WO2024083375A1 - Verfahren zum abscheiden eines metallischen werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen substrat mit einer auftragungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren zum abscheiden eines metallischen werkstoffs auf einem keramischen oder mineralischen substrat mit einer auftragungsvorrichtung Download PDF

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WO2024083375A1
WO2024083375A1 PCT/EP2023/071085 EP2023071085W WO2024083375A1 WO 2024083375 A1 WO2024083375 A1 WO 2024083375A1 EP 2023071085 W EP2023071085 W EP 2023071085W WO 2024083375 A1 WO2024083375 A1 WO 2024083375A1
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ceramic
metallic material
mineral substrate
substrate
depression
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PCT/EP2023/071085
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Tobias STITTGEN
Thomas HORR
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Ponticon Gmbh
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    • C04B41/0036—Laser treatment
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for depositing a metallic material on a ceramic or mineral substrate using an application device, wherein a high-energy beam is directed onto a surface of the ceramic or mineral substrate from an energy source arranged on the application device, wherein the metallic material is applied to an area of the surface of the ceramic or mineral substrate with the aid of the application device, 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 working area on the surface can be changed by a relative displacement of the surface of the ceramic or mineral substrate and the energy source. .
  • laser cladding is a method for machining workpieces. established process.
  • an application device with a laser device is used.
  • the surface of the metal 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 to the local melt thus created.
  • the feed takes place by transport using an inert carrier gas.
  • the metal powder fed to the local melt in this way is also melted by the laser beam or the heat of the existing melt of the substrate.
  • a material-locking connection is created between the metallic material and the metal substrate. This process can be repeated by a relative movement of the metal substrate and/or the application device at different points on the metal substrate or also carried out over a continuous area of the surface.
  • this conventional method has disadvantages when applying 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. materials. This means that the evaporation of the applied metallic material would prevent any material from being applied. Furthermore, ceramics and metallic materials have different coefficients of expansion, which for ceramics are in the range of 4 to 13 10 -6 K -1 and for metallic materials between 1 and 30 10 -6 K -1 .
  • PVD physical vapor deposition
  • aerosol jet printing As an aerosol, 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 so far no layer thicknesses in the millimeter range can be produced.
  • the problem is solved by creating a depression in the working area on the surface of the ceramic or mineral substrate, whereby the material is applied into the depression.
  • the method according to the invention advantageously allows geometric freedom, which also allows 3D geometries to be coated.
  • isolated, individual areas can be coated selectively without the need for masking or other preparatory work, as is known in the prior art methods.
  • the method also makes it possible to produce a firmly adhering, electrically conductive metal coating on ceramic or mineral substrates without additional flux and at high application rates.
  • no process chamber that can be flooded with a protective gas or evacuated is required. Areas of application can include implants in medical technology, as well as components in the automotive sector and in aerospace.
  • circuit boards for high-performance LED installations, for example can also be created.
  • the method can also be used in the production and development of energy storage devices.
  • the depression can be created, for example, by removing substrate material from the surface of the substrate.
  • the depression is advantageously an area of the substrate whose surface is concave and, for example, forms an elongated channel or is designed in the shape of a spherical cap.
  • the shape of the depression can advantageously be designed in very different ways, does not have to be symmetrical and can be in different directions over the surface. and also have different cross-sectional areas.
  • the recess can advantageously also reach to the edge of the substrate, so that the recess extends over a side edge of the substrate.
  • the metallic material melted by the high-energy radiation can flow in liquid form into the recess in the surface of the ceramic or mineral substrate, where after solidification it is bound by mechanical clamping to the wall areas and the bottom area of the recess and adheres there. In this way, the adhesion of the metallic material to the ceramic or mineral substrate can be significantly improved and increased, in contrast to the direct application of the metallic material to a planar surface.
  • the recess also enables a stable, material-locking connection between the metallic material and the ceramic or mineral substrate through diffusion processes and ultimately through reactions at the atomic level - which lead to bonds.
