Jahresbericht 2004 - Fraunhofer...4 Fraunhofer IWS Jahresbericht 2004 Fraunhofer-Institut für...

Internet: www.iws.fraunhofer.de

Jahresbericht 2004

Fraunhofer IWS Jahresbericht 2004 1

Jahresbericht 2004

Prof. Beyer: Selbstverständlich stellenBauvorhaben immer eine zusätzlicheBelastung dar. Aufgrund einer Reihevon baulichen Verzögerungen undProblemen bei der Labortechnik wurdeder Anbau jedoch erst ein Dreiviertel-jahr nach dem ursprünglichen Terminfertiggestellt. Insofern war das enormeAusmaß dieser Beeinträchtigung nichtvorhersehbar.

Redaktion: Gab es dennoch High-lights im Jahr 2004?

Prof. Beyer: Natürlich. Auch im Jahr2004 konnten wieder Entwicklungendes IWS in die industrielle Fertigungüberführt werden. Darüber hinaushaben wir uns mit einer Reihe vonAktivitäten und besonderen Veranstal-tungen am "Jahr der Technik" betei-ligt.

Redaktion: Was erwarten Sie für dasJahr 2005?

Prof. Beyer: Wir gehen davon aus,dass die öffentliche Förderungnochmals zurückgeht. Aus diesemGrund werden wir unsere Marketing-Aktivitäten weiter verstärken und einenoch engere und intensivere Zusam-menarbeit mit Industriekunden anstre-ben. Da wir unsere Ausstattung erwei-tern konnten und die erhöhten Auf-wendungen von 2004 wegfallen,gehen wir mit viel Optimismus in dasJahr 2005, das uns vor viele Herausfor-derungen stellt.

Redaktion: Vielen Dank für das Interview.

Redaktion: Das Jahr 2004 hat denerhofften wirtschaftlichen Aufschwungnoch nicht gebracht. Welche Auswir-kungen hatte dies auf das IWS?

Prof. Beyer: Im Jahr 2004 sind dieMittel für öffentlich geförderte Projek-te weiter zurückgegangen. Im Vorjahrkonnten wir diesen Rückgang durcheinen überproportionalen Anstieg derErträge aus der Industrie mehr alskompensieren; im Jahr 2004 haben wirdiesen Rückgang nicht durch einenochmalige Steigerung der Industrieer-träge auffangen können. Allerdings istes trotz erheblicher Schwierigkeitengelungen, das herausragende Ergebnisdes Vorjahres erneut zu erreichen.

Redaktion: Welche Schwierigkeitenhatte das IWS im Jahr 2004 zu bewäl-tigen?

Prof. Beyer: Wir haben einen Anbaumit zusätzlichen ca. 3000 m2 erhalten.Da die Kapazität des alten Gebäudesbereits voll erschöpft war, werden sichhierdurch unsere Arbeitsbedingungenin Zukunft deutlich verbessern.

Außer dem monatelangen Baulärmund dem Schmutz, unter dem alle Mit-arbeiter und auch Gäste leiden muss-ten, stellte die Bauphase insofern eineenorme zusätzliche Belastung dar, daaufgrund des kompletten Neuaufbausvieler Labore Kundenaufträge nichtbearbeitet werden konnten. So mussteviel improvisiert werden, da letztend-lich alle Abteilungen durch den Umzugbetroffen waren.

Aber nun sind wir wieder voll betriebs-bereit und haben die Möglichkeit, wei-ter zu wachsen. Dem Land Sachsen,dem Bund und der Fraunhofer-Gesell-schaft sind wir hierfür sehr dankbar.

Redaktion: Waren die von Ihnengenannten Schwierigkeiten denn nichtvorhersehbar?

Es gibt keine Dankbarkeit vor der Technik.Es hat erfunden zu werden.

Karl Kraus

Prolog


Fraunhofer IWS Jahresbericht 20044

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS

Winterbergstr. 28 01277 Dresden

Telefon: 0351 / 2583 324 Fax: 0351 / 2583 300

E-mail: [email protected] Internet: www.iws.fraunhofer.de

Prolog 3

Inhalt 5

Highlights im Jahr 2004 6

Das Institut im Profil 8

Kurzporträt 8

Organisation und Ansprechpartner 10

Anbindung an die TU Dresden 11

Zentren und externe Projektgruppen 12

Ausstattung 16

Das Institut in Zahlen 18

Kuratorium und Gremien 20

Die Fraunhofer-Gesellschaft 21auf einen Blick

Fraunhofer-Verbund Oberflächentechnik 22und Photonik VOP

FuE-Angebot 24

Füge- und Randschichttechnologien 24

Laserabtragen und -trennen, Systemtechnik 40

Thermische Beschichtungsverfahren 52

CVD-Dünnschichttechnologie 64

PVD-Dünnschichttechnologie 74

Röntgen- und EUV-Optik 88

Klebtechnik 98

Multimedia und Simulation 101

Namen, Daten und Ereignisse 105

Diplomarbeiten und Dissertationen 105

Vorlesungen und Mitarbeit in Gremien 106

Preise des IWS 2004 107

Besondere Ereignisse 108

Messebeteiligungen 109

Patente und Marken 112

Veröffentlichungen 113

Tagungsvorträge 117

Informationsservice 122

Kontaktadressen und Anfahrt 123


Inhalt


Einweihung der zweiten Ausbaustu-fe des Fraunhofer-InstitutszentrumsDresden

Die vier Fraunhofer-Institute in derDresdner Winterbergstraße eröffnetenam 3. Juni 2004 ihre Erweiterungsbau-ten. An dem Festakt nahmen die Bun-desministerin für Bildung und For-schung, Edelgard Bulmahn, und derMinisterpräsident des Freistaates Sach-sen, Professor Dr. Georg Milbradt, teil.Mit Abschluss der Erweiterungsbautenam Fraunhofer-Institutszentrum Dres-den IZD stehen den Wissenschaftlernfür ihre Forschung 10 200 m² zusätzli-che Nutzfläche zur Verfügung.

Prof. Dr. Georg Milbradt, Ministerpräsident desFreistaates Sachsen, auf dem Festakt zur Eröff-nung der Institutsanbauten

Highlights im Jahr 2004

Edelgard Bulmahn, Bundesministerin für Bildungund Forschung, auf dem Festakt zur Eröffnungder Institutsanbauten

IWS-Beteiligung am Ideenpark vonThyssenKrupp

Als wichtiger Partner von Thyssen-Krupp im Bereich Forschung und Ent-wicklung war auch das IWS im Ideen-park vertreten. Bundespräsident HorstKöhler ließ sich, gemeinsam mit demMinisterpräsidenten des Landes Nord-rhein-Westfalen Peer Steinbrück unddem Vorstandsvorsitzenden der Thys-senKrupp AG, Prof. Dr. EkkehardSchulz, von Dr. Axel Zwick, IWS, überdie zunehmende Bedeutung der Ober-flächentechnik informieren.

Bundespräsident Horst Köhler, der Ministerpräsi-dent des Landes Nordrhein-Westfalen PeerSteinbrück und der Vorstandsvorsitzende derThyssenKrupp AG Prof. Dr. Ekkehard Schulzgemeinsam am Stand des Fraunhofer IWS imGespräch mit Dr. Axel Zwick

Vortrag von Herrn Thomas Pearsall vom Euro-pean Photonics Industry Consortium zumInternational Open House im Fraunhofer IWSDresden

International Open House imFraunhofer IWS Dresden

Nach Abschluss der Bauarbeiten undim Zusammenhang mit der Einwei-hung der neuen Labore fand am 20.und 21. September 2004 ein Interna-tional Open House im Fraunhofer IWSDresden statt. Zahlreiche internationaleGäste aus den europäischen Nachbar-ländern konnten sich von den techni-schen Möglichkeiten in den BereichenLasermaterialbearbeitung und Ober-flächentechnik überzeugen.


Inbetriebnahme der 3D-Laserstrahl-schweißanlage zum Schweißen vonFlugzeug-Rumpfstrukturen

Am 25. Juni 2004 wurde im Beiseinder Vertreter von Airbus Deutschland,des Bundesministeriums für Wirtschaftund Arbeit sowie der zwei Sächsischen Ministerien für Wissen-schaft und Kunst bzw. Wirtschaft undArbeit eine neue Laserstrahlschweißan-lage für das Fügen großer 3D-Teile fürdie Luft- und Raumfahrt eingeweiht.Damit ist am Fraunhofer IWS in Dres-den die Entwicklung hochproduktiverFertigungstechnologien für neue Pas-sagierflugzeuge möglich.

3D-Laserstrahlschweißanlage zum Schweißenvon Flugzeug-Rumpfstrukturen

Stickstoffversorgung mit Förder-, Misch- undRegelungssystem

Prüfstand für TMF-Tests an Trieb-werkskomponenten

Im Auftrag der Firma EADS SpaceTransportation wurden Lebensdauer-tests an Komponenten von Raketen-triebwerken durchgeführt. Durch dieNutzung von Hochleistungslasern alsWärmequelle und die gleichzeitigeKühlung der Teststrukturen mit tiefkal-tem Stickstoff wurden die extrementhermischen Einsatzbedingungen simu-liert. Mit dem aufgebauten Prüfstandkonnte durch Thermo-Mechanical-Fati-gue-Tests die Lebensdauer für ausge-wählte Triebwerkskomponenten expe-rimentell ermittelt werden.

Highlights im Jahr 2004

Herr Brenneis (Airbus Deutschland), Prof. Beyer(Fraunhofer IWS) und MDgt Geiger (SMWK) (v. l. n. r.) beim Durchschneiden des Bandes

Industrieüberführung eines neuenRandschichtveredlungsverfahrenszur Lebensdauerverlängerung vonTurbinenschaufeln

Im Rahmen eines Projektes mit Sie-mens Power Generation Mülheim wur-de als Weltneuheit eine Technologiezur Randschichthärtung von großenNiederdruck-Endstufen-Laufschaufelnaus ausscheidungshärtbaren Stählenentwickelt und in einer Turbine für dasKraftwerk Incheon (Südkorea) einge-setzt. Damit steht erstmalig auch fürsehr hoch belastete Turbinenschaufelnaus ausscheidungshärtbaren Stählenein passives Schutzverfahren vor Trop-fenschlagverschleiß zur Verfügung, dasdie zyklische Belastbarkeit der Schau-feln nicht reduziert.

Prozess der Randschichthärtung einer Turbinen-schaufel

Lasertechnik

- Laserstrahlschweißen und -löten - Laserstrahlhärten, -umschmelzen

und -auftragschweißen - Laseroberflächenveredelung mit

Zusatzwerkstoffen (Legieren, Disper-gieren)

- Reparaturbeschichten - Rapid-Prototyping-Verfahren - Laserstrahlschneiden und -trennen - Abtragen und Reinigen (für restaura-

torische und technische Zwecke) - Laserfeinbearbeitung - Mikrostrukturieren, Gravieren und

Markieren

Kurzporträt

Das Fraunhofer-Institut für Werkstoff-und Strahltechnik betreibt anwen-dungsorientierte Forschung und Entwicklung auf den Gebieten derLaser- und Oberflächentechnik. Schwerpunkte sind:

- das Laserstrahlfügen, -trennenund -abtragen,

- die Oberflächenbehandlungsowie

- das Aufbringen von dünnenSchichten zur Vergütung vonOberflächen.


Hauptarbeitsgebiete des Fraunhofer IWS,

welche es uns erlauben,Ihnen Problemlösungen aus

einer Hand anzubieten

Schichttechnik

- Dünnschichttechniken auf der Basisvon Laser-, Vakuumbogen-, Sputter-,CVD- und Elektronenstrahlverfahren

- Schichtsysteme und Verfahren zurBeschichtung mit karbidischen, nitri-dischen und oxidischen Hartstoffen

- Beschichtungen mit superhartemamorphem Kohlenstoff

- Nanometer-Multischichten für rönt-genoptische Komponenten

- Atmosphärendruck-Plasma-CVD- Plasmaspritzen

Eine Besonderheit des Fraunhofer IWSsind die Erfahrungen in der Strahl- undSchichttechnik in Kombination mitfundiertem Werkstoff-Know-how, ver-bunden mit der Möglichkeit einerumfassenden Werkstoffcharakterisie-rung. Um Ihnen optimierte Lösungenanbieten zu können, beschäftigen wiruns neben der Strahltechnik auch mitalternativen Techniken. Dies führt zusogenannten Hybridverfahren, beidenen die Vorteile der Lasertechnik mitden besonderen Eigenschaften andererVerfahren zu einer kostengünstigenLösung kombiniert werden.

Durch die enge Zusammenarbeit mitAnlagen- und Systemanbietern könnenwir unseren Kunden Problemlösungenaus einer Hand anbieten. Diese beru-hen auf neuartigen Konzepten. AlsBasis hierfür dient die Gesamtbetrach-tung des Bearbeitungssystems, desVerfahrens sowie des Bauteilverhal-tens. Die Ausstattung des FraunhoferIWS erlaubt es, Ihr Problem mitmodernster Anlagentechnik zu bear-beiten. Darüber hinaus ist es uns mög-lich, Pilotanlagen zu installieren unddie erarbeiteten Problemlösungen anNullserien zu erproben.

Das Institut im Profil

Um klar zu sehen,

genügt oft ein Wechsel

der Blickrichtung.

Antoine de Saint-Exupery


Angebot

Problemlösungen aus einer Hand:Wir bieten Ihnen unsere Dienstleistun-gen auf folgenden Gebieten an:

- Beratungen,- Machbarkeitsstudien,- Durchführung von FuE-Arbeiten, - Verfahrenserprobungen, - Systementwicklungen, zusammen

mit unseren Partnern, - Aufbau und Betrieb von Pilotanla-

gen, - Werkstoff- und Bauteilprüfung, - Schadensfallanalysen sowie die - Ausbildung von Wissenschaftlern,

Ingenieuren, Anlagenbedienernund Laboranten.

Hybridverfahren

- Induktiv unterstütztes Laserstrahl-schweißen

- Plasmaunterstützte Laserstrahlbear-beitung (Schweißen, Schmelzen)

- Laserunterstütztes Plasmaspritzen- Abscheidung dünner Schichten

durch Kombinationen von Laser-,Vakuumbogen-, Elektronenstrahl-und CVD-Verfahren

- Modellierung von Kurzzeit-Wärme-behandlungsprozessen

Werkstofftechnik

- Charakterisierung von strahltechno-logisch behandelten Werkstoffenund Bauteilen

- Verschleiß- und Ermüdungstests - Mechanische, tribologische und opti-

sche Schichteigenschaften - Bestimmung der Thermoschock-

festigkeit und Temperaturwechsel-beständigkeit von Keramiken

- Schadensfallanalysen

Strukturanalyse

- Metallographische Gefügecharakteri-sierung

- Strukturbestimmung mittels Elektro-nenmikroskopie (REM, TEM)

- Charakterisierung von Oberflächen-eigenschaften mit optischer Spek-troskopie

Systemtechnik

- Entwicklung von Systemkomponen-ten, u. a. High-Speed-Strahlbewe-gung, flexible Strahlformung undSchweißnahtsensorik

- Prozesstechnische Optimierung vonLaserbearbeitungsanlagen

- Prozessdiagnostik für PVD- undCVD-Verfahren

- Beschichtungsmodule für Atmo-sphärendruck-Plasma-CVD- undPVD-Verfahren


Verträge

Das Fraunhofer IWS bietet IhnenDienstleistungs- sowie Werkverträgean und garantiert Ihnen bei Bedarfstrikte Vertraulichkeit.



Organisation und Ansprechpartner


- EFD Induction GmbH Freiburg, Außenstelle Dresden - ALOtec Angewandte Laser- und Oberflächensystemtechnik GmbH Dresden - AXO Dresden GmbH - Arc Precision Dresden GmbH

Gastfirmen im Fraunhofer IWS:



Lehrstuhl für Laser- und Oberflächentechnik

2004 waren am Lehrstuhl 34 Mitarbei-ter beschäftigt. Die Drittmittelerträgelagen über 1,3 Mio. €.

Der Lehrstuhl für Laser- und Ober-flächentechnik ist tragende Säule desInstitutes für Oberflächentechnik undFertigungsmesstechnik, welches am 1. Juli 2003 in der Fakultät Maschinen-wesen neu gegründet wurde. Diedurchgeführten Projekte sind stärkergrundlagenorientiert und ergänzendzu den Arbeiten des IWS angelegt. DieArbeitsgruppen behandeln folgendeThemen: - Fertigungsgestaltung - Lasertechnik - Oberflächentechnik - Schichttechnik - Klebtechnik

Folgende Vorlesungen wurden ange-boten: - Prof. Beyer: Fertigungstechnik II - Prof. Beyer: Lasergrundlagen / Laser-

systemtechnik- Prof. Beyer: Laser und Plasmen in der

Oberflächen- und Mikrotechnik - Prof. Beyer: Plasmen in der Ferti-

gungstechnik - Prof. Beyer: Rapid Protocoating- Dr. Leson / Prof. Beyer: Oberflächen-

technik / Nanotechnologie - Prof. Schultrich: Dünnschicht-

technologie

Anbindung an die TU Dresden

CD zur Vorlesung LasertechnikCD zur Vorlesung Lasersicherheit

Kooperation Fraunhofer IWS - TU Dresden

Durch eine Kooperationsvereinbarungist die Zusammenarbeit zwischen demIWS und der TU Dresden geregelt. AufBasis einer gemeinsamen Berufung istder Lehrstuhlinhaber, Prof. Beyer,gleichzeitig Leiter des Fraunhofer IWS.Hierbei gilt folgende Aufgabenteilung:Forschung und Lehre werden schwer-punktmäßig am Lehrstuhl, die ange-wandte Forschung und Entwicklungam IWS durchgeführt. Dabei sind IWS-Mitarbeiter in die Arbeiten des Lehr-stuhls und TU-Mitarbeiter ins IWS ein-gebunden. Letztlich stellen IWSund Lehrstuhl eine Einheit mitunterschiedlichen Schwer-punkten dar.

Vorteile für das IWS:- kostengünstige Grund-

lagenforschung - Ausbildung von Nach-

wuchswissenschaftlernfür das IWS

- Zugang zu wissenschaft-lichen Hilfskräften

Vorteile für die TU:- F&E - Einbindung in Industrie-

projekte - Integration neuester F&E-Ergebnisse

in die Lehre - Ausbildung von Studenten an

modernstem Equipment

CD zur Vorlesung Fertigungstechnik 2

We need men who can dream of things that never were.

