Forschungsbericht

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1 Forschungsbericht

2 Impressum: Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH Verantwortlich für den Inhalt: Dr.-Ing. Sabine Sändig Konzept & Umsetzung: Liebscher GbR, Jena Druck: blau Druck, Gera

3 Forschungsbericht Die Inhalte Forschung braucht Kooperation 4 Das ifw 20 Jahre erfolgreiche Forschung in der Praxis 6 Leistungsangebote der ifw-abteilungen 9 Ausgewählte Forschungs- und Entwicklungsergebnisse 17 Laufende Forschungsvorhaben 29 Kontakte und Ansprechpartner 35 3

4 DAS INSTITUTS-PROFIL Forschung braucht Kooperation Wissenschaft braucht Zusammenarbeit, in der sich das Wissen des einen durch die Entdeckung des anderen bereichert. Diese Überzeugung des Philosophen José Ortega y Gasset gilt heute mehr denn je. Standorte wie der Wirtschafts- und Wissenschaftsstandort Jena bieten ideale Voraussetzungen für interdisziplinäre Kooperationen. In Thüringen wird Grundlagen- und angewandte Forschung auf Spitzenniveau betrieben; besteht ein reger Austausch zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Regionale Netzwerke bieten überdurchschnittlich viele Kontakte und Partner, um an Herausforderungen unterschiedlichster Art heranzugehen und auf der Basis neuester Forschungsergebnisse gemeinsam marktfähige Produkte zu entwickeln. Dabei zeichnet sich der Standort Jena spätestens seit der erfolgreichen Zusammenarbeit von Ernst Abbe, Carl Zeiss und Otto Schott, die gemeinsam die Fertigung optischer Gläser und Instrumente revolutionierten und damit wiederum bahnbrechende Forschungen in der Biologie und der Medizin ermöglichten, durch eine stark Wert schöpfende Orientierung in der Forschung und Entwicklung aus. Dieser Tradition hat sich auch das Jenaer Günter- Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH verpflichtet. Als gemeinnützige externe Industrieforschungseinrichtung sieht sich das ifw als Partner der Wirtschaft und insbesondere des technologieorientierten Mittelstands Thüringens, ganz gleich ob in traditionellen Branchen wie der optischen Industrie, der Glas- und Keramikindustrie, dem Maschinen- und Werkzeugbau, dem Stahl- und Metallbau oder aber jungen Branchen Thüringens wie der Kunststoffbranche, der Medizintechnik, der Mikrotechnik oder der Energie- und Umwelttechnik. Überall wo fügetechnische Fragestellungen stehen, suchen die Wissenschaftler und Techniker des ifw nach praxisorientierten Lösungen. Dabei stellen sich die Mitarbeiter ganz bewusst der Herausforderung, Forschungsergebnisse gemeinsam mit den Partnern rasch und marktorientiert umzusetzen. Infolge eines ausgewogenen Mix aus Technologie, Werkstoff- und Anwendungskompetenz hat sich das ifw Jena in den 20 Jahren seines Bestehens zu einem anerkannten Institut der anwendungsorientierten Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Geschäftsführer Dr.-Ing. Sabine Sändig Fügetechnik und Werkstofftechnik entwickelt und ist heute ein fester Bestandteil der Thüringer Forschungslandschaft. Kompetenzbereiche des ifw sind: die LASERTECHNIK mit der Ausrichtung auf die Lasermaterialbearbeitung einschließlich lasergestützter Fügeverfahren sowie die Wasserstrahl-Trenntechnik, die FÜGETECHNIK mit den Hauptarbeitsgebieten Diffusionsschweißen, Löten, Wärmebehandeln und Kleben, die MIKROTECHNIK mit den Schwerpunkten Aufbau- und Verbindungstechnik, Dünnschichttechnik und Mikrostrukturierung sowie Entwicklung von Komponenten und Technologien für die IR- und Drucksensorik, die SCHWEISSTECHNIK in den Bereichen schweißtechnische Forschung, Werkstoff- und Bauteilprüfung, Bauprüfung, Bauüberwachung, Qualitätssicherung sowie Aus- und Weiterbildung in der Schweißtechnik nach europäischen und international anerkannten Richtlinien. Gerade in der Fügetechnik sind Forschung und Anwendung aufs Engste miteinander verflochten. Sie kann nicht losgelöst von der Fertigungstechnik und den technologischen Abläufen im Unternehmen betrachtet werden. Das Angebot des ifw umfasst daher die unternehmensbezogene Technologie- und Verfahrensberatung, eine zielorientierte Forschung und Entwicklung, die Erarbeitung von Anlagenkonzepten und Pilotlösungen bis hin zu deren Implementierung im Unternehmen 4

5 einschließlich der Schulung der Mitarbeiter. Eine der Stärken ist dabei die gute Vernetzung der verschiedenen füge- und werkstofftechnischen Disziplinen am ifw, die gerade bei prozess- und branchenübergreifenden Aufgabenstellungen zum Tragen kommt. Auf Wunsch werden ergänzende Dienstleistungen wie Patentrecherchen, Wettbewerbsvergleiche, die Vorbereitung von Zulassungsverfahren oder die Begleitung der Produktionseinführung und Serienfertigung angeboten. Außerdem hält das ifw ein breites Leistungsspektrum in den Bereichen Analytik, Werkstoffprüfung und Qualitäts- und Sicherheitsmanagement vor. So werden im durch das DAP akkreditierten Prüflabor neben der Begleitung von Prüfaufgaben für Forschungsthemen auch Kundenaufträge zur Untersuchung von Schadensfällen, zur Bestimmung von mechanisch-technologischen Parametern, zu analytischen Untersuchungen und zur Zerstörungsfreien Prüfung durchgeführt. Als korporatives Mitglied des DVS ZERT e. V. stellen wir geeignete und qualifizierte Mitarbeiter als Auditoren zur Zertifizierung von Qualitätsmanagementsystemen auf der Basis des Normenwerkes DIN EN ISO 9001:2008 bereit. Gegenwärtig werden 45 Firmen durch Auditoren des ifw betreut. Wissensvorsprung durch Weiterbildung. Der Unternehmensstrategie des ifw liegt die enge Verflechtung der Profillinien Forschung, Dienstleistung sowie Ausund Weiterbildung zugrunde. Das ifw bietet daher auch ein umfangreiches Angebot an Aus- und Weiterbildungsprogrammen. Diese sind vordergründig darauf gerichtet, aktuelle Kenntnisse aus der Forschung an die Teilnehmer der Fortbildungsveranstaltungen, die vornehmlich aus der mittelständischen Industrie kommen, zu vermitteln. Neben der klassischen Ausund Weiterbildung von Schweißern und schweißtechnischem Personal nach den Richtlinien des Deutschen Verbandes für Schweißen und verwandte Verfahren e. V. (DVS) und der Europäischen und Internationalen Verbände (EWF, IIW) werden kundenspezifische Lehrgänge, Seminare und Workshops auf den Spezialgebieten Mikrotechnik, Fügetechnik, Laser- und Wasserstrahltechnik erarbeitet und angeboten. Unsere Angebote sind im jährlich aktualisierten Bildungsführer zusammengefasst bzw. können auch auf den Internetseiten des Institutes abgerufen werden. Ein wichtiges Ziel des ifw ist es, einen Beitrag bei der bedarfsgerechten Aus- und Fortbildung von Fachleuten, vornehmlich regionaler Unternehmen und Einrichtungen, zu leisten. Die enge Zusammenarbeit mit Universitäten und Hochschulen, insbesondere mit der Friedrich-Schiller-Universität und der Fachhochschule Jena, der größten Fachhochschule des Freistaates Thüringen, schlägt sich nicht nur in gemeinsamer Forschungsarbeit nieder, sondern bindet die Mitarbeiter des ifw auch in die Aus- und Weiterbildung von Studenten ein. Neben der Möglichkeit zur Erstellung von Diplom-, Bachelor- und Masterarbeiten, der Durchführung von Praktika bieten wir den Studenten der FH Jena unter anderem die Möglichkeit, begleitend im Zusatzstudium den Abschluss als Laserstrahlfachkraft zu erwerben. Die Anerkennung als An-Institut der Fachhochschule Jena im Jahr 2005 unterstreicht die wissenschaftliche Kompetenz des Günter-Köhler-Instituts für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH. Über 70% unserer Mitarbeiter haben eine akademische Ausbildung und arbeiten aktiv in vielfältigen Fachgremien u.a. des DVS, der DKG oder der DGZfP. Gegenwärtig engagieren sich am ifw täglich mehr als 50 Ingenieure, Techniker und Facharbeiter für ein perfektes Zusammenspiel der Aufgabenfelder Forschung, Applikation / Beratung, Dienstleistung / Fertigung und Bildung. Vertraulichkeit und Zuverlässigkeit sind dabei oberste Unternehmensprinzipien. Mit folgenden Worten von Carl Friedrich von Weizäcker möchte ich Sie zur Kooperation einladen: Die großen Fortschritte in der Wissenschaft beruhen oft, vielleicht stets, darauf, dass man eine zuvor gestellte Frage doch, und zwar mit Erfolg, stellt. Denn Forschung braucht Kooperation. Fordern Sie uns mit Ihren Fragen heraus. Wir freuen uns darauf, genau Ihre Lösung zu finden. DAS INSTITUTS-PROFIL 5

