Entwicklung der Prozesstechnologie für massive metallische Gläser auf Platinbasis mit dem Ziel einer Industrialisierung am Beispiel des Uhren- und Schmucksektors

Platinbasierte massive metallische Gläser (Pt-MMG) sind revolutionäre Schmucklegierungen mit besonderen Eigenschaften. Ihre hervorragende Oberflächengüte und hohe Gusshärte (400–500 HV1) begünstigt die präzise, formgetreue Abbildung und macht die Nachbearbeitung überflüssig. Pt-MMG sind hart wie Stähle, besitzen aber eine kunststoffähnliche Elastizität und Flexibilität. In einem Forschungsprojekt konnten diese Platingläser erstmals mit dem in der Schmucktechnologie etablierten Feingießverfahren verarbeitet werden. Dank ihrer einzigartigen Qualitäten eröffnen sich der Luxusgüterindustrie damit völlig neue Designmöglichkeiten.

Dem fem und seinem Forschungspartner LMW ist es gelungen, gemeinsam mit Partnern aus der Industrie das industrielle Potenzial von Pt-MMG am Beispiel von Uhren- und Schmuckanwendungen zu demonstrieren und den Technologiereifegrad anzuheben. Mit den amorphen Platinlegierungen konnten feine Geometrien mit komplexen Füllwegen realisiert werden. Die Schmuckobjekte sind trotz ihrer filigranen Struktur mechanisch stabil und weisen eine außerordentlich hohe elastische Verformbarkeit auf. Im Druckgusserfahren konnten zudem auch massivere Bauteile wie Uhrenlünetten hergestellt werden. KMU bietet diese neue Technologie die Chance, in den Platinschmuckmarkt einzusteigen und ihre Wettbewerbsfähigkeit zu erhöhen.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Lisa-Yvonn Schmitt freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21469 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Qualifizierung von standardisierten Langzeitversuchen an Kupferwerkstoffen zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für CAE-Anwendungen

Die in der Praxis eingesetzten Langzeitversuche zu Charakterisierung des Materialverhaltens von Kupferwerkstoffen sind nur begrenzt geeignet, um daraus belastbare Eingangsdaten für CAE-Anwendungen (bspw. Finite Elemente Methode, FEM) zu ermitteln. Aufgrund steigender Anforderungen an Bauteile aus Kupferwerkstoffen, z.B. bei elektrischen Steckverbindern, ist für die sichere und ressourceneffiziente Bauteilauslegung eine genauere Kenntnis dieser Eingangsdaten jedoch unerlässlich. Das Ziel dieses Vorhabens bestand darin, eine Methode zur wirtschaftlichen Bestimmung von Materialparametern für Kupferwerkstoffe aus den Langzeitversuchen in Anlehnung an die ASTM [AST13] zu entwickeln. Die daraus ermittelten Parameter können den Kupferwerkstoff genauer beschreiben und sind als direkter Input für die simulative Bauteilauslegung nutzbar.

Im Vorhaben wurde davon ausgegangen, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Messgrößen der ASTM-Versuche (z.B. Cantilever-Versuch) und den zeit- und temperaturabhängigen Eigenschaften von Kupferwerkstoffen existiert. Dieser ist jedoch aus diesen Versuchen nicht direkt bestimmbar. Mittels numerischer Methoden und basierend auf maschinellen Lernverfahren sollte dieser Zusammenhang ermittelt werden. Zur Ermittlung der hierfür erforderlichen experimentellen Daten wurde ein geeigneter Versuchsstand entwickelt. Damit wurde es möglich, aus den Messgrößen eines ASTM-Versuchs das zeit- und temperaturabhängige Materialverhalten bzw. die Materialparameter für ein gewähltes Werkstoffmodell direkt und kostengünstig zu bestimmen.