John F. Kennedy

Anwendungszentrum Hochleistungs-Diodenlaser

Das Fraunhofer IWS hat ein Hoch-leistungs-Diodenlaser-Anwendungs-zentrum eingerichtet, in welchem esmit führenden Laser- und Anlagenher-stellern zusammenarbeitet, um Kun-den optimale Problemlösungen anbie-ten zu können.

Auf Grund ihres vergleichsweise hohenWirkungsgrades von etwa 50 % undihrer sehr kompakten Bauweise sindHochleistungs-Diodenlaser idealeWerkzeuge für das lokale verzugsarmeHärten oder Beschichten. Das Schwei-ßen von Blechen bis 1 mm Dicke istschneller und mit höherer Schweiß-nahtqualität zu realisieren als mit kon-ventionellen Schweißtechniken. Infolgezahlreicher Kundenforderungen derletzten Jahre entstanden spezielle Soft-wareprodukte wie Postprozessorenund oberflächentemperaturgeführteLaserleistungsregelungen sowie Laser-strahlformungs-Systeme, die dieAnwendung der Hochleistungs-Dioden-laser für die Oberflächentechnik undRandschichtveredelung vereinfachtund prozesssicher gestalten.

Das Anwendungszentrum ist in derLage, Bearbeitungsaufgaben mit füh-rendem Know-how und den neuestenDiodenlasersystemen zu lösen.

Anlage zum Härten mit integriertem Hoch-leistungs-Diodenlaser in der Laserhalle des IWS

Arbeitskreise des Nanotechnologie-Kompetenzzentrums

Zentren und externe Projektgruppen

12 Fraunhofer IWS Jahresbericht 2004


Ausstellung der deutschen Nanotechnologie-Kompetenzzentren im Rahmen der Nanofair2004

Nanotechnologie-Kompetenz-zentrum “Ultradünne funktionaleSchichten”

Die Nanotechnologie gehört zu denSchlüsseltechnologien des 21. Jahrhun-derts. Bereits heute gibt es marktreifeProdukte: Festplatten und Leseköpfefür die Datenspeicherung, die mitwenige Nanometer dünnen Schichtenüberzogen sind, oder Rastertunnelmi-kroskope, die die Welt der Atome undMoleküle sichtbar werden lassen, sindnur zwei Beispiele. Ultradünne Schich-ten sind dabei ein Schlüsselelementder Nanotechnologie.

Zur konsequenten Erschließung dieserindustriellen Anwendungsmöglichkei-ten haben 51 Unternehmen, 10 Hoch-schulinstitute, 22 außeruniversitäreForschungseinrichtungen und 5 Ver-bände ihr Know-how gebündelt undsich im September 1998 zu einemNetzwerk zusammengeschlossen. DieKoordination dieses Netzwerkes, dasvom Bundesforschungsministerium alsbundesweites Kompetenzzentrum fürden Bereich ultradünne funktionaleSchichten ausgezeichnet wurde, liegtbeim Fraunhofer IWS. Ein Höhepunktim Jahr 2004 war die Durchführungdes Internationalen Nanotechnologie-Symposiums "Nanofair 2004" in Karls-ruhe, das 380 Teilnehmer aus Industrieund Wissenschaft zusammenführteund vom Kompetenzzentrum bzw.vom IWS mitgestaltet wurde.

Dinge zu bezweifeln,

die ganz ohne weitere Untersuchung

jetzt geglaubt werden,

das ist die Hauptsache überall.

Georg Christoph Lichtenberg

Rapid-Prototyping-Zentrum

Time to market, die Zeit von der Ideebis zur Vermarktung eines neuen Pro-duktes, kann über Erfolg und Misser-folg entscheiden. Aus diesem Grundbeschäftigt sich das IWS seit Jahrenmit dem Rapid-Prototyping und Rapid-Tooling.

Am IWS sind verschiedene Prototy-ping-Anlagen installiert. Hierzu gehörtdie gesamte Fertigungskette von der3D-Modellierung und Datenbearbei-tung über die Konturerfassung, dieunterschiedlichen Herstellungsverfah-ren (wie Laserstrahlgenerieren undLaserstrahlsintern) bis hin zum Lamina-ted Object Manufacturing (LOM) mitStahlblech und die Endbearbeitung(fräsen, beschichten, vermessen) derWerkzeuge.

Mit Hilfe des MELATO®-Verfahrens(Metal Laminated Tooling) könnenWerkzeuge in einem Bruchteil der bis-her benötigten Zeit hergestellt werden.


Produktionstechnisches Zentrum

Die Bündelung der Arbeiten des IWSund der Technischen Universität Dres-den erfolgt in Forschung, Entwicklungund Anwendung produktionstechni-scher Leistungen von der Verfahrens-entwicklung bis hin zur Prozessgestal-tung von Fertigungsabläufen.

Arbeitsschwerpunkte:

- Verfahrensentwicklungen im kon-ventionellen und Hochgeschwindig-keitsbereich sowie Entwicklung vonHybridverfahren

- Machbarkeits- und Betriebsanalysen,Studien (Produkte, Fertigungsverfah-ren, Fertigungsprozesse, technologi-sche und logistische Prozessketten)

- Materialfluss- und Produktionssimu-lation

- 3D-Visualisierung und Animationvon Produkten, Produktionskettenund Produktionssystemen

Anlage zum Rapid-Prototyping durch direktesLaser-Flüssigphasen-Sintern

Oberfläche eines durch MELATO® hergestelltenWerkzeugs

Laserintegriertes CNC-Fräszentrum Lamellierter Aufbau eines Prägewerkzeugs(MELATO®)



Industrielle Projektgruppe im Dortmunder OberflächenCentrum(DOC) der ThyssenKrupp Stahl AG

Dr. Axel ZwickLeiter der Projektgruppeam DOC in DortmundTel.: 0231 / 844 3512

Mit der Gründung des DortmunderOberflächenCentrums unter Beteili-gung der Fraunhofer-Gesellschaft bün-delte die ThyssenKrupp Stahl AG (TKS)ihre Kapazitäten und Kompetenzenauf dem Gebiet der Oberflächen-technik.

In diesem größten Forschungs- undEntwicklungszentrum Europas zurOberflächenveredelung von Flachstahl,das im Dezember 2000 auf demGelände der Dortmunder Westfalen-hütte eingeweiht wurde, arbeiten TKS-Mitarbeiter und Mitarbeiter des Insti-tuts für Werkstoff- und StrahltechnikIWS in Dresden in einer neuen Formder “Public Private Partnership”zusammen. Gemeinsames Ziel ist es,innovative Verfahren der Oberflächen-technik zu entwickeln und in die indu-strielle Fertigung zu überführen.

Ein erstes, herausragendes Ergebnisdieser Zusammenarbeit sind neuartigeZink-Legierungsüberzüge (ZE-Mg). Sievereinen bei einer Halbierung derÜberzugsdicke die sehr guteKorrosionsbeständigkeit bewährterZinküberzüge mit einer wesentlich ver-besserten Bearbeitbarkeit, wie dieFraunhofer-Projektgruppe für dieLaserschweißeignung zeigen konnte.

Gebäude des Dortmunder OberflächenCentrums

Darüber hinaus bietet die Fraunhofer-Projektgruppe auf 1100 m2 Neubau-fläche eine Reihe sich ergänzenderVerfahren zur Oberflächenveredelungan. Mit modernster Anlagentechniklassen sich nahezu porenfreie undäußerst haftfeste Plasmaspritzschichtenherstellen oder hoch beanspruchteBereiche von Bauteilen und Werkzeu-gen mit dem Laserauftragschweißengezielt mit millimeterdicken Verschleiß-schutzschichten panzern. Aber auchim Vakuum lassen sich metergroßeund tonnenschwere Teile mit nano- bismikrometerdicken Höchstleistungs-schichten, z. B. mit Diamor®-Schichtsy-stemen, versehen, die eine überragen-de Härte mit exzellenten Gleiteigen-schaften verbinden.

Die breite Palette dieser Verfahren, diesich teilweise untereinander kombinie-ren lassen, bietet zusammen mit demKnow-how der beteiligten Fraunhofer-Institute die Gewähr, dass der Kunde,sei es TKS, ein TKS-Kunde oder einanderes Unternehmen, die technischund wirtschaftlich optimale Problemlö-sung bekommt. Mit Hilfe eines welt-weit einmaligen, mobilen 4 kW-Nd:YAG-Lasers ist es sogar möglich,Verfahrensentwicklungen aber auch"Trouble shooting" direkt beim Indu-striekunden zu realisieren und mit Hilfevon bis zu 75 m langen Lichtleitkabelnproduktionsnah umzusetzen.


Es ist gut, vieles für unbedeutend

und alles für bedeutend zu halten.

Karl Kraus

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Fraunhofer Center for Coatings andLaser Applications (CCL)

Die USA-Aktivitäten des FraunhoferIWS Dresden sind im "Fraunhofer Cen-ter for Coatings and Laser ApplicationsCCL" zusammengefasst. Das CCL wirdvon Prof. Dr. Jes Asmussen (MichiganState University) geleitet. Prof. Asmus-sen ist Experte für Diamantbeschich-tungen. Seine bisherigen Arbeitenergänzen in idealer Weise das Know-how des IWS auf dem Gebiet der DLC-Beschichtungen. Unter Leitung vonProf. Asmussen wird in Lansing einKohlenstoffcenter aufgebaut.

Das CCL hat 2 Divisions, die "CoatingTechnology Division" an der MichiganState University in East Lansing unterLeitung von Dr. Thomas Schülke unddie "Laser Applications Division" imGebäude des Headquarters von Fraun-hofer USA unter Leitung von Eric Stiles.

Laser Applications Division2004 war ein weiteres sehr ereignisrei-ches Jahr für die Lasergruppe des CCLin Plymouth, Michigan. Anfang desJahres übernahm Herr Eric Stiles, derseit 2002 im Fraunhofer IWS arbeitet,die Aufgaben des Division Managers.Die räumliche Nähe zu Detroit führtezu einer engen Zusammenarbeit mitder amerikanischen Autoindustrie. Indiesem Jahr hatte die Gruppe einenbeachtlichen Zuwachs an Projektenspeziell für das Laserstrahlschweißenvon Bauteilen aus dem Antriebsstrangzu verzeichnen, insbesondere für dieBehandlung von Differentialen, Getrie-

Gebäude des CCL, CLT und Headquarters vonFraunhofer USA in Plymouth


Prof. Jes AsmussenCenter Director

CCL / USATel. 1-517-355 4620

Gebäude des CCL in East Lansing, Michigan

ben und Antriebswellen. Weiterhinbearbeitete sie Projekte zum Laserhär-ten von Kurbelwellen und zum Auf-tragschweißen.

Außerhalb der Autoindustrie konnteein weiterer Kunde aus der Mineralöl-industrie gewonnen werden. Es be-stand hier die anspruchsvolle Aufgabe,das Auftragschweißen für übergroßeBohrbauteile zu nutzen. Die Anwen-dung des Laserstrahlschweißens zumFügen von Aluminiumbauteilen füreinen Hersteller von Leichtbautrans-portgehäusen war ein weitererSchwerpunkt.

Coating Technology DivisionDie Dünnschichtgruppe des CCL ist inEast Lansing, Michigan zu Hause.Durch die Zusammenarbeit mit derMichigan State University wurde dasTechnologiespektrum der Gruppeerheblich erweitert. Neben den bereitszuvor angebotenen PVD-Technologiengehören jetzt auch mikrowellen-basier-te CVD- und Materialbearbeitungs-technologien zum Arbeitsbereich desCCL in East Lansing. Darüber hinauswird als Folge der engen Einbindungder Gruppe in die Universitätsinfra-struktur ein erweiterter Charakterisie-rungsservice (Materialzusammenset-zung, Elektronenmikroskopie, Nanoin-denter, AFM) sowie die Entwicklungvon Prozessen zur Fertigung vonmikro-elektro-mechanischen Systemen(MEMS) angeboten.

Betriebshaushalt 2004 3,38 Mio. $

Personalaufwendungen 1,15 Mio. $Sachaufwendungen 2,23 Mio. $


Laserstrahlquellen

mehrere CO2-Laser, 2 bis 6 kW (HF-angeregt)

mehrere Nd:YAG-Laser bis 4,4 kW-cw(lampen- und diodengepumpt) und 1 kW-pm

Nd:YAG-Lasersysteme mit Pulslängenim ms-, nsund ps-Bereich für dieFeinbearbeitung

mehrere Hochleistungs-Diodenlaser,1,4 bis 4,0 kW

TEA-CO2-Laser

Excimerlaser (193 nm und 248 nm)

frequenzvervielfachte Nd:YAG-Laser(532 und 355 nm)

gepulster Nd:YAG-Laser mit OPO

Handlingsysteme

3D-Doppelgantry-Anlage, 22 Achsenmit zwei 3D-beweglichen Bearbei-tungsköpfen, Geschwindigkeit bis40 m min-1, Arbeitsraum 10 x 3 x 1,5 m3,zwei 4,5 kW-CO2-Laser

mehrere CNC-Laser-Bearbeitungsanla-gen mit bis zu 8 Achsen, Geschwindig-keiten bis 20 m min-1, Arbeitsraum2,4 x 1,8 x 0,6 m3 bzw. 4 x 3 x 1,5 m3,CO2-Laserstrahlquellen 2,5 bis 6 kW

Laserinduktions-Hybridanlage mit 5 Achsen (6 kW-CO2-Laser, 80 kW-MF-Induktionsgenerator)

Präzisionsanlagen (Genauigkeitsklasse5 µm) mit 5 bzw. 4 CNC-Achsen, mitCO2-Laserstrahlquelle bis 6 kW

CO2-Nd:YAG-Kombinationsanlage (2 bzw. 3 kW) mit 4 CNC-Achsen fürPräzisionsbeschichtung

Schneidmaschine mit Linearantriebenbis 300 m min-1 Vorschub und CO2-Laserstrahlquelle bis 3,5 kW

Laserstrahlschweißanlage mit 6 kW-CO2-Hoch-leistungslaser

universelle Excimer-Laser-Mikrostruk-turierungsanlage

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Beschichtungsanlagen

Laser-PVD-Beschichtungsanlagen (Nd:YAG-, Excimer-, TEA-CO2-Laser) im Hochvakuum- und Ultrahoch-vakuumbereich

Anlagen zur Beschichtung mittelsVakuumbogen (Laser-Arc, gepulsterHochstrombogen, Gleichstrombogen,Magnetfilter)

Anlagen zur plasmagestützten CVD-Beschichtung bei Atmosphärendruck(6 kW Mikrowelle, 30 kW dc-Arc)

6”-Cluster-Tool-Anlage zur Kombina-tion von Großflächen-PLD und Magne-tron-Sputterverfahren

Kombinations-Beschichtungsanlage[Elektronenstrahl (40 kW) und Hoch-strombogen]

Anlagen zum atmosphärischen (auchmit Laserunterstützung) und zumVakuum-Plasmaspritzen mit Roboter-handling (APS, LAAPS, VPS)

Anlage zum Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF)

Anlage zum Plasma-Pulver-Auftrag-schweißen (PTA, 6 kW)

Ausstattung


Hochgeschwindigkeits-3D-Laser-Schneidanlagemit Linearantrieben

Blick in die Technikumshalle des IWS

Spezielle Komponenten

statische und flexible dynamischeStrahlformungssysteme für Laser-leistungen bis 10 kW

CNC- bzw. sensorgesteuerte Draht-förderer für das Laserschweißen

mobile MF- und HF-Induktionsquellen(4 - 20 kHz, 100 - 400 kHz)

modulares Pulverdüsensystem COAXnzum Laserstrahl-Präzisionsauftrag-schweißen

Plötzlich findet man

während man noch zu suchen glaubt.

Das eben macht die Übung.

Kurt Schwitters

mobile Anlage zur rutschhemmendenAusrüstung verlegter Böden (mitdiodengepumptem Nd:YAG-Laser)

Anlage zur Abscheidung von Nanometermulti-schichten auf Großflächen

Spezielle Bearbeitungsanlagen

mobiler 4 kW-Nd:YAG-Laser im Con-tainer

Rapid-Prototyping-Anlage zum Laser-sintern

transportabler Nd:YAG-Laser mit 5 · 107 Watt Pulsspitzenleistung (Puls-dauer 6 ns, max. Pulsfrequenz 20 Hz)mit Gelenkarm-Strahlübertragung undZoomoptik für Reinigungsarbeiten imAußeneinsatz

durchstimmbares Laserbearbeitungs-system (Wellenlänge 400 ... 2000 nm, > 100 mJ) mit flexiblem Strahlarm undCNC-Bauteilbewegung für das Abtra-gen dünner Schichten

Laserbearbeitungsstation mit Industrie-roboter und CO2-Slab-Laser

CNC-Bearbeitungszentrum zum 5-Achs-Fräsen und Laser- sowie Plasma-Auftragschweißen

laserintegriertes CNC-Fräszentrum zumGenerieren und Reparieren

Anlage zur Abscheidung von nitridischen Hartstoffschichten


Prozessüberwachungssysteme für dasThermische Spritzen, Laserstrahl-Auf-tragschweißen und Laserschweißen

Softwarepaket zur DCAM off line-Pro-grammierung von Robotern und CNC-Maschinen für alle thermischenBeschichtungsverfahren

Sensorsystem für die 3D-Geometrie-erfassung (automatisches teach-in) zurLaserbearbeitung von Bauteilen (On-und Offline-Konturverfolgung)

Strahldiagnosesysteme für CO2- undNd:YAG-Laser

UV/VIS-, FTIR- und NIR-Diodenlaser-Spektrometersysteme zur Diagnostikvon Prozessgasen und -plasmen

Messtechnik zur Kurzzeit-Prozessanaly-se (4-Kanal-Hochgeschwindigkeits-Bild-verstärkerkamera)


Vakuum-Plasmaspritzanlage

Messgeräte

Ausrüstung zur Gefügeanalyse ein-schließlich Präparationstechnik:- Metallographie - Transmissionselektronenmikroskopie - Rasterelektronenmikroskopie

Ausrüstung zur Werkstoffprüfung: - servohydraulische Prüfmaschinen, - mechanische Zug- / Druck-Prüfma-

schine- Kerbschlagpendel - rechnergestütztes Mikrohärteprüf-

system, Härteprüfautomat - Resonanzermüdungsapparatur - Flachbiege-Torsions-Maschine - verschiedene Verschleißprüfsysteme

(Abrasiv-, Kavitations-, Oszillations-gleitverschleiß)

Laserakustik-Messsysteme zur Bestim-mung des E-Moduls von Schichten

Laserschock-Messsystem mit Hoch-geschwindigkeitspyrometer

Ausrüstung zur Oberflächen- undSchichtanalyse: - vollautomatisches Spektralellipsome-

ter (270 - 1700 nm) - UV-VIS-Spektrometer - Raman-Mikrospektrometer - FTIR-NIR-Spektrometer - FTIR-Spektrometer, FTIR-Mikroskop - registrierendes Eindruckmessgerät - Scratchtester - Rauheitsmessgerät - Tribometer - Eigenspannungsmessgerät

Röntgendiffraktometer (CuKα)Röntgendiffraktometer (MoKα)

optisches 3D-Koordinatenmesssystem


Altbau NeubauGebäude 5050 m2 2950 m2

- Technikumshalle 1200 m2 400 m2

- Laborräume 1760 m2 1310 m2

- Büroräume 1550 m2 1080 m2

- Infrastrukturräume 540 m2 160 m2

Technikum im DOC (Dortmund) 1100 m2

Das Institut in Zahlen

Gesamtmitarbeiter

Aufgrund einer Kooperationsvereinbarung zwischen der TU Dresden und demFraunhofer IWS sind der Lehrstuhl für Laser- und Oberflächentechnik (Prof. Bey-er) und das IWS miteinander verbunden. Eine Reihe von Mitarbeitern des Lehr-stuhls arbeitet in einer Vielzahl von Projekten eng mit den IWS-Mitarbeiternzusammen. Dabei werden in der Regel die Forschungs- und Grundlagenarbeitenan der TU und die anwendungsbezogenen Verfahrensentwicklungen undsystemtechnischen Arbeiten am IWS durchgeführt.