6 DIE FIRMENGESCHICHTE Das ifw 20 Jahre erfolgreiche Forschung für die Praxis Chronologie des ifw Meilensteine Die beiden ifw-firmengebäude in der Lichstadt Jena. Juli 1991 Januar 1992 März 1992 Dezember 1992 Oktober 1995 Juni 1998 August 1998 Juli 2004 April 2005 Oktober 2006 August 2007 Juni 2008 Januar 2010 Dezember 2010 März 2011 Mai 2011 Gründung des ifw als Außenstelle der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt (SLV) Halle des DVS Gründung des ifw als gemeinnützige Gesellschaft (g) GmbH im DVS Anerkannte Schweißtechnische Bildungsstätte des DVS Anerkennung als Stelle für Metallbauten im bauaufsichtlichen Bereich Einzug in das neue Firmengebäude in der Otto-Schott-Straße 13 Übernahme des Bauelementelabors der JENOPTIK AG und Integration als Abteilung Eröffnung des Applikationszentrums für Mikrotechnik Erstmalige Akkreditierung des Werkstoffprüflabors Fusion mit dem Bildungs- und Innovationszentrum Meuselwitz (g) GmbH (MBZ) Unterzeichnung des Kooperationsvertrages zwischen dem ifw und der FH Jena Festveranstaltung zum 15-jährigen Bestehen und Verleihung des Namens Günter-Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung durch die Gesellschafter Verabschiedung von Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Köhler in den Ruhestand und Berufung von Dr.-Ing. Sabine Sändig zum Geschäftsführer des ifw Gründung der ifw optronics GmbH als 100%ige Tochtergesellschaft des ifw Gründung der ifw MeuselwitzerBildungsZentrum (g)gmbh als 100%ige Tochtergesellschaft des ifw Erweiterung des Leistungsprofils um das Technologiefeld Laserkurzpulsbearbeitung Erweiterung der ifw optronics GmbH um das Geschäftsfeld Lasertechnik und Inbetriebnahme neuer Labor- und Fertigungskapazitäten Erweiterung des Leistungsprofils um das Technologiefeld Generative Fertigung Laserstrahlschmelzen 6

7 20 Jahre ifw: Das bedeutet 20 Jahre erfolgreiche angewandte fügetechnische Forschung Forschung in Thüringen. Das bedeutet aber auch 20 Jahre gelungener Verknüpfung zwischen Wissenschaft und Wirtschaft. Damals wie heute hat sich das ifw zum Ziel gesetzt, Ideen und Forschungsergebnisse rasch und marktorientiert umzusetzen und seinen Kunden individuelle Lösungen für ganz konkrete fügetechnische Probleme und Fragestellungen zu bieten. Mit diesem Anspruch konnte sich das ifw seit seiner Gründung 1991 zu einem anerkannten Partner für die mittelständische Wirtschaft im Freistaat Thüringen und über die Landesgrenzen hinaus entwickeln. Heute ist das ifw die größte wirtschaftsnahe Forschungseinrichtung auf dem Gebiet der Fügetechnik / Fertigungstechnik in Thüringen und ist für Industriepartner nahezu aller Branchen und Unternehmensgrößen tätig. 20 Jahre ifw: Anlass gemeinsam zurückzuschauen. Das Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung im Deutschen Verband für Schweißtechnik e. V. wurde 1991 auf Initiative von Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Köhler gegründet. Die Gründung des damals noch als Außenstelle der Schweißtechnischen Lehr- und Versuchsanstalt Halle (ehemals ZIS Halle) firmierenden Institutes fand am 5. Juli 1991 in den Räumen des Technischen Institutes der Friedrich- Schiller-Universität Jena statt. Sie fiel in eine Zeit gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Umbrüche. Die Friedrich-Schiller-Universität Jena stellte die Ausbildung von Diplomingenieuren ein. Damit endete zunächst die bewährte Wechselwirkung zwischen Lehre und Forschung und der Industrie in Jena. Die Mitarbeiter des Lehrstuhles Fügetechnik der Sektion Technologie für den Wissenschaftlichen Gerätebau waren jedoch überzeugt vom Wiedererstehen der Traditionen von Zeiss, Schott und Abbe an dem traditionsreichen Standort und führten die Arbeit im neu gegründeten Institut fort. Es zeigte sich schnell, dass für eine solche fachliche Orientierung am Standort Jena eine gute Basis gegeben war. Die traditionsreiche Industrie der Feinmechanik / Optik mit ihrem hervorragenden Potenzial an Fachkräften bot und bietet noch heute vielfältige Möglichkeiten der Zusammenarbeit. Aus strukturellen und inhaltlichen Gründen machte sich die Gründung einer selbständigen Einheit in Form einer gemeinnützigen GmbH erforderlich. Beginnend mit 7 Mitarbeitern im Jahr 1991 sind im ifw und seinen beiden Tochterunternehmen heute rd. 80 vollzeitbeschäftigte Mitarbeiter tätig und bearbeiten ein breites fachliches Spektrum. Seit der Gründung des ifw wird von der Geschäftsführung eine klare Orientierung zur Verwertung der wissenschaftlichen Ergebnisse und Erfahrungen verfolgt. So konnten in den vergangenen Jahren mehr als 300 Forschungsthemen zu Problemen der Fügetechnik erfolgreich bearbeitet werden und rd Teilnehmer ihre schweißtechnische Weiterbildung am ifw mit Erfolg abschließen. Um den Erfordernissen der Fachkräfteentwicklung Rechnung zu tragen, wurde das inhaltliche Profil des ifw auf eine stärkere Verknüpfung zwischen Forschung und Bildung ausgerichtet. Dies fand 2004 seinen Niederschlag in der Verschmelzung mit dem MBZ Bildungs- und Innovationszentrum Meuselwitz. Ziel der Zusammenführung beider Einrichtungen war die Realisierung einer noch engeren Verbindung von wirtschaftsnaher Forschung und deren zeitnaher Widerspiegelung in arbeitsmarktorientierten Angeboten der Aus- und Weiterbildung. Hierbei konnte eine vertrauensvolle Zusammenarbeit mit der IHK Industrie- und Handelskammer Ostthüringen zu Gera, der Handwerkskammer für Ostthüringen und der Kreishandwerkerschaft Altenburger Land aufgebaut werden. Der Standort Meuselwitz wurde als Prüfungswerkstatt der IHK anerkannt und eine Vielzahl von Mitarbeitern in die Prüfungsausschüsse der IHK berufen. Die bestehende enge kooperative Zusammenarbeit mit der FH Jena wurde zielgerichtet ausgebaut und 2005 durch die Verleihung des Status eines An-Institutes ein wesentlicher Schritt zur weiteren Ausrichtung des Unternehmens erreicht. Mit dem erreichten Entwicklungsstand in den Profillinien Forschung, Dienstleistung, Bildung und den im nationalen und internationalen Rahmen DIE FIRMENGESCHICHTE 7