Der Nutzen des Vorhabens besteht darin, dass aus bereits etablierten Standardversuchen deutlich genauere Informationen über das Langzeitverhalten von Kupferwerkstoffen ermittelt werden können, ohne dass der experimentelle Aufwand dafür steigt. Von KMUs können die Ergebnisse als direkter Input für CAE-Anwendungen genutzt werden. Zudem können KMUs durch die genauere Beschreibung des Werkstoffverhaltens Bauteile besser, kosteneffizienter und ressourcenschonender auslegen, als es bisher möglich war. Die Ergebnisse des Vorhabens können auf andere Werkstoffe übertragen werden, bei denen das Langzeitverhalten ebenfalls relevant ist.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unsere Expertin Karin Pfeffer freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21114 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

fem mk mg 3219 2kpx

Innovativer Kompositwerkstoff für den Feinguss von Titanlegierungen

Die Herstellung komplexer technischer Bauteile aus Titanlegierungen im Feingussverfahren ist für Luftfahrttechnik, Raumfahrttechnik, Medizintechnik und die Luxusgüterbranche von großem Interesse. Der Keramikwerkstoff Calciumzirkonat (CaZrO₃) ermöglicht den äußerst anspruchsvollen Feinguss von Titan, weist jedoch Schwächen bei Temperaturwechselbelastungen auf. Tiegel aus CaZrO₃ zeigen aufgrund des Thermoschocks bereits nach einem Abguss Risse und sind danach nur begrenzt wiederverwendbar.

Dem fem ist es gelungen, durch die Zugabe von elektrogesponnenen CaZrO₃-Nanofasern einen innovativen Kompositwerkstoff zu erzeugen, der dieses Problem löst. Im Forschungsprojekt wurde nachgewiesen, dass der Werkstoff dank der modifizierten Mikrostruktur eine deutlich höhere Stabilität gegen thermische Belastungen und folglich eine hohe Restfestigkeit nach dem Abguss besitzt. Dadurch sind CaZrO₃-basierte Komposit-Tiegel endlich für den mehrmaligen Einsatz im Feinguss geeignet. Diese Entwicklung ermöglicht es Feingießereien, hochreaktive Legierungen in hoher Qualität deutlich effizienter und wirtschaftlicher zu verarbeiten.

Haben wir Ihr Interesse geweckt? Unser Experte Florian Bulling freut sich auf Ihre Kontaktaufnahme!

Danksagung: Das IGF-Vorhaben 21706 BG der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Entwicklung neuer Aktivlotlegierungen durch Ultraschall-Plasmaverdüsung für das Fügen von Keramik-Keramik- und Metall-Keramik-Verbunden

Hintergrund

Verfügbare Aktivlotpasten basieren nahezu ausschließlich auf Silber- und Silber-Kupfer-Legierungen, wodurch die Temperaturstabilität der Verbunde begrenzt ist. Höhere Temperaturstabilitäten können mit auf Edelmetallen (Pd, Pt) basierenden Aktivloten erzielt werden; diese sind aber deutlich teurer. Es besteht daher ein Bedarf an neuartigen Aktivlotlegierungen, die stabile Verbunde für Anwendungstemperaturen von 1000 °C bis ca. 1200 °C ermöglichen. Neben dem Hauptinteresse der Realisierbarkeit entsprechender Verbunde ist auch die reine Metallisierung funktioneller keramischer Oberflächen für eine elektrische Kontaktierung von Interesse. 

Aktivlotpasten werden meist in geringen Mengen, jedoch in großer Vielfalt, spezialisiert und optimiert für definierte Anwendungsfälle, benötigt. Mit der Ultraschall-Plasmaverdüsung ist es möglich, kleine Chargengrößen sowie Legierungssysteme, die schmelzmetallurgisch schlecht oder gar nicht mischbar sind, zu realisieren. Hierzu sollen neue, in Grundlagen bereits bekannte Aktivlotsysteme, evaluiert, optimiert und angepasst werden. Zusätzlich zur Pulverherstellung ist die Abstimmung der Pasten auf den Aktivloteinsatz ein sehr wichtiger Aspekt. Für eine industrielle, automatisierte Applikation der Lotpasten mittels Siebdruck und Dispenstechnologie sind rheologische Eigenschaften und Feststoffgehalte anzupassen. Zudem muss eine zuverlässige Entbinderung im Vakuum möglich sein. Die Untersuchungen werden mittels statistischer Versuchsplanung (DOE) und multivariater Datenanalyse (MVDA) unterstützt, um eine hohe Effizienz in Bezug auf die zu untersuchende Vielfalt sowie eine höhere Aussagekraft der Ergebnisse zu gewährleisten.