  • the metallic material prefferably be applied as a fine-grained powder in the manner of classical laser deposition welding, or the application can be carried out as a wire fed via the application device or arranged in the recess, which is melted by the introduced energy.
  • a ceramic substrate is understood to be a substrate made of a ceramic material.
  • a ceramic material is a material that 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 conductivity and its brittleness. These include, for example, oxides, nitrides and silicates.
  • glass ceramics which have an amorphous phase in addition to a polycrystalline phase, are also considered ceramics in the broadest sense. Glasses can also be used.
  • a mineral substrate is understood to be a crystalline substance of varying chemical composition, such as granite, formed by geological processes.
  • the invention provides that the material deposit is formed exclusively from the metallic material.
  • the desired material properties of the material deposit can be specified by a suitable choice of the metallic material.
  • the substrate is therefore not melted or at most only melted on the surface when the metallic material is heated, so that no homogeneous melt is formed between the metallic material and the substrate.
  • the energy source is a laser device emitting a laser beam, wherein the surface is selectively removed by the laser beam directed at the surface, so that the recess on the surface is created by the removed material.
  • a laser beam represents a cost-effective and effective way of creating the recess in the surface. of the ceramic or mineral substrate.
  • Laser devices that can be used in particular are high-power lasers such as solid-state lasers - including diodes or fiber lasers - but also classic CO2 lasers.
  • the high power of the laser radiation hitting the surface means that individual layers or particles can be released from the surface and selectively removed.
  • the removal can create a depression.
  • the desired geometric shape of the depression can be controlled depending on the specific power and cross-section of the laser radiation.
  • the removal and thus the removal of heated material from the ceramic or mineral substrate also prevents heat-induced stress that could transfer to the ceramic or mineral substrate and damage it.
  • the depression can be repeated at different points on the ceramic or mineral substrate or even over a continuous area of the surface. In this way, trench-like or furrow-like structures as well as any other geometric structure can be created on the surface of the ceramic or mineral substrate.
  • the energy source can also be an electron source emitting an electron beam.
  • the metallic material for example, as a wire is introduced into the recess and melted by means of an energy source such as an electron beam.
  • the depression made in the surface of the ceramic or mineral substrate is a V-shaped depression with an acute angle.
  • the depression preferably has a V-shaped geometry so that the molten metallic material can flow into the depression in a simple manner. After solidification, the metallic material can be flush with the surface so that a depression with a triangular cross-section is created.
  • the metallic material can also form a raised area on the surface, resulting in an essentially "cake-shaped" cross-section.
  • the metallic material can only partially fill the depression after solidification.
  • the depression can also have designs that deviate from a V-shape and in particular a U-shaped shape. Furthermore, designs of the depression with a rectangular, trapezoidal or other polygonal cross-section are also according to the invention.
  • the depression can also have undercuts.
  • the invention provides that the metallic material introduced into the recess and melted thereon has a contact angle of 0 ⁇ 90°.
  • the contact angle refers to the angle that a drop of liquid on the surface of a solid forms with respect to this surface. This angle can be described by Young's equation.
  • the metallic material applied to the surface of the ceramic or mineral substrate and melted thereon can be regarded as a liquid and the ceramic or mineral substrate as a solid.
  • the size of the contact angle between the liquid and the solid is a function of, among other things, the interaction between the two phases at their contact surface.
  • the wetting of the surface by the liquid drop can be described as a function of the cohesive forces within the drop and the adhesive forces of the liquid drop with respect to the surface. If the cohesive forces within the liquid drop outweigh the adhesive forces between the liquid drop and the surface, the liquid drop will take on the shape of a sphere and will only touch the surface at a small contact surface.
  • the cohesive forces far outweigh the adhesive forces, so that a sphere with a contact angle 0 > 90 ° forms on a planar surface.
  • the contact angle should preferably be 0 > 90 °.