8 DIE FIRMENGESCHICHTE realisierten Arbeitsergebnissen gehört das ifw heute zu den anerkannten gemeinnützigen Industrieforschungseinrichtungen Deutschlands. Anlässlich der Festveranstaltung zum 15-jährigen Bestehen am 6. Oktober 2006 wurde das Institut nach dem Gründer und langjährigen Geschäftsführenden Direktor Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Köhler benannt, der damit durch die Gesellschafter für sein Lebenswerk geehrt wurde. unterstützen, Markttrends frühzeitig zu identifizieren, in Entwicklungen aufzugreifen und erfolgreich im Unternehmen und in seiner Produktpalette zu integrieren. Am 1. August 2007 vollzog sich ein Wechsel in der Geschäftsführung des Institutes. Prof. Dr.-Ing. habil. Günter Köhler beendete altersbedingt seine erfolgreiche Tätigkeit als Geschäftsführender Direktor. Die Leitung der Einrichtung wurde durch die Gesellschafter an Frau Dr.-Ing. Sabine Sändig übergeben. In deren Verantwortung wurde die erfolgreiche, inhaltliche Arbeit zielstrebig fortgeführt und das Leistungsprofil des ifw um neue zukunftsträchtige Technologiefelder erweitert. Die Kundenorientierung des Instituts zeigt sich nicht zuletzt in der Ausgründung mehrerer Unternehmen. So kann das ifw in seiner 20-jährigen Firmengeschichte bereits auf die Gründung von zehn Firmen mit rund 230 Arbeitsplätzen verweisen. Jüngste Beispiele sind die beiden 100%-igen Tochterunternehmen die ifw optronics GmbH und die im Januar 2010 gegründete ifw MeuselwitzerBildungs- Zentrum (g) GmbH. Hauptgeschäftsfeld des im Juni 2008 aus der Abteilung Bauelemente des Institutes hervorgegangenen Spin-off-Unternehmens ifw optronics GmbH war zunächst die Entwicklung und Fertigung opto-elektronischer Sensoren. Aufgabe des Tochterunternehmens war und ist es, die bisherigen Produkte für das Institut exklusiv weiterzuentwickeln und weltweit zu vermarkten. In der konsequenten Folge wurde das Portfolio der ifw optronics GmbH 2011 um das Geschäftsfeld Lasertechnik erweitert und neue Laborund Fertigungskapazitäten in Betrieb genommen. Die Nähe zum Institut und zur Forschung wird zu beiderseitigem Nutzen aufrechterhalten. So wird das ifw seine Ausgründung als Forschungspartner dabei 8

9 Die Leistungsangebote der ifw-abteilungen

10 ABTEILUNG SCHWEISSTECHNIK Leistungsangebot Schweißtechnik Abteilung Schweißtechnik, Herr J. Vester Otto-Schott-Str Jena Telefon Fax Bild 1: Sinusbogenbrücke in Oberhausen Bild 2: WIG Hochstromschweißen Bild 3: Schweißerausbildung 1. Schweißtechnische Forschung Verarbeitung höchstfester Feinkornbaustähle für den Stahl-, Maschinen- und Anlagenbau Verarbeitung höherfester Stähle für den Fahrzeugbau Moderne Fügetechnologien für niedrigund hochlegierte Stähle Lichtbogenlöten Messtechnische Verfahren Mikroplasmaschweißen Versuchsschweißungen zur Verfahrens- und Werkstoffqualifizierung von manuellen und vollmechanisierten Schweißprozessen 2. Stelle für Metallbauten im bauaufsichtlichen Bereich Erteilung von Herstellerqualifikationen der Klassen B bis E nach DIN :2008 (Stahlbauten Ausführung und Herstellerqualifikation) Erteilung von Eignungsnachweisen nach DIN EN ISO (Schweißen von Betonstahl) Beratung und Schulung von Firmen und Schweißaufsichtspersonen Fremdüberwachung (Fertigung, Montage, Korrosionsschutz) von baulichen Anlagen (Stahl- und Metallbau, Stahlbrücken u.a.) 3. Qualitätsmanagement Zertifizierung von Qualitätsmanagementsystemen nach DIN EN ISO 9001:2008 und DIN EN ISO 3834:2006 im Auftrag von DVS ZERT e. V. Schulung von Personal und Beratung von Firmen zu Fragen des Qualitätsmanagements 4. Akkreditiertes Werkstoffprüflabor Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Zerstörende Werkstoffprüfung Analytik / Strukturuntersuchungen, physikalische Untersuchungen Materialuntersuchungen für Schweißverfahrensprüfungen Schadensfalluntersuchungen, Beschichtungsprüfungen, Beratungen Metallographie Computertomographie in Kooperation mit Fraunhofer IOF Jena 5. Schweißtechnische Ausbildung Durchführung von DVS-Lehrgängen gemäß Richtlinie DVS / IIW / EWF 1111 Gasschweißen Lichtbogenhandschweißen Metall-Schutzgasschweißen Stahl, CrNi-Stahl und Aluminium Wolfram-Inertgasschweißen Stahl, CrNi-Stahl und Aluminium Verlängerungsprüfungen nach DIN EN und DIN EN ISO Internationaler Schweißfachmann mit SLV-Halle Schulungen in praktischen und theoretischen Lehrgängen entsprechend Bildungsführer 10