Projektziel

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung temperaturstabiler und nicht auf Edelmetallen basierender Aktivlotlegierungen, die Pulverherstellung mittels Ultraschall-Plasmaverdüsung sowie die Optimierung von Aktivlotpasten. Die Aktivlottechnologie ermöglicht die Realisierung von Metall-Keramik-Verbunden in nur wenigen Prozessschritten, da eine direkte Benetzung keramischer Oberflächen möglich ist. Die Applikation dieser Lote als Pulver bzw. Pasten bringt im Vergleich zu Formteilen (Draht, Folie) Vorteile in der automatisierten Anwendbarkeit (Siebdruck, Dispensen) mit sich und minimiert Materialverluste. 

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 22117 BG der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) wird über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Innovation im Zinkdruckguss: Erzeugung spiegelglänzender Gussoberflächen durch trennmittelfreie Fertigung

Bauteile aus Zinkdruckguss werden in vielen Bereichen des täglichen Lebens, im Automobil-, Maschinen- und Apparatebau, in der Elektrotechnik und Elektronik, sowie im Bauwesen und in der Möbelindustrie eingesetzt. Dabei sind die Anforderungen an die jeweilige Oberflächengüte genauso vielfältig wie die in Frage kommenden Verfahrensvarianten, beispielsweise Lackieren, Aufbringen von Konversionsschichten oder Galvanisieren. Für hohe Anforderungen an Korrosionsbeständigkeit, Optik und Haptik werden häufig galvanische Verfahren gewählt, in der Regel für dekorative Applikationen in der Beschichtungsreihenfolge Kupfer, Nickel, Chrom mit Gesamtschichtdicken von bis zu 25–50 µm.

Vor jedem Gießzyklus müssen Trenn- und Schmiermittel auf die Kavität der Form aufgetragen werden, damit die Zinkdruckgussteile sicher entformt und so beim Ausstoßen aus der Gießform nicht beschädigt werden. Ein Nachteil bei der Verwendung dieser Hilfsstoffe sind unerwünschte Wechselwirkungen mit den Gussteilen, insbesondere der Oberflächen. Beispielsweise kann es durch Verdampfung und Pyrolyse der Hilfsstoffe während des Gussprozesses zur Bildung von oberflächennahen Poren führen; einem der größten Qualitätsprobleme des Zinkdruckgusses. Ebenso kann es zu einer negativen Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften kommen (Verfärbungen, Verschlechterung der Benetzbarkeit oder Lackierfähigkeit, etc).

Das Aufbringen von dauerhaften Verschleißschutzbeschichtungen mittels CVD- und PVD-Verfahren auf die Gießformen erlaubt bereits eine deutliche Reduktion des Trennmittelverbrauchs. Allerdings ist es technisch anspruchsvoll, diese Schichten auf komplexen Formen haftfest zu applizieren, wodurch weitere Zwischenschritte erforderlich sind. Eine Alternative stellen plasmapolymere Trennschichten dar, die im Bereich Zinkdruckguss bisher noch nicht eingesetzt werden. Im Projekt sollen diese Schichten untersucht und insbesondere hinsichtlich thermischer und mechanischer Stabilität sowie im Hinblick auf die Schichthaftung optimiert werden. 

Ziel des Projekts ist es, Trennmittel vollständig aus der Zinkdruckgussfertigung zu eliminieren, um somit trennmittelbasierte Gussfehler zu vermeiden. Durch den Einsatz von plasma-polymeren Trennschichten sollen glänzende, saubere Bauteile der Rauheitsklasse N1–N4 gefertigt werden können. Die hohe Abbildungsgenauigkeit der Oberfläche eröffnet weitere Möglichkeiten bei der Herstellung von dünnwandigen Präzisionsbauteilen. Direkt verbunden ist hiermit das wirtschaftliche Ziel, die Fertigungsprozesskette zu verkleinern und die Nacharbeit (Strahlen, Schleifen und Polieren) zu vermeiden. Die höhere Oberflächengüte soll auch genutzt werden, um die nachfolgenden galvanischen Beschichtungsschritte effektiver und weniger fehleranfällig zu gestalten. Am fem wird schwerpunktmäßig der Einfluss der verbesserten Oberflächenqualität auf den galvanischen Beschichtungsprozess untersucht, z.B. hinsichtlich erforderlicher Prozessschritte, Mindestschichtstärken, Korrosionsbeständigkeit und Maßhaltigkeit.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21868 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Schonendes TLP-Fügeverfahren bei Prozesstemperaturen unter 150 °C durch Anwendung ternärer Systeme