  • the depression forms a geometric shape on the surface of the substrate.
  • this depression for example with a V-shaped design with an acute angle, the contact angle of the metallic material flowing into the depression or melting there is reduced to below 90°, thereby optimising the wettability of the surface of the depression.
  • the depression can also have designs other than a V-shape, as long as the selected design creates a suitable angle between the opposing surfaces in an upper region of the groove.
  • an adhesion promoter is used to improve the adhesion between the applied metallic material and the ceramic or mineral substrate.
  • An adhesion promoter can for example, a metal or a metal alloy that is applied directly to the surface of the ceramic or mineral substrate. Its properties are preferably selected so that it has an optimal bond to the ceramic or mineral substrate and to the metallic material applied to the bonding agent. In this way, the bond between the metallic material and the ceramic or mineral substrate can be improved.
  • the bonding agent is also applied to the recess.
  • the adhesion promoter preferably has a small contact angle so that an optimal bond can be achieved.
  • 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.
  • the bonding agent can also be adapted to the low coefficient of thermal expansion of the ceramic or mineral substrate to facilitate the bonding process.
  • Ductile alloying elements can be used for this purpose, which can compensate for the thermally induced stresses due to the different coefficients of thermal expansion in the interface.
  • Copper or titanium can be used as an adhesion promoter.
  • the removal of an area of the surface by the laser beam and the application of the metallic material are carried out at the same time.
  • a mixture of an inert carrier gas and a fine-grained metallic material can be fed in, similar to laser cladding.
  • the metallic material melted by, for example, the laser radiation can thus also be melted by the laser beam or the heat of the ceramic or mineral substrate and flow into the recess before solidification.
  • the production of the depression takes place in a separate step before the application of the metallic material.
  • the depression can be worked out in a separate process step using the laser radiation directed at the surface, while in a second subsequent process step the metallic material is introduced into the depression and melted.
  • a device with a laser device can be used to create the depression, or the creation takes place using the application device.
  • the recess can also be produced by an etching process with an etching compound or by other mechanical processes.
  • the ceramic or mineral substrate can also be For example, by using suitable moulds, the desired recesses can be created.
  • a working area of between 0.2 and 3 mm is generated by the laser beam. This allows depressions to be formed with a deposit of metallic structures over a large area. The dimensions of the depression are essentially determined by the area of the working area and thus by the cross-section of the laser beam and the power of the laser beam.
  • an application device with a powder nozzle is used to generate a coaxial continuous powder gas jet.
  • the powder nozzle can have a circumferential annular gap which surrounds the emitted laser beam, or multi-jet nozzles can also be used which have several discrete powder nozzles which are arranged in such a way that the injected metal powder meets in a common focus.
  • the invention provides that a metal oxide and/or a nitride and/or a silicate is used as the ceramic substrate.
  • a metal oxide and/or a nitride and/or a silicate is used as the ceramic substrate.
  • aluminum oxide AI2O3 can be used as the ceramic substrate.
  • the invention optionally provides that copper and/or titanium and/or aluminum and/or vanadium and/or silver and/or iron and/or gold and/or an alloy thereof is used as the metallic material.
  • the preferred metallic material is titanium or a titanium alloy such as T1-6A1-4V.
  • the invention provides that the metallic material is electrically conductive and that the material deposit is electrically conductive, wherein an electrical resistance of the material deposit corresponds to an electrical resistance of the metallic material.
  • highly conductive conductor tracks can be applied to the non-conductive substrate.
  • the invention provides that the ceramic or mineral substrate is electrically non-conductive.
  • circuit arrangements made of the metallic material can be arranged on the substrate, which are electrically insulated from one another by the substrate.