11 Headline Leistungsangebot Werkstoffprüfung Werkstoffprüfung, Herr Dr. G. Horn Otto-Schott-Str Jena Telefon Fax DAR-Registriernummer DAP-PL Akkreditiertes Werkstoffprüflabor DIN EN ISO / IEC 17025:2005* ABTEILUNG FÜGETECHNIK ABTEILUNG SCHWEISSTECHNIK Bild 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme Transkristalliner Bruch Bild 2: Makroschliff einer Kehlnaht Bild 3: Mikrogefüge Deltaferrit im Schweißgut Bild 4: Spektralanalysegerät SPECTROMAXx 1. Zerstörende Materialprüfung Festigkeitsuntersuchungen 5 kn / 500 kn statisch / zyklisch Zug-, Druck- und Biegeprüfung Kerbschlagprüfung (150 J / 300 J) Härtemessung (Mikro-, Kleinlastund Makrohärte) Mobile Härtemessung Bauteilprüfung Mechanisch-technologische Prüfungen 2. Zerstörungsfreie Prüfung Visuelle Prüfung (mit Endoskop) VT Farbeindringprüfung PT Durchstrahlungsprüfung RT Computertomographie in Kooperation mit Fraunhofer IOF Jena Ultraschallprüfung UT US-Wanddickenmessung Hochauflösende bildgebende Ultraschallprüfung Leck- und Dichtheitsprüfung LT Schichtdickenmessung Delta-Ferrit-Messung Magnetpulverprüfung MT DIN EN ISO DIN EN ISO DIN EN ISO und DIN EN ISO Beschichtungsprüfung vor und nach Rekonstruktionsmaßnahmen 5. Nachbewertung von Durchstrahlungsfilmbildern 6. Analytik / Strukturuntersuchung Physikalische Untersuchungen Gefügeuntersuchungen, Metallographie Lichtmikroskopie Rasterelektronenmikroskopie / energiedispersive Elementanalyse Optische Emissionsspektroskopie (Fe-, Al-, Cu-, Mg-, Ni- und Ti-Basis) Korngrößenbestimmung Dilatometrie Differentialthermoanalyse / Thermogravimetrie Hochtemperaturmikroskopie Oberflächenprüfungen (Rauhigkeit, Topographie) 7. Abnahmeprüfzeugnisse 3.2 nach DIN EN Materialuntersuchungen für Schweißverfahrensprüfungen DVS 1702 HP 2 / 1 8. Schadensfalluntersuchungen 9. Beratung zu Werkstoffeinsatz und Materialprüfung * Anlage zur Akkreditierungsurkunde DAP-PL nach DIN EN ISO / IEC 17025:

12 ABTEILUNG LASERTECHNIK Leistungsangebot Lasertechnik Abteilung Lasertechnik, Herr Dr. H. Müller Otto-Schott-Str Jena Telefon Fax Bild1: Laserschweißen von Glas Bild 2: Glasrohr 3D-Wasserstrahlbearbeitung 1. Angewandte wirtschaftsnahe Forschung und Entwicklung Entwicklung und Anpassung von Laserverfahren zur Materialbearbeitung von der ersten Applikation bis zur Umsetzung beim Kunden Forschungsschwerpunkte: Laserbearbeitung nichtmetallischer Werkstoffe lasergestützte Fügeverfahren Oberflächenstrukturierung und -modifikation 2. Beratung, Erprobung, Verfahrensentwicklung Verfahrensentwicklung, Machbarkeitsstudien und Erprobung von Lasertechnologien Produktspezifische Maschinensystementwicklung und Integration von Laserverfahren in bestehende Anlagentechnik Beratung, Schulung und Praktika zur aktuellen Lasertechnik, Laserverfahren und Anwendungen Ultrakurzpulsbearbeitung Mikrostrukturierung Glasbearbeitung Feuerpolieren und Umschmelzen Maschinen- und Steuerungstechnik 5. Wasserstrahlbearbeitung Wasserstrahlabrasivschneiden bis 140 mm Dicke von Metallen, Gläsern, Keramiken und Natursteinen Wasserstrahlschneiden von Kunststoffen, Faserverbundstoffen, Elastomeren und Folien Schneiden von Verbundglasscheiben 3. Lohnfertigung Prototypen-, Muster- und Serienfertigung 2D- und 3D-Lasermaterialbearbeitung Wasserstrahlabrasivschneiden 4. Lasermaterialbearbeitung Laserschneiden Laserschweißen und Löten Präzisionsbohren, Perforieren, Abtragen Abschmelzen, Absprengen Beschriften, Markieren 12

13 Leistungsangebot Fügetechnik Abteilung Fügetechnik, Herr Dr. S. Jahn Otto-Schott-Str Jena Telefon Fax ABTEILUNG FÜGETECHNIK Bild 1+ 2: Hochtemperatur-Vakuumöfen Bild 3: Mischen hochviskoser Pasten 1. Forschung und Dienstleistung Durchführung von geförderten Forschungsvorhaben Bilaterale Machbarkeitsstudien und Auftragsforschung Technologische Beratung und Technologietransfer Übernahme von Applikationen bis zur Serienfertigung 2. Fügeverfahren Diffusionsschweißen (mit und ohne Zwischenschichten) Maximale Bauteilgröße 400 x 400 x 500 mm³, Tmax: 1500 C, Vakuum 10 5 mbar Ofenlöten (mit Hart-, Weich- und Hochtemperaturloten unter Vakuum, Schutzgas und normaler Atmosphäre) Maximale Bauteilgröße 400 x 400 x 500 mm³, Tmax: 1500 C, Vakuum 10 5 mbar Kleben (mit organischen und anorganischen Klebstoffen) - Modifizieren von Klebstoffen (u. a. dual asymmetrischer Zentrifugalmischer) - Erstellen von Klebstoffeigenschaftsprofilen - Kleben mit angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten - Hochtemperaturkleben mit anorganischen Klebstoffen (Einsatztemperatur > 1000 C) 3. Wärmebehandlungsverfahren Wärmebehandlung für Metalle, Gläser und Glaskeramiken im Vakuum und unter Schutzgas 4. Werkstoffe Metalle, Gläser, Keramiken, Glaskeramiken, Kunststoffe 5. Einsatzbereiche Applikationen für die Luft- und Raumfahrt Kühlsysteme und Werkzeugbau Vakuum- und Hochtemperaturtechnik Optische Komponenten Bio- und Medizintechnik Glasbau Mikro- und Sensorfertigung 6. Qualifizierung Praxisseminar Klebtechnik für Industrie und Handwerk Seminar Hochtemperaturfügen (AK Hochtemperaturfügen) Modul Kleben von Glas DVS Ausbildung Klebfachkraft Weiterbildung auf dem Gebiet der Fügetechnik Studentische Ausbildung (Praktika und studentische Arbeiten) 13

14 ABTEILUNG MIKROTECHNIK Leistungsangebot Mikrotechnik Abteilung Mikrotechnik, Herr Dr. T. Schroeter Otto-Schott-Str Jena Telefon Fax Bild 1: IR-Sensor auf Sockel Bild 2: TO-Kappe mit Saphir-Fenster Bild 3: Wafer mit IR-Sensorstrukturen 1. Bearbeitung von Forschungs- und Entwicklungsprojekten Entwicklung von Mikrostrukturkomponenten für die Mikrosystemtechnik und Mikrosensorik Dünnschichttechnik und Mikrostrukturierung Technologieentwicklung auf dem Gebiet thermisch basierter Substratbondverfahren Technologieentwicklung auf dem Gebiet des flussmittelfreien Weichlötens zum Verbinden und hermetischen Verschließen von Komponenten der Mikrosystemtechnik 2. Fertigung Beschleunigungssensoren und -schalter IR-Sensorchips (in Vorbereitung) Fertigungsschritte zur Herstellung piezoresistiver Drucksensoren Beschichtungsdienstleistungen (Sputtern, Elektronenstrahlbedampfen, LPCVD) Dienstleistungen zum flussmittelfreien Weichlöten Substratvereinzelung (Wafersäge) 3. Angewendete Technologien Anodisches und eutektisches Bonden Flussmittelfreies Weichlöten Fügeflächenvorbehandlung (chemische Reinigung, mechanisches Polieren) Dünnschichttechnik Fotolithographie Nasschemisches Ätzen und Trockenätzen 4. Dienstleistungen Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen zu den genannten Produkten und Technologien Fertigungsdienstleistungen Ausbildungskurse zur Mikrosystemtechnik 14

15 Leistungsangebot der ifw optronics GmbH Geschäftsfeld Bauelemente Herr P. Eisenhardt Otto-Schott-Str Jena Telefon Fax Geschäftsfeld Lasertechnik Herr Dr. H. Müller Otto-Schott-Str Jena Telefon Fax ifw OPTRONICS GMBH Geschäftsfeld Bauelemente Geschäftsfeld Lasertechnik 1. Produkte Photodioden auf Basis SiC, GaP und Si mit integrierter optischer und elektronischer Signalaufbereitung von UV NIR Emitterbaugruppen (Verbindungshalbleiter) zur Informationsdarstellung bzw. mit spezieller Strahlcharakteristik Verdrahtungsträger in Dickschichthybridtechnik 2. Produkt- / Verfahrensentwicklung sowie Dienstleistungen Entwicklung kundenspezifischer optoelektronischer Detektoren Entwicklung kundenspezifischer LED-Module Entwicklung und Fertigung von Verdrahtungsträgern in Dickschichthybridtechnik Aufbau- und Verbindungstechnik (Chipmontage, Bonden, SMD-Montage, Welding und Packaging), auch für extreme Einsatzbedingungen (UV-Strahlung) Beratung zu Einsatz und Applikation optoelektronischer Komponenten 1. Lasermaterialbearbeitung Laserschneiden Laserschweißen und Löten Präzisionsbohren, Perforieren, Abtragen Abschmelzen, Absprengen Beschriften, Markieren Ultrakurzpulsbearbeitung Mikrostrukturierung Glasbearbeitung Feuerpolieren und Umschmelzen Maschinen- und Steuerungstechnik Prototypen-, Muster- und Serienfertigung 2D- und 3D-Lasermaterialbearbeitung 2. Beratung, Erprobung, Verfahrens- und Systementwicklung Verfahrensentwicklung, Machbarkeitsstudien und Erprobung von Lasertechnologien Produktspezifische Maschinensystementwicklung und Integration von Laserverfahren in bestehende Anlagentechnik Beratung und Schulung zur Lasertechnik, Laserverfahren und Anwendungen Bild 1: Si-Detektoren Bild 2: Sic-Photodioden Bild 3: Ultrakurzpulslasersystem 15

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17 Ausgewählte Forschungs- und Entwicklungsergebnisse

18 ABTEILUNG SCHWEISSTECHNIK Werkstoff- und fügetechnische Analyse und Optimierung eines Reformers für Brennstoffzellenanwendungen Ansprechpartner: Dipl.-Ing.(FH) T. Ebersbach, Projektpartner: Zentrum für Brennstoffzellen Technik GmbH; Karl-Winnacker-Institut der Dechema e. V. Zuwendungsgeber: BMWi AiF FOSTA e. V. Projektnummer: 16118BG Bild 1: Makroschliff einer Laserstrahlschweißverbindung mit Zusatzwerkstoff am Bild 2: Angepasste Deckelgeometrie mittels Laserstrahlschweißprozess gefügt für die Untersuchung im Hochtemperaturkorrosionstest Bild 3: Metallographischer Querschliff am Grundwerkstoff des (austenitischer Grundwerkstoff mit Carbidausscheidungen) Aufgabe Ziel war es, die Lebensdauer eines Reformers durch die Anpassung der Fügetechnologie und des Werkstoff zu erhöhen. Für die Werkstoffe , , und wurden die Schweißparameter ermittelt und auf deren mechanisch-technologischen Eigenschaften hin geprüft. Durch einen abschließenden Dauerversuch, wurden die getroffenen Maßnahmen zur Erhöhung der Langzeitbeständigkeit überprüft. dass es nach 1000 h unter zyklischer Belastung zwischen C zu einem deutlichen Korrosionsangriff an allen Werkstoffen kommt. Für die weitere Optimierung der Konstruktion wurde das Verhalten des Reformersystems bei verschiedenen Temperaturen simuliert und entsprechend den Ergebnissen erfolgte die Anpassung der Deckelform. Ergebnisse Anhand von einer Schadensfallanalyse wurden die spezifischen Schädigungsmechanismen eines Reformers bei der Anwendung in einem Brennstoffzellensystem geklärt. Es erfolgte die Bestimmung der vorliegenden maximalen Temperaturen im Reformer mittels Thermoelementmessung. Anwendung Hauptanwendungsgebiet der erzielten Forschungsergebnisse sind kleine Brennkammersysteme, die hohen thermozyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind. Es können in Zukunft Systeme so konzeptioniert werden, dass ein möglichst hoher thermischer Wirkungsgrad vorliegt. Die Herstellung der Standardfügeverbindungen mit den Schweißverfahren Laserstrahl-, Plasma- und WIG- Schweißen wurde unter Beachtung der T-t-Führung durchgeführt. Diese Verbindungen wurden anhand des statischen Zugversuchs, metallographischen Untersuchungen und REM-Messungen charakterisiert. Eine weitere Bewertung der Schweißverbindungen unter realen Prozessbedingungen erfolgte im Hochtemperaturkorrosionstest. Die Ergebnisse zeigten, dass die Brennkammer zu einem verstärkten Korrosionsangriff infolge der dort vorliegenden Atmosphäre neigt. Des Weiteren konnte festgestellt werden, Das IGF-Vorhaben BG / 2 der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. FOSTA, Sohnstraße 65, Düsseldorf wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. 18

19 Thermisches Fügen von dünnwandigen Strukturbauteilen mit niedrig schmelzenden Zusatzwerkstoffen Ansprechpartner: Dipl.-Ing. (FH) T. Ebersbach, Projektpartner: Hochschule Lausitz (FH), Senftenberg Zuwendungsgeber: FOSTA e. V. Stiftung Stahlanwendnungsforschung Projektnummer: P777 / 05 / 2008 / S24 / / 07 ABTEILUNG SCHWEISSTECHNIK Bild 1: ZnAl4-Lot im gelöteten Zustand Bild 2: Makroschliff der Bördelnaht am Bild 3: Überlappnaht der Verbindung Dx56 + Z mit Bondal gelötet mit ZnAl4 Bild 4: Zugproben der VerbindungDX56 + Z + ZnAl4 nach 90 Zyklen im Salzsprühnebeltest Aufgabe Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung einer Technologie, die es ermöglicht, dünnwandige Strukturbauteile für die Automobilindustrie durch MIG-Löten mit Zinkbasisloten zu fügen. Der bei thermischen Fügeprozessen auftretende Zinkabbrand und der thermische Verzug soll auf ein Minimum reduziert werden, so dass bei Dünnblechverbindungen die Beschichtung erhalten bleibt. Ergebnisse Die durchgeführten Lötversuche an den Werkstoffen DX56+Z; Bondal; und wurden getestet und beurteilt. Als Zusatzwerkstoffe kamen Lote aus ZnAl4, ZnAl15 sowie ZnAl4Cu1,5 zur Anwendung. Die Verbindungen wurden als Überlapp- und als Bördelnähte ausgeführt und beurteilt. Die Fügeparameter wurden für die Blechstärken s = 0,5 bis 1,5 mm festgelegt. Im Rahmen der Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die Lichtbogenausbildung einen signifikanten Einfluss auf das Benetzungsverhalten hat. Durch die spezifische Regelung des Lichtbogens konnte die Benetzung auch an den hochlegierten Cr-Ni-Stählen gewährleistet werden. Der untersuchte Grundwerkstoff DX56D+Z konnte bis zu einer Blechdicke s =1,35 mm sicher unter Erhalt der Zinkschicht mit den Zinkbasisloten gefügt werden. Metallographische und korrosive Betrachtungen komplettierten die durchgeführten Untersuchungen. Die Lötverbindungen an den beschichteten Bauteilen führten zu keiner korrosiven Beeinträchtigung des Grundwerkstoffes. Die definierten Fügeparameter wurden zusammenfassend in einem Datenbanksystem dokumentiert. Anwendung Die Nutzung der entwickelten Fügetechnologie führt im Automobilbau zu einem geringeren Bauteilverzug sowie zu einer garantierten Korrosionsbeständigkeit. Da artgleiche bzw. artähnliche Verbindungen hergestellt werden, sind keine Entsorgungsprobleme zu erwarten. Durch den Einsatz der modernen Lichtbogenlöttechnik in Verbindung mit Zinkbasisloten wird der Mangel an anforderungsgerechten Fügetechnologien für elektrolytisch-schmelztauchverzinkten Werkstoffe beseitigt. Das Forschungsvorhaben P777 wurde von der Hochschule Lausitz (FH) und dem ifw Jena mit fachlicher Begleitung und finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. 19

