Reaktiv-Multischicht-Systeme

Grundlagen

Präzise steuerbare, lokale Wärmequellen zum Fügen von Bauteilen ohne Volumenerwärmung auch an schwer zugänglichen Stellen

Reaktiv gefügte Materialkombinationen; oben: Glas-Stahl, unten: Stahl-Titan, Messing-Titan, Messing-Aluminium, Messing-Kupfer, Aluminium-Kupfer (v. l. n. r)
© Fraunhofer IWS Dresden
Reaktiv gefügte Materialkombinationen; oben: Glas-Stahl, unten: Stahl-Titan, Messing-Titan, Messing-Aluminium, Messing-Kupfer, Aluminium-Kupfer (v. l. n. r)

Zum Fügen eingesetzte Löt- oder Schweißverfahren erfordern in der Regel eine Erwärmung größerer, an die Fügezone angrenzender Bereiche der zu verbindenden Bauteile. Um Veränderungen der Materialeigenschaften und das Auftreten von Spannungen in der Fügezone aufgrund der thermischen Belastung zu vermeiden, als auch schwer zugängliche Fügestellen zu erreichen, ist eine Wärmequelle erforderlich, welche punktgenau nur unmittelbar in der Fügezone Wärme bereitstellt.

Lösung

Schematische Darstellung der Ausbreitung der Wärmefront in einem RMS
© Fraunhofer IWS Dresden
Schematische Darstellung der Ausbreitung der Wärmefront in einem RMS

Das Fraunhofer IWS hat mit sogenannten Reaktiv-Multischicht-Systemen (RMS) fügezoneninterne Wärmequellen entwickelt, welche optimal auf die jeweilige Fügeaufgabe zugeschnitten werden können. RMS bestehen aus mindestens zwei Materialien, welche in mehreren hundert Einzelschichtlagen von wenigen Nanometer Dicke gestapelt sind und nach Einwirkung einer Aktivierungsenergie vollständig exotherm reagieren. Die Reaktionswärme kann dabei zum Aufschmelzen von Grundwerkstoffen oder Loten genutzt werden, um Fügever-bindungen herzustellen. RMS können sowohl auf Bauteile abgeschieden, als auch mobil als standardisierte, freistehende Folie hergestellt werden. RMS erreichen Gesamtdicken im Bereich von 20 - 100 μm.

Ergebnisse

Elektrische Zündung einer Reaktivmultischicht (RMS)
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Elektrische Zündung einer Reaktivmultischicht (RMS)

RMS bieten das Potenzial, die für die Fügung notwendige Wärmemenge genau anzupassen. So wurden im Fraunhofer IWS nieder-, mittel- und hochenergetische RMS-Materialsysteme entwickelt, welche es erlauben, Thermoplaste bis hin zu Hartloten mit Schmelztemperaturen von bis zu 700 °C aufzuschmelzen.

Neben der Auswahl des Materialsystems ist es möglich, die Wärmemenge mit der Gesamtdicke als auch mit dem stöchiometrischen Verhältnis der Reaktionspartner zu skalieren.Weiterhin ist es möglich, RMS und Bauteile bereits mit einer Vorbelotung zu versehen und damit ein anwendungsfertiges Werkzeug zur Verfügung zu stellen.

Werden beispielsweise in der Mikrosystemtechnik und im Gehäusebau genaue Geometrien und Preforms benötigt, so ist auch eine Strukturierung der RMS mittels Laser möglich. Die reaktive Fügung geschieht unter einem Fügedruck nach Einwirken einer Aktivierungsenergie.

Anwendungen

Reaktiv gefügtes Hutprofil aus kohlefaserverstärktem Polyetherimid
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Reaktiv gefügtes Hutprofil aus kohlefaserverstärktem Polyetherimid

Mikrosystemtechnik und Elektronik

  • hermetisches Versiegeln von Kavitäten
  • elektrische und thermische Kontaktierung von Sensoren
  • Bonden von Si-Wafern auf Metalle und Keramiken
  • elektrische Kontaktierung und Bonden von Diamant
  • elektrische und thermische Kontaktierung von Leistungselektroniken


Kunststofftechnik

  • Karosseriebau, Gehäusebau
  • Metall - Kunststoff - Hybride
  • Verschweißen schwer zugänglicher Fügezonen (Pneumatiken, Gehäuse)


Maschinen- und Anlagenbau

  • Metall - Keramikverbindungen
  • Medizintechnik
  • Fügung temperaturempfindlicher Strukturen und Bauteile
  • spannungsarmes Fügen von unterschiedlichsten Werkstoffen

Vorteile

Vorrichtung zum Druckbeaufschlagten Fügen mit Reaktivmultischichten
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Vorrichtung zum Druckbeaufschlagten Fügen mit Reaktivmultischichten
  • Fügezoneninterne Wärmequelle
  • keine Volumenerwärmung nötig
  • Fügung unterschiedlichster Materialkombinationen möglich
  • Hybridverbindungen möglich
  • äußerst kurze Fügezeit (< 1 s)
  • Materialschonend
  • Festigkeiten bis zu 40 MPa
  • Fügen von Thermoplasten und thermoplastischen Verbundwerkstoffen (CFK, GFK) ohne Vorbehandlung oder Aktivierung der Oberflächen möglich