  • 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
  • Figure 2 shows the process of Figure 1, wherein the surface of the ceramic or mineral substrate is selectively removed so that a depression is formed
  • Figure 3 shows the process from step 2, whereby a metallic material is applied to the resulting depression
  • Figure 4 shows a comparison of a contact angle between a liquid drop on a planar surface and a liquid drop in the depression
  • Figure 5 shows a circuit board produced by the method according to the invention with applied conductor tracks made of the metallic material
  • Figure 6 is a sectional drawing along the section line VI-VI of Figure 5 .
  • 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.
  • Figure 1 shows an application device 1 with an energy source 2 in the form of a laser device 3.
  • a laser beam 4 is emitted onto the surface 5 of a ceramic or mineral substrate 6 in the form of a plate.
  • the laser beam 4 directed onto the surface 5 defines on the
  • the application device 1 further comprises a arranged powder nozzle 8, with which a continuous powder gas jet 9 of a carrier gas and a finely distributed metallic material is guided along a powder gas path 10 onto the surface 5 of the ceramic or mineral substrate 6 in the region of the working area 7.
  • the laser beam 4 directed onto the surface 5 heats the ceramic or mineral substrate 6 within an effective range 11.
  • FIG 4 the advantage of the method according to the invention is shown using a schematic view.
  • the wetting of the surface 5 by the liquid drop is dependent on the cohesive forces within the liquid drop and the adhesive forces of the liquid drop with respect to the surface. If, as in the case of a metallic material 14, the cohesive forces within the liquid drop outweigh the adhesive forces, the liquid drop will assume the shape of a sphere and will only touch the surface at a small contact area 15.
  • the contact angle 0 16 - the angle that a liquid drop on the surface of a solid forms with respect to the surface - is greater than 90 °.
  • the contact angle 0 16 of a 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 contact angle 0 16 of a liquid drop in the depression according to the invention is shown on the right-hand side in Figure 3.
  • Figure 5 shows a circuit board 17 produced using the method according to the invention with applied conductor tracks 18 made of the metallic material 14, while Figure 6 shows a sectional drawing of the circuit board 17 along the section line VI-VI from Figure 5.
  • the V-shaped recesses 13 can be seen here. LIST OF REFERENCE SYMBOLS

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

Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstof fs auf einem keramischen oder mineralischen Substrat mit einer Auf tragungs Vorrichtung
Die Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Abscheiden eines metallischen Werkstof fs 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 Hil fe der Auftragungsvorrichtung der metallische Werkstof f auf einen Bereich der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats aufgebracht wird, wobei der metallische Werkstof f zumindest anteilsweise mit dem hochenergetischen Strahl auf geschmol zen wird, sodass sich nach dem Erstarren des metallischen Werkstof fs der metallische Werkstof f als Materialauftrag auf der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats abscheidet , wobei der auf die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats auftref fende 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 Werkstof fs auf die Oberfläche eines Metallsubstrats ist das Laserauftragsschweißen zur Bearbeitung von Werkstücken ein etabliertes Verfahren . Bei dem herkömmlich 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 Auftref fens auf geschmol zen . Der so entstandenen lokalen Schmel ze wird ein feinkörniger metallischen Werkstof f zugeführt . Die Zuführung erfolgt durch den Transport mittels eines inerten Trägergases . Das der lokalen Schmel ze so zugeführte Metallpulver wird ebenfalls durch den Laserstrahl bzw . die Wärme der vorhandenen Schmel ze des Substrats auf geschmol zen . Nach dem Erstarren des auf geschmol zenen metallischen