20 ABTEILUNG LASERTECHNIK Entwicklung und Erprobung von dynamischen und hochempfindlichen Fasergittersensorsystemen Ansprechpartner: Dr.-Ing. H. Müller + Dipl.-Ing. (FH) J. Kammann, hmueller@ifw-jena.de Zuwendungsgeber: BMWi EuroNorm GmbH Projektnummer: VF Aufgabe Faser-Bragg-Gitter-Sensoren, welche sich erst seit ca. 10 Jahren in der Messtechnik etablieren, bieten gegenüber elektrischen Sensoren eine Reihe nicht verloren gehen und die Vorteile des Sensors voll ausgeschöpft werden können. Eine Anwendung, die dabei im Vordergrund steht, ist die Anwendung an einer Punktschweißzange, wie sie zum Beispiel sehr häufig in der Automobilindustrie vorkommt. Um den Punktschweißprozess zu überwachen oder regeln zu können, ist es notwendig, die Kraftinformation während des Fügens zu erfassen. Die Schwierigkeiten liegen vor allem in den großen hochfrequenten, elektromagnetischen Feldern, die die Messwerte von elektrischen Sensoren beeinflussen. Hier bieten optische Sensoren den Vorteil der Unempfindlichkeit. Montiertes FBG-Sensorgehäuse an Vorteilen, welche die Anwendung in rauen industriellen Umgebungen mit einer signifikant höheren Messsicherheit ermöglicht. Mit ihnen können sowohl Dehnungs- als auch Temperaturmesswerte hochdynamisch erfasst werden, ohne dass diese dabei einem Verschleiß unterliegen. Die Technologie beruht auf einem optischen Reflexionsgitter, das mit Hilfe eines UV Laser in die Faser eingeschrieben wird. Das daraus resultierende Bragg-Gitter stellt in Verbindung mit der Glasfaser das Sensorelement dar. Zur Auswertung der Messwerte spielt die Länge der Faser eine untergeordnete Rolle. Die hohe Empfindlichkeit resultiert aus dem Abstand und der hohen Anzahl der einzelnen Gitter. Die vielen Vorteile dieser Technik stehen leider im Gegensatz zum Preis. Momentan gilt ein einmalig applizierter Sensor nach seiner Verwendung als verloren. Das ist der Tatsache geschuldet, dass diese Sensoren entweder auf das beanspruchte Bauteil aufgeklebt oder eingebettet werden. Somit sind schnelle Tests an sich bewegenden oder schwingenden Anlagenteilen nur bedingt möglich bzw. werden gar nicht erst in Betracht gezogen. Ergebnisse Im Rahmen dieses Projektes wurde eine FBG-Sensorbaugruppe entwickelt, die eine einfache Adaptierung in wenigen Minuten an einem Bauteil ermöglicht. Auch das Auswechseln oder Umsetzen der Sensorbaugruppe gestaltet sich einfach und führt nicht zu einer Zerstörung der Faser oder des Sensors. Trotzdem kann der Sensor Schwingungen im Kilohertz-Bereich mit einer hohen Empfindlichkeit erfassen. Anwendung Die FBG-Sensorbaugruppen eignen sich überall da, wo starke magnetische Felder die Sensorsignale oder deren Weiterleitung negativ beeinflussen. Hierzu wurden Versuche an einer Punktschweißzange mit Schweißströmen von bis zu 7 ka erfolgreich durchgeführt. Das Forschungsvorhaben wurde durch das BMWi EuroNorm GmbH finanziell gefördert und begleitet. Ziel dieses Projektes ist es, mit der empfindlichen Faser eine Sensorbaugruppe zu generieren, die sich leicht montieren und zerstörungsfrei demontieren lässt, während die hochdynamischen Eigenschaften 20

21 Verbundprojekt: Entwicklung eines Verfahrens zum Laserbohren von Mikrofunktionsbohrungen für die Aktiventlüftung und Ausformunterstützung in komplexen Spritzgießwerkzeugen für die Verarbeitung von Kunststoffen, Keramiken und Verbundwerkstoffen Teilprojekt: Lasermikrobohren von Spritzgießwerkzeugen mit Nd:YAG-Laser zur Aktiventlüftung und Ausformunterstützung Ansprechpartner: Dr.-Ing. H. Müller + Dipl.-Ing. S. Wächter, hmueller@ifw-jena.de Zuwenungsgeber: Thüringer Aufbaubank (TAB) Projekt-Nr.: 2007 FE 9021 Verbund-Nr.: 2007 VF 0026 ABTEILUNG LASERTECHNIK Bild 1: Stahl , s=4 mm: Strahlaustritt 60 µm (M 750x) Bild 2: Stahl , s=10 mm: Austritts- 64 ± 3 µm (M 20x) Bild 3: Lasergebohrte Einsätze für Spritzguss-Werkzeuge Aufgabe Ziel des vorliegenden Projektes ist die Erzeugung von Durchgangsbohrungen in Werkzeugeinsätzen aus Metall zum Spritzgießen von Kunststoffen, Keramiken und Polymerkeramiken mittels Laser zur Aktiventlüftung und Ausformunterstützung. Gefordert werden Bohrungen mit Durchmessern kleiner 100 µm bei Materialstärken von s 10 mm und Aspektverhältnissen von 10:1 bis 100:1. Eine Gratbildung ist zu vermeiden.das Verfahren zum Einbringen von Mikrobohrungen soll sowohl bei der Herstellung von Spritzgusswerkzeugen, als auch der nachträglichen Optimierung von bereits im Einsatz befindlichen Werkzeugen Anwendung finden. Ergebnisse In Absprache mit den Projektpartnern wurde eine repräsentative Auswahl an Werkstoffen für die Werkzeugherstellung (verschiedene hochlegierte Werkzeugstähle und Aluminium-Bronzen) mit verschiedenen Oberflächen (erodiert, geschliffen, poliert und mit Verschleißschutzschichten) untersucht.mit einem lampengepumpten Nd:YAG-Laser (Lasag KLS 246) wurden am ifw mittels Perkussionsbohren reproduzierbare Bohrungen mit Aspektverhältnissen zwischen 60:1 bis 150:1 eingebracht. Die Untersuchungen konzentrierten sich auf Materialstärken von 2, 4, 6 und 10 mm. Mit Ausnahme der Bronze-Werkstoffe können ohne einen nennenswerten Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit Bohrungen mit einem Austrittsdurchmesser von 65 µm (Materialstärken 6 und 10 mm) beziehungsweise 50 µm (Materialstärken 2 und 4 mm) bei einer Standartabweichung von < 5 % eingebracht werden. Beim Bohren der Bronze-Werkstoffe liegt auf Grund der hohen Wärmeleitfähigkeit die Grenze hinsichtlich akzeptabler Bohrungsdurchmesser bei 2 mm Materialstärke. Auch Bohrungen unter einem Winkeln bis 45 C zur Senkrechten können bis Materialstärke s = 4 mm in guter Qualität realisiert werden. Anwendung Durch die Projektpartner wurden eigens für Untersuchungen pro aufgeführter Werkstoffklasse je ein Spritzgießwerkzeug mit simulierten Entlüftungsproblemen gebaut, mit denen lasergebohrte Werkzeugeinsätze getestet und die Wirksamkeit der Aktiventlüftung nachgewiesen werden konnte. Derzeit werden im Bau befindliche Spritzgießformen beziehungsweise problembehaftete bereits im Einsatz befindliche Spritzgießwerkzeuge mit Laserbohrungen zur Aktiventlüftung versehen, um den Nutzen im reellen Einsatz nachzuweisen. Das Vorhaben wurde mit Mitteln des Freistaates Thüringen und der Europäischen Union (EFRE) gefördert. 21

