RMS-Technologie

Das Fraunhofer IWS hat mit sogenannten reaktiven Multischichtsystemen (RMS) Wärmequellen entwickelt, deren Zusammensetzung maßgeschneidert auf ihren Anwendungszweck zugeschnitten werden können. RMS bestehen aus mindestens zwei Materialien, welche in mehreren hundert Einzelschichtlagen gestapelt und nach Einwirkung einer Aktivierungsenergie, beispielsweise einer kurzzeitigen Temperaturerhöhung, selbstfortschreitend exotherm reagieren. Die Reaktionswärme kann dabei zum Aufschmelzen des Grundwerkstoffes oder eines Lotes zum Herstellen einer Fügeverbindungen genutzt werden. RMS können sowohl direkt auf Bauteile abgeschieden als auch mobil als standardisierte, freistehende Folie hergestellt werden. Sie erreichen Gesamtdicken im Bereich von wenigen Mikrometern bis hin zu über 100 μm.

Die Abscheidung der Einzelschichten zur Herstellung von RMS erfolgt mittels Magnetron Sputter Deposition (MSD). Über eine Rotation des Substratträgers vor den Beschichtungsquellen können die Einzelschichtlagen im Bereich von wenigen Nanometern bis über hundert Nanometern abgeschieden werden, wodurch die RMS im Gesamten aufgebaut wird.

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

Fügen von Metallen und Keramiken

Die Anwendung der Reaktivfolie zum Fügen ist bisher für das Weichlöten für artgleiche und -fremde Materialien, wie z. B. Metalle, Keramiken, Halb- und Hartmetalle demonstriert worden. Die notwendigen Lote mit Schmelztemperaturen im Bereich von 200–300 °C wurden wahlweise auf die RMS oder auf die Bauteile aufgebracht.

Eine wesentliche Weiterentwicklung der reaktiven Fügetechnik wurde durch die Verdopplung der von den RMS bereitgestellten Energiemenge erzielt. Somit können nunmehr auch Lote mit Schmelztemperaturen bis knapp oberhalb von 700 °C (z. B. Incusil ABA (Wesgo), AlSi10) genutzt werden. Dies erlaubt das Fügen von Bauteilen, die im Einsatzfall einer hohen Temperaturbelastung unterliegen. Darüber hinaus lassen sich mit derartigen Loten auch die Festigkeiten der Verbindungen verbessern.

Fügen von Polymeren

Innerhalb kürzester Zeit konnten zudem bemerkenswerte Resultate beim Fügen von Polymeren (Kunststoffe, Plastik) mit Reaktivfolien erzielt werden. Hier dient die von den Folien bereitgestellte Energie dazu, die Oberflächen der Polymere direkt aufzuschmelzen, sodass anschließend ein Verschweißen der Polymerbauteile erfolgt. Dass sich die von den Folien gelieferte Wärmemenge präzise durch deren Nanoschichtaufbau steuern lässt, wirkt sich bei diesem Anwendungsfall besonders vorteilhaft aus. So kann einerseits eine Schädigung der Polymere vermieden und andererseits eine definierte Flüssigphase erzeugt werden.

RMS finden vielfältige Anwendungen in Feldern wie: 

Mikrosystemtechnik und Elektronik

• Hermetisches Versiegeln von Kavitäten
• Elektrische und thermische Kontaktierung von Sensoren
• Bonden von Silizium-Wafern auf Metalle und Keramiken
• Elektrische Kontaktierung und Bonden von Diamant
• Elektrische und thermische Kontaktierung von Leistungselektroniken

Kunststofftechnik und Leichtbau

• Schonendes reaktives Fügen von faserverstärkten und -unverstärkten Kunststoffen in Sekundenbruchteilen
• Metall-Kunststoff-Hybride
• Karosserie- und Gehäusebau
• Verschweißen schwer zugänglicher Fügezonen (Pneumatiken, Gehäuse)