Werkstof fs entsteht zwischen dem metallischen Werkstof f und dem Metallsubstrat eine stof f schlüssige 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 j edoch Nachteile bei dem Auftrag eines metallischen Werkstof fs 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 heraus fordernd beispielsweise eine Verbindung zwischen Metall und Keramik mittels eines Laserstrahls herzustellen . Durch die allgemein hohen Schmel zpunkte der Keramiken, die gerne in einem Bereich zwischen 2000 und 3000 ° C liegen können ist ein Aufschmel zen aufwendig, insbesondere da die erforderlichen Temperaturen teilweise über dem Siedepunkt der verwendeten metallischen Werkstof fe liegen . Somit wäre durch das Verdampfen des aufgebrachten metallischen Werkstof fs kein Materialauftrag möglich . Weiterhin besitzen Keramiken und metallische Werkstof fe unterschiedliche Ausdehnungskoef fi zienten, welche für Keramiken im Bereich von 4 bis 13 10-6K-1 und für metallische Werkstof fe zwischen 1 und 30 10-6K-1 liegen . Daraus resultiert bei einem Aufhei zen durch die Sprödbruchneigung der Keramik die Problematik von Riss- und Bruchbildung in dem keramischen Substrat , insbesondere bei schnellen Aufhei z- und Abkühlvorgängen, wie sie bei der Verwendung von Laserstrahlung gegeben sind . Infolge der großen und schnellen induzierten Wärme und der geringen Wärmeleitfähigkeit der Keramik entstehen Spannungen in der Keramik . Da Keramik auch bei höheren Temperaturen nur eine sehr geringe Verformbarkeit aufweist , kann es diese thermischen Spannungen, anders als metallische Werkstof fe , schwierig abbauen . Übersteigen diese Spannungen die Werkstof fhärte , führen sie zum Bruch . Diese Ef fekte führen dabei zum Versagen des Bauteils und sind irreparabel . Eine weitere Problemstellung liegt in der schlechten Benetzbarkeit des der Keramik mit auf geschmol zenen Metallen durch den sogenannten „Balling-Ef f ekt" .
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren bekannt , um die genannten Problemstellungen überwinden zu können . 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 Anschluss der eigentliche metallische Werkstof f aufgebracht werden . Dieser Prozess findet dabei aufwendig unter Vakuumoder 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 ermöglichen . Die Metallisierung über PVD-Verf ahren 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 Werkstof fs 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 . Durch den Auftrag des metallischen Werkstof fs in die Vertiefung kann eine zuverlässige Anhaftung des metallischen Werkstof fs 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 DVD wird keine mit einem Schutzgas flutbare oder eine evakuierbare Prozesskammer benötigt . Anwendungsgebiete können beispielsweise Implantate in der Medi zintechnik 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 .
Die Vertiefung kann beispielsweise durch das Abtragen von Substratmaterial von der Oberfläche des Substrats erfolgen . Bei der Vertiefung handelt es sich vorteilhafterweise um einen Bereich des Substrats , dessen Oberfläche konkav geformt ist und beispielsweise einen langgezogenen Kanal bildet oder kugelkalottenförmig ausgestaltet ist . Die Formgebung der Vertiefung kann vorteilhafterweise ganz unterschiedlich ausgestaltet sein, muss nicht symmetrisch ausgestaltet sein und kann in verschiedenen Richtungen über der Oberfläche verlaufen und auch unterschiedliche Querschnitts flächen aufweisen . Die Vertiefung kann vorteilhafterweise auch bis zum Rand des Substrats reichen, sodass sich die Vertiefung über eine Seitenkante des Substrats hinweg erstreckt .
Der durch die hochenergetische Strahlung auf geschmol zene metallische Werkstof f 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 Werkstof fs an das keramische oder mineralische Substrats im Gegensatz zu dem direkten Aufbringen des metallischen Werkstof fs auf eine planare Oberfläche deutlich verbessert und erhöht werden .
Durch die eingebrachte Vertiefung kann ebenfalls eine stabile stof f schlüssige Verbindung des metallischen Werkstof fs an das keramische oder mineralische Substrat durch Di f fusionsvorgänge und letztendlich durch Reaktionen auf atomarer Ebene - die zu Bindungen führen - ermöglicht werden .