Die Mitarbeiter teilen sich 2004 wie folgt auf:

Mitarbeiter im Fraunhofer IWS

Anzahl Personal 116 - Wissenschaftler 65 - Technische Angestellte 42 - Verwaltungsangestellte 9

Lehrlinge 14

Wissenschaftliche Hilfskräfte 60

Gesamt 190

Mitarbeiter am Lehrstuhl für Laser-und Oberflächentechnik der TUDresden

Anzahl Personal 34 - Wissenschaftler 20 - Technische Angestellte 13 - Verwaltungsangestellte 1

Studentische Hilfskräfte 8

Gesamt 42

Wer es einmal soweit gebracht hat,

dass er nicht mehr irrt,

der hat auch zu arbeiten aufgehört.

Max Planck


Aufwendungen und Erträge 2004 (vorläufiges Ergebnis*)* Nachkalkulation noch nicht erfolgt

Mio. € Aufwendungen Betrieb und Investitionen 2004 15,2

Betriebshaushalt 13,9 - Personalaufwendungen 6,2 - Sachaufwendungen 7,7

Investitionshaushalt 1,3

Mio. € % Erträge 2004 15,2

Betrieb 13,9 - Projekterträge aus der Industrie 6,4 46 - Projekterträge durch Bund, Land und EU 3,1 22 - Grundfinanzierung IWS 4,4 32

Investitionen 1,3 - Projekterträge aus der Industrie 0,2 - Projekterträge durch Bund, Land und EU 0,4 - Grundfinanzierung IWS 0,7

Projekte

Im Jahr 2004 wurden am IWS 246 Projekte durchgeführt. Die Aufteilung der Pro-jekte nach ihrem finanziellen Volumen ist in der folgenden Grafik dargestellt. So wurden beispielsweise 111 Projekte mit einem finanziellen Volumen von 10 ... 50 T€ bearbeitet.

Das Institut in Zahlen


Kuratorium und Gremien

Kuratorium

Das Kuratorium berät und unterstütztdie Organe der Fraunhofer-Gesell-schaft sowie die Institutsleitung. Mit-glieder des Kuratoriums waren imBerichtszeitraum:

P. Wirth, Dr. Vorsitzender der Geschäftsführung der Rofin-Sinar Laser GmbH, Vorsitzender des Kuratoriums

R. Bartl, Dr. Director Production Planning MB Carsder DaimlerChrysler AG

I. Bey, Dr.Leiter Projektträger Produktion undFertigungstechnologien derForschungszentrum Karlsruhe GmbH

H. Bücher, Dr. Koordinator Innovationsmanagementund Technologiemarketing im Deut-schen Zentrum für Luft- und Raum-fahrt e.V.

H. Ennen, MR Dr. Sachsenbüro Brüssel (bis Juni 2004)

D. FischerGeschäftsführer EMAG Leipzig Maschi-nenfabrik GmbH

F. Junker, Dr. Mitglied im Aufsichtsrat der Koenig &Bauer AG, Planeta-Bogenoffset

J. Klenner, Dr.Leader Centre of CompetenceEngineering Structure, Airbus

P. Lenk, Dr. Geschäftsführer der von Ardenne Anlagentechnik GmbH

P. Linden, Dr. Leiter Betriebsmittel Presswerk der DaimlerChrysler AG

A. Mehlhorn, Prof. Dr. Institut für Organische Chemie der TUDresden

R. J. Peters, Dr. Geschäftsführer des VDI-Technologie-zentrums Physikalische Technologien

W. Pompe, Prof. Dr. Institut für Werkstoffwissenschaft derTU Dresden

F. Schmidt, Dr.Staatssekretär im Sächsischen Staats-ministerium für Wissenschaft undKunst

R. Zimmermann, MR Dr. Sächsisches Staatsministerium für Wissenschaft und Kunst

S. Clobes, RD’inBundesministerium für Bildung undForschung(Gast)

U. Jaroni, Dr. ThyssenKrupp Stahl AG(Gast)

Die 14. Zusammenkunft des Kura- toriums fand am 25. / 26. Februar2004 im Fraunhofer IWS Dresden statt.

Institutsleitungsausschuss (ILA)

Der Institutsleitungsausschuss (ILA)berät die Institutsleitung und wirkt beider Entscheidungsfindung über dieGrundzüge der Forschungs- undGeschäftspolitik des Institutes mit.

Mitglieder des ILA sind: Prof. Dr. E. Beyer Institutsleiter Dr. A. Leson Stellv. Institutsleiter Dr. S. Wilhelm Verwaltungsleiter Prof. Dr. B. Brenner Abteilungsleiter Dr. V. Hopfe Abteilungsleiter Dr. L. Morgenthal Abteilungsleiter Dr. S. Nowotny Abteilungsleiter Prof. Dr. B. Schultrich Abteilungsleiter

Gäste sind: Dr. S. Bonß WTR-Vertreter Prof. Dr. U. Günther LehrstuhlvertreterDr. R. Jäckel PR-VerantwortlicherDr. S. Schädlich QM-BeauftragterDr. B. Schöneich Betriebsrat

Wissenschaftlich-Technischer Rat(WTR)

Der Wissenschaftlich-Technische Rat(WTR) unterstützt und berät Organeder Fraunhofer-Gesellschaft. Ihm gehö-ren die Mitglieder der Institutsleitungund je Institut ein gewählter Vertreterder wissenschaftlich-technischen Mit-arbeiter an. Mitglieder des IWS imWTR waren im Berichtszeitraum: - Prof. Dr. E. Beyer - Dr. S. Bonß

Fraunhofer-Verbund Oberflächen-technik und Photonik (VOP)

Das IWS ist Mitglied des VerbundesOberflächentechnik und Photonik.Dem Verbund gehören an: - Fraunhofer FEP Dresden - Fraunhofer ILT Aachen - Fraunhofer IOF Jena - Fraunhofer IPM Freiburg - Fraunhofer IST Braunschweig - Fraunhofer IWS Dresden


Die Fraunhofer-Gesellschaft

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibtanwendungsorientierte Forschung zumdirekten Nutzen für Unternehmen undzum Vorteil der Gesellschaft. Vertrags-partner und Auftraggeber sind Indu-strie- und Dienstleistungsunternehmensowie die öffentliche Hand. Im Auftragund mit Förderung durch Ministerienund Behörden des Bundes und derLänder werden zukunftsrelevante For-schungsprojekte durchgeführt, die zuInnovationen im öffentlichen Nachfra-gebereich und in der Wirtschaft bei-tragen.

Mit technologie- und systemorientier-ten Innovationen für ihre Kunden tra-gen die Fraunhofer-Institute zur Wett-bewerbsfähigkeit der Region, Deutsch-lands und Europas bei. Dabei zielen sieauf eine wirtschaftlich erfolgreiche,sozial gerechte und umweltverträglicheEntwicklung der Gesellschaft.

Ihren Mitarbeiterinnen und Mitarbei-tern bietet die Fraunhofer-Gesellschaftdie Möglichkeit zur fachlichen undpersönlichen Entwicklung füranspruchsvolle Positionen in ihrenInstituten, in anderen Bereichen derWissenschaft, in Wirtschaft und Gesell-schaft.

Die Fraunhofer-Gesellschaft betreibtderzeit rund 80 Forschungseinrichtun-gen, davon 57 Institute, an über 40Standorten in ganz Deutschland. Rund12 700 Mitarbeiterinnen und Mitarbei-ter, überwiegend mit natur- oder inge-nieurwissenschaftlicher Ausbildung,bearbeiten das jährliche Forschungsvo-lumen von über 1 Milliarde €. Davonfallen mehr als 900 Millionen € aufden Leistungsbereich Vertragsfor-schung. Rund zwei Drittel dieses Lei-stungsbereichs erwirtschaftet die

Fraunhofer-Gesellschaft mit Aufträgenaus der Industrie und mit öffentlichfinanzierten Forschungsprojekten. EinDrittel wird von Bund und Ländernbeigesteuert, auch um damit den Insti-tuten die Möglichkeit zu geben, Pro-blemlösungen vorzubereiten, die infünf oder zehn Jahren für Wirtschaftund Gesellschaft aktuell werden.

Niederlassungen in Europa, in denUSA und in Asien sorgen für Kontaktzu den wichtigsten gegenwärtigenund zukünftigen Wissenschafts- undWirtschaftsräumen.

Mitglieder der 1949 gegründeten undals gemeinnützig anerkannten Fraun-hofer-Gesellschaft sind namhafteUnternehmen und private Förderer.Von ihnen wird die bedarfsorientierteEntwicklung der Fraunhofer-Gesell-schaft mitgestaltet.

Namensgeber der Gesellschaft ist derals Forscher, Erfinder und Unterneh-mer gleichermaßen erfolgreiche Mün-chner Gelehrte Joseph von Fraunhofer(1787-1826).

Die Fraunhofer-Gesellschaft auf einen Blick

Etwas wirklich Neues findet man immer nur aus zunächst unklaren Entdeckungen, die nicht ins Schema passen.

Volker Braun


Kompetenz durch Vernetzung

Sechs Fraunhofer-Institute kooperieren im Verbund Oberflächentechnik undPhotonik.

Aufeinander abgestimmte Kompeten-zen gewährleisten eine permanente,schnelle und flexible Anpassung der

Kontakt / Koordination

Sprecher des Verbundes:Prof. Dr. Eckhard Beyer

Koordination:Udo KlotzbachTelefon: 0351 / 2583 252E-Mail: [email protected]

Internet: www.vop.fraunhofer.de

Fraunhofer-Verbund Oberflächentechnik und Photonik

Forschungsarbeiten an den raschentechnologischen Fortschritt in allenindustriellen Anwendungsbereichen.

Koordinierte, auf die aktuellen Bedürf-nisse des Marktes ausgerichtete Strate-gien führen zu Synergieeffekten.

Es wird ein breiteres Leistungsangebot zum Nutzen des Kunden erzielt.


Fraunhofer-Institut für Elektronen-strahl- und Plasmatechnik FEP

Ziel des FEP ist die Erforschung undEntwicklung innovativer Verfahren zurNutzung von Elektronenstrahlen hoherLeistung und dichter Plasmen in Pro-duktionsprozessen für die Oberflä-chentechnik. Dabei stehen praktischeFragestellungen wie Prozessmonito-ring, Qualitätskontrolle, Reproduzier-barkeit, Aufskalierung und Wirtschaft-lichkeit im Vordergrund.www.fep.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM

Das Fraunhofer IPM entwickelt opti-sche Systeme für die Spektroskopieund Laserbelichtungstechnik. Einbesonderer Schwerpunkt liegt dabeiauf der Verwirklichung hochdynami-scher Systeme. Neben der schnellenLaseransteuerung sind dafür besonde-re Kompetenzen bei der Signalverar-beitung gefragt. So wurden für dieInfrastrukturüberwachung von Hoch-geschwindigkeitsstrecken robuste,wartungsarme Messgeräte realisiert. www.ipm.fraunhofer.de

Im Bereich der Lasertechnik ist dasZusammenspiel zwischen Laserent-wicklung und Laseranwendung vonherausragender Bedeutung. NeueLaser erlauben neue Anwendungenund neue Anwendungen geben An-regungen für neue Lasersysteme. Des-halb erweitert das Fraunhofer ILTdurch die enge Kooperation mitführenden Laserherstellern und innova-tiven Laseranwendern ständig seineKernkompetenzen. www.ilt.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Angewand-te Optik und Feinmechanik IOF

Hauptgegenstand der Forschungstätig-keit des Fraunhofer IOF ist die optischeSystemtechnik mit dem Ziel der immerbesseren Kontrolle von Licht. Schwer-punkte sind multifunktionale optischeSchichtsysteme, mikro-optische Syste-me, optische Messsysteme und Syste-me zur Optik-Charakterisierung, fein-mechanische Präzisionssysteme sowiedie Mikromontage.www.iof.fraunhofer.de

Das Fraunhofer-Institut für Schicht-und Oberflächentechnik IST bündeltals industrienahes FuE-Dienstleistungs-zentrum Kompetenzen auf den Gebie-ten Schichtherstellung, Schichtanwen-dung und Schichtcharakterisierung.Zurzeit ist das Institut in folgendenGeschäftsfeldern tätig: Maschinenbauund Fahrzeugtechnik; Werkzeuge;Energie, Glas und Fassade; Optik,Information und Kommunikation;Mensch und Umwelt.www.ist.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Werkstoff-und Strahltechnik IWS

Das Fraunhofer IWS forscht auf denGebieten der Lasertechnik (z. B. Laser-schweißen, Laserschneiden, Laserhär-ten), der Oberflächentechnik (z. B.Auftragschweißen), der Mikrobearbei-tung sowie der Dünnschicht- undNanotechnologie. Die in die Forschungund Entwicklung integrierte Werkstoff-prüfung und -charakterisierung fun-diert und erweitert das Spektrum desIWS.www.iws.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für LasertechnikILT

Fraunhofer-Institut für Schicht- undOberflächentechnik IST

Fraunhofer-Verbund Oberflächentechnik und Photonik

Redaktion: Im Interview zum vorletz-ten Jahresbericht kündigten Sie hin-sichtlich der Zusammenarbeit mit derFirma Airbus neue Projekte zur Ent-wicklung von Laserstrahlschweißver-fahren für Flugzeugrumpfstrukturenan. Was ist daraus geworden?

Prof. Brenner: Kernstück des vomSächsischen Ministerium für Wissen-schaft und Kunst geförderten und mitUnterstützung der Firma AirbusDeutschland GmbH durchgeführtenProjektes war die Konzipierung,Beschaffung und Inbetriebnahme einerneuartigen Laserstrahlschweißanlagefür das simultane 3D-Schweißen vonVersteifungselementen auf Flugzeug-strukturen von bis zu 10 m Länge und3 m Breite. Im Jahr 2004 konnte dieAnlage erfolgreich in Betrieb genom-men und Technologieentwicklungenfür das Schweißen von ersten Bautei-len für die Firma Airbus begonnenwerden.

Damit steht dem IWS eine derzeit uni-kale Anlage zur Verfügung, mit der esuns zukünftig möglich ist, große, bis-her schweißtechnisch nicht herstellbareund geometrisch komplizierte Struktu-ren mit großer Genauigkeit, minima-lem Wärmeeintrag und Verzug sowiehoher Schweißgeschwindigkeit zufügen. Wir hoffen mit dieser, in unse-ren anlagentechnischen Ausrüstungeneinen qualitativen Sprung darstellen-den Anlage, bisher im Flugzeugbauschweißtechnisch nicht realisierbareBauweisen entwickeln und umsetzenzu können. Darüber hinaus sind wirmit der Inbetriebnahme der Anlageauch in der Lage, deren schweißtech-nologische Möglichkeiten auch zumSchweißen von großen räumlichenStrukturen aus anderen Industrieberei-chen wie dem Schienenfahrzeug-,Waggon-, Nutzfahrzeug-, Schiffs- oderauch Gasturbinen- und Stahlbau ein-zusetzen.

Redaktion: Das andere verfahrens-technisch orientierte Standbein IhrerAbteilung ist die Randschichtvered-lung. Welche Fortschritte konnten Sieim letzten Jahr erreichen?

Prof. Brenner: Die Entwicklungsstra-tegie der Gruppe Randschichtvered-lung zielt in zweierlei Richtungen:Erstens die der Neu- und Weiterent-wicklung von effektiven Randschicht-veredlungs-Technologien mit verbes-serten Nutzeigenschaften und zwei-tens die der Entwicklung, Einsatzerpro-bung und Überführung der dazuge-hörigen verfahrensspezifischen Anla-genkomponenten zur Strahlformung,Einstellung kontrollierter Atmosphären,Temperaturmessung und -regelungsowie der dazugehörigen Software.Auf beiden Feldern konnten wir imletzten Jahr wesentliche Fortschritteerzielen: Mit der Entwicklung des Ver-fahrens der Randschichtaushärtung anBauteilen aus ausscheidungshärtbarenStählen wollen wir uns ein weiteresStandbein auf dem Gebiet des Ver-schleißschutzes bisher nicht rand-schichthärtbarer Werkstoffe erarbei-ten. Mit der Überführung einer neuar-tigen Technologie für die Lebensdauer-verlängerung von Endstufen-Lauf-schaufeln aus ausscheidungshärtbarenStählen für große Dampfturbinenhaben wir einen ersten wichtigenMeilenstein erreicht.

Auf dem zweiten Feld gelang es uns,mit der Entwicklung eines sehr preis-werten ortsauflösend messenden Tem-peraturerfassungssystems, der dazu-gehörigen Software sowie deren Integration in Laserstrahlhärteanlagengünstigere Bedingungen für die repro-duzierbare Randschichthärtung vonkompliziert geformten Bauteilen zuschaffen. Seine Stärken kann das neueSystem insbesondere dann ausspielen,wenn sehr teuere Bauteile, wie z. B.Großwerkzeuge, in geringen Stückzah-len oder in Einzelstücken ohne auf-wändige Probehärtungen beanspru-chungsgerecht gehärtet werden sollen.

FuE-Angebot: Füge- und Randschichttechnologien


Wer aufhört besser zu werden,hat aufgehört gut zu sein.

Philipp Rosenthal


Beispiele aus den Arbeiten 2004

1. Ortsauflösend messendes Temperaturerfassungssystem zurLasermaterialbearbeitung 28

2. Laserstrahlscanning erweitert dasAnwendungspotenzial von Hoch-leistungsdiodenlasern 29

3. Lebensdauersteigerung von Dampfturbinenschaufeln aus aus-scheidungshärtbaren Stählen 30

4. Schweißtechnische Lösungen zurAnwendung von Magnesiumblechim Karosseriebau 31

5. XXL-Anlage zum Laserstrahl-schweißen von großformatigen3D-Strukturen 32

6. Laserstrahlschweißen von Axial-rundnähten mit Zusatzwerkstoff an rotationssymmetrischen Bau-teilen mit hoher Steifigkeit 33

7. Verbesserte Umformbarkeit vonhochfesten Feinblechen aus Mehr-phasenstählen durch Laser-induktionsschweißen 34

8. Verbesserung der mechanischenEigenschaften lasergasnitrierter Randschichten an Titanwerk-stoffen 35

9. Effiziente Produktentwicklungdurch begleitende Versagens-analyse 36

10. Prüfstand für Thermozykliertestsan hochbeanspruchten Trieb-werkskomponenten 38

Prof. Berndt BrennerAbteilungsleiter (Tel. 2583 207,[email protected])



Dr. Bernd WinderlichGruppenleiter Werkstofftechnik /Werkstoffcharakterisierung (Tel. 2583 224,[email protected])

Komplexe Werkstoff- und Bauteil-charakterisierung

Die Beherrschung moderner Füge- undRandschichtverfahren erfordert Kennt-nisse von den ablaufenden strukturel-len Änderungen bis zu den resultieren-den Bauteileigenschaften. Auf derBasis langjähriger Erfahrungen undeiner modernen Geräteausstattung fürdie strukturelle, mikroanalytische undmechanische Werkstoffcharakterisie-rung bieten wir an:- metallographische, elektronen-

mikroskopische (REM, TEM) undmikroanalytische (EDX) Charakterisie-rung der Realstruktur von Metallen,Keramiken und Werkstoffverbunden,

- Ermittlung von Werkstoffkennwertenfür die Bauteilauslegung und Qua-litätssicherung,

- Eigenschaftsbewertung von rand-schichtbehandelten und geschweiß-ten Bauteilen,

- Strategien zur werkstoff- und bean-spruchungsgerechten Bauteilgestal-tung,

- Aufklärung von Schadensfällen.


Technologien zum beanspru-chungsgerechten Härten vonStählen mittels Laser und / oderInduktion

Bei Bauteilgeometrien, Verschleißfällenund Werkstoffen, bei denen konven-tionelle Härtetechnologien versagen, bietet das Laserhärten vielfach neueLösungsansätze zur Erzeugung ver-schleißfester Oberflächen. Das trifftinsbesondere zu auf die selektive Här-tung von Bauteilen mit mehrdimensio-nal gekrümmten, innenliegenden oderschwer zugänglichen Flächen, Bohrun-gen oder Kerben sowie auf stark ver-zugsgefährdete Bauteile. Gestützt auflangjährige umfangreiche Erfahrungen,fachübergreifendes Know-how von derAnalyse des Verschleißfalles bis zuroptimalen technologischen Realisie-rung von Härteaufgaben bieten wir an: - Entwicklung von Randschichthärte-

technologien mit Hochleistungs-Diodenlasern, CO2-Lasern, Nd:YAG-Lasern und / oder Induktion,

- Randschichtveredelung von Entwick-lungs- und Prototypmustern.

Laserstrahlgehärtete Turboladerwellen

Dr. Jens StandfußGruppenleiter Schweißen (Tel. 2583 212, [email protected])

Dr. Steffen Bonß Gruppenleiter Randschichtverfahren(Tel. 2583 201,[email protected])

Laserstrahlgeschweißtes Getriebebauteil

Schweißen schwer schweißbarerWerkstoffe

Das Laserstrahlschweißen ist ein mo-dernes Schweißverfahren, das einenbreitgefächerten industriellen Einsatz,insbesondere in der Massenfertigung,gefunden hat. Vorwiegend werden je-doch nur Werkstoffe mit allgemeinguter Schweißeignung verarbeitet.Einen neuen Zugang zur Herstellungrissfreier Schweißverbindungen aushärtbaren und hochfesten Stählen,Gusseisen, Al- und Sonderlegierungensowie Bauteilen mit hoher Steifigkeitermöglichen Laserstrahlschweißverfah-ren mit integrierter Kurzzeitwärme-behandlung sowie werkstoffangepass-ten Zusatzwerkstoffen. Auf der Basiseines umfangreichen metallphysikali-schen und anlagentechnischen Hinter-grundwissens bieten wir Ihnen an: - Entwicklung von Schweißtechnolo-

gien, - Prototypschweißungen, - Verfahrens- und Anlagenoptimierung,- Ausarbeitung von Schweißanweisun-

gen.

Neue Testeinrichtung für Kopfzugversuche



Aufgabenstellung

Eine Reihe von Prozessen der Laser-materialbearbeitung kann kontrolliertund geregelt werden, indem manberührungslos die Temperatur an derBearbeitungsstelle misst. Das geschiehtüblicherweise mit Pyrometern. Pyrome-ter haben jedoch den entscheidendenNachteil, dass die Maximaltemperatu-ren von inhomogenen und insta-tionären Temperaturfeldern, wie siezum Beispiel beim Laserstrahlhärtenauftreten, nicht sicher gemessen wer-den können. Thermografiesystemekönnen diese Nachteile überwinden,sind jedoch so preisintensiv, dass einAnwender nur selten bereit ist, diesefür einfache Kontroll- und Regelpro-zesse einzusetzen. Die Aufgabebestand darin, ein ortsauflösend mes-sendes und zugleich preiswertesSystem zu schaffen, das den Anforde-rungen der Lasermaterialbearbeitunggenügt.

Ergebnisse

Erste Systeme befinden sich bereits imindustriellen Einsatz. Es sind zur Zeitzwei Varianten der Signalauswertungmöglich. Das System gestattet dieErmittlung der Maximaltemperatur,wobei der Anwender festlegen kann,wie viele Bildpunkte diese repräsentie-ren müssen, damit das Signal als sinn-voll angesehen wird. Eine zweite Variante ist die Erfassung der Größeeiner Fläche, deren Temperatur ober-halb einer vom Anwender festgelegtenSchwelltemperatur liegt. Damit lassensich andere Prozessinformationengewinnen, die zum Beispiel für dasSchweißen und Auftragschweißensinnvoll als Regelgröße verwendet wer-den können. Das System wird in derRegel in Verbindung mit dem Regel-system LompocPro eingesetzt.

Ortsauflösend messendes Temperaturerfassungssystem zur Lasermaterialbearbeitung

Lösungsweg

Die Lösung besteht in der Verwendungeiner preiswerten CCD-Kamera, dieauch noch eine geringe Empfindlich-keit im nahen Infrarotbereich unter-halb 800 nm hat. Diese wird kombi-niert mit einem schmalbandigen Filter.Das damit aufgenommene Graubildkann, wenn keine prozessbegleitendenEmissionslinien störend wirken, mit derTemperaturverteilung auf der beob-achteten Fläche korreliert werden. Miteinem schwarzen Strahler kann manein solches System kalibrieren. Damitdas System für den industriellen Ein-satz tauglich ist, kann es in ein Gehäu-se eingebaut werden, welches ständigmit sauberer Druckluft gespült werdenkann, um das Eindringen von Staubund Feuchtigkeit zu vermeiden. In die-ses Gehäuse kann ein pneumatischerFilterschieber eingebaut werden, damitman neben der Anwendung derKamera zur Temperaturmessung dieseauch im Tageslichtbetrieb zur Justageder Prozesse verwenden kann.

Ansprechpartner

Dr. Steffen BonßTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Abb. 2: Falschfarbendarstellung beim Simultan-härten einer Bauteilkante mit zweiLaserspots

Abb. 1: Temperaturerfassungssystem ange-flanscht an die Optik eines Hochleis-tungsdiodenlasers, koaxiale Prozess-beobachtung



Laserstrahlscanning erweitert das Anwendungspotenzial von Hoch-leistungsdiodenlasern

Aufgabenstellung

Das temperaturgeregelte Härten mitHochleistungsdiodenlasern hat in denletzten Jahren zunehmend Einzug indie industrielle Fertigung gefunden.Das ist nicht zuletzt begründet durchdie vielen Vorteile des Verfahrens, wiedie präzise und reproduzierbare Pro-zessführung, die gute Automatisierbar-keit, die vielfältigen Möglichkeitenzum lokalen Härten komplexer 3D-Bauteile und der geringe Verzug auf-grund des geringen Wärmeeintrags.

Trotz der guten Möglichkeiten zurLaserstrahlformung mittels Dioden-stapelung und durch Verwendung vonLinsensystemen ist es im Einzelfall oftschwierig, die für das Bauteil optimaleLaserspotgeometrie und Intensitätsver-teilung einzustellen. Die Entwicklungvon Sondersystemen kann zudem sehrkostenintensiv und zeitaufwändig sein,eine flexible Anpassung des Laserspotsan sich verändernde Bedingungen istmeist nicht möglich. Deshalb war esdas Ziel, die bekannten Vorteile vonflexiblen Scanneroptiken auch fürHochleistungsdiodenlaser im Multi-Kilowatt-Bereich nutzbar zu machen.

Ergebnisse

Das Scanningsystem wurde mit Laser-leistungen bis 4 kW erfolgreich getes-tet. An Bauteilen verschiedenster härt-barer Stahlwerkstoffe konnten Härte-zonen mit einer Breite von bis zu 50 mm generiert werden (Abb. 2)bzw. die Härtespurbreite gezielt undprogrammierbar geändert werden(Abb. 3). Dadurch ergeben sich sowohlneue Möglichkeiten einer beanspru-chungsgerechten und bauteilange-passten Härtezonengeometrie ohneweiche Gebiete als auch die Einspa-rung von Laserenergie. Ein neu ent-wickelter Bearbeitungskopf ist zur Zeitin der industriellen Erprobung.

Lösungsweg

Dazu mussten folgende Problemegelöst werden: Findung geeigneterSchichtsysteme mit Reflektivitäten > 99 % bei mehreren Wellenlängen,Auslegung von Spiegel, Spiegelhalte-rung und Scannerantrieb, Konstruktionund Erprobung einer effektiven Spie-gelkühlung. Das damit entstandeneGesamtsystem (Abb. 1) kann als exter-ne Optik für Standard-Hochleistungs-diodenlaser mit langer Brennweite ver-wendet werden.

Abb. 2: Härtezone auf C45, 27 mm breit, gehärtet mit 2,5 kW-Hochleistungs-diodenlaser und Scanningsystem

Abb. 3: Laserstrahlhärten von Werkzeugstahl mitVariation der Härtezonenbreite währenddes Prozesses

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Marko SeifertTel.: 0351 / 2583 204 [email protected]

Optional lassen sich verschiedeneGeräte zur Temperaturmessung (Pyro-meter, Kamerasysteme, u. ä.) integrie-ren. Die Steuerung erfolgt mit einerspeziellen Software, die nicht nur dieoptimalen Scanparameter berechnet,sondern auch über verschiedene Mög-lichkeiten zur temperaturgeführtenProzessregelung verfügt. Alle relevan-ten Prozessparameter werden automa-tisch überwacht, aufgezeichnet undstehen für die Qualitätssicherung zurVerfügung.

Abb. 1: Modulares Scanningsystem an 4 kW-Hochleistungsdiodenlaser



Abb. 1: Verbesserung des Verschleißwiderstan-des gegenüber kavitativer Belastung

Ansprechpartner

Prof. Berndt BrennerTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Abb. 3: Metallographischer Querschliff der aus-gehärteten Randschicht

Abb. 2: Laser-Randschichtlösungsglühen der Ein-trittskante einer Turbinenschaufel

Aufgabenstellung

Endstufen-Laufschaufeln von großenDampfturbinen unterliegen währendihres Betriebes einer sehr hohen Ver-schleißbelastung durch Tropfenschlag,gepaart mit einer hohen zyklischenund Fliehkraft-Beanspruchung. Umden hohen zyklischen Belastungen zuentsprechen, werden bei hochbelaste-ten, großen Dampfturbinen zuneh-mend ausscheidungshärtbare Cr-Ni-Stähle eingesetzt, die höheren mecha-nischen Belastungen als die konventio-nellen martensitischen Turbinenschau-felstähle ausgesetzt werden können.

Einsatzbegrenzend wirkte sich bisheraus, dass es kein Verschleißschutzver-fahren gab, das in der Lage ist, denspezifischen Anforderungen an Turbi-nenschaufeln hinsichtlich Beständigkeitgegenüber Tropfenschlag-, zyklischerund Spannungsrisskorrosions-Bela-stung zu entsprechen.

Lebensdauersteigerung von Dampfturbinenschaufeln aus ausscheidungshärtbaren Stählen

Lösungsweg

Zur Lösung dieser Aufgabenstellungwurde in einem gemeinsamen Projektmit Siemens Power Generation Mül-heim ein neuartiges Randschicht-Ver-edlungsverfahren entwickelt [1]. Dazuwird mit einem oszillierenden Laser-strahl eine Zone, deren Geometrie der

Ergebnisse

Im Ergebnis der Behandlung entstehteine der lokalen Verschleißbelastungder Turbinenschaufel geometrischangepasste Härtezone um die Eintritts-kante, deren Breite größer ist als dieBreite intensiver Verschleißbelastung(siehe Abb. 3). Diese Schicht weist eineum bis zu 150 HV höhere Härte auf.Im Kavitationsverschleißtest sinkt dieVerschleißrate etwa auf ein Drittel (sie-he Abb. 1). In Ermüdungstests konntenachgewiesen werden, dass bei derartrandschichtveredelten Proben keinAbfall der zyklischen Dauerfestigkeitauftritt.

Die Eignung des Verfahrens zumindustriellen Einsatz in hochbelastetenTurbinenschaufeln wurde beim Auf-traggeber Siemens Power Generationin Spannungsrisskorrosions-Tests undeiner Reihe von anderen Prüfungennachgewiesen. Derzeit bewähren sichso behandelte Turbinenschaufeln ineinem ersten Anwendungsfall in einerGrundlastturbine.

[1] Patent DE 10030433C2"Verfahren zur Erzeugung verschleiß-beständiger Randschichten an aus-scheidungshärtbaren Werkstoffen"

Geometrie der zu schützenden Zoneentspricht, in einem spezifischen Tem-peratur-Zeit-Zyklus randschichtlösungs-geglüht (siehe Abb. 2). Anschließendwird die gesamte Turbinenschaufeleiner erneuten Auslagerungswärmebe-handlung bei unüblich niedrigen Tem-peraturen unterworfen.

5 mm



Schweißtechnische Lösungen zur Anwendung von Magnesium-blech im Karosseriebau

Ergebnisse

Die erzeugte zweiteilige Magnesium-Modellmotorhaube weist trotz ihresextrem geringen Gewichts eine sehrhohe Steifigkeit auf (Abb. 1). So kannim Bereich des Vorderwagens einedeutliche Gewichtsreduzierung reali-siert werden. Außerdem wird bei die-sem Konzept die Versteifungseinheitfür das Außenblech durch einen ein-zelnen Arbeitsschritt hergestellt, sodass die Fertigungskette verkürzt wer-den kann.

Walzprodukte aus Magnesium besit-zen eine hervorragende Schweißbar-keit. Für die Modellmotorhaube isteine Kehlnahtschweißverbindung soausführbar, dass keine thermischeAbzeichnung auf der Außenhaut sicht-bar wird (Abb. 3). Der Prozess ist her-vorragend automatisierbar, da zurNahterkennung ein optischer Sensoreingesetzt werden kann. Die notwen-dige Prozesszeit bewegt sich im Be-reich weniger Sekunden. Sie ist damitkonventionellen Punktschweiß- oderClinch-Verfahren deutlich überlegen.

Aufgabenstellung

Die automobile Zukunft wird immermehr durch Komfort- und Sicherheits-ansprüche geprägt, die das Fahrzeug-gewicht tendenziell erhöhen. Um den-noch eine Gewichtsreduzierung zuerreichen, sind Karosserie-Anbauteilewie Klappen und Türen zu entwickeln,die aus Werkstoffen mit geringer Dich-te bei gleichzeitig guten Materialkenn-werten bestehen. Das soll mit demBau einer zweiteiligen Modellmotor-haube aus Magnesiumwalzproduktengezeigt werden. Dabei soll dieSchweißbarkeit der verwendeten Mg-Knetlegierung an einem komplexenBauteil untersucht werden.

Lösungsweg

Die Realisierung des Demonstratorserfolgt in Zusammenarbeit mit denFraunhofer-Instituten IWU und IFAMdurch die Entwicklung einer Ferti-gungskette, die vom Umformprozessbis zum Fügen der Blechteile reicht.Die Formgebung des Innenteilsgeschieht durch einen neuartigen tem-peraturgeregelten Innenhochdruckum-formprozess, bei dem eine Verstei-fungsstruktur im Mg-Blech integriertwird. Das Außenblech wird konventio-nell temperiert tiefgezogen. NachdemInnen- und Außenblech durch eineflächige Klebung verbunden wurden,wird die randseitige Verbindung durchLaserstrahlschweißen der Blechflanscheerzeugt. Die geklebten Mg-Blechewerden in einer Vakuumspannvor-richtung zum Laserstrahlschweißenarretiert (Abb. 2). Die 3D-Kehlnaht-schweißung erfolgt über einen robotergeführten Nd:YAG-Laser-schweißprozess.

Abb. 3: Prinzipskizze der Prozessanordnung(links), Querschliff der Kehlnaht-schweißung (rechts)

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Dirk DittrichTel.: 0351 / 2583 228 [email protected]

Abb. 1: Magnesium-Demonstrator-Modellmotor-haube

Abb. 2: Spannvorrichtung für eine Magnesium-Modellmotorhaube zum 3D-Laserstrahl-schweißen



Lösungsweg

Das Grundkonzept der Anlage bestehtin einer Gantry-Anlage mit zwei unab-hängig verfahrbaren Y-Brücken. Diezwei daran befestigten Z-Achsen mitunabhängig voneinander dreh- undschwenkbaren Einheiten tragen diebeiden Schweißköpfe einschließlich deroptischen Sensoren zur online-Detekti-on der Nahtlage. Eine dritte, zusätzli-che Z-Achse, die eine auch im Raumdreh- und schwenkbare Plattform ent-hält, übernimmt eine mit demSchweißprozess mitlaufende Spann-funktion. Für eine verbesserte Maschi-nendynamik und die Minimierung desBauraums wurde ein hybrides Bewe-gungskonzept für die Relativbewegungzwischen Laserstrahl und Bauteil ge-wählt. Für annähernd gleiche Strahlpa-rameter im gesamten Arbeitsbereichvon 1 m x 3 m x 10 m werden speziellauf die eingesetzten Laser abgestimm-te Teleskope genutzt.

XXL-Anlage zum Laserstrahlschweißen von großformatigen 3D-Strukturen

Aufgabenstellung

Das beidseitig-gleichzeitige Schweißenvon großen, sphärisch gekrümmten 3D-Bauteilen in beliebigen Raumrich-tungen mit gleichzeitiger Bauteil-spannung erfordert neue Maschinen-konzepte. Dazu wurde ein neuartigesPrinzip für eine Laserstrahlschweiß-anlage realisiert. Für die Nutzung derAnlage sowohl mit CO2-Lasern alsauch mit Festkörperlasern wurde dieAnlage in kartesischer Bauart ausge-führt.

Ergebnisse

Für höchstmögliche Flexibilität wurdenfür die Bewegung in Maschinen-längsachse mechanisch entkoppelteParallelachsen realisiert. Dies ermög-licht eine Relativbewegung zwischenLaserstrahl und Bauteil durch dieBewegung der Y-Brücken in X-Rich-tung, der alleinigen Bewegung des Tisches in X-Richtung, oder der gleich-zeitigen entgegengesetzten Bewegungvon Y-Brücken und X-Tisch in X-Rich-tung.

Neben einer besonders großen Flexibi-lität bietet die entwickelte Lösung alsKombination einer Gantry-Maschinemit fliegender Optik und einem zusätz-lichen Bewegungstisch für die Baueileinsbesondere noch die Vorteile deut-lich verbesserter Beschleunigungswertefür die Bauteil-Relativbewegung, einesverringerten Platzbedarfes und einergeringeren Änderung der Strahlweg-länge beim Schweißen mittels CO2-Laser. Der Bearbeitungsraum misst 10 m x 3 m x 1 m. Es können gleichzei-tig zwei Bearbeitungsoptiken und eineflexible Spanntechnik auf praktischbeliebigen 3D-Bahnen im Arbeitsraumeinzeln oder synchron mit Positions-toleranzen von kleiner 0,05 mm imRaum bewegt werden. Dabei ist aucheine Koordinatentransformation für je6 Bewegungen möglich.

Ansprechpartner

Dr. Jens StandfußTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Abb. 2: Beidseitig-gleichzeitiges Schweißen vonStringer-Hautfeld-Verbindungen

Abb. 3: Stringer-Hautfeld-Verbindung

Abb. 1: XXL-Laserschweißanlage



Aufgabenstellung

Das Fügen fertig bearbeiteter Zahnrä-der und Wellen für Fahrzeuggetriebewird in der Automobilbranche zuneh-mend interessant. Dabei werden vor-zugsweise CO2-Laser mit hoher Strahl-qualität eingesetzt, die ein verzugsar-mes Schweißen erlauben. Die Zunah-me der zu übertragenden Drehmo-mente und der Anforderungen an dieKompaktheit der Getriebebauteile istmit einem Anstieg der Steifigkeit derKomponenten verbunden. Dadurchwird ein rissfreies Schweißen extremerschwert. Die schweißtechnische Auf-gabe besteht in der Herstellung derSchweißverbindung trotz der Kombi-nation erschwerender Umstände fürdie Schweißbarkeit:

- sehr steifes Bauteil,- Axialrundnaht,- Vergütungsstahl,- fertig bearbeiteter Zustand.

Laserstrahlschweißen von Axialrundnähten mit Zusatzwerkstoff anrotationssymmetrischen Bauteilen mit hoher Steifigkeit

Ergebnisse

An einsatzgehärteten, fertig bearbeite-ten Bauteilen sind keine zur Rissver-meidung ausreichend hohen Vorwärm-temperaturen möglich. RissfreieSchweißungen konnten dagegen miteinem werkstoffangepassten Zusatz-werkstoff erreicht werden (Abb. 1).Die Prozessstabilität ist gut im Ver-gleich zu anderen Verfahren (Abb. 2).

Die Technologie des prozesssicherenFügens einer Hauptgetriebewelle ausdem Vergütungsstahl 42CrMo4 füreinen Radlader wurde in Zusammenar-beit mit einem Baumaschinenherstellererfolgreich im Prüfstand getestet(Abb. 3).

Neben dem im IWS entwickelten Ver-fahren des induktiv unterstütztenLaserstrahlschweißens ergänzt die Vari-ante des Laserstrahlschweißens mitwerkstoffangepassten Zusatzwerkstof-fen damit die Fügemöglichkeiten desLaserstrahlschweißens im BereichPowertrain. Sie zeichnet sich durch fol-gende Vorteile aus:

- Die thermischen Belastungen desBauteils sind niedriger als bei derkonventionellen Ofenvorwärmungoder beim induktiv unterstütztenLaserstrahlschweißen.

- Die Investitionskosten für eineZusatzwerkstofffördereinrichtungsind vergleichsweise gering.

Lösungsweg

Eine erfolgreiche und effektive Lösungwurde durch das Laserstrahlschweißenmit werkstoffangepassten Zusatzwerk-stoffen erarbeitet, das sich durch fol-gende Spezifika auszeichnet:

- Die Entstehung eines harten, ver-gleichsweise spröden Martensits inder Schweißzone wird verhindert.

- Die sich bei der Abkühlung aufbau-enden transienten Spannungen inder Schweißnaht werden durchgezielte plastische Verformung imduktilen Schweißgut abgebaut.

- Heißrissfördernde Elemente wie z. B.Schwefel können durch Legierungs-bestandteile des Zusatzwerkstoffesgebunden werden.

Abb. 3: Antriebswelle eines Radlader-Getriebesaus 42CrMo4

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Uwe Stamm Tel.: 0351 / 2583 [email protected]

Abb. 2: Schweißprozess mit Zusatzwerkstoff,Aufnahme mit High-speed-Kamera

Abb. 1: Vergleich von Axialrundnähten, die nurmit Vorwärmung (links) oder nur mitZusatzwerkstoff (rechts) geschweißtwurden



Lösungsweg

Durch das Laserstrahlschweißen mitprozessintegrierter induktiver Kurzzeit-Wärmebehandlung (Abb. 2) kann dieNahthärte nach dem Schweißen dras-tisch reduziert werden. Über diegezielte Wahl der Prozessparametersind spezifische Temperatur-Zeit-Regi-me realisierbar. Dadurch können dielokalen Eigenschaften im Schweißgutund in der Wärmeeinflusszone ent-sprechend der Beanspruchung verän-dert werden.

Verbesserte Umformbarkeit von hochfesten Feinblechen aus Mehr-phasenstählen durch Laserinduktionsschweißen

Aufgabenstellung

Hochfeste mehrphasige Feinbleche fin-den verstärkten Einsatz in der Karosse-riefertigung. Diese Werkstoffe errei-chen ihre hohe Festigkeit erst inAbhängigkeit von der Verfestigungwährend der Umformung zum Bauteil.An Schweißverbindungen aus diesenWerkstoffen sind deshalb hohe Anfor-derungen hinsichtlich ihrer Verform-barkeit im Fertigungsprozess gestellt.Geschweißte Bauteile sollen darüberhinaus eine möglichst hohe Restverfor-mung ertragen können. Ziel war daherdie Entwicklung eines Schweißverfah-rens, mit dem ohne Verlust der Vortei-le des Laserstrahlschweißens dieUmformeigenschaften der Schweiß-naht verbessert werden können. AufGrund der komplexen Werkstoffbean-spruchung im Umformprozess müssendabei die Schweißnahteigenschaftengezielt eingestellt und somit die Füge-parameter beanspruchungsangepasstausgewählt werden können.

Ergebnisse

Für die Dualphasenstähle DP-K30/50und DP-K34/60 sowie den Rest-austenitstahl RA-K40/70 wurden fürdie Blechdicken 0,6 mm und 1,5 mmParametersätze zum induktiv unter-stützten Laserstrahlschweißen vonStumpfnähten und Überlappverbin-dungen entwickelt (Abb. 3). Insbeson-dere konnte nachgewiesen werden,dass sich diese Technologie auch fürdie Überlappverbindung, die im Karos-seriebau wichtigste Nahtform, eignet.Hier ist nach einer Parameteroptimie-rung im Unterblech die gleiche Härte-absenkung wie im Oberblech oder imStumpfstoß erzielbar. Mittels Grenz-formänderungsschaubildern konnteeine deutliche Verbesserung derUmformbarkeit für karosseriebautypi-sche Umformungen nachgewiesenwerden (Abb. 1). Bei Lage der großenFormänderung ϕ1 parallel zur Schweiß-naht zeichnet sich im gesamtenUmformbereich eine Steigerung derVerformbarkeit infolge der induktivenWärmebehandlung ab. Für ϕ1 quer zurSchweißnaht sind Vorteile im Streck-ziehbereich zu erwarten.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Axel JahnTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Abb. 1: Grenzformänderungsschaubild für RA-K40/70 (1,5 mm), ϕ1 parallel zurSchweißnaht

Abb. 3: Laserinduktionsgeschweißte Überlapp-naht und Stumpfnaht

Abb. 2: Versuchsanordnung zum Laserstrahl-schweißen mit induktiver Nachwärmung

1 mm 1 mm

Über die Erstellung von Grenzform-änderungsschaubildern von Schweiß-verbindungen kann die maximale Ver-formbarkeit in Abhängigkeit vomBeanspruchungszustand bestimmtwerden.


Aufgabenstellung

Die Titanlegierung Ti-6Al-4V eignetsich aufgrund ihrer hohen spezifischenFestigkeit und guten Korrosionsbestän-digkeit bestens für den Einsatz hoch-beanspruchter Bauteile in Luft- undRaumfahrt, in der Medizin, in derEnergieerzeugung und im Off-Shore-Bereich. Das Lasergasnitrieren bietetdie Möglichkeit, die im Allgemeinenunzureichende Beständigkeit dieserLegierung gegen abrasiven, erosivenoder kavitativen Verschleiß zu verbes-sern. Die industrielle Anwendbarkeitdieses Verfahrens wird jedoch er-schwert oder gar verhindert, weil esinfolge des Lasergasnitrierens zur Riss-bildung kommen kann und die zykli-sche Belastbarkeit beeinträchtigt wird.

Durch Aufklärung der Struktur- undEigenschaftsbeziehungen sollten des-halb Prozessbedingungen gefundenwerden, die eine deutliche Verbesse-rung der Verschleißbeständigkeit derTitanlegierungen ermöglichen, ohneihre ausgezeichneten mechanischenEigenschaften wesentlich zu beein-trächtigen.

Ergebnisse

Nach dem Lasergasnitrieren entstehenharte und verschleißbeständige Rand-schichten mit Dicken im Bereich zwi-schen 0,1 mm und 1,0 mm. Am Bei-spiel des Kavitationsverschleißtests istzu erkennen, dass sich die Verschleiß-beständigkeit von Ti6-Al-4V durch dasLasergasnitrieren schon bei Nutzunggeringer Stickstoffgehalte im Prozess-gas erheblich verbessert (Abb. 1).Gleichzeitig steigt auch die Härte der erzeugten Randschichten imBereich geringer Stickstoffgehalte (0 % bis etwa 13 %) mit Zunahme desStickstoffangebotes bis auf etwa 570 HV 0,1 an, bevor sie für höhereStickstoffgehalte ein Plateau durch-läuft.

Wie die Ergebnisse der Schallemis-sionsanalyse zeigen, verschlechtert sichdie mechanische Belastbarkeit derlasergasnitrierten Proben beim Laser-gasnitrieren mit geringen Stickstoffge-halten zunächst nur unwesentlich,obwohl die Härte in den Schichtendeutlich zunimmt (Abb. 2). Erst ober-halb von 13 % Stickstoffgehalt nimmtdie Rissbildungsspannung signifikantab. Es wurde gefunden, dass die Riss-bildung durch große und spröde Titan-nitridphasen, die sich für Stickstoffge-halte oberhalb von 13 % in der laser-gasnitrierten Randzone bilden, geför-dert wird (Abb. 3).

Die überraschende Eigenschaftskombi-nation optimalen Verschleißverhaltensgepaart mit hoher mechanischerBelastbarkeit durch interstitiell gelöstenStickstoff eröffnet neue Wege zur Ver-besserung der Verschleißbeständigkeiteinsinnig oder zyklisch hochbelasteterBauteile aus Titanlegierungen.


Verbesserung der mechanischen Eigenschaften lasergasnitrierterRandschichten an Titanwerkstoffen

Abb. 2: Rissbildungsspannung und mittlereMikrohärte der lasergasnitrierten Rand-schichten in Abhängigkeit vom Stick-stoffgehalt im Prozessgas

Abb. 3: REM-Detailaufnahme einer mit 25 %Stickstoffgehalt lasergasnitrierten Probenach 4-Punkt-Biegung und Schallemis-sionsanalyse. Man beachte die bevor-zugte Rissbildung in den Titannitrid-phasen.

Abb. 1: Verbesserung der Verschleißbeständig-keit (Kavitationsbeanspruchung) durchLasergasnitrieren

Lösungsweg

Zur Erzielung einer hohen Reproduzier-barkeit und Kontrollierbarkeit desBearbeitungsprozesses wurden zumLasergasnitrieren eine im IWS ent-wickelte Schutzgasglocke und ein6 kW CO2-Laser eingesetzt. Dabeiwurde das Stickstoffangebot ausge-hend von reiner Inertgasatmosphäre infeinen Stufen variiert und die Struktur,die mechanischen Eigenschaften unddas Verschleißverhalten der entstande-nen lasergasnitrierten Randzonenermittelt.

Ansprechpartner

Dr. Jörg KasparTel.: 0351 / 2583 [email protected]

5 µm



Effiziente Produktentwicklung durch begleitende Versagensanalyse

Aufgabenstellung

Nicht nur die Fertigung, sondern auchdie Entwicklung von Produkten, wel-che sich auf den globalisierten Märk-ten behaupten können, stehen unterenorm hohem Zeit- und Kostendruck.Dies verlangt zwangsläufig fließendeund sich überlappende Übergänge vonEntwicklung, Erprobung und Serienein-führung eines Produktes.

Schwachstellen, Schädigungen an Bau-teilen und Bauteilversagen sind in derEntwicklungsphase prinzipiell nichtauszuschließen. Durch richtigen Werk-stoffeinsatz kann das Risiko für techni-sche Schadensfälle jedoch erheblichverringert werden. Werkstofftechni-sche Aspekte sind besonders dannwichtig, wenn der Werkstoff im Pro-duktfertigungszyklus gravierende Ver-änderungen durch Prozesse wieUmformung, Wärmebehandlung,Schweißen oder Randschichtbehand-lung erfährt.

Das Ziel der entwicklungsbegleitendenVersagensanalyse besteht darin, durchumfassende Aufklärung von Schwach-stellen und Versagensursachen sowieeiner daraus resultierenden gezieltenRückwirkung auf Werkstoffauswahl,Konstruktion, Fertigung und Bauteil-prüfung einen Beitrag zur Verbesse-rung der Produktqualität, Optimierungdes Fertigungsprozesses und Senkungder Entwicklungskosten zu leisten.

Ansprechpartner

Dr. Bernd WinderlichTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Lösungsweg

Das Fraunhofer IWS verfügt überlangjährige Erfahrungen zur Durch-führung von Schadensanalysen. Diesbetrifft sowohl die Bewertung der ausden Betriebsbedingungen resultieren-den Beanspruchungen:- mechanische Beanspruchung, - Verschleißbeanspruchung,- korrosiver Angriff,- thermische Beanspruchung sowiederen Kombinationen als auch die Bewertung der von Werk-stoff und Bauteil ertragbaren Bean-spruchungen.

Die Bewertung erfolgt jeweils analy-tisch, experimentell oder rechnerisch.Besondere Kompetenzen liegen imFraunhofer IWS auf den Gebieten - Werkstoffauswahl und -einsatz, - Schweißverbindungen,- Randschichten und - Beschichtungenvor.

Für die Untersuchungen stehenmoderne Geräte und Methoden zurVerfügung:- Metallographie,- spezielle Präparationsmethoden,- licht- und rasterelektronenmikro-

skopische Bruchflächenanalyse,- lokale Elementanalyse mittels EDX,- Härtemessungen,- mechanisch-technologische

Prüfungen und- Verschleißprüfstände.

Aus den durchgeführten Schwachstel-len- und Versagensanalysen werdenStrategien für die Werkstoffauswahl,die beanspruchungsgerechte Bauteil-auslegung, die Beseitigung vonSchwachstellen im Fertigungsprozessund die Qualitätssicherung abgeleitet.

Abb. 2: Servohydraulische Prüfmaschinen

Abb. 3: Härtemessplatz

Abb. 1: Rasterelektronenmikroskop



Schaden: Abplatzen einer Hartstoffschicht voneiner Stahlkugel (oben)Ursache: Störende Auswirkungen des Ober-flächenreliefs des Substrats auf die Morphologie(unten) und damit die Verschleißbeständigkeitder SchichtLösung: Verbesserung der Oberflächenqualitätdes Substrats vor dem Beschichten

Im folgenden sind einige ausgewählteBeispiele von Versagensanalysen fürunterschiedliche Beanspruchungsfälleund daraus abgeleitete Problemlösun-gen dargestellt, welche das Leistungs-potenzial des Fraunhofer IWS auf die-sem Gebiet demonstrieren.

Schaden: Schaufelabriss an einem Radialturbi-nenrad aus Inconel (oben)Ursache: Ermüdungsbruch infolge unzureichen-der Oberflächenqualität bei hoher Randhärte (unten)Lösung: Verbesserung der Oberflächenqualität,Verringerung der Beanspruchung bei Durchlauf der Resonanzfrequenz durch optimierte Kon-struktion

Schaden: Bruch eines Bauteils aus einem glasfa-serverstärkten thermoplastischen WerkstoffUrsache: Statische mechanische Überlastung (kein Werkstofffehler)Lösung: Vermeidung von Überlastung des Bauteils bei der Montage

Schaden: Schweißnahtversagen an einem Schei-benwischergestänge aus Aluminium (oben)Ursache: Steifigkeitssprünge in hochbelastetenNahtbereichenLösung: Veränderung der Konstruktion - beanspruchungsgerechte Nahtauslegung (Bauteil versagt nicht in der Schweißnaht, unten)

Schaden: Abplatzen einer Wärmedämmschichtaus ZrO2 an einer Gasturbinenschaufel (oben),Rissnetzwerk (Mitte) und Delamination (unten)Ursache: Zu hohe mechanische Schichtbelas-tung durch extreme Temperaturwechsel im EinsatzLösung: Experimentelle Beanspruchungssimu-lation durch zyklische Oberflächenbestrahlungmittels Hochleistungslaser zur quantitativenBewertung der Thermozyklierbarkeit der Schichtals Basis für ein verbessertes Schichtdesign

500 µm 50 µm

300 µm

100 µm 1 mm

3 µm



Prüfstand für Thermozykliertests an hochbeanspruchten Triebwerks-komponenten

Aufgabenstellung

Die in Triebwerken eingesetzten Werk-stoffe sind extremen thermischen undmechanischen Beanspruchungen aus-gesetzt. Insbesondere für Belastungenoberhalb der Warmkriechfestigkeitsind bei sehr hohen Einsatztemperatu-ren die verfügbaren Werkstoffdatenunvollständig bzw. mit erheblichenUnsicherheiten behaftet. Die aus die-sen Daten theoretisch abgeleitetenLebensdauervorhersagen bedürfendaher einer kritischen Überprüfung.Brennkammern bzw. komplette Trieb-werke werden zwar auf speziellenPrüfständen getestet, wegen der enor-men Kosten ist der Umfang derartigerTests jedoch stark eingeschränkt.

Zur Überprüfung der Ergebnisse vonLebensdauermodellen wurde daher imAuftrag der Firma EADS Space Trans-portation ein Thermo-Mechanical-Fati-gue-Prüfstand (TMF-Prüfstand) konzi-piert und aufgebaut, der im Laborwohldefinierte und realitätsnahe Thermozykliertests an relevanten Trieb-werkskomponenten ermöglicht.

Ansprechpartner

Dr. Gunter KirchhoffTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Lösungsweg

Ausgehend von der Situation bei Rake-tentriebwerken für Flüssigtreibstoff,bei denen der tiefkalte Treibstoff(meist flüssiger Wasserstoff) gleichzei-tig zur Kühlung der Brennkammer-bzw. Düsenstruktur dient, wurde einPrüfstand konzipiert und realisiert, beidem die jeweils zu testende Strukturüber ihre Kühlkanäle wahlweise durchtiefkalten gasförmigen oder flüssigenStickstoff gekühlt und mittels zweierHochleistungslaser auf einem relativgroßen Bereich der Oberfläche (> 10 cm2) mit einem möglichst homogenen Wärmestrom von bis zu500 W / cm2 beaufschlagt wird.

Abb. 2: TMF-Prüfstand (1 - Ventile zur Steuerung des Kühlkreislaufes, 2 - Halterung zur Aufnahmeder Prüflinge, 3 - Diodenlaser mit Spezialoptik, 4 - Thermographiekamera)

Abb. 1: Stickstoffversorgung mit Förder-, Misch-und Regelungssystem

Um die jeweiligen Testbedingungengenau zu erfassen und zu dokumentie-ren, war eine umfangreiche messtech-nische Ausstattung des Prüfstandesvorzunehmen. Mit diesem TMF-Prüf-stand waren systematische Lebensdau-ertests an bauteilrelevanten Teststruk-turen durchzuführen.

Abb. 4: Während eines Lebensdauertests mittelsThermographiekamera erfasstes Wärme-bild (mit Auswertelinien) von der Ober-fläche eines Testpanels

Abb. 3: Fotoaufnahme eines Prüflings währendder Heizphase eines Thermozykliertests



Die Hauptkomponenten des Prüfstan-des bestehen in einer Stickstoffversor-gung, einem Förder-, Misch- undRegelsystem für die Erzeugung tiefkal-ten gasförmigen Stickstoffs (Abb. 1),einer unter Inertgas arbeitenden Prüf-kammer (Abb. 2), die die Komponen-ten Hochleistungsdiodenlaser mit spe-zieller Strahlformungsoptik, Strahlfor-mungssystem des Nd:YAG-Lasers,Thermographiekamera, Temperatur-messsystem, Testpanel mit Instrumen-tierung usw. enthält, und einem Steu-errechner. Um den benötigten Prüf-stand unter Einhaltung der vom Auf-traggeber geforderten Testbedingun-gen möglichst schnell aufzubauen,wurden Installation und Inbetriebnah-me der Stickstoff-Kühltechnik alsUnterauftrag an die Linde AG und dieKrytem GmbH vergeben. Für die kurz-fristige Entwicklung und Fertigungeiner Spezialoptik für den eingesetztenHochleistungsdiodenlaser DL060Hkonnte das ILT Aachen gewonnenwerden.

Ergebnisse

Mit dem aufgebauten TMF-Prüfstandund der erfolgreich absolvierten erstenMesskampagne konnte der Funktions-nachweis für das realisierte Testkon-zept erbracht werden. Es steht damitein derzeit unikaler Prüfplatz zum rea-litätsnahen Test der thermisch-mecha-nischen Belastbarkeit von Triebwerks-strukturen zur Verfügung. Durch eineentsprechend ausgelegte Prüflingsgeo-metrie und -einspannung, den einstell-baren Stickstoffdurchfluß und -drucksowie die Parameter der Temperatur-beaufschlagung (Heizzonengröße,Temperaturgradient, Aufheiz- undAbkühlraten, Maximaltemperaturenund deren Haltezeit) lassen sich die

Bedingungen, die in Raketentriebwer-ken unter realen Bedingungen herr-schen, ausreichend genau und repro-duzierbar nachbilden (Abb. 3). Dieimplementierte Messtechnik und Da-tenerfassung erlaubte ein detailliertesMonitoring der Testabläufe. Beispiels-weise kann aus den aufgezeichnetenThermographiedaten die während derHeizphasen vorliegende Temperatur-verteilung auf der Prüflingsoberflächeextrahiert werden (Abb. 4).

In einer ersten Testkampagne wurdeeine Serie von Teststrukturen erfolg-reich getestet, indem bei unterschied-lich gewählten Temperaturen dieAnzahl der Heizzyklen bis zum Bauteil-versagen ermittelt wurde. Außerdemwurde durch Anwendung zweier ver-schiedener Zyklierregime mit unter-schiedlich langer Haltezeit der Einflussvon Kriechprozessen auf die Bauteil-lebensdauer untersucht.

Redaktion: Mit Fertigstellung deserweiterten Lasertechnikums im Herbst2004 steht auch Ihrer Abteilung neueAnlagentechnik zur Verfügung. Wel-che neuen Anlagen sind das?

Dr. Morgenthal: In Zukunft wollenwir uns dem schnellen und präzisenTeilezuschnitt mit dem Laser im 3D-Arbeitsraum zuwenden. Ab 2005 stehtuns dazu im Lasertechnikum des IWSeine neue 3D-Schneidmaschine zurVerfügung. Angesichts der im Auto-mobilbau wachsenden Verwendungvon umgeformten Blechbauteilen, dieaufgrund der Materialdicke oder Mate-rialfestigkeit nicht mehr stanztechnischbearbeitet werden können, sind hierEntwicklungsleistungen für wirtschaft-liche und technische Verbesserungendes Standes der 3D-Schneidbearbei-tung gefragt. Einbezogen in dieseUntersuchungen wird natürlich auchdas Potenzial an neuartigen Laserquel-len wie der Scheiben- und Faserlaser.

Redaktion: Das Fraunhofer IWS Dres-den beschäftigt sich seit einigen Jahrenzunehmend mit Fragestellungen, dieaus dem Bereich der Biotechnologieund der Medizintechnik herrühren.Welche Ergebnisse konnten Sie da imvergangenen Jahr erreichen?

Dr. Morgenthal: Die Biotechnologieund Medizintechnik verlangen zuneh-mend nach Strukturen im Submillime-terbereich sowie nach Oberflächen mit bestimmten Eigenschaften. DasWerkzeug "Laser" bietet aufgrund derbreiten Wellenlängenauswahl, derschnellen Steuerbarkeit und derberührungslosen Arbeitsweise dieMöglichkeit, fast alle Werkstoffe weit-gehend schädigungsfrei und mit hoherGenauigkeit zu bearbeiten.

Festkörperlaser mit Wellenlängen zwi-schen 355 nm (UV) und 1064 nm (IR)sind in der Lage, mittels fein fokussier-tem Laserstrahl höchster Intensitätselbst härteste Materialien wie Stahl,

Keramik oder Diamant innerhalb kur-zer Zeit in Form zu bringen. Mikroflui-dische Elemente, Instrumente für dieminimalinvasive Chirurgie, Stents zurBehebung von Arterienverschlüssen,Dialysatoren zur Blutreinigung, endo-skopische Bauteile können so endkon-turnah und mit minimalem Nachbear-beitungsaufwand gefertigt werden.

Excimerlaser mit Wellenlängen zwi-schen 157 nm und 351 nm (UV) kom-men vor allem zur flächigen Bearbei-tung und Funktionalisierung von Ober-flächen zum Einsatz. Hier wird diehohe Energie der Laserstrahlung aus-genutzt, die Bindungen direkt aufbre-chen und so die Oberfläche anregenkann. So lassen sich beispielsweisegezielt hydrophile und hydrophobeBereiche erzeugen.

Redaktion: Das robotergeführteRemote-Schweißen mit der "on thefly"-Bearbeitung großer Bauteile stehtunmittelbar vor der Einführung inindustrielle Anwendungen. Wodurchwaren in diesem Bereich neue Ergeb-nisse möglich?

Dr. Morgenthal: Die im IWS in denletzten Jahren dafür entwickeltensystem- und verfahrenstechnischenBausteine wie kompakte, hochdynami-sche 3D-Srahlablenksysteme, Softwarefür eine korrespondierende Laser- undScanneransteuerung und Bahnpla-nungstools für die effektive Offline-Programmierung des komplexen vie-lachsigen Bearbeitungssystems verset-zen uns hier in die Lage, gemeinsammit Partnern Gesamtlösungen anzubie-ten. Außerdem gehen wir auch davonaus, dass die jetzt an der Schwelle derindustriellen Einführung stehendenneuartigen Festkörperlaserstrahlquellenmit deutlich verbesserter Strahlqualität,die Scheiben- und Faserlaser, diesenProzess befördern werden.

Die ungelösten Probleme halten einen Geist lebendig, nicht die gelösten.

Erwin Guido Kolbenheyer

FuE-Angebot: Laserabtragen und -trennen, Systemtechnik

41Fraunhofer IWS Jahresbericht 2004



1. Rapid-Prototyping von Lab-on-a-Chip-Komponenten 44

2. Strukturierung von Design-elementen für hochwertige mechanische Uhren 46

3. Mikroschneiden von Ionenfallen - Der Weg zum Quantencomputer

47

4. Yb:YAG-Scheibenlaser - eine idealeStrahlquelle für das 3D-Remote-Schweißen 48

5. Remote-Schweißen wird flexibeldurch Positionssensorik 49

6. Dekontamination biozidbelasteterKunstgüter aus Holz 50

7. Restaurierung eines Schmuckkäst-chens durch Laserstrahlschweißen

51

Dr. Lothar MorgenthalAbteilungsleiter (Tel. 2583 322,[email protected])



Dr. Lothar Morgenthal Gruppenleiter Schneiden und Systemtechnik (Tel. 2583 322, [email protected])

Laserstrahlschneiden

Angeboten wird angewandte For-schung zum Laserstrahlschneiden mitLasern unterschiedlicher Strahlleistungund Wellenlänge für Bauteile mitAbmessungen vom Millimeter- bis inden Meterbereich. Schwerpunkt ist dasform- und maßgenaue Hochgeschwin-digkeitsschneiden auf hochdynami-schen Schneidmaschinen mit Linear-direktantrieben oder durch Strahlab-lenkung. Für die Qualitätssicherungsteht ein Flat Part Measurement &Digitizing Scanner System für Teile-größen bis 1800 mm x 1200 mm zurVerfügung. Dazu bieten wir an: - Technologie- und Systementwick-

lung, -erprobung, -optimierung, - Machbarkeitstests, Musterfertigung

zu allen Varianten des Laserstrahl-schneidens an Werkstoffmusternund Bauteilen,

- Entwicklung von Systemkomponen-ten für Hochgeschwindigkeitsprozes-se sowie für Prozesskontrolle und -regelung.

Dipl.-Ing. Udo KlotzbachGruppenleiter Mikrobearbeiten undReinigen (Tel. 2583 252,[email protected])

Mikrostrukturieren mittels Laser

Die umfangreiche und moderne Aus-stattung sowie das fundierte Know-how ermöglichen angewandte For-schungen zur Mikro- und Feinbearbei-tung mit Laserstrahlen für die Miniatu-risierung von Funktionselementen imMaschinen-, Anlagen-, Fahrzeug- undGerätebau und die Bio- und Medizin-technik. Beispiele sind 3D-Strukturenim Sub-mm-Bereich und Flächenstruk-turen an Polymeren, Metallen, Kerami-ken oder quarzitischen und bio-kompatiblen Werkstoffen.

Wir bieten an: - Mikrostrukturierung unterschiedli-

cher Werkstoffe mit Excimer- undNd:YAG-Lasern

- Mikrobohren mit hohen Aspektver-hältnissen und unterschiedlichenBohrungsgeometrien,

- Reinigen mit Lasertechnik.

Schweißen der Rohr-Boden-Verbindung amAbgaswärmetauscher unter Nutzung einerStrahlablenkoptik

Systemtechnik / Fertigungstechnik

Die Abteilungen des IWS bieten dieserienreife Realisierung verfahrensan-gepasster Systemlösungen zu folgen-den Arbeitsgebieten an: - Bearbeitungsoptiken, Strahlablenk-

systeme für die Hochgeschwindig-keits- und Präzisionsbearbeitungsowie Prozesskontrolle und -rege-lung,

- Handlingsysteme, Prozesskontrolleund -regelung für den industriellenEinsatz von Hochleistungs-Dioden-lasern zur Oberflächenveredlung,

- Prototypentwicklung von Beschich-tungsanlagen bzw. deren Kern-modulen für die PVD-Präzisionsbe-schichtung von Stückgut und diekontinuierliche Atmosphärendruck-Band-PVD inklusive Anlagen- undProzesssteuerung (Software),

- Prozesskontrolle und -regelung fürBeschichtungsprozesse,

- Messsysteme zur Schichtcharakteri-sierung bzw. zerstörungsfreien Bau-teilprüfung mittels laserakustischerund spektroskopischer Methoden.

Laserstrahlgeschnittene Elektrobleche Mobile Anlage zur rutschhemmenden Aus-rüstung von Natursteinen


Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Frank SonntagTel.: 0351 / 2583 259 [email protected]


Rapid-Prototyping von Lab-on-a-Chip-Komponenten

Lösungsweg

Die Entwicklung von Lab-on-a-Chip-Systemen erfolgt computergestützt. ImAnschluss an die Simulation generierendie Entwickler ein dreidimensionalesCAD-Modell des herzustellendenMikrofluidiksystems.

Für die Fertigung solcher Mikrofluidik-systeme wurde am IWS eine CAM-Lösung entwickelt, welche die dreidi-mensionalen Modelle in Abschnitte

Abb. 2: Hydrophilierte und hydrophobierteOberflächenareale eines Mikrofluidiksy-stems aus Polycarbonat


Die Entwicklungen im Bereich der Lab-on-a-Chip-Systeme gehen zu immerkleineren Volumina, was eine ständigfortschreitende Miniaturisierung derStrukturen zur Folge hat. Anwendun-gen aus dem Bereich der Humandiag-nostik-Proteinchips zum Nachweisgeringster Konzentrationen vonTumormarkern erfordern bereits jetztfür eine sichere Detektion Kanalgeo-metrien kleiner 20 µm.

Lab-on-a-Chip-Systeme zur einmaligenVerwendung werden hauptsächlichaus Kunststoff oder Silizium herge-stellt. Die Strukturierung erfolgt beiKunststoff durch Spritzguss oderSpritzprägen und bei Silizium lithogra-phisch. Beide Verfahren benötigenteure Werkzeuge oder Masken. Bei derEntwicklung von Mikrofluidik kanntrotz hoch entwickelter Simulations-systeme nicht auf die Herstellung vonPrototypen und Mustern verzichtetwerden. Es ist notwendig, die amComputer entworfenen Mikrofluidik-strukturen für die Erprobung schnellund preiswert in Prototypen umzuset-zen. Da aus wirtschaftlichen Gründennicht für jeden Prototyp ein Werkzeugoder Maskensatz hergestellt werdenkann und sehr kleine Strukturen gefor-dert sind, kommt für das Rapid-Proto-typing der Excimerlaser zum Einsatz.

Aufgabenstellung

Lab-on-a-Chip - das miniaturisierteLabor - ist zukünftig aus den Anwen-dungsbereichen Diagnostik, Analytik,Wirkstoffforschung, Biotechnologie,Medizintechnik und Chemie nichtmehr wegzudenken. WesentlicherBestandteil solcher Systeme sindmikrofluidische Komponenten, mitderen Hilfe Medien durch den Chiptransportiert, gereinigt, gemischtdosiert und zur Reaktion gebrachtwerden. An diese häufig als Einweg-artikel ausgelegten Systeme werdenhohe Anforderungen gestellt, wasReproduzierbarkeit, Toleranzen undFunktionalität betrifft, wie beispiels-weise den automatischen Transportder Medien ohne Fremdenergie durchAusnutzung von Schwerkraft oder Kapillareffekt.

Aufgaben aus dem medizinisch-diag-nostischen Bereich stellen zusätzlicheAnforderungen an die Systeme. Füreinen Bluttest beispielsweise, mit demder Notarzt vor Ort automatisiert einenHerzinfarkt diagnostizieren kann, mussdie Probe, möglicherweise hochinfek-tiöses Blut (HIV, Hepatitis), nach Einga-be in den Chip selbständig mit einerdefinierten Geschwindigkeit das Diag-nosesystem durchlaufen. Dabei pas-siert die Probe mehrere Vorverarbei-tungs- und Analyseschritte, wie Blut-Serum-Separation, Filterung und Anti-gen-Antikörper-Nachweise. Im An-schluss verbleibt die Probe im Chip,um die Infektionsgefahr für denAnwender zu minimieren.

Abb. 1: Screenshot der am IWS entwickeltenSoftware MicroSlicer


Abb. 4: Mikrofluidiksystem eines Biochips aus Low Temperature Cofired Ceramic (LTCC)


Abb. 3: Mit Zellen besiedelte Oberfläche eineslaserstrukturierten Biochips ausPolydimethylsiloxan (PDMS)

Ergebnisse

PDMS-Mikrofluidiksystem für Protein-chipentwicklung

Für die Entwicklung eines Proteinchips,der über Botenstoffe den Wellnesszu-stand bestimmter Mikroorganismendetektieren soll, wurde ein Mikroflui-diksystem hergestellt, mit dessen Hilfedie Probe mit einer definierten, sehrgeringen Geschwindigkeit nahe anden Nachweismolekülen vorbeigeleitetwerden kann. Die in einer gegossenenPDMS-Platte realisierten Kanäle sind 15 mm lang, 40 µm breit und 25 µmtief.

Masterherstellung für Mikrokontakt-drucken

Zur Funktionalisierung eines DNA-Chips mittels Mikrokontaktdruckenwurde ein Master hergestellt, von wel-chem Stempel abgeformt werden kön-nen. Der Master besteht aus Silizium,in das ein Array von 20 mal 20 qua-dratischen Vertiefungen eingebrachtwurde. Deren Abmessungen betragen50 x 50 µm2 bei einer Tiefe von 20 µm.

Ortselektive Hydrophilierung vonMikrofluidikstrukturen

Mikrofluidiksysteme setzen fürbestimmte Funktionalitäten Arealeunterschiedlicher Benetzbarkeit voraus,welche durch Modifikation der Ober-flächentopographie und / oder derOberflächenchemie gezielt hergestelltwerden können. Um die selbständigeBefüllung bestimmter Kanalabschnitteeines Mikrofluidiksystems aus Polysty-rol zu verbessern, wurden diese durchBestrahlung in Sauerstoffatmosphärehydrophiliert. Die Laserstrahlung wirdvon Sauerstoff und Polystyrol absor-biert. Das führt zur Bildung aktiverSpezies, die miteinander reagieren. Diedabei entstehenden Carboxylgruppenverbessern die Benetzbarkeit des Poly-styrols und somit die Funktionalität desMikrofluidiksystems signifikant.

zweidimensionaler Strukturen gleicherTiefe zerlegt (slices). Diese Abschnittewerden in zweidimensionale CAD-Zeichnungen und eine Tiefeninforma-tion (für den Abtrag notwendige Pulsepro Fläche) umgewandelt und in einfür Scanneransteuerungssoftwarekompatibles Format exportiert.

Durch Kopplung eines Excimerlasersmit einem Scannersystem könnenzweidimensionale Mikrostrukturenschnell, flexibel und ohne zusätzlichenProgrammieraufwand realisiert wer-den. Die vom CAM-System exportier-ten Daten können von der Scanner-software direkt eingelesen und verar-beitet werden.


Strukturierung von Designelementen für hochwertige mechanischeUhren

Aufgabenstellung

In hochwertigen mechanischen Uhrenwird eine Mondphasenanzeige durchein sich drehendes Zahnrad, die Mond-scheibe, realisiert. Diese enthält zweiMonde, die je nach Stand der Scheibein einer Aussparung des Ziffernblattesdie jeweilige Mondphase anzeigen(Abb. 1). Neben den Monden wird dieScheibe mit verschiedenen Strukturenverziert. Ziel der technologischenUntersuchungen am IWS war - die Realisierung einer Beschichtung,

die die visuellen Ansprüche hinsicht-lich der Farbbrillanz erfüllt, sowie

- die Herstellung der Verzierungs-strukturen mittels Lasermikro-strukturierung.

Ergebnisse

Superharte amorphe Kohlenstoff-schichten können mit dem Laser-Arc-Verfahren im industriellen Maßstababgeschieden werden. Durch die Aus-bildung einer Linienquelle in Kombina-tion mit der genauen Registrierung derPulszahl kann die Schichtdicke sehrgenau eingestellt werden, wobei einesehr gute Schichtdickenhomogenitäterreicht wird. Durch den hohen Anteilan diamantartigen Bindungen in denSchichten wird ein geringer Extinkti-onskoeffizient mit einer sehr hohenHärte gepaart. So können je nachSchichtdicke verschiedene Farbtöne beieiner gleichzeitig sehr hohen Ver-schleißfestigkeit eingestellt werden.

Das Excimerlaser-Maskenprojektions-verfahren bietet hier im Gegensatz zuden direkt schreibenden Verfahren denVorteil, dass die Strukturen in einemArbeitsschritt gleichmäßig eingesenktwerden können, so dass ebene Struk-turböden entstehen. Der Einsatz kurzerPulse und UV-Wellenlängen ermöglichteine hohe Strukturtreue ohne demAuftreten von Randzonen mitSchmelzablagerungen oder anderenthermisch bedingten Effekten (Abb. 2).

Die am Fraunhofer IWS vorhandeneStrukturierungstechnik erlaubt auchdie Herstellung komplexer Strukturen,wie beispielsweise das Sternbild desgroßen Wagens (Abb. 3).

Lösungsweg

Mit dem Verfahren des lasergesteuer-ten gepulsten Vakuumbogens (Laser-Arc) wurden am IWS superharte amor-phe Kohlenstoffschichten auf den ausGold bestehenden Mondscheibenabgeschieden. Die gewünschte Haft-festigkeit und Rauheit der Oberflächenwurde durch ein nm-Zwischenschicht-design und eine Plasmavorbehandlungrealisiert. Durch Einstellung der opti-schen Eigenschaften und der Dicke derSchicht entsteht durch Interferenz-effekte ein tiefblauer Farbeindruck, derden Nachthimmel repräsentiert.

Mit dem Verfahren der Excimerlaser-Maskenprojektion wurden durch Abla-tion der Kohlenstoffschicht bis auf denGoldgrundkörper Strukturen in Formvon Sternen und Sternbildern einge-bracht.

Abb. 2: Mondscheibe nach der Laserstrukturie-rung

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Dr. Michael Panzner Tel.: 0351 / 2583 253 [email protected]

Abb. 3: Die zwei Uhrwerke der GROSSEN LAN-GE 1 "Luna Mundi", deren Mondschei-ben am IWS beschichtet und strukturiertwurden


Abb. 1: Die LANGE 1 MONDPHASE von A. Lange und Söhne



Aufgabenstellung

Die Forschung im Bereich atomarerund molekularer Größenordnungenerfordert technische Möglichkeiten, die zu untersuchenden Substanzenzum Beispiel in Form einzelner Ionenfrei im Raum zu immobilisieren, gezieltzu manipulieren und zu spektroskopie-ren. Fernziel ist die Entwicklung einesQuantencomputers.

Für das Institut für Experimentalphysikder Universität Innsbruck sollte eineIonenfalle auf Basis eines goldbe-schichteten Aluminiumoxydkeramik-Substrates strukturiert werden. DieHerausforderung bestand in der Not-wendigkeit, sowohl Durchbrücheunterschiedlicher Geometrien als auchoberflächliche Gravuren mit minimalenStrukturbreiten von nur 20 µm zurelektrischen Trennung bestimmterFunktionsbereiche einzubringen.

Mikroschneiden von Ionenfallen - Der Weg zum Quantencomputer

Ergebnisse

Mit der erarbeiteten Technologie wares möglich, mit einem LaserprozessChips zu strukturieren, die mit denerzeugten, elektrisch getrennten Funk-tionsbereichen als Ionenfalle eingesetztwerden können. Das vorgegebeneSchaltungslayout wurde nach einerOptimierung am Computer mit einemUV-Festkörperlaser so umgesetzt, dassdie erforderlichen minimalen Gravur-breiten von 20 µm erreicht werdenkonnten. Breitere Gravuren erfordertenden Einsatz einer speziellen Wobble-Technik. Durch eine Nachbehandlungkonnte der gelaserte Chip von Bearbei-tungsrückständen gesäubert werden.

Lösungsweg

Aufgrund der hohen Anforderungenan die Lagetoleranz der Ausschnitteund Gravuren zueinander wurde dieBearbeitung mit nur einem Lasersy-stem durchgeführt. Zum Einsatz kamein scannergekoppelter, frequenzver-dreifachter kurzgepulster Festkörperla-ser mit einer Wellenlänge von 355 nm,einer Pulsdauer von 15 ns und einerRepetitionsrate von 15 kHz. Zur Mini-mierung des an sich bereits geringenthermischen Einflusses erfolgte dieBearbeitung mit Scangeschwindigkei-ten von 100 mm / s. Das vorgegebeneLayout wurde in einem vorgeschalte-ten Bearbeitungsschritt optimiert, um

Abb. 2: Chiplayout für eine lineare Ionenfalle

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Dipl.-Ing. Udo Klotzbach Tel.: 0351 / 2583 [email protected]

Abb. 1: Laserstrukturierte Ionenfalle im Vergleichzu einer Ein-Cent-Münze

die Zahl der kritischen An- und Absetz-punkte des fokussierten Laserstrahls zuvermindern. Die Gravur der Gold-schicht wurde mit geringer mittlererLeistung von ca. 1,5 W und wenigenÜberfahrten realisiert, wobei bei brei-teren Trennlinien ein der eigentlichenVorschubbewegung überlagerter Wobble-Effekt genutzt wurde. DasAusschneiden verschiedener Struktu-ren erfolgte mit höherer mittlerer Lei-stung von ca. 8 W und einer größerenAnzahl von Überfahrten. Mit dieserStrategie war es möglich, den kom-pletten Chip maßhaltig innerhalb vonca. 1,5 Stunden fertigzustellen. EineNachbehandlung in einer Acetonlö-sung im Ultraschallbad erzielte dengewünschten Reinigungseffekt vonProzessrückständen.


Aufgabenstellung

Für das prozesszeitoptimierte Stepp-nahtschweißen in großen Arbeitsräu-men ist das roboterbasierte Remote-Schweißen eine technisch und wirt-schaftlich attraktive Lösung.

Dabei wird das Achssystem eines kon-ventionellen Industrieroboters undeiner 3D-Strahlablenkoptik steuerungs-seitig so miteinander gekoppelt, dassdas Schweißen "on the fly", d. h. beiüberlagerter Bewegung von Schweiß-optik und Laserstrahlspot, stattfindet.

Die Strahlqualität der bisher den Marktdominierenden lampen- und dioden-gepumpten Stab-Festkörperlaserbegrenzt das Arbeitsfeld bisher einge-setzter Remote-Strahlablenkoptiken(SAO1.06) mit nicht zu großer Strahl-apertur und damit guter Strahldynamikauf eine Größenordnung von etwa100 mm x 100 mm.

Um die Schweißfolge und damit dieTeiletaktzeit für Bauteile mit vielenunterschiedlichen Steppschweißungennoch besser optimieren zu können, ist ein größeres Arbeitsfeld der Strahlablenkung ohne Einbuße anStrahldynamik und Fokussierbarkeitwünschenswert.

Yb:YAG-Scheibenlaser - eine ideale Strahlquelle für das 3D-Remote-Schweißen

Abb. 3: Doppelkehlnaht an einer Aluminium-legierungBrennweite: f = 163 mm;

a) Pl = 2,5 kW; v = 4,8 m / min (diodengepumpter Scheibenlaser)

b) Pl = 4 kW; v = 3 m / min (diodengepumpter Nd:YAG-Stablaser)

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Dipl.-Ing. Annett KlotzbachTel.: 0351 / 2583 235 [email protected]


Abb. 2: Vergleichende Einschweißungen in Bau-stahl; Brennweite: f = 163 mm; Vorschub: v = 2,5 m / min

a) Pl = 2 kW (diodengepumpter Scheiben-laser)

b) Pl = 4 kW (diodengepumpter Nd:YAG-Stablaser)

Lösungsweg

YAG-Scheibenlaser haben gegenüberden bisher genutzten Nd:YAG-Stab-lasern eine deutlich höhere Strahlqua-lität bei vergleichbarer Leistung. Dasermöglicht die Auslegung einer neuen3D-Strahlablenkoptik für das roboter-basierte Remote-Schweißen mit ver-besserter Fokussierbarkeit und ver-größertem Arbeitsfeld unter Beibehal-tung der Strahlapertur und damit derGröße und Dynamik der Strahlablenk-optik.

Ergebnisse

Für das roboterbasierte Remote-Schweißen mit YAG-Scheibenlasern im Leistungsbereich von 3 bis 4 kWwurde eine neue 3D-Strahlablenkoptik(SAO1.06SL) entwickelt, deren Arbeits-feld und Arbeitsabstand gegenüberder Bearbeitungsoptik für YAG-Stab-laser verdoppelt werden konnte (Abb. 1). Da die Strahlapertur unddamit die Größe und Dynamik derStrahlablenkoptik beibehalten wurden,kann auf diese Weise die Effizienz vonRemote-Schweißprozessen verbessertwerden (Abb. 2).

Alternativ kann bei Einsatz der bisherüblichen Fokussierbrennweiten undArbeitsfeldgrößen die Strahlspotinten-sität um den Faktor 4 erhöht werden.Das gestattet neue Einsatzmöglichkei-ten des Remote-Schweißens, z. B. fürAluminium- und Magnesiumlegierun-gen (Abb. 3).

Abb. 1: Strahlablenkung und Strahlfokussierungin der Remote-Optik SAO1.06SL

1 mm

1 mm1 mm

a b

a b

1 mm

Ergebnisse

Die entwickelte Verfahrensweise wur-de an verschiedensten Kunstobjektenaus Holz erfolgreich zum Abtrag derBiozide angewendet. Abb. 1 zeigt alsBeispiel einen Teil eines historischenMusikinstrumentes, das Ablagerungenvon Bioziden in Form eines weißenBelages aus Einzelkristalliten aufweist.Mit einem ns-Nd:YAG-Reinigungslaser-system konnten die Ausblühungen vonBioziden zusammen mit vorhandenenSchmutzschichten problemlos von derOberfläche entfernt werden (Abb. 2).

Die abgetragenen Schadstoffe werdenbei diesem berührungslosen Verfahrenüber eine Absaugung in Spezialfilterndeponiert. Dadurch gelingt eineDekontamination ohne Verunreinigungvon Werkzeugen oder der Umgebungmit der abgetragenen Substanz. Vonbesonderem Vorteil ist die flexiblelokale Arbeitsweise mit dem Laser, dieauch einen Abtrag in Fugen, Nischenund Hinterschneidungen, beispielswei-se an Schnitzereien, ermöglicht. EineBegrenzung hinsichtlich der Größe derObjekte existiert nicht.

Lösungsweg

Im Rahmen eines DBU-Projektes hatdas IWS ein Laserverfahren zur Dekon-tamination biozidbelasteter Kunstgüteraus Holz entwickelt. Um besondersobjektschonend zu arbeiten, wurde einNd:YAG-Reinigungslaser mit Puls-dauern im Bereich von Nanosekundeneingesetzt.

Aufgabenstellung

In zahlreichen Museen und anderenSammlungen befinden sich Kunstob-jekte aus Holz, die in der Vergangen-heit mit Holzschutzmitteln behandeltworden sind. Nach heutigem Kenntnis-stand werden verschiedene der damalsals Holzschutzmittel gebrauchten Sub-stanzen als extrem gesundheitsgefähr-dend eingestuft.

Gegenwärtig werden zur Dekontami-nation belasteter Holzkunstwerke sehrunterschiedliche Verfahren eingesetzt.Dabei sind oft Kompromisse einzuge-hen. Wegen seiner Einfachheit wirddas Bürstenverfahren viel genutzt.Dabei werden Ausblühungen (Kristalli-te) der betreffenden Substanz mecha-nisch von der Oberfläche entfernt. EinTeil der zu entfernenden Schadstoffewird so aber auch in die raue Holz-oberfläche eingerieben. Ein weitererNachteil besteht darin, dass penetrierteAnteile des Holzschutzmittels nichtentfernt werden können.

In dieser Hinsicht günstiger ist dasVakuumwaschverfahren und dieDekontamination durch überkritischesCO2. Dabei wird das Holzschutzmittelausgewaschen und abgesaugt bzw. inCO2 gelöst. Diese Verfahren sindjedoch sehr aufwändig. Bei letzteremmuss das gesamte Objekt in ent-sprechende Druckbehälter gebrachtwerden. Dadurch ist auch die Größeder behandelbaren Objektebeschränkt.

Aus diesem Grund wurde dringend einneuer Ansatz für eine vielfältig einsetz-bare Dekontamination belasteterKunstobjekte aus Holz gesucht.

Dekontamination biozidbelasteter Kunstgüter aus Holz

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Abb. 2: Ansicht nach Laserabtrag der Biozid-beläge


Abb. 1: Ablagerungen der Biozide in Form einesweißlichen Belags der aus Einzelkristal-liten besteht



Lösungsweg

Das berührungslose Laserstrahlpunkt-schweißen als Restaurationsmethodewurde favorisiert, weil die filigraneStruktur des Kunstwerkes und die For-derung nach lokal auf die unmittelbareFügestelle begrenztem Wärmeeintragwegen der Kaltbemalung eine exakteSteuerbarkeit des Energie- und Zeitre-gimes für den Wärmeeintrag erforder-te.

Auf Grund des Wertes des Schmuck-kästchens und der nicht bekannten Sil-berlegierung wurden zunächstSchweißuntersuchungen an Probekör-pern aus unterschiedlichen Silberlegie-rungen, die mit hoher Wahrscheinlich-keit den Originalbereich abdecken,durchgeführt. Damit wurden folgendeFragen geklärt:

Aufgabenstellung

Das Grüne Gewölbe ist das prächtigsteSchatzkammermuseum Europas. Esversammelt Meisterwerke der Juwelier-und Goldschmiedekunst sowie Kost-barkeiten aus Bernstein, Elfenbein,Edelsteingefäße und kunstvolle Bron-zestatuetten, die es zu erhalten gilt.Für die Restaurierung eines Schmuck-kästchens (Abb. 1) des 16. Jahrhun-derts aus einer unbekannten Silberle-gierung stand die Aufgabe, eine abge-brochene Verzierung an der ursprüng-lichen Position (Abb. 2) wieder anzu-bringen. Konventionelle Fügeverfahren(Löten, Kleben) wurden von denRestauratoren ausgeschlossen. Gründewaren die hohen Ansprüche an dieOptik der Fügestelle (makroskopischunsichtbar) sowie die Notwendigkeit,eine Wärmebelastung der Fügestellen-umgebung zu vermeiden, da sich aufden Ornamenten eine sogenannteKaltbemalung befindet.

Abb. 1: Schmuckkästchen, Gesamtansicht nachder Restaurierung

Ergebnisse

Die Schweißergebnisse an den Mate-rialproben erfüllten alle an die Restau-rierung des Schmuckkästchens gestell-ten Erwartungen und rechtfertigtensomit die Anwendung am Original.Das Resultat zeigt Abb. 3.

Dieses Beispiel demonstriert exempla-risch sowohl das Potenzial des Laser-strahlschweißens für die Restaurierungvon wertvollem Kunst- und Kulturgutals auch die Möglichkeit der Beherr-schung des Risikos bei der Anwen-dung dieser Methode an Unikaten.

- Nachweis der prinzipiellen Schweiß-barkeit der Legierungen,

- Ermittlung der günstigsten Schweiß-position,

- Erarbeitung optimaler Schweißpara-meter wie z. B. Energie, Pulslänge,Strahldurchmesser im Wirkfleck,Zusatzwerkstoff.

Restaurierung eines Schmuckkästchens durch Laserstrahlschweißen

Abb. 3: Detail der Fügestelle am Original nachdem Laserstrahlschweißen

Abb. 2: Schmuckkästchen, abgebrochene Verzierung

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Redaktion: Im Rahmen des IWS-Er-weiterungsbaus haben Sie die Anla-gentechnik zum Thermischen Spritzenin einem deutlich vergrößerten Techni-kumsraum neu installieren können.War damit auch eine Erweiterung dertechnologischen Möglichkeiten ver-bunden?

Dr. Nowotny: In der Tat. Auf der auf100 m2 vergrößerten Laborfläche sindnunmehr die wichtigsten von denAnwendern nachgefragten Spritzver-fahren vorhanden. Neben dem Atmos-phärischen Plasmaspritzen (APS) unddem Vakuum-Plasmaspritzen (VPS)steht im Neubau jetzt auch das Hoch-geschwindigkeits-Flammspritzen(HVOF) zur Verfügung. Wahlweise mitKerosin oder mit gasförmigem Brenn-stoff betrieben, können mit diesemVerfahren insbesondere Hartmetall-schichten mit den besten heuteerreichbaren Eigenschaften hinsichtlichDichte, Haftfestigkeit und höchstermechanischer Belastbarkeit hergestelltwerden. Für eine ganze Reihe vonBauteilen, wie zum Beispiel hochbean-spruchte Motorkomponenten vonKraftfahrzeugen, sind damit erstmalsBeschichtungen realisierbar, die neueLeichtbaulösungen, Kraftstoffeinspa-rung oder verlängerte Lebensdauernermöglichen. Ein perspektivischer Ent-wicklungsschwerpunkt soll die Ent-wicklung oxidischer Funktionsschichtendurch HVOF mit hoher Auftragsratefür weitere Anwendungen werden.

Redaktion: In den letzten Jahrenhaben sich Ihre Forschungsaktivitätenauf Anwendungen des Laserstrahl-Auf-tragschweißens für Reparaturaufga-ben, vor allem in der Triebwerkin-standsetzung konzentriert. WelcheFortschritte konnten hier im Jahre2004 erzielt werden?

Dr. Nowotny: Aufgrund der hohenPräzision hat sich das Auftrag-schweißen mit Laserstrahlung schonseit Jahren in diesem Sektor fest etab-liert. Die im Bereich der Luftfahrtindus-trie üblichen Titan-, Aluminium- oderauch Nickellegierungen sind unter nor-

malen Atmosphärenbedingungenjedoch oft nicht fehlerfrei zu verarbei-ten. Es kommt zu unzulässigen Auf-härtungen, und die geforderte Eigen-schaftsprägung wird nicht erreicht. Fürdiese Metallegierungen ist deshalb diegesamte Systemtechnik einschließlichder notwendigen Schweißstrategienzum Auftragschweißen in kontrollierterAtmosphäre entwickelt worden. RealeBauteile können in einer Argon-Schutzgaskammer mit einem Arbeits-raum von etwa 1,5 m3 sowie im Kesselder VPS-Anlage bearbeitet werden.Neue Pulverdüsen und Bearbeitungs-köpfe ermöglichen das Auftrag-schweißen von 3D-Strukturen imGenauigkeitsbereich von wenigenZehntel Millimetern.

Redaktion: Zwei große BMBF-Ver-bundprojekte zum Themenkomplexdes Reparierens und Generierenssowie des Rapid Tooling mit laserba-sierten Fertigungsverfahren wurdenmit einer vielbeachteten öffentlichenPräsentationsveranstaltung abgeschlos-sen. Welche konkreten Ergebnissewurden in diesen Verbundprojektenerreicht?

Dr. Nowotny: Im Ergebnis des erstendieser beiden Projekte, FAVOR, stehtdie geschlossene Prozesskette für dasPräzisionsauftragschweißen mit Laserund Plasma (PTA) sowie die Hybrid-technologie des induktiv unterstütztenLaserstrahl-Auftragschweißens zur Ver-fügung. Die Anwender ziehen Nutzenaus dieser Verfahrensentwicklung inForm verkürzter Fertigungszeiten undder rissfreien Verarbeitbarkeit beson-ders harter und verschleißfester Werk-stoffe.

Die Arbeiten zur MELATO®-Technolo-gie konnten ebenfalls mit einemanwendungsbereiten Stand dieses Ver-fahrens abgeschlossen werden. ErsteMusterwerkzeuge befinden sich imindustriellen Einsatz, und die Resonanzpotenzieller Nutzer verspricht dieserneuen Fertigungstechnologie guteWachstumsaussichten für die nahePerspektive.

Kreativität ist die Eintrittskarte für die Zukunft.

Norbert Stoffel

FuE-Angebot: Thermische Beschichtungsverfahren


Dr. Steffen NowotnyAbteilungsleiter (Tel. 2583 241,[email protected])


1. Hochgenaues Rapid-Prototypingfür Gussteile: precise cast proto-typing pcPro

® 56

2. Durchgängige Automatisierungdes MELATO®-Prozesses 58

3. Reparatur von Triebwerks-komponenten aus Titan-Legierungen 60

4. Geschlossene Prozessketten fürdas Laserstrahl-Auftragschweißenund Schweißverfahrens-kombinationen 61

5. Hochgeschwindigkeitsflamm-spritzen als neues Beschichtungs-verfahren im IWS 62

6. Tribologische Untersuchungen an thermisch gespritzten Schichten 63




Dr. Anja TechelGruppenleiterin Auftragschweißen(Tel. 2583 255, [email protected])

Dr. Lutz-Michael BergerGruppenleiter Thermisches Spritzen(Tel. 2583 330, [email protected])

Reparatur von Gasturbinenschaufeln durch Auf-tragschweißen mit Hochleistungs-Diodenlaser

Plasmaspritzen einer Welle

Verschleißschutz und funktionaleBeschichtungen

Zum Beschichten von Bauteilen ausStahl, Leichtmetallen oder anderenWerkstoffen mit Metallen, Hartmetallenund Keramik stehen im IWS das atmo-sphärische (APS) und Vakuumplasma-spritzen (VPS) sowie das Flamm- undHochgeschwindigkeitsflammspritzen(HVOF) zur Verfügung. Die Hybridtech-nologie des laserunterstützen atmo-sphärischen Plasmaspritzens (LAAPS)ergänzt das Verfahrensspektrum.

In Kooperation mit weiteren Institutendes Fraunhofer-Institutszentrums inDresden umfaßt das Angebotsspek-trum: - Konzeption beanspruchungsgerech-

ter Schichtsysteme, - Entwicklung von vollständigen

Beschichtungslösungen vom Werk-stoff bis zum beschichteten Bauteil,

- Entwicklung und Fertigung vonsystemtechnischen Komponenten,

- Mitwirkung bei der Systemintegration,- Unterstützung des Anwenders bei

der Technologieeinführung.

Reparieren und Generieren

Zur Reparatur und Beschichtung vonBauteilen, Formen und Werkzeugenstehen das Laserstrahl- und Plasma-Pulver-Auftragschweißen sowieHybridtechnologien in der Kombina-tion von Laser, Plasma und Induktionzur Verfügung. Durch Auftragen,Legieren oder Dispergieren von Metall-legierungen, Hartstoffen und Keramikkönnen dichte Schichten und 3D-Strukturen erzeugt werden. Für alleTechnologien ist die geschlossene Pro-zesskette von der Digitalisierung undDatenaufbereitung bis zur Endbearbei-tung nutzbar. Für diese Anwendungs-felder bieten wir an: - schnelle und flexible Bauteil-Digitali-

sierung und Datenbearbeitung, - präzise Reparatur und Beschichtung

von Bauteilen und Werkzeugen, - Fertigung von metallischen und hart-

stoffhaltigen Mustern und Prototy-pen direkt aus den CAD-Daten desAuftraggebers,

- systemtechnische Komponenten undUnterstützung bei der Fertigungsein-führung.


erheblichen manuellen Aufwandbeklagt. Durch die Kombination vongenerierenden und zerspanenden Ver-fahren kann eine kostengünstigeAutomatisierungslösung für die Her-stellung von Kunststoffprototypenerreicht werden.

Hochgenaues Rapid-Prototyping für Gussteileprecise cast prototyping pcPro

®

Ansprechpartner

Dr. Anja TechelTel.: 0351 / 2583 255 [email protected]


Lösungsweg

Das patentierte Verfahren pcPro®

(Patentinhaber Fraunhofer IWS) istgekennzeichnet durch die Kombina-tion der Verfahren Gießen und Fräsenin einer Fräsmaschine. Aus den in dieMaschine eingelesenen 3D-CAD-Datendes zu fertigenden Bauteiles wird eineWerkzeughälfte abgeleitet und unterUmständen mit Entformungsschrägenversehen. Die entsprechenden Fräsbe-arbeitungsprogramme werden gene-riert und mit dem Fräsen einer Werk-zeughälfte kann begonnen werden.

Im Anschluss daran wird in die gefräs-te Form 2K-Gießharz eingefüllt, in wel-ches nach dem Aushärten die Innen-kontur des Bauteiles gefräst wird.Nach dem Entformen des Bauteileskönnen beliebig viele weitere Bauteiledurch Gießen, Aushärten und Fräsenhergestellt werden. Bei Verwendungvon mehrteiligen Formen und Schnell-gießharzen, die nach etwa 15 Minutenausgehärtet sind, können mehrere Tei-le pro Stunde hergestellt werden.

Das Fraunhofer IWS hat den Prototypeiner derartigen Kombinationsanlageentwickelt, gefertigt und getestet.Dazu wurden die für den Gießprozessnotwendigen Hard- und Softwarekom-ponenten in eine CNC-Fräsmaschineintegriert. Das System ermöglicht einevollständig automatisierte Fertigungvon Bauteilen. Lediglich die Entfor-mung der Bauteile erfolgt zum jetzigenZeitpunkt noch manuell.

Abb. 1: Patentierte Prozesskette pcPro®:

- 3D-CAD-Datenbearbeitung- Fräsen einer Werkzeughälfte- Ausgießen der Werkzeughälfte - Fräsen der Innenkontur- Entformen (nicht dargestellt)

Aufgabenstellung

Generierende Fertigungsverfahren zurHerstellung von Prototyp-Bauteilenoder Werkzeugen haben sich in denletzten Jahren einen festen Platz imEntwicklungsprozess erobert. Zahlrei-che Verfahren haben Eingang in dieindustrielle Praxis gefunden oder wer-den von RP-Dienstleistern angeboten.Im Hinblick auf eine schnelle undkostengünstige Fertigung von Prototy-pen werden zuweilen hohe Kosten fürdie Anlagentechnik und den teilweise



Abb. 2: Bauteile, gefertigt mittels pcPro®

Ergebnisse

Die neue Prozesskombination bietetzahlreiche Vorteile. So entfällt der auf-wändige Prozessschritt der Modellher-stellung, da ein physisches Urmodellnicht notwendig ist. Der Aufwand fürden Formenbau wird verringert, da nureine Formhälfte hergestellt wird. Auchder Aufwand für die 3D-CAD-Daten-bearbeitung verringert sich, da Aus-formschrägen und Verrundungen fürdie Innenkontur nicht konstruiert wer-den müssen. Die zweite Formhälfteexistiert nur virtuell in Form der Fräs-programme. Das bedeutet, sie kannsehr schnell durch Änderungen in derCAD / CAM-Prozesskette modifiziertwerden. Die Fertigung der zweitenFormhälfte mit Anguss, Steiger, Entlüf-tung und Formenteilung entfällt. Somitist kein großer Erfahrungsschatz alsFormenbauer notwendig. Auch bei derVorbereitung der Gießform und beider Nachbearbeitung der Teile könnenZeit und Kosten eingespart werden.

Durch die Integration des Gießverfah-rens in die Fräsmaschine ist die Ferti-gung der Werkzeughälfte und unmit-telbar im Anschluss die Komplettbear-beitung des Bauteiles in einer Aufspan-nung möglich. Ein Umspannen oderNeuaufspannen zur Nachbearbeitungwird vermieden. Somit entstehen keineUngenauigkeiten zwischen Innen- undAußenkontur, und es gibt keinen Ver-satz zwischen unterer und obererFormhälfte. Auch das Einbringen vonGewinden ist möglich.

Da die spanende Bearbeitung nachAushärtung der Gießmaterialienerfolgt, d. h. nachdem Schrumpfpro-zesse bereits abgeschlossen sind, wirdeine wesentlich höhere Genauigkeitder Gussteile erzielt. Dies ermöglichtdie Einhaltung engerer Toleranzen.

Die Dichte der Bauteile genügt höch-sten Ansprüchen. Da keine zweiteFormhälfte existiert, können Luftblasenfrei nach oben entweichen und die aufdiese Weise hergestellten Bauteile sindvöllig lunkerfrei.

Die Erprobung der Maschine erfolgtean einem Gehäuseteil. Der hohe Auto-matisierungsgrad ermöglicht eineerhebliche Produktivität bei hoher Fle-xibilität und Bauteilqualität. Anwen-dungspotenzial für die neue Verfah-renskombination wird in allen Berei-chen gesehen, in denen Kunststoffteilezum Einsatz kommen.

Abb. 3: pcPro®-Anlage zum Gießen und Fräsen

von Kunststoffteilen


Aufgabenstellung

Auf dem Gebiet der Werkzeugferti-gung durch Blechpaketieren wurdenim Rahmen des durch das BMBF geför-derten Forschungsprojektes "MELA-TO" in den letzten Jahren erheblicheFortschritte erzielt. Insbesondere imBereich der Arbeitsvorbereitung durchCAD / CAM-Systeme und auf demGebiet der Verbindungstechnologienstehen heute Lösungen zur Verfügung,die eine schnelle Fertigung von Proto-typwerkzeugen ermöglichen.

Ein weiterer wesentlicher Schwerpunktdes Forschungsprojektes ist die Ent-wicklung eines Anlagenkonzeptes zurdurchgängigen Automatisierung derProzesskette. Damit soll vor allem dieFertigung von komplex geformtenWerkzeugen mit Kantenlängen größer1000 mm schneller und kostengünsti-ger erfolgen. Ziel der Automatisie-rungslösung ist es, die Fertigungszeitder großen Werkzeuge von derzeitetwa 12 Wochen auf eine Woche zuverkürzen.

Durchgängige Automatisierung des MELATO®-Prozesses

Ansprechpartner

Dr. Anja Techel Tel.: 0351 / 2583 255 [email protected]


Abb. 3: Komponenten zum geregelten Laser-auftragschweißen an Hermle C800

Abb. 2: Vakuumgreifsystem zum Be- und Entladen des Schneidtisches

Lösungsweg

Im Hinblick auf die schnelle Fertigunggroßer Werkzeuge mit vielen Blechzu-schnitten wurde beispielhaft eineAutomatisierungslösung für dasSchneiden, Paketieren, Verbinden,Oberflächenveredeln und Endbearbei-ten der Bleche entwickelt. Es entstandein Fertigungszentrum aus mehrerenBearbeitungsstationen. Für die Ein-führung der Technologie in der Indus-trie ist das von Vorteil, da die dafürnotwendige technische Ausrüstung,wie z. B. Fräsmaschinen oder eineLaserstrahlschneidanlage, in denUnternehmen in der Regel vorhandenist.

Ergebnisse

Für das Schneiden, Paketieren undFügen von Stahlblech-Zuschnