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.

Qualification of Standardised Long-Term Tests on Copper Materials for the Economic Determination of Material Parameters for CAE Applications

Long-term tests practically used to characterize the material behavior of copper materials are only limitedly suitable for identifying reliable input data for CAE applications such as the Finite Element Method (FEM). However, due to increasing demands on copper components, such as used in electrical connectors, more precise knowledge about this input data is essential for a safe and resource-efficient component design. Therefore, it was the aim of this project to develop a method for determining material parameters for copper materials from long-term tests based on the ASTM standard [AST13] in an economic way. The determined parameters are supposed to describe the analyzed copper materials more precisely and are usable directly as input for simulation-based component design.

Within the project, it was assumed that a unique relationship between the measured parameters of the ASTM tests (e.g. cantilever tests) and the time- and temperature-dependent properties of copper materials is existing. This relationship, however, cannot be directly determined from these tests. Instead, it was the aim to determine this relationship based on numerical methods and machine learning techniques. To obtain the necessary experimental data, a suitable test setup was developed. This enabled inferring the time- and temperature-dependent material behavior or model parameters for a selected material model directly and cost-efficiently from the measured quantities of an ASTM test.

The benefit of the project is that significantly more precise information about the long-term behavior of copper materials can be obtained from already established standard tests without increasing the experimental effort. SMEs can use the results as direct input for CAE applications. In addition, SMEs can design components more cost and resource-efficient using a description of the material behavior, which is more accurate as it was before. The results of this project can be transferred to other materials, for which the long-term behavior is also relevant.

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

Acknowledgement

The IGF project 21114 N of the Research Association for the Research Institute for Precious Metals and Metal Chemistry (fem) was funded by the Federal Ministry of Economic Affairs and Climate Action through the AIF within the framework of the Programme for the Promotion of Industrial Cooperative Research (IGF) based on a resolution of the German Bundestag.

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Innovative Composite Material for Investment Casting of Titanium Alloys

The production of complex technical components from titanium alloys using the investment casting process is of great interest for aeronautical engineering, space technology, medical technology and the luxury goods industry. The ceramic material calcium zirconate (CaZrO₃) enables the extremely demanding investment casting of titanium, but exhibits weaknesses in thermal cycling. Crucibles made of CaZrO₃ show cracks after only one casting due to thermal shock and can only be reused to a limited extent afterwards.

The fem has succeeded in creating an innovative composite material that solves this problem by adding electrospun CaZrO₃ nanofibres. In the research project, it was demonstrated that thanks to the modified microstructure, the material has a significantly higher stability against thermal loads and consequently a high residual strength after casting. As a result, CaZrO₃-based composite crucibles are finally suitable for repeated use in investment casting. This development enables investment foundries to process highly reactive alloys in high quality significantly more efficiently and economically.

Have we aroused your interest? Our expert Florian Bulling is looking forward to hearing from you!

Acknowledgements: The IGF project 21706 BG of the Research Association for the Research Institute for Precious Metals and Metal Chemistry (fem) was funded by the Federal Ministry of Economic Affairs and Climate Action through the AIF within the framework of the Programme for the Promotion of Industrial Cooperative Research (IGF) based on a resolution of the German Bundestag.

Development of new active solder alloys by ultrasonic plasma atomisation for the joining of ceramic-ceramic and metal-ceramic composites

Background

Available active solder pastes are almost exclusively based on silver and silver-copper alloys, which limits the temperature stability of the composites. Higher temperature stabilities can be achieved with active solders based on precious metals (Pd, Pt), but these are significantly more expensive. There is therefore a need for new types of active solder alloys that enable stable composites for application temperatures of 1000 °C to approx. 1200 °C. In addition to the main interest in the feasibility of corresponding composites, the pure metallisation of functional ceramic surfaces for electrical contacting is also of interest. 

Active solder pastes are usually required in small quantities, but in a large variety, specialised and optimised for defined applications. With ultrasonic plasma atomisation, it is possible to realise small batch sizes and alloy systems that are difficult or impossible to mix using melting metallurgy. To this end, new active soldering systems, the fundamentals of which are already known, are to be evaluated, optimised and adapted. In addition to powder production, matching the pastes to the active solder application is a very important aspect. Rheological properties and solids content must be adapted for industrial, automated application of the solder pastes using screen printing and dispensing technology. In addition, reliable debinding in a vacuum must be possible. The investigations are supported by statistical design of experiments (DOE) and multivariate data analysis (MVDA) in order to ensure a high level of efficiency with regard to the variety to be analysed and a higher significance of the results.

GOAL

The aim of the research project is to develop temperature-stable active solder alloys that are not based on precious metals, to produce powder using ultrasonic plasma atomisation and to optimise active solder pastes. Active brazing technology enables the realisation of metal-ceramic composites in just a few process steps, as direct wetting of ceramic surfaces is possible. The application of these solders as powders or pastes has advantages over moulded parts (wire, foil) in terms of automated applicability (screen printing, dispensing) and minimises material losses. 

Acknowledgement

The IGF project 22117 BG of the research association Verein für das Forschungsinstitut für Edelmetalle und Metallchemie (fem) is funded via the AIF as part of the programme for the promotion of joint industrial research (IGF) by the Federal Ministry of Economics and Climate Action on the basis of a resolution of the German Bundestag.

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.

Acknowledgement

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

Background

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:

Acknowledgement

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.   

Acknowledgement

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.