Ausgerostet Sauerstofffreie Produktion gegen Oxidation beim Löten und 3D-Druck

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Das Laser Zentrum Hannover (LZH) forscht an sauerstofffreier Produktion, die Oxidationsreaktionen bei Löten und der additiven Fertigung in Metall vermeiden kann.

Ohne Sauerstoff kommt für die meisten Lebewesen der Erstickungstod. Aber in vielen Produktionsprozessen in der Metall verarbeitenden Industrie ist das Lebensgas ein lästiger Störfaktor, erinnern die Experten des LZH. Denn die Oxidschichten, die beim Bearbeiten von Metallen durch den Sauerstoff in der Umgebung entstehen, können bekanntlich das Fügen von Werkstücken erschweren und den Verschleiß von Bauteilen und Werkzeugen beschleunigen. Im Sonderforschungsbereich 1368 „Sauerstofffreie Produktion“ nutzen die Forscher deshalb eine innovative Methode, um dem Oxidationsproblem zu begegnen. Dabei führen sie führen während der Produktion ein Argon als Schutzgas mit einem kleinen Anteil Silan zu. Das Silan reagiert mit dem Sauerstoff der Umgebung und es entsteht eine XHV-adäquate Atmosphäre (XHV = extrem hohes Vakuum), also eine Atmosphäre mit einem äußerst geringen Sauerstoffanteil. Dieser Ansatz zum Ausschließen von Sauerstoff sei wesentlich wirtschaftlicher als ein technisches Vakuum zu erzeugen. Am LZH erforschen Wissenschaftler:innen diesen Ansatz für das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen und für das laserstrahlbasierte Hartlöten.

Laserstrahl-Hartlöten könnte ohne Flussmittel klappen

Die Gruppe Fügen und Trennen von Metallen hat in einem Teilprojekt schon einen neuartigen Lötprozess entwickelt, der ohne Flussmitteln auskommt. Die zum Teil umwelt- und gesundheitsschädlichen Flussmittel werden üblicherweise genutzt, um die Oxidschicht auf der Materialoberfläche aufzubrechen, damit Metall und Lot zusammen reagieren können, um eine feste Verbindung zu schaffen. Beim neu entwickelten Prozess breche man die Oxidschicht stattdessen mit einer im Nanosekundenbereich gepulsten Laserstrahlquelle auf. Danach erfolgt der Lötprozess per Dauerstrichlaser (cw-Laser) unter Silanatmosphäre. Die Sauerstoffarmut bringt, dass die Oberfläche zwischen den Prozessschritten nicht erneut oxidiert, wie die LZH-Forscher erklären.

Es konnten so gezeigt, werden dass es möglich ist, unter sauerstofffreier Atmosphäre die Oxidschicht auf Aluminiumlegierungen dauerhaft zu entfernen. Somit kann die Oberfläche mit einem artgleichen Lotwerkstoff gut benetzt werden. In der zweiten Förderperiode will man den Prozess auf die herausfordernde Mischverbindung aus Aluminium und Kupfer übertragen und die Prozessgrenzen erforschen.

Die additive Fertigung unter extremen Vakuumbedingungen

Die Gruppe Additive Fertigung – Metalle am LZH erforscht wiederum, wie sich Metallpulver beim pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzen in sauerstofffreier Atmosphäre verarbeiten lassen. Auf einer eigens dafür entwickelten Anlage für das 3D-Drucken von Metallen (PBF-LB/M-Verfahren) wurde der Prozess mit der Titanlegierung Ti-6Al-4V entwickelt und mittels Hochgeschwindigkeitskameras überwacht, wie es dazu heißt.

Das Ziel des Teilprojektes ist es nach Aussage der Experten, ein grundlegendes Verständnis für den Prozess unter sauerstofffreier Atmosphäre zu erlangen und über den Einfluss des Sauerstoffs mehr zu erfahren. Erwartet habe man, dass die Abwesenheit von Sauerstoff zu einem stabileren Prozess, weniger Spritzern und besseren Bauteileigenschaften führe. Am LZH konnte bewiesen werden, dass die Spritzer sich in puncto Anzahl verringern und auch weniger oxidieren, was die Degradation des Metallpulvers abbremst. Für eine weitere Verbesserung des Prozesses und der Bauteilqualität sei es aber wichtig, auch die Feuchtigkeit in Atmosphäre und Pulver zu eliminieren, was in Förderperiode 2 eingehend untersucht werden soll.

Mehr zum Sonderforschungsbereich SFB 1368:

Im Sonderforschungsbereich 1368 „Sauerstofffreie Produktion – Prozesse und Wirkzonen in sauerstofffreier Atmosphäre zur Entwicklung zukunftsfähiger Produktionstechniken und Fertigungsverfahren“ sind außer dem LZH noch acht Institute der Leibniz Universität Hannover, vier Institute der Technischen Universität Clausthal sowie der Lehrstuhl Datenmanagement im Maschinenbau der Universität Paderborn beteiligt. Der SFB wird von der DFG gefördert. Die zweite Förderperiode wird mit rund 10,5 Millionen Euro bis Ende 2027 unterstützt.

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