22 ABTEILUNG LASERTECHNIK Laserunterstütztes Fügen von Saphir Teilprojekt: Laserfügen von Saphirbauteilen Ansprechpartner: Dr.-Ing. H. Müller + Dipl.-Ing. S. Kasch + Dipl.-Ing. (FH) D. Hubert, hmueller@ifw-jena.de Zuwendungsgeber: BMWi AiF Projektnummer: KF SU8 Bild 1: Lasergelötete Gehäusebauteile Saphir-Saphir- und Saphir-Al 2 O 3 -Keramik Bild 2: Lichtmikroskopische Aufnahme Rohr-Platte-Verbindung mittels Glaslot Bild 3: REM-Aufnahme Querschliff einer Saphirverbindung Aufgabe Für Hochtemperatursensoren, Reaktionskartuschen in photochemischen Prozessen oder Optiken in analytischen Prozessen werden rotationssymmetrische Gehäuse aus Al 2 O 3 -Keramik bzw. Saphir verwendet, um Funktionsbauteile vor extremen Belastungen bei hohen Temperaturen und in aggressiven Medien zu schützen. Die Zielsetzung im Projekt ist die Entwicklung einer Verbindungstechnologie mit einer örtlich begrenzten Wärmeeinflusszone zur Herstellung von vakuumdichten und elektrisch isolierenden Gehäusen, um temperaturempfindliche Bauteile einzuschließen sowie die Vorteile der Werkstoffe wirtschaftlich sinnvoll zu nutzen. Durch eine material- und funktionsgerechte Gestaltung der Prozessführung beim Laserlöten mittels Glaslot sollen die Anforderungen erfüllt werden. Dazu werden einerseits ein Erwärmungskonzept und geeignete Verfahrensparameter benötigt. Andererseits sind geeignete Prüfmethoden anzuwenden, um die Erfüllung der Anforderungen nachzuweisen. Ergebnisse Im Projekt wurde anhand von rotationssymmetrischen Teilen aus Al 2 O 3 -Keramik und Saphir Untersuchungen zum selektiven Hochtemperaturlöten von Glaslot mittels scannergeführter CO 2 -Lasertechnologie mit Laserleistungen bis 150 W durchgeführt. Für den Laserlötprozess wurde eine Glaslotgrünfolie (Entwicklungspartner IKTS, Institutsteil Hermsdorf) mit möglichst geringem Bindemittelanteil entwickelt, um im Laserprozess die Schwindungswerte der Folie so gering wie möglich zu halten und die erforderliche Menge an Lotmaterial zur Verbindungsbildung zur Verfügung zu stellen. Zur Strahlformung und homogenen Energieeinstrahlung am Bauteil fand eine Ringspiegelanordnung und ein schnellbewegter Laserstrahl Verwendung. Für Bauteile mit Außendurchmessern bis 12 mm konnten feste Lotverbindungen mit einer mittleren Zugfestigkeit von 22,9 MPa hergestellt und die Gasdichtheit mittels Unterdruckmethode bis 9xE-10 mbar l / s nachgewiesen werden. Mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie wurden die Lötverbindungen charakterisiert. Die äußere Lotkehle beispielsweise zwischen Saphirrohr und Saphirronde ist gleichmäßig ausgebildet. Die Lotzone zwischen Rohr und Ronde, betrachtet durch die Saphirronde, weist eine homogene Ausbildung über die Wandungsdicke des Rohres und darüber hinaus auf. Diese ist durch eine feinverteilte Porenausbildung gekennzeichnet, die aber keinen Einfluss auf die Dichtheit der Verbindung hat. Ebenso wird dies durch die REM-Aufnahme bestätigt. Die innere und äußere Lotkehle ist gut ausgebildet und die Lotschichtdicke beträgt 33 µm. Anwendung Temperatursensoren für Automotive, Sicherheitstechnik, Energie- und Umwelttechnik, Gebäudeautomation. Das Projekt wurde im Rahmen des PROgramms Förderung der Erhöhung der INNOvationskompetenz mittelständischer Unternehmen durch die AiF, als Projektträger des BMWi, finanziell gefördert und begleitet. 22

23 Koordinatorstelle Anwenderkreis Hochtemperaturfügen Ansprechpartner: Dipl.-Ing. F. Gemse, Zuwendungsgeber: Thüringer Aufbaubank aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds (ESF) Projektnummer: 2009 KN 0093 ABTEILUNG FÜGETECHNIK Bild 1: Blick in den Sitzungssaal Bild 2: Die Referenten des 1. Anwenderkreises Bereits seit seiner Gründung arbeitet die Günter- Köhler-Institut für Fügetechnik und Werkstoffprüfung GmbH (ifw) eng mit Forschern und Anwendern aus dem Bereich der Fügetechnik zusammen. Mit der Investition in eine Vakuumofenanlage zum Diffusionsfügen, Löten, Wärmebehandeln, Sintern und Entbindern ist seit Ende 2009 eine auf dem neusten Stand der Forschung und Entwicklung stehende Anlage am ifw vorhanden. Diese ermöglicht es, Bauteile mit Abmessungen bis zu 500 mm bei einer Maximaltemperatur von 1550 C und bis zu 60 kn Fügekraft zu fügen. Mit dieser Investition wurde eine anlagentechnische Basis geschaffen und das ifw in die Lage versetzt, den gestiegenen Anforderungen an die Fügetechnik auch in der Zukunft zu meistern. und Überführung von neuen Fügekonzepten in neue Produkte. Weiterhin dient der Anwenderkreis als Plattform zum Technologietransfer aus der Forschung in die Anwendung und ist gleichzeitig Anlaufstelle für Beratung und Weiterbildung auf dem Gebiet der Hochtemperaturfügeverfahren. Am 23. September 2010 fand der 1. Workshop Hochtemperaturfügen Anwendung und Grenzen statt. Mitglieder und externe Referenten berichteten über aktuelle Themen aus Forschung und Praxis. Anschließend diskutierten die 50 Teilnehmer über zukünftige Aufgaben und neue Ansätze in der Füge- und Anlagetechnik. Die Fachveranstaltung wird jährlich fortgesetzt. Aus diesem Grunde wurde am 25. März 2010 am ifw der Anwenderkreis Hochtemperaturfügen ein Netzwerk in Thüringen und darüber hinaus gegründet. Mit dem Anwenderkreis Hochtemperaturfügen wird das Ziel verfolgt, die Prozesse und Anwendungsgrenzen, gemeinsam mit den Mitgliedern, für Metall-, Glas- bzw. Keramikverbindungen mit- und untereinander signifikant zu erweitern. Die angestrebte höhere Produktivität und optimierte Prozesssicherheit der Fügeverbindungen ist für die Anwender von großem Nutzen. Vorhandene Erfahrungen der Spezialisten werden so umfassend und zeitnah genutzt. Es ergeben sich sowohl innovative als auch wirtschaftliche Vorteile bei der Entwicklung Die Anschubfinanzierung für die Koordinatorstelle Anwenderkreis Hochtemperaturfügen wurde möglich durch Zuwendungen aus Mitteln des Europäischen Sozialfonds (ESF) sowie aus Komplementärmitteln des Freistaates Thüringen. 23