Dabei ist es möglich, dass der metallische Werkstof f in Anlehnung an das klassische Laserauftragsschweißen als feinkörniges Pulver aufgebracht wird, oder die Auftragung kann als über die Auftragsvorrichtung zugeführter oder in der Vertiefung angeordneter Draht erfolgen, welcher durch die eingebrachte Energie auf geschmol zen wird .
Unter einem keramischen Substrat wird dabei ein Substrat aus einem keramischen Material verstanden . Ein keramisches Material ist ein Werkstof f , welcher aus nichtmetallischen anorganischen Stof fen bei erhöhten Temperaturen synthetisiert wird und dadurch seine charakteristischen Eigenschaften wie seinen hohen Schmel zpunkt , 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 auf gefasst . 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 .
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Materialauftrag ausschließlich aus dem metallischen Werkstof f gebildet wird . Auf diese Weise können die gewünschten Materialeigenschaften des Materialauftrags durch eine geeignete Wahl des metallischen Werkstof fs vorgegeben werden . Das Substrat wird beim Erhitzen des metallischen Werkstof fs also nicht oder allenfalls oberflächlich auf geschmol zen, sodass keine homogene Schmel ze zwischen dem metallischen Werkstof f und dem Substrat entsteht .
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 ef fektive Möglichkeit dar die Vertiefung in der Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats aus zuführen . 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 auf tref f enden 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 j eweiligen konkreten Leistung wie auch dem Querschnitt der Laserstrahlung kann die gewünschte geometrische Form der Vertiefung gesteuert werden . Der Abtrag und damit die Entfernung von aufgehei ztem Material aus dem keramischen oder mineralischen Substrat beugt darüber hinaus ebenfalls wärmeindi zierten 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 j ede 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 Werkstof f beispielsweise als Draht in die Vertiefung eingebracht und mittels einer Energiequelle wie einem Elektronenstrahl auf geschmol zen wird .
Gemäß einer vorteilhaften Umsetzung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass die in die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats eingebrachte Vertiefung eine v- förmige Vertiefung mit einem spitzen Winkel ist . Vorzugsweise weist die Vertiefung eine v- förmige Geometrie auf , sodass der auf geschmol zene metallische Werkstof f in einfacher Weise in die Vertiefung fließen kann . Der metallische Werkstof f kann nach dem Erstarren bündig mit der Oberfläche abschließen, sodass eine im Querschnitt dreieckige Vertiefung entsteht . In einer alternativen Ausgestaltung kann der metallische Werkstof f auch eine Erhebung auf der Oberfläche ausbilden, wodurch ein im Wesentlichen „kuchenförmiger" Querschnitt resultiert . Darüber hinaus kann der metallische Werkstof f nach dem Erstarren die Vertiefung auch nur teilweise aus füllen .
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, trapez förmigen oder einem anderweitigen polygonalen Querschnitt erfindungsgemäß . Die Vertiefung kann dabei auch Hinterschnitte aufweisen .
Dabei ermögliche die genannten Vertiefung das hineinfließen des auf geschmol zenen metallischen Werkstof fs in die Vertiefung sowie gleichzeitig eine optimierte Benetzung der Oberfläche durch den metallischen Werkstof f . Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der in die Vertiefung eingebrachte und auf geschmol zene metallische Werkstof f einen Kontaktwinkel 0 < 90 ° aufweist . Unter dem Kontaktwinkel wird dabei der Winkel bezeichnet , den ein Flüssigkeitstropf en auf der Oberfläche eines Feststof fs zu dieser Oberfläche bildet . Dieser Winkel kann dabei von der Young' sehen Gleichung beschrieben werden . Im vorliegenden Fall kann der auf die Oberfläche des keramischen oder mineralischen Substrats aufgebrachte und auf geschmol zene metallische Werkstof f als Flüssigkeit und das keramische oder mineralische Substrat als Feststof f angesehen werden .