Hintergrund

Das Fügeverfahren Transient-Liquid-Phase-Bonding (TLP-Bonding) kommt aus dem Bereich der metallischen Niedertemperaturverbindungstechnik und kombiniert die positiven Eigenschaften von metallischen Verbindungen, wie mechanische Stabilität und Leitfähigkeit, mit dem Vorteil niedriger Prozesstemperaturen. Dies ist möglich, da im Prozess durch Diffusion aus einer niedrig- und einer hochschmelzenden Phase eine temperaturbeständige intermetallische Phase entsteht. In der Kombination Silber (Ag) und Zinn (Sn) kann so beispielsweise bei einer Prozesstemperatur von 250 °C eine Verbindung erzeugt werden, die bis über 400 °C stabil ist. Gegenüber anderen temperaturstabilen Verfahren, wie eutektischem Bonden, AuSn-Löten oder Glaslöten, sind die TLP-Verfahren im Vorteil, da die Differenz zur Raumtemperatur nach dem Prozess und damit auch der thermo-mechanische Stress geringer sind.

Im IGF-Projekt 18476 N wurde dieses Verfahren mit dem binären AgSn-System von Hahn-Schickard und IMTEK bereits grundlegend erarbeitet. Dabei zeigten sich allerdings folgende Defizite:

Um diesen Defiziten entgegenzuwirken, ist eine deutliche Absenkung der Prozesstemperatur erforderlich. InSn weist in der eutektischen Zusammensetzung einen Schmelzpunkt von 117°C auf und eignet sich damit auch dazu, bei Temperaturen <150 °C die im Prozess benötigte flüssige Phase zu erzeugen. Gleichzeitig handelt es sich hierbei um Metalle, die für Anwendungen in Lotprozessen bereits bekannt sind.

Voruntersuchungen haben gezeigt, dass sich in einem Fügeprozess gemeinsam mit Ag auch die hochschmelzenden binären Phasen Ag3Sn, Ag4Sn, und Ag3In bilden. Damit lässt sich mit solch einem ternären System ein Prozess entwickeln, der bei einer sehr niedrigen Bondtemperatur folgende Vorteile aufweist:

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21868 N der Forschungsvereinigung Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Simulation des Schmelzbads bei der additiven Fertigung von Metallteilen

Die pulverbettbasierte additive Fertigung mittels Laser hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht, so dass das Verfahren mittlerweile in der Fertigung vieler Unternehmen angekommen ist. Die akademische Forschung richtet sich parallel darauf, den Prozess wissenschaftlich zu beschreiben. Im hier beschriebenen Projekt liegt der Fokus auf der Simulation des Schmelzbades und deren Verifizierung im Experiment. Dazu werden die gängigen Materialien Stahl (316L), Aluminium (AlSi10Mg) und Titan (TiAl6V4) untersucht.  

Die Simulation wird anhand von thermophysikalischen Parametern individuell auf die Materialien angepasst, wobei ein bereits bestehendes Modell des Fraunhofer IWM in Freiburg weiterentwickelt und optimiert wird. Die Vorhersagen der Simulation werden im Experiment überprüft und darüber hinaus mit entsprechenden Berechnungen der kommerziellen Simulationssoftware Flow3D abgeglichen.  

Das kurz- und mittelfristige Ziel des Projekts ist ein möglichst detailliertes Verständnis des Prozesses, der durch die extrem hohen Verfahrensgeschwindigkeiten nur begrenzt mit experimentellen Beobachtungen beschrieben werden kann. Langfristig soll dieses Verständnis dazu führen, dass die Einflüsse einzelner Materialkennwerte auf das Fertigungsergebnis herausgearbeitet werden können. Kennt man die Einflüsse, wird es in Zukunft einfacher sein, maßgeschneiderte Materialien für den Prozess zu entwickeln; ein Anliegen, das aktuell ebenfalls stark im Fokus der Forschung steht.   

Danksagung

Das IGF-Vorhaben 21470 N  der Forschungsvereinigung Edelmetalle + Metallchemie wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.