Ausstattung

Beschichtungsanlage Multi-Sputter-Lab 600 (MSL600)

Multi-Sputter-Lab 600 (MSL600 des Herstellers VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH).
© Fraunhofer IWS
Multi-Sputter-Lab 600 (MSL600 des Herstellers VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH).
Prinzipskizze des Multi-Sputter-Lab 600 (MSL600).
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Prinzipskizze des Multi-Sputter-Lab 600 (MSL600).

Reaktive Multischichtsysteme (RMS) werden über PVD-Verfahren, wie dem Magnetron- Sputtern hergestellt.

Das Magnetron-Sputtern bietet die Vorteile einer präzise kontrollierten Herstellung, sowie die Möglichkeit der Aufskalierung für hohe Stückzahlen. Mit der Multi-Sputter-Lab 600 (MSL600 des Herstellers VTD Vakuumtechnik Dresden GmbH) ist es möglich, sowohl freistehende RMS-Folien für mobile Anwendungen herzustellen als auch Bauteile vollflächig oder strukturiert zu beschichten.

Die MSL600 verfügt über vier Magnetron-Beschichtungsquellen, welche mit Leistungen von bis zu 10 kW betrieben werden können und zwei Substratreinigungsstationen. Neben der RMS-Abscheidung ist es somit möglich, Vorreinigungsschritte wie Glimmen oder Ionenstrahlätzen als auch die Abscheidung von Lot- und Benetzungsschichten vorzunehmen.

Auf einem mittig zu den Beschichtungsquellen angeordneten sechsfach Polygon-Substratträger können bis zu fünf Bauteile oder RMS mit den Abmessungen von bis zu 430 x 220 mm2 homogen beschichtet werden. Bei maximaler Auslastung können damit in einem Durchlauf RMS mit einer Fläche von bis zu 4730 cm2 hergestellt werden. Eine Substratkühlung sorgt für die zuverlässige Wärmeabfuhr der zu beschichtenden Bauteile als auch für eine hohe Energieausbeute der hergestellten RMS.

Fügevorrichtung

Vorrichtung zum druckbeaufschlagten Fügen mit reaktiven Multischichtsystemen.
© Fraunhofer IWS
Vorrichtung zum druckbeaufschlagten Fügen mit reaktiven Multischichtsystemen.

Bauteile werden am Fraunhofer IWS über eine Fügevorrichtung in Portalbauweise mit einem Pneumatikzylinder und einer Wägezelle zur Fügedruckanzeige realisiert. Dabei werden die zu fügenden Bauteile samt RMS auf der Wägezelle zueinander positioniert und über den Pneumatikzylinder mit einem Fügedruck beaufschlagt, der über eine Anzeige präzise einstellbar ist. Die Initiierung der RMS-Reaktion erfolgt zumeist über einen elektrischen Funken oder Wärmezufuhr. Innerhalb von Sekundenbruchteilen werden somit Bauteile schonend und sehr schnell miteinander verbunden.


Vorteile des Fügeprozesses mit RMS

  • Definierte interne Wärmequelle
  • Kurzeitiger und maßgeschneiderter Wärmeeintrag
  • Minimierung von thermischem Verzug und Spannungen in Bauteilen
  • Möglichkeit des Fügens artgleicher und -fremder Materialien
  • Prozesszeiten von < 1s
  • Feste Verbindungen mit hoher thermischer und elektrischer Leitfähigkeit
  • Kein Sauerstoff notwendig (Nutzung im Vakuum/unter Wasser)

DSC-Messgerät

Dynamische Differenzkalorimetrie, Typ: HDSC PT1600/1750 °C.
© Fraunhofer IWS
Dynamische Differenzkalorimetrie, Typ: HDSC PT1600/1750 °C.

Mit Hilfe der Dynamischen Differenzkalorimetrie erfolgt eine thermische Analyse zur Messung von abgegebener (exotherm) oder aufgenommener (endotherm) Wärme.

Über die HDSC PT1600 der Fa. Linseis Messgeräte GmbH werden verschiedene RMS-Eigenschaften wie z. B. Enthalpie und Temperaturen bestimmt. Darüber hinaus können auch thermische Eigenschaften von verschiedenen Materialien und Legierungen sowie Pulvern ermittelt werden.

High-Speed-Kamera

Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer selbstfortschreitenden Reaktionsfront eines Nickel-Aluminium-RMS. © Fraunhofer IWS

Hochgeschwindigkeitskameras sind überall dort im Einsatz, wo Bewegungen oder Materialverhalten analysiert werden müssen, die für das menschliche Auge oder herkömmliche Kameras nicht zu erfassen sind. Den sehr schnell (kürzer als eine Sekunde) verlaufenden RMS-Reaktionsprozess nimmt diese Kamera von Anfang bis Ende auf, wodurch eine Analyse der RMS-Reaktion möglich ist. Somit können u. a. die Reaktionsfrontgeschwindigkeit und der Verlauf analysiert werden.

COMSOL Multiphysics®

Für die Analyse, welche Temperaturen während eines RMS-Fügeprozesses an den zu fügenden Bauteilen anliegt, verwendet das Forschungsteam die Software COMSOL Multiphysics®. In einem 1D- oder 2D-Modell werden dabei wichtige Parameter, wie Wärmeeindringtiefe und -zeit sowie Temperaturen ermittelt. Die erhobenen Daten fließen im Zusammenspiel mit anderen wissenschaftlich basierten Fakten in die Entwicklung des Herstellungs- und Fügeprozesses des RMS ein.