Kann sauerstofffreie Produktion die Oxidation beim Löten und 3D-Druck reduzieren?

Metallverarbeitung und Sauerstoff sind wie Katz und Maus und vertragen sich nicht besonders. Sauerstoff ist ein wesentlicher Störfaktor in der Verarbeitung, denn er sorgt für das Entstehen von Oxidschichten. Diese wiederum mindern die Qualität eines Werkstückes und führen zu schnellerem Verschleiß. Was aber, wenn man den Sauerstoff ausschließen könnte? Sorgt eine sauerstofffreie Umgebung für bessere Ergebnisse und für langfristige Abhilfe? Das Laser Zentrum Hannover (LZH) wollte es herausfinden und so konzentrierte sich der Sonderforschungsbereich 1368 auf „Sauerstofffreie Produktion – Prozesse und Wirkzonen in sauerstofffreier Atmosphäre zur Entwicklung zukunftsfähiger Produktionstechniken und Fertigungsverfahren“. Dieser Sonderforschungsbereich setzt sich aus Forschern verschiedener Einrichtungen zusammen. Neben dem LZH sind Institute der Leibniz Universität Hannover, der Technischen Universität Clausthal und der Universität Paderborn beteiligt.

Der Sonderforschungsbereich 1368 will sich näher mit der sauerstofffreien Produktion beschäftigen und feststellen, wie 3D-Druck und Löten ohne Oxidation gelingen können. Die Forscher nutzen eine innovative Methode, um das Problem der Oxidation anzugehen. Während des Werkprozesses fügen sie der Produktionsumgebung Argon-Schutzgas mit einem geringen Anteil an Silan hinzu. Das Silan reagiert mit dem Sauerstoff der Umgebung und sorgt für eine XHV-adäquate Atmosphäre. Diese weist dann einen sehr geringen Sauerstoffgehalt auf und kommt einem extrem hohen Vakuum nahe. Der Ausschluss von Sauerstoff ist wesentlich wirtschaftlicher als die Schaffung eines technischen Vakuums und könnte die Gesamtkosten der Produktion minimieren. Die Forschungsgruppe testete den Ansatz des Sauerstoffausschlusses in der Produktion und teilte sich dazu in zwei Untergruppen auf. Eine Forschungsgruppe konzentrierte sich auf Löten ohne Sauerstoff und die andere auf additive Fertigung.

Bild: LZH

Beim Löten kommt normalerweise ein Flussmittel zum Einsatz, das dazu dient, die Oxidschicht der Materialoberfläche aufzubrechen und das Metall dazu zwingt, mit dem Lot zu reagieren. Im neuen Ansatz der Sonderforschungsgruppe 1368 „Sauerstofffreie Produktion“ wird von Flussmitteln Abstand genommen. Diese sind gesundheitsschädlich und wirken sich auch negativ auf di Umwelt aus. Die LZH-Forscher brechen die Oxidschicht stattdessen mit einer cw-gepulserten Laserstrahlquelle auf und der Lötprozess findet dann unter Silan-Atmosphäre mit dieser cw-Laserstrahlung statt. Die Atmosphäre ohne Sauerstoff stellt sicher, dass die Oberfläche zwischen den Prozessschritten nicht oxidiert. Die Forscher stellten fest, dass mit ihrer Methode die Möglichkeit besteht, die Oxidschichten auf Aluminiumlegierungen dauerhaft zu entfernen. Im nächsten Schritt konzentrieren sich die Forscher darauf, ihren Ansatz auch für herausfordernde Verbindungen zu testen und die Grenzen ihres Ansatzes zu erörtern.

Die zweite Teilgruppe der Forscher konzentrierte sich darauf, herauszufinden, wie die additive Fertigung vom Ansatz des Sauerstoffausschlusses profitieren könnte. Im Fokus stand dabei das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen. Ziel war es, festzustellen, wie sich das Pulver beim LPBF in einer sauerstofffreien Atmosphäre verarbeiten lässt und wie sich das Prozedere auf die Qualität der Teile auswirkt. Um den Ansatz zu testen, entwickelten sie zunächst eine eigene Druckanalage. Dann wurde der Vorgang mit einer Titanlegierung Ti-6AI-4V getestet. Eine Hochgeschwindigkeitskamera überwachte den Prozess und erlaubte es den Forschern, den Prozess besser zu verstehen und den Einfluss von Sauerstoff auf den Prozess festzustellen. Die ausgehende These lautete, dass die Abwesenheit von Sauerstoff zu einem stabilen Prozess führe und es zu weniger Spritzern und besseren Bauteileigenschaften komme. Diese Annahmen konnten bestätigt werden, denn es hat sich gezeigt, dass weniger Spritzer auftraten, diese weniger stark oxidierten und das Pulver dadurch weniger Degradierung erlitt. In weiterer Folge soll nun die Feuchtigkeit in der Atmosphäre und im Pulver gegen Null reduziert werden. Der Prozess und die Qualität der Bauteile könnten so zusätzlich verbessert werden.

Bild: DMG Mori

Die ersten Ergebnis wurden in einer Presseaussendung vom 24.01. kommuniziert und sind äußerst vielversprechend. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft unterstützt den Sonderforschungsbereich in einer zweiten Förderperiode bis Ende 2027 mit rund 10,5 Million Euro. Mehr dazu finden Sie HIER.

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*Titelbildnachweis: LZH