such as solid-state lasers - including
Dioden oder Faserlaser - aber auch klassische CO2-Laser zumDiodes or fiber lasers - but also classic CO2 lasers for
Einsatz kommen. Durch die hohe Leistung der auf dieDue to the high performance of the
Oberfläche auftreffenden Laserstrahlung können einzelneLaser radiation hitting the surface can cause individual
Schichten oder auch Partikel aus der Oberfläche gelöst und selektiv abgetragen werden. Durch den Abtrag kann dieLayers or particles are dissolved from the surface and selectively removed. The removal can
Vertiefung ausgebildet werden. Abhängig von der jeweiligen konkreten Leistung wie auch dem Querschnitt derDepending on the specific performance as well as the cross-section of the
Laserstrahlung kann die gewünschte geometrische Form derLaser radiation can create the desired geometric shape of the
Vertiefung gesteuert werden. Der Abtrag und damit dieDeepening can be controlled. The removal and thus the
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.Removing heated material from the ceramic or mineral substrate also prevents heat-induced stresses that could transfer to the ceramic or mineral substrate and damage it.
Durch die Relativbewegung des keramischen oder mineralischenDue to the relative movement of the ceramic or mineral
Substrats und der Auftragungsvorrichtung kann die Vertiefung an verschiedenen Stellen des keramischen oder mineralischenSubstrate and the application device, the depression can be placed at different locations on the ceramic or mineral
Substrats wiederholt oder auch über einen zusammenhängendensubstrate repeatedly or over a continuous
Bereich der Oberfläche durchgeführt werden. Auf diese Weise können graben- oder furchenartige Strukturen sowie jedearea of the surface. In this way, trench or furrow-like structures as well as any
- 8 - PON 3345 P LU- 8 - PON 3345 P LU
LU502912 andere geometrische Struktur auf der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats erzeugt werden.LU502912 other geometric structure can be created on the surface of the ceramic or mineral substrate.
Neben der Verwendung einer Lasereinrichtung kann dieIn addition to the use of a laser device, the
Energiequelle auch eine einen Elektronenstrahl emittierendeEnergy source also an electron beam emitting
Elektronenquelle sein. Dies kann insbesondere dann vonThis can be particularly useful if
Vorteil sein, wenn der metallische Werkstoff beispielsweise als Draht in die Vertiefung eingebracht und mittels einerIt can be advantageous if the metallic material is introduced into the recess as a wire, for example, and
Energiequelle wie einem Elektronenstrahl aufgeschmolzen wird.energy source such as an electron beam.
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 metallischeAccording to an advantageous implementation of the inventive concept, it is provided that the depression made in the surface of the ceramic or mineral substrate is a V-shaped depression with an acute angle. Preferably, the depression has a V-shaped geometry so that the melted metallic material can easily flow into the depression. After solidification, the metallic material can be flush with the surface so that a depression with a triangular cross section is created. In an alternative embodiment, the metallic
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.Material can also form a raised area on the surface, resulting in an essentially "cake-shaped" cross-section. In addition, the metallic material can only partially fill the depression after solidification.
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 anderweitigenIn addition to a V-shaped depression, the depression can also have designs that deviate from a V-shape, in particular a U-shape. Furthermore, designs of the depression with a rectangular, trapezoidal or other
- 9 - PON 3345 P LU- 9 - PON 3345 P LU
LU502912 polygonalen Querschnitt erfindungsgemäß. Die Vertiefung kann dabei auch Hinterschnitte aufweisen.LU502912 polygonal cross-section according to the invention. The recess can also have undercuts.
Dabei ermôgliche die genannten Vertiefung das hineinflieBen des aufgeschmolzenen metallischen Werkstoffs in dieThe recess mentioned above allows the molten metallic material to flow into the
Vertiefung sowie gleichzeitig eine optimierte Benetzung derdeepening and at the same time optimized wetting of the
Oberfläche durch den metallischen Werkstoff.Surface through the metallic material.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der in die Vertiefung eingebrachte und aufgeschmolzene metallische Werkstoff einen Kontaktwinkel © < 90° aufweist.Advantageously, the invention provides that the metallic material introduced into the recess and melted has a contact angle © < 90°.
