OPTOMAT

Problemstellung
Mikrotechnische und feinwerktechnische Bauteile für Elektronik, Sensorik und Medizintechnik sind häufig aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt. Diese Werkstoffe werden nach ihren spezifischen Eigenschaften ausgewählt, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, mechanische Steifigkeit, optische Eigenschaften oder Bearbeitbarkeit für Mikrobauteile. Diese Eigenschaften erfüllen meistens nicht alle Anforderungen, die an das Bauteil gestellt werden. Eine Kontaktfeder zum Beispiel soll idealerweise die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer und die mechanischen Eigenschaften einer Stahlfeder haben. Um unterschiedliche Eigenschaften verschiedener Werkstoffe zu einer optimalen Funktionalität des Bauteils zu vereinigen, müssen diese durch geeignete Fügetechniken miteinander verbunden werden.
Die Laserstrahlfügeverfahren Schweißen und Löten bieten generell die Möglichkeit, in einer automatisierten Fertigung Materialkombinationen zu bearbeiten.

Projektziele
Das Ziel des Projektes war es, entsprechende Prozessparameter für die Laserbearbeitung von Mikrobauteilen zu erarbeiten und eine Verfahrens- und Maschinentechnik zur Kombination unterschiedlicher Werkstoffe in einem Bauteil zu entwickeln, damit es möglich ist, Mikrobauteile aus artungleichen Materialien für Elektronik, Sensorik, Mikrooptik und Medizintechnik schneller und mit höherer Funktionalität herzustellen.

Ergebnisse
Die Lasertechnik wurde sowohl zum Fügen als auch zur Strukturierung der Einzelkomponenten eingesetzt. Hierfür werden die spezifischen Eigenschaften der Laserstrahlung genutzt: Die hohe lokale Energiedeposition ermöglicht die Entstehung von Nichtgleichgewichtslegierungen. Durch die Anpassung der Laserwellenlänge an die optischen Eigenschaften der zu fügenden Werkstoffe konnten "unsichtbarer" Nähte z.B. beim Kunststoffschweißen erzielt werden. Die minimale Fokusgeometrie erlaubt eine gezielte Strukturierung der Bauteile zur Vorbehandlung bei formschlüssigen Verbindungen sowie eine stoffschlüssig Verbindung auch von Bauteile mit Dimensionen < 100 µm. Wegen der geringen energetischen Gesamtbelastung des Bauteils entstehen nur geringe Verzüge.
Entwickelt wurden:
- Laserfügeverfahren für ungleiche Werkstoffe mit niedrigem Energieeintrag
- Miniatur-Hybridschweißverfahren mit konventioneller Technik und Laserverfahren
- Mikrofügeverfahren unter Einsatz von dünnen Beschichtungen für anschließendes Laserbonding bzw. Lasermikrolöten
- geeignete Maschinentechnik zum hochpräzisen Fügen feinwerk- und mikrotechnischer Bauteile
- Kriterien für Geometrien, die für den Fügeprozess an Bauteilen aus artungleichen Werkstoffen geeignet sind.

Für die Untersuchung der Fügeverfahren wurden repräsentative Werkstoffpaarungen ausgesucht, darunter die Kombination eines federharten Werkstoffes mit einem gut leitfähigen Werkstoff, die Kombination eines Halbleiter-Materials mit einem optischen bzw. mechanisch einsetzbaren Werkstoff und die Kombination von Polymeren mit Metall.

Anwendungspotenzial
Aufgrund dieser Ergebnisse können Mikrobauteile weiter verkleinert und ihre Funktionalität erhöht werden. Damit wird der Bereich der Mikrotechnologien in Deutschland gestärkt und auf neue Anwendungsbereiche erweitert. In Verbindung mit der gerade bei kleinen und mittelständischen Unternehmen verbreiteten konventionellen Verfahrenstechnik für die Herstellung von Mikrokomponenten eröffnen die gewonnenen Ergebnisse neue Perspektiven und Möglichkeiten. Damit können auch in Zukunft wettbewerbsfä
hige Produkte auf Basis der Mikrosystem- und Feinwerktechnik hergestellt werden.

Optische Technologien zur Herstellung mikrotechnischer Produkte aus artungleichen Materialien

Autor: Olowinsky, A.; Wagner, F.; Ramsayer, R.; Hohenberger, B.; Hilneder, S.; Studt, A.; Honsel, C.; Papperitz, A.; Lepin, E.; Wolf, E.; Hanebuth, H.; Klages, K.

Verlag: Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Aachen

Erscheinungsjahr: 2006

Beschreibung: Im Forschungsvorhaben Optische Technologien zur Herstellung mikrotechnischer Produkte aus artungleichen Materialien OPTOMAT wurden Fügeprozesse ungleicher Werkstoffe mit Laserstrahlung für die Mikrotechnik entwickelt. Verschiedene Werkstoffpaarungen, Stoßgeometrien und Zusatzwerkstoffe sind auf ihre Schweißbarkeit untersucht worden. Im Allgemeinen sind beim Nahtschweißen bessere Ergebnisse zu erzielen als beim Punktschweißen. Die Stoßgeometrie hat ebenfalls Einfluss auf Schweißbarkeit: So ist die Rissbildung im Überlappstoß Stahl-Kupfer abhängig von der Dicke des oberen Werkstücks. Auch werden im Parallelstoß weniger Risse beobachtet als im Überlappstoß. Die Werkstoffpaarung Titan-Stahl lässt sich nur bedingt mit Laserstrahlung schweißen. Wird Vanadium als Zusatzwerkstoff verwendet, wird die Schweißbarkeit verbessert. Die Simulation des Schweißprozesses ungleicher Metalle wurde im Rahmen einer FEM-Simulation durch eine zeitlich und räumlich veränderbare Energie-quelle realisiert. Die Größe der Energiequelle skaliert innerhalb der Simulation mit Ergebnis des vorherigen Rechenschritts. Die Ergebnisse dieses Modells konnten durch Schweißversuche erfolgreich verifiziert werden, sodass Schweißverbindungen ungleicher Metalle durch Simulation analysiert und modifiziert werden können. In einem breiten Werkstoff- und Anwendungsspektrum konnten Grundlagen erarbeitet werden, so dass in vielen Anwendungen ein Ersatz formschlüssiger Verbindungen durch Laserstrahl-Mikroschweißen möglich ist.. Weiterhin wurde im Rahmen des Projektes eine serientaugliche Lötanlage mit Prozessüberwachung und Positionskontrolle entwickelt, die erfolgreich im Markt platziert werden konnte. Die Broschüre ist als pdf-Dokument beim Koordinator des Projekts, Dr. Alexander Olowinsky, Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Steinbachstr. 15, D-52074 Aachen erhältlich.