Die Größe des Kontaktwinkels zwischen der Flüssigkeit und dem Feststof f ist dabei eine Funktion unter anderem der Wechselwirkung zwischen den beiden Phasen an ihrer Berührungs fläche . Dabei kann die Benetzung der Oberfläche durch den Flüssigkeitstropf en in Abhängigkeit zwischen den Kohäsionskräften innerhalb des Tropfens und den Adhäsionskräften des Flüssigkeitstropf ens gegenüber der Oberfläche beschrieben werden . Überwiegen die Kohäsionskräfte innerhalb des Flüssigkeitstropf ens die Adhäsionskräfte zwischen dem Flüssigkeitstropf en und der Oberfläche so wird der Flüssigkeitstropf en die Form einer Kugel annehmen und die Oberfläche nur an einer kleinen Berührungs fläche berühren .
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 0 > 90 ° aus . Dabei gilt : Je kleiner der Kontaktwinkel ist , umso größer ist die Berührungs fläche . Um eine möglichst optimale Anbindung und damit eine möglichst große Anlagefläche des Flüssigkeitstropf ens an das keramischen oder mineralische Substrat zu ermöglichen, sollte vorzugsweise der Kontaktwinkel 0 > 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 auf geschmol zenen metallischen Werkstof fs 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 Werkstof fs 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 groß flächige Anbindung der zwei Phasen bleibt dabei auch nach dem Aushärten des metallischen Werkstof fs erhalten, wodurch eine durchgehende Anbindung möglichst 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 Werkstof f und dem keramischen oder mineralischen Substrat zu verbessern . Ein 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 Werkstof f aufweist . Auf diese Weise kann die Anbindung des metallischen Werkstof fs 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 auf getragenen metallischen Werkstof f durch eine formschlüssige Verbindung in Form einer metallischen Bindung und dabei insbesondere durch die Bildung einer Legierung an der Grenz fläche der beiden Metalle erreicht werden .
Der Haftvermittler kann auch zur Begünstigung des Anbindungsprozesses an den geringen Wärmeausdehnungskoef fi zienten des keramischen oder mineralischen Substrats angepasst werden . Dafür können duktile Legierungselemente verwendet werden, die die thermisch induzierten Spannungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoef fi zienten 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 Werkstof fs zeitgleich durchgeführt wird . Dadurch kann es ermöglicht werden, dass die Prozesskette für das Aufbringen des metallischen Werkstof fs - 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 Werkstof f zugeführt werden . Der durch beispielsweise die Laserstrahlung auf geschmol zene metallische Werkstof f kann so ebenfalls durch den Laserstrahl bzw . die Wärme des keramischen oder mineralischen Substrats auf geschmol zen 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 Werkstof fs 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 Werkstof f in die Vertiefung eingebracht und auf geschmol zen wird . Dazu kann für die Erstellung der Vertiefung eine Vorrichtung mit einer Lasereinrichtung verwendet werden, oder die Erstellung erfolgt mittels der Auftragungsvorrichtung
Die Vertiefung kann weiterhin auch durch ein Ätzverfahren 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 inj i zierte Metallpulver in einem gemeinsamen Fokus tri f ft .
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass als keramisches Substrats ein Metalloxid und/oder ein Nitrid und/oder ein Silikat verwendet wird . Vorzugsweise kann als keramisches Substrat Aluminiumoxid AI2O3 Verwendung finden .
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß optional vorgesehen, dass als metallischer Werkstof f 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 Werkstof f Titan oder eine Titanlegierung wie T1- 6A1-4V Verwendung finden .
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der metallische Werkstof f elektrisch leitend ist und dass der Materialauftrag elektrisch leitend ist , wobei ein elektrischer Widerstand des Materialauftrags einem elektrischen Widerstand des metallischen Werkstof fs entspricht . Auf diese Weise können gut leitende Leiterbahnen auf das nicht-leitende Substrat aufgebracht werden .
Vorteilhafterweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das keramische oder mineralische Substrat elektrisch nichtleitend ist . Auf diese Weise können beispielsweise Schaltungsanordnungen aus dem metallischen Werkstof f auf dem Substrat angeordnet werden, die durch das Substrat elektrisch voneinander isoliert sind .
Weitere vorteilhafte Aus führungen des Verfahrens zum Abscheiden eines metallischen Werkstof fs 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 Werkstof fs 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 Werkstof f aufgetragen wird,
Figur 4 einen Vergleich eines Kontaktwinkels zwischen einem Flüssigkeitstropf en auf einer planaren Fläche sowie einem Flüssigkeitstropf en in der Vertiefung,
Figur 5 eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schaltkarte mit aufgebrachten Leiterbahnen aus dem metallischen Werkstof f , und
Figur 6 eine Schnitt Zeichnung entlang der Schnittlinie VI-VI aus Figur 5 .
In den Figuren 1 bis 3 ist eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abscheiden eines metallischen Werkstof fs 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 Hil fe 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 Werkstof fs 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 .
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 Werkstof f 14 wird durch die einfallende Laserstrahlung 4 auf geschmol zen 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 geschmol zenen metallischen Werkstof fs 14 als Flüssigkeitstropf en auf einem planaren keramischen oder mineralischen Substrats 6 dargestellt . Die Benetzung der Oberfläche 5 durch den Flüssigkeitstropf en ist dabei abhängig von den Kohäsionskräften innerhalb des Flüssigkeitstropf ens und den Adhäsionskräften des Flüssigkeitstropf ens gegenüber der Oberfläche . Überwiegen wie im Falle eines metallischen Werkstof fs 14 die Kohäsionskräfte innerhalb des Flüssigkeitstropf ens die Adhäsionskräfte so wird der Flüssigkeitstropf en die Form einer Kugel annehmen und die Oberfläche nur an einem geringer Berührungs fläche 15 berühren . In diesem Falle ist der Kontaktwinkel 0 16 - der Winkel den ein Flüssigkeitstropf en auf der Oberfläche eines Feststof fs zu der Oberfläche bildet - größer als 90 ° .
Durch die v- förmige Geometrie der Vertiefung 13 mit einem spitzen Winkel hingegen ist der Kontaktwinkel 0 16 eines Flüssigkeitstropf ens 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 0 16 eines Flüssigkeitstropf ens in der erfindungsgemäßen Vertiefung ist in Figur 3 auf der rechten Seite dargestellt .
Die Figur 5 zeigt eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schaltkarte 17 mit aufgebrachten Leiterbahnen 18 aus dem metallischen Werkstof f 14 , während in Figur 6 eine Schnitt Zeichnung der Schaltkarte 17 entlang der Schnittlinie VI-VI aus Figur 5 dargestellt ist . Dabei sind die v- förmigen Vertiefungen 13 zu erkennen . B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E
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

P A T E N T A N S P R Ü C H E
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 auf geschmolzen 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 der Materialauftrag ausschließlich aus dem metallischen Werkstoff (14) gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle (2) eine einen Laserstrahl (4) emittierende 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.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in die Oberfläche (5) des keramischen oder mineralischen Substrats (6) eingebrachte Vertiefung (13) eine v-förmige Vertiefung mit einem spitzen Winkel ist.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Vertiefung (13) eingebrachte und auf geschmolzene metallische Werkstoff (14) einen Kontaktwinkel (16) 0 < 90° aufweist.
6. 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.
7. 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 .
8. 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.
9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Laserstrahl (4) ein Arbeitsbereich (7) zwischen 0,2 und 3 mm erzeugt wird.
10. 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.
11. 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 .
12. 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.
13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff (14) elektrisch leitend ist und dass der Materialauftrag elektrisch leitend ist, wobei ein elektrischer Widerstand des Materialauftrags einem elektrischen Widerstand des metallischen Werkstoffs (14) entspricht.
14. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische oder mineralische Substrat (5) elektrisch nicht-leitend ist.
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