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 derThe contact angle is the angle that a drop of liquid on the surface of a solid forms with respect to this surface. This angle can be determined by the
Young’schen Gleichung beschrieben werden. Im vorliegendenYoung’s equation. In the present
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.In this case, the metallic material applied and melted onto the surface of the ceramic or mineral substrate can be considered as a liquid and the ceramic or mineral substrate as a solid.
Die GrôBe des Kontaktwinkels zwischen der Flüssigkeit und demThe size of the contact angle between the liquid and the
Feststoff ist dabei eine Funktion unter anderem derSolid is a function of, among others, the
Wechselwirkung zwischen den beiden Phasen an ihrerInteraction between the two phases at their
Berührungsfläche. Dabei kann die Benetzung der Oberfläche durch den Flüssigkeitstropfen in Abhängigkeit zwischen denContact surface. The wetting of the surface by the liquid drop can be determined depending on the
Kohäsionskräften innerhalb des Tropfens und denCohesive forces within the drop and the
Adhäsionskräften des Flüssigkeitstropfens gegenüber derAdhesion forces of the liquid drop against the
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 diesurface. If the cohesive forces within the liquid drop exceed the adhesive forces between the liquid drop and the surface, the liquid drop will take the shape of a sphere and the
Oberfläche nur an einer kleinen Berührungsfläche berühren.Only touch the surface on a small contact area.
- 10 - PON 3345 P LU- 10 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Im Falle eines flüssigen Metalls auf einer keramischen oder mineralischen Substratoberfläche überwiegen dieIn the case of a liquid metal on a ceramic or mineral substrate surface, the
Kohäsionskräfte die Adhäsionskräfte bei weitem, sodass sich auf einer planaren Oberfläche eine Kugel mit einemCohesive forces far exceed adhesive forces, so that on a planar surface a sphere with a
Kontaktwinkel © > 90° aus. Dabei gilt: Je kleiner derContact angle © > 90°. The following applies: The smaller the
Kontaktwinkel ist, umso größer ist die Berihrungsfläche.The higher the contact angle, the larger the contact area.
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.In order to enable the best possible bonding and thus the largest possible contact surface of the liquid droplet to the ceramic or mineral substrate, the contact angle 6 should preferably be > 90°.
Die Vertiefung bildet eine geometrische Form auf derThe depression forms a geometric shape on the
Oberfläche des Substrats aus. Durch die erfindungsgemäßeSurface of the substrate. The inventive
Ausgestaltung dieser Vertiefung mit einer beispielsweise v- förmigen Ausgestaltung mit einem spitzen Winkel wird derDesigning this recess with, for example, a V-shaped design with an acute angle, the
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 derThe contact angle of the metallic material flowing into the cavity or melting there is reduced to below 90°, which optimizes the wettability of the cavity surface. Thus, by artificially reducing the contact angle through the geometric design of the
Vertiefung eine optimale Anbindung des metallischenDeepening an optimal connection of the metallic
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.material to the ceramic or mineral substrate. As already mentioned, the recess can also have other designs other than a V-shape, as long as the selected design creates a suitable angle between the opposing surfaces in an upper area of the groove.
Der geringe Kontaktwinkel und damit die möglichst großflächige Anbindung der zwei Phasen bleibt dabei auch nachThe low contact angle and thus the largest possible bond between the two phases remains even after
- 11 - PON 3345 P LU- 11 - PON 3345 P LU
LU502912 dem Aushärten des metallischen Werkstoffs erhalten, wodurch eine durchgehende Anbindung môglichst ohne Blasen oderLU502912 the hardening of the metallic material, which ensures a continuous connection without bubbles or
Hohlräume erreicht werden kann.cavities can be reached.