24 ABTEILUNG FÜGETECHNIK Diffusionsfügen von Keramiken Ansprechpartner: Dipl.-Ing. S. Dahms, Zuwendungsgeber: BMWi EuroNorm GmbH Projektnummer: VF Bild 1: Strukturierte keramische Grünfolien Bild 2: Keramischer Wärmetauscher Bild 3: Heizsystem aus keramischen Mischverbindungen mit einem Regelkreis Aufgabe Das stoffschlüssige Fügen von unterschiedlichen Nichtoxidkeramiken ist eine Herausforderung in der Fügetechnik. Ziel dabei ist es, die vorteilhaften Eigenschaften in einem keramischen Werkstoffverbund zu vereinen. Am Beispiel der Nichtoxidkeramiken SiC, Si3N4 und AlN mit- und untereinander werden Fügevarianten erarbeitet. Die Verbindungsbildung erfolgt über keramische Zwischenschichten (LPS- Keramikfügefolien, Liquid-Phase-Sintering). Das vorgesehene Fügen im Baukastenprinzip stellt hohe Anforderungen an die Fügetechnik. Die eingesetzten keramischen Zwischenschichten haben das Ziel, die Eigenschaften der zu fügenden Keramiken zu erhalten. Dazu zählt eine hohe Temperaturbelastbarkeit über 1200 C, hohe Festigkeiten und vakuumdichte Verbindungen. Ergebnisse Keramische Fügefolien auf der Basis von Nichtoxidkeramiken mit unterschiedlichen Sinteradditivgehalten sind wesentliche Bestandteile für die Ausbildung eines keramischen Gefüges in der Fügezone. Beim Diffusionsfügen erfolgt die Verbundausbildung über den Konzentrationsausgleich der Sinteradditive zwischen der keramischen Fügefolie und der Keramik. Keramische green tapes besitzen durch ihre plastische Verformung den Vorteil, dass Oberflächenrauhigkeiten ausgeglichen werden. Dadurch entfällt eine keramische Oberflächenbearbeitung. Die Folien können auch mittels Laserbearbeitung strukturiert werden. Dadurch wird es möglich, zusätzliche Funktionen in die Bauteile zu integrieren. Die Fügefolien besitzen eine an den Keramikwerkstoff angepasste thermische Ausdehnung, so dass eine spannungsarme Verbindung gegeben ist. Fügeuntersuchungen bei 1500 C bis 1750 C belegen, dass sich in Abhängigkeit der Fügetemperatur und Fügezeit homogene, rissfreie und porenarme keramische Fügezonen ausbilden. Eine hochtemperaturstabile Yttrium-Aluminatphase im keramischen Gefüge konnte nachgewiesen werden. Die Verbundeigenschaften entsprechen weitestgehend der zu fügenden Keramik. Die Keramikverbunde sind hochtemperaturstabil und weisen hohe Festigkeiten bei den Prüftemperaturen von 20 C, 1000 C und 1400 C auf. Vakuumdichtheiten über 10-7 mbar x l / s an gefügten Keramikapplikationen konnten ermittelt werden. Die keramischen Fügeverbindungen sind somit wasser- und gasdicht. Anwendung Die Ergebnisse bilden die Basis für ein Verfahren zur Herstellung von großformatigen und komplexen Bauteilen aus Segmenten mit multifunktionalen Eigenschaftsprofilen. Beispielsweise sind dies keramische Wärmetauscher oder Heizsysteme aus keramischen Mischverbindungen. Das Forschungsvorhaben wurde durch das BMWi EuroNorm GmbH finanziell gefördert und begleitet. 24

25 GRADIENT Verfahrensentwicklung zum Diffusionsschweißen von Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen Ansprechpartner: Dipl.-Ing. S. Dahms, Zuwendungsgeber: BMWi EuroNorm GmbH Projektnummer: IW ABTEILUNG FÜGETECHNIK Bild 1: Schweißhilfsform mit Anodenfinger Bild 2: Kupfer-Wolfram-Verbund; Schweißfläche geneigt (20 C) Bild 3: Wärmetransferelement (Kupfer mit Silber) Aufgabe Aufgrund der Vielzahl möglicher Mischverbindungen hat das Diffusionsschweißen große Bedeutung für das präzisionsgenaue Fügen erlangt. Werkstoffverbunde mit graduellen Eigenschaftsprofilen besitzen ein hohes Potenzial für Optik-, Laserund Messtechnikanwendungen bzw. als Funktionsoder Konstruktionswerkstoff in der Reaktortechnik. Diesbezüglich ist ein Bedarf an der Qualifizierung von Fügetechnologien zur Herstellung heterogener Werkstoffverbunde, die ohne Zwischenschichten im festen Zustand gefügt werden, entstanden. Das Fügen von heterogenen Werkstoffen ist von werkstofftechnischen Eigenschaften abhängig. Unterschiedliche Schmelztemperaturen, Ausdehnungsverhalten oder die Bildung von Mischkristallen in den Fügezonen bestimmen die Qualität und die Festigkeit einer Mischverbindung. Zur Lösung der Probleme bietet das Diffusionsschweißen innovative Ansätze. Das Ziel des Vorhabens bestand deshalb in der Qualifizierung von Diffusionsschweißprozessen zum stoffschlüssigen und spannungsarmen Fügen von Mischverbindungen mit graduellen Eigenschaftsprofilen. Hierzu wurden Metall / Metall-Schweißverbindungen aus Rhodium, Gold Wolfram, Silber mit Kupfer sowie AlMg3 mit X5CrNi18-10 gefügt und die Verbundeigenschaften charakterisiert. Ergebnisse Die Fügeexperimente wurden in einem Hochtemperatur-Graphitofen mit einer integrierten Kraftvorrichtung durchgeführt. Hierzu wurden spezielle Schweißhilfsformen aus Graphit entwickelt, die eine optimale Fügekraft über die gesamte Fügefläche gewährleisten. Gefügt wurden zylindrische Bauteile aus Kupfer im Durchmesser mm, wobei Folien aus Gold, Wolfram und Rhodium auf unterschiedlich geneigten Schweißoberflächen gefügt wurden. Die Aufheiz- und Abkühlraten betrugen 10 K / min in einer Vorvakuumatmosphäre bei ca mbar. Als optimale Fügetemperatur wurde 750 C ermittelt. Die Fügekraft lag bei N. Eine ausreichende Verbundfestigkeit konnte nachgewiesen werden. Die Formstabilität des Kupfers bleibt bei diesen Fügebedingungen erhalten. Die Fügezonen sind rissfrei und homogen ausgebildet. Im Ergebnis der Fügeuntersuchungen konnte die Eignung des Diffusionsschweißens nachgewiesen und optimierte Fügeparameter erarbeitet werden. Anwendung Durch die Qualifizierung von Diffusionsschweißprozessen zur Herstellung von Mischverbindungen werden neue Technologiefelder für Applikationen in der Luft- und Raumfahrt, beispielsweise für Wärmetransferelemente, Optoelektronik, Röntgenund Reaktortechnik erschlossen. Das Forschungsvorhaben wurde durch das BMWi EuroNorm GmbH finanziell gefördert und begleitet. 25