Maschinen- und Anlagenbau

• Metall-Keramik-Verbindungen
• Medizintechnik
• Fügung temperaturempfindlicher Strukturen und Bauteile
• Spannungsarmes Fügen von unterschiedlichsten Werkstoffen

Die RMS-Technologie birgt besonders für das schonende Fügen von Bauteilen enorme Vorteile. Dabei können vor allem die RMS-Eigenschaften Enthalpie und Reaktionsfrontgeschwindigkeit über den RMS-Aufbau (Schichtdicken, stöchiometrisches Verhältnis) und RMS-Materialkombination genau an den Anwendungsfall angepasst werden. Die dadurch entstehende fügezoneninterne und maßgeschneiderte Wärmequelle ermöglicht neben dem Fügen von Standardbauteilen auch das Verbinden kleinster filigraner und vor allem empfindlicher Bauteile in äußerst kurzen Fügezeiten (< 1s) mit einer hervorragenden Festigkeit.

Die Technologie macht es möglich:

• Fügungen unterschiedlichster und gleichartiger Materialien durchzuführen,
• Hybridverbindungen zu erstellen und
• Thermoplasten und thermoplastischen Verbundwerkstoffen (CFK, GFK) ohne Vorbehandlung oder Aktivierung der Oberflächen zu fügen. 

Sollen zwei Bauteile materialschonend, thermosensitiv, spannungsarm und dazu noch schnell gefügt werden, ist die Wahl der richtigen Fügetechnologie entscheidend. Der Einsatz von RMS bietet dafür die Lösung. Metalle, Keramiken, Halbleiter, Diamant und Polymere lassen sich mit dieser Methode wirkungsvoll verbinden.

Bei der am Fraunhofer IWS Dresden entwickelten Methode wird zwischen die beiden zu fügenden Bauteile ein reaktives Multischichtsystem (RMS) eingelegt. Anschließend wird der komplette Fügeaufbau mit Druck beaufschlagt und durch einen elektrischen Impuls oder einem Laserpuls die RMS-Reaktion initiiert. Durch die Aktivierung des RMS wird eine chemische Reaktion in Gang gesetzt, bei der kurzzeitig und lokal begrenzt Energie in Form von Wärme freigesetzt wird, wodurch bei geeigneter Wahl des RMS-Typs eine feste Verbindung der Bauteile entsteht. Für thermoplastische Kunststoffe erfolgt ein direktes Aufschmelzen der Fügepartner, wodurch eine Verbindung der eingesetzten Materialien relativ leicht erreicht werden kann, ohne dass Vorbehandlungen durchgeführt oder Benetzungsschichten eingebracht werden müssen. Für höherschmelzende Werkstoffe sind Lotschichten und eventuell auch Benetzungsschichten notwendig, da ein direktes Aufschmelzen des Grundmaterials nicht möglich ist. Die bei der Reaktion freiwerdende Energie wird in diesem Fall zum Aufschmelzen des Lotes und damit zur Initiierung des Lötprozesses genutzt.

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. Die Lösung bieten die RMS.

Mittels der Simulationssoftware COMSOL Multiphysics^® kann ein RMS-Fügeprozess vor der praktischen Umsetzung durchgeführt werden, um spezifische Aussagen zum Aufbau der RMS und der Bauteile zu erlangen. Dazu wird der Versuchsaufbau in der Software nach- und eine RMS-Reaktion abgebildet. Die dafür benötigten RMS-Eigenschaften Enthalpie und Reaktionsfrontgeschwindigkeit werden als Eingangsgrößen bestimmt und in das Modell eingebunden. Schlussendlich können Aussagen zur Temperaturverteilung in der Fügezone und im Bauteil, der Wärmeeindringtiefe, sowie zum RMS-Design im Vorfeld getroffen werden, ohne ein aufwendiges Trial and Error Prinzip durchführen zu müssen. Dies erspart Zeit und Kosten.