Es ist auch möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass einIt is also possible and provided according to the invention that a
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 mineralischenAn adhesion promoter is used to improve the adhesion between the applied metallic material and the ceramic or mineral substrate. The adhesion promoter can be, for example, a metal or a metal alloy that is applied directly to the surface of the ceramic or mineral
Substrats aufgebracht wird. Vorzugsweise ist sie in ihrenSubstrate. Preferably, it is in its
Eigenschaften so ausgewählt, dass sie zum einen eine optimaleProperties selected so that they provide optimal
Anbindung an das keramische oder mineralische Substrat und zum anderen an den auf dem Haftvermittler aufgebrachten metallischen Werkstoff aufweist. Auf diese Weise kann diebonding to the ceramic or mineral substrate and to the metallic material applied to the bonding agent. In this way, the
Anbindung des metallischen Werkstoffs an das keramische oder mineralische Substrat verbessert werden. Der Auftrag desBonding of the metallic material to the ceramic or mineral substrate can be improved. The application of the
Haftvermittlers erfolgt dabei ebenfalls in die Vertiefung.The adhesion promoter is also applied to the recess.
Dafür weist der Haftvermittler vorzugsweise einen geringenFor this purpose, the adhesion promoter preferably has a low
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.contact angle so that an optimal connection can be achieved. In the case of metallic adhesion promoters, the bond between the adhesion promoter and the metallic material applied to it can also be strengthened by a positive connection in the form of a metallic bond and in particular by the formation of an alloy at the interface between the two metals.
Der Haftvermittler kann auch zur Begünstigung desThe bonding agent can also be used to promote the
Anbindungsprozesses an den geringenConnection process to the low
Wärmeausdehnungskoeffizienten des keramischen oder mineralischen Substrats angepasst werden. Dafür könnenThermal expansion coefficient of the ceramic or mineral substrate.
- 12 = PON 3345 P LU- 12 = PON 3345 P LU
LU502912 duktile Legierungselemente verwendet werden, die die thermisch induzierten Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten in derLU502912 ductile alloying elements are used to reduce the thermally induced stresses due to the different thermal expansion coefficients in the
Grenzschicht kompensieren können.boundary layer can compensate.
Als Haftvermittler kann beispielsweise Kupfer oder Titan eingesetzt werden.Copper or titanium, for example, can be used as an adhesion promoter.
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 dasPreferably, the removal of a region of the surface by the laser beam and the application of the metallic material are carried out simultaneously. This makes it possible to carry out the process chain for the
Aufbringen des metallischen Werkstoffs - gegebenenfalls das vorherige Aufbringen des Haftvermittlers - in einem einzigenApplication of the metallic material - if necessary, prior application of the adhesion promoter - in a single
Prozessschritt durchgeführt wird. Dazu kann in Anlehnung an das Laserauftragsschweißen ein Gemisch aus einem inertenprocess step is carried out. For this purpose, in accordance with laser cladding, a mixture of an inert
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 derCarrier gas and a fine-grained metallic material. The metallic material melted by the laser radiation, for example, can also be melted by the laser beam or the heat of the ceramic or mineral substrate and before the
Erstarrung in die Vertiefung fließen.Solidification flows into the depression.
Des Weiteren ist es möglich und erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Herstellung der Vertiefung in einem separatenFurthermore, it is possible and provided according to the invention that the production of the recess takes place in a separate
Schritt vor dem Auftrag des metallischen Werkstoffs erfolgt.Step before the application of the metallic material.
Dazu kann zum einen die Vertiefung in einem separatenFor this purpose, the deepening in a separate
Prozessschritt mittels der auf die Oberfläche gerichtetenProcess step using the surface-directed
Laserstrahlung herausgearbeitet werden, während in einem zweiten nachfolgenden Prozessschritt der metallischeLaser radiation, while in a second subsequent process step the metallic
Werkstoff in die Vertiefung eingebracht und aufgeschmolzen wird. Dazu kann für die Erstellung der Vertiefung eineMaterial is introduced into the recess and melted. For this purpose, a
- 13 - PON 3345 P LU- 13 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Vorrichtung mit einer Lasereinrichtung verwendet werden, oder die Erstellung erfolgt mittels der AuftragungsvorrichtungDevice with a laser device can be used, or the creation is done by means of the application device
Die Vertiefung kann weiterhin auch durch ein Atzverfahren mit einer ätzenden Verbindung oder durch anderweitige mechanischeThe recess can also be created by an etching process with an etching compound or by other mechanical
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.Furthermore, the ceramic or mineral substrate can be provided with the desired recesses during production, for example by using suitable molds.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass durch den Laserstrahl ein Arbeitsbereich zwischen 0,2 und 3 mm erzeugt wird. Dadurch lassen sichIn an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the laser beam generates a working area between 0.2 and 3 mm. This allows
Vertiefungen mit einem Auftrag von metallischen Strukturen in einem großen Bereich ausbilden. Die Abmessungen derForm depressions with a deposit of metallic structures in a large area. The dimensions of the
Vertiefung werden dabei im Wesentlichen von der Fläche desThe deepening is essentially determined by the area of the
Arbeitsbereichs und damit von dem Querschnitt desworking area and thus the cross-section of the
Laserstrahls sowie der Leistung des Laserstrahls bestimmt.Laser beam and the power of the laser beam.
In einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass eine Auftragungseinrichtung mit einerIn an advantageous implementation of the inventive concept, it is provided that an application device with a
Pulverdüse zur Erzeugung eines koaxialen kontinuierlichenPowder nozzle for generating a coaxial continuous
Pulvergasstrahls verwendet wird. Die Pulverdüse kann dabei über einen umlaufenden Ringspalt verfügen, welcher den emittierten Laserstrahl umgibt, oder es können auchThe powder nozzle can have a circumferential annular gap that surrounds the emitted laser beam, or it can also have
Mehrstrahldüsen verwendet werden, die über mehrere diskreteMulti-jet nozzles are used, which have several discrete
Pulverdüsen verfügen, welche so angeordnet sind, dass sich das injizierte Metallpulver in einem gemeinsamen Fokus trifft.Powder nozzles that are arranged so that the injected metal powder meets in a common focus.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als keramisches Substrats ein Metalloxid und/oder ein NitridAdvantageously, the invention provides that a metal oxide and/or a nitride is used as the ceramic substrate
- 14 - PON 3345 P LU- 14 - PON 3345 P LU
LU502912 und/oder ein Silikat verwendet wird. Vorzugsweise kann als keramisches Substrat Aluminiumoxid Al:03 Verwendung finden.LU502912 and/or a silicate is used. Preferably, aluminum oxide Al:03 can be used as the ceramic substrate.
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass als metallischer Werkstoff Kupfer und/oder Titan und/oder Aluminium und/oder Vanadium und/oder Silber und/oderAdvantageously, the invention optionally provides that the metallic material used is copper and/or titanium and/or aluminium and/or vanadium and/or silver and/or
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.Iron and/or gold and/or an alloy thereof is used. Titanium or a titanium alloy such as Ti-6A1-4V can preferably be used as the metallic material.
Weitere vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens zumFurther advantageous embodiments of the method for
Abscheiden eines metallischen Werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einerDeposition of a metallic material on a ceramic or mineral substrate with a
Auftragungsvorrichtung werden an Hand der nachfolgendenApplication device are based on the following
Zeichnung verdeutlicht. Es zeigt:Drawing illustrates this. It shows:
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,Figure 1 shows a method according to the invention for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device, wherein a laser beam is directed onto the surface of the ceramic or mineral substrate,
Figur 2 das Verfahren aus Figur 1, wobei die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats selektiv abgetragen wird, sodass eine Vertiefung entsteht,Figure 2 shows the process of Figure 1, wherein the surface of the ceramic or mineral substrate is selectively removed to form a depression,
Figur 3 das Verfahren aus Schritt 2, wobei in die entstandeneFigure 3 shows the process from step 2, where the resulting
Vertiefung ein metallischer Werkstoff aufgetragen wird,A metallic material is applied to the depression,
Figur 4 einen Vergleich eines Kontaktwinkels zwischen einemFigure 4 shows a comparison of a contact angle between a
Flüssigkeitstropfen auf einer planaren Fläche sowie einemLiquid drops on a planar surface and a
Flüssigkeitstropfen in der Vertiefung,Drops of liquid in the depression,
- 15 - PON 3345 P LU- 15 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Figur 5 eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellteFigure 5 shows a
Schaltkarte mit aufgebrachten Leiterbahnen aus dem metallischen Werkstoff, undCircuit board with applied conductor tracks made of the metallic material, and
Figur 6 eine Schnittzeichnung entlang der Schnittlinie VI-VI aus Figur 5.Figure 6 is a sectional drawing along section line VI-VI of Figure 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.Figures 1 to 3 schematically show a variant of the method according to the invention for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device.
Figur 1 zeigt eine Auftragungsvorrichtung 1 mit einerFigure 1 shows an application device 1 with a
Energiequelle 2 in Ausgestaltung einer Lasereinrichtung 3.Energy source 2 in the form of a laser device 3.
Mit Hilfe der Lasereinrichtung 3 wird ein Laserstrahl 4 auf die Oberfläche 5 eines keramischen oder mineralischenWith the help of the laser device 3, a laser beam 4 is directed onto the surface 5 of a ceramic or mineral
Substrats 6 in Form einer Platte emittiert. Dabei definiert der auf die Oberfläche 5 gerichtete Laserstrahl 4 auf dersubstrate 6 in the form of a plate. The laser beam 4 directed onto the surface 5 defines on the
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 einesSurface a working area 7. The application device 1 further comprises a powder nozzle 8 arranged on the application device 1, with which a continuous powder gas jet 9 of a carrier gas and a finely distributed metallic material is sprayed along a
Pulvergaswegs 10 auf die Oberfläche 5 des keramischen oder mineralischen Substrats 6 im Bereich des Arbeitsbereichs 7 geleitet wird. Der auf die Oberfläche 5 gerichtetePowder gas path 10 is directed onto the surface 5 of the ceramic or mineral substrate 6 in the area of the working area 7. The powder gas directed onto the surface 5
Laserstrahl 4 erwärmt dabei das keramischen oder mineralischeLaser beam 4 heats the ceramic or mineral
Substrats 6 innerhalb eines Wirkbereichs 11.Substrate 6 within an effective range 11.
- 16 - PON 3345 P LU- 16 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Durch die hohe Leistungsdichte des Laserstrahls 4 wird in demDue to the high power density of the laser beam 4, the
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 dieWorking area 7, the surface 5 of the ceramic or mineral substrate 6 in this area is removed piece by piece and removed from the surface 5. By the
Entfernung des Materials 12 kann eine durch dieRemoval of the material 12 may cause a
Hitzeeinwirkung verursachte Rissbildung, die zum Versagen des keramischen oder mineralischen Substrats 6 führen könnte verhindert. Durch das Herauslösen des Materials 12 wird eineCracking caused by heat, which could lead to failure of the ceramic or mineral substrate 6, is prevented. By dissolving the material 12, a
Vertiefung 13 auf der Oberfläche 5 des keramischen oder mineralischen Substrats 6 herausgearbeitet. Die Figur 2 zeigt den Verfahrensschritt der Bildung der Vertiefung 13.Recess 13 is worked out on the surface 5 of the ceramic or mineral substrate 6. Figure 2 shows the process step of forming the recess 13.
Durch die Pulverdüse 8 in die Vertiefung 13 eingeleiteter metallischer Werkstoff 14 wird durch die einfallendeMetallic material 14 introduced into the recess 13 through the powder nozzle 8 is
Laserstrahlung 4 aufgeschmolzen und fließt in die Vertiefung 13 hinein, erstarrt dort und bildet in der Vertiefung 13 einen Materialauftrag aus. Dieser Verfahrensschritt ist inLaser radiation 4 melts and flows into the recess 13, solidifies there and forms a material deposit in the recess 13. This process step is described in
Figur 3 dargestellt.Figure 3 shows this.
In der Figur 4 ist der Vorteil des erfindungsgemäßenFigure 4 shows the advantage of the inventive
Verfahrens an Hand einer schematischen Ansicht dargestellt.The process is illustrated using a schematic view.
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 denOn the left side, the application of a molten metallic material 14 as a liquid drop on a planar ceramic or mineral substrate 6 is shown. The wetting of the surface 5 by the
Flüssigkeitstropfen ist dabei abhängig von denLiquid drop depends on the
Kohäsionskräften innerhalb des Flüssigkeitstropfens und denCohesive forces within the liquid drop and the
Adhäsionskräften des Flüssigkeitstropfens gegenüber derAdhesion forces of the liquid drop against the
Oberfläche. Überwiegen wie im Falle eines metallischenSurface. As in the case of a metallic
Werkstoffs 14 die Kohäsionskräfte innerhalb desMaterial 14 the cohesive forces within the
Flüssigkeitstropfens die Adhäsionskräfte so wird derLiquid drop the adhesion forces so the
Flüssigkeitstropfen die Form einer Kugel annehmen und dieLiquid drops take the shape of a sphere and the
- 17 - PON 3345 P LU- 17 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
Oberfläche nur an einem geringer Berührungsfläche 15 berühren. In diesem Falle ist der Kontaktwinkel 6 16 - derSurface only touch at a small contact area 15. In this case the contact angle 6 16 - the
Winkel den ein Flüssigkeitstropfen auf der Oberfläche einesAngle that a drop of liquid forms on the surface of a
Feststoffs zu der Oberfläche bildet - größer als 90 °.solid to the surface - greater than 90 °.
Durch die v-fôrmige Geometrie der Vertiefung 13 mit einem spitzen Winkel hingegen ist der Kontaktwinkel 6 16 einesDue to the v-shaped geometry of the recess 13 with an acute angle, the contact angle 6 16 of a
Flüssigkeitstropfens in der Vertiefung 14 stets kleiner als 90 °C, wodurch eine vollständige Benetzung der Seitenbereiche und des Bodenbereichs der Vertiefung 13 erreicht wird. Derof the liquid drop in the depression 14 is always less than 90 °C, whereby complete wetting of the side areas and the bottom area of the depression 13 is achieved. The
Kontaktwinkel © 16 eines Flüssigkeitstropfens in der erfindungsgemäfen Vertiefung ist in Figur 3 auf der rechtenContact angle © 16 of a liquid drop in the depression according to the invention is shown in Figure 3 on the right
Seite dargestellt.page shown.
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 eineFigure 5 shows a circuit board 17 produced by the method according to the invention with applied conductor tracks 18 made of the metallic material 14, while Figure 6 shows a
Schnittzeichnung der Schaltkarte 17 entlang der SchnittlinieSectional drawing of circuit board 17 along the cutting line
VI-VI aus Figur 5 dargestellt ist. Dabei sind die v-fôrmigenVI-VI from Figure 5. The v-shaped
Vertiefungen 13 zu erkennen.Depressions 13 can be seen.
- 18 - PON 3345 P LU- 18 - PON 3345 P LU
LU502912LU502912
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 derREFERENCE SYMBOLS TTI® STE 1 Application device 2 Energy source 3 Laser device 4 Laser beam 5 Surface of the ceramic or mineral substrate 6 Ceramic or mineral substrate 7 Working area 8 Powder nozzle 9 Powder gas jet 11 Powder gas path 11 Effective area 12 Material removed from the surface 13 Recess 14 Metallic material 15 Contact surface between metallic material and the
Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats 16 Kontaktwinkel 17 Schaltkarte 18 LeiterbahnSurface of the ceramic or mineral substrate 16 Contact angle 17 Circuit board 18 Conductor track
Claims (11)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
LU502912A LU502912B1 (en) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | Method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device |
PCT/EP2023/071085 WO2024083375A1 (en) | 2022-10-17 | 2023-07-28 | Method for depositing a metal material on a ceramic or mineral substrate using an application device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
LU502912A LU502912B1 (en) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | Method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
LU502912B1 true LU502912B1 (en) | 2024-04-18 |
Family
ID=84604054
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
LU502912A LU502912B1 (en) | 2022-10-17 | 2022-10-17 | Method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
LU (1) | LU502912B1 (en) |
WO (1) | WO2024083375A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
-
2022
- 2022-10-17 LU LU502912A patent/LU502912B1/en active IP Right Grant
-
2023
- 2023-07-28 WO PCT/EP2023/071085 patent/WO2024083375A1/en unknown
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
ROHDE MAGNUS ET AL: "Laser alloying and cladding of glass-ceramic surfaces using nano-scaled metal-oxide powders", LASER-BASED MICRO- AND NANOPACKAGING AND ASSEMBLY II, vol. 6880, 7 February 2008 (2008-02-07), pages 688004-1 - 688004-8, XP093039355, ISSN: 0277-786X, DOI: 10.1117/12.763076 * |
SCHRECK SABINE ET AL: "Local modification of ceramic surfaces by a laser induced cladding process", LASER-BASED MICRO- AND NANOPACKAGING AND ASSEMBLY II, vol. 7202, 12 February 2009 (2009-02-12), pages 72020A1 - 72020A12, XP093039472, ISSN: 0277-786X, DOI: 10.1117/12.810701 * |
TRIANTAFYLLIDIS D ET AL: "Laser cladding of high performance ceramic sheets on a low quality ceramic substrate", THIN SOLID FILMS, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 453-454, April 2004 (2004-04-01), pages 80 - 83, XP004495202, ISSN: 0040-6090, DOI: 10.1016/J.TSF.2003.11.080 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2024083375A1 (en) | 2024-04-25 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE19740205B4 (en) | Process for applying a coating by means of plasma spraying | |
EP2704863B1 (en) | Method for producing a component | |
EP0733129B1 (en) | Process for producing and adhesive bond between copper layers and ceramics | |
DE102006004769B4 (en) | Surface conditioning for thermal spray coatings | |
DE2740569B2 (en) | Process for alloying selected partial areas of the surfaces of objects made of non-allotropic metallic materials | |
EP3356078A1 (en) | Method for the production of a metal-ceramic substrate using a pico-laser | |
DE102006044612A1 (en) | Method for cold gas spraying | |
DE3836585A1 (en) | Process for the treatment and cleaning of a surface, intended for a firm metallurgical bond, of a metallurgical workpiece | |
DE3224305A1 (en) | METHOD FOR PRODUCING A TENSION-FREE SENSITIVE CERAMIC THERMAL BARRIER LAYER ON A METAL SUBSTRATE | |
LU502912B1 (en) | Method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device | |
DE102006027085B3 (en) | Procedure for connecting components from same/different materials, comprises bringing recess into the component, injecting finely-grained powdered weld filler into highly accelerated cold gas jet and filling the recess with the weld filler | |
DE102006023398B4 (en) | Crankshaft main bearing of large engines and process for its production | |
EP3250731B1 (en) | Laser coating process and device therefor | |
DE19520149B4 (en) | Apparatus for manufacturing, method for producing and using a coating on a component | |
DE102018113643A1 (en) | Device for coating a surface | |
CH682307A5 (en) | ||
DE3438634C2 (en) | ||
CN115233144A (en) | Mechanical laser interactive polishing strengthening method for spraying-state ceramic coating | |
EP2025209B1 (en) | Method for manufacturing a circuit carrier | |
WO2009068222A1 (en) | Mirror for laser treatment | |
EP0664349B1 (en) | Process for coating copper-based materials | |
CN114083133B (en) | Metal member and method for manufacturing metal member | |
EP0345257A1 (en) | Process for manufacturing and/or redimensioning components, and component thus produced | |
DE102020206009A1 (en) | Process for creating a material bond in composite casting | |
DE4103981A1 (en) | Hybrid vacuum deposition - uses ions of one component and droplets of another to give thick layer on rough surfaces |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
FG | Patent granted |
Effective date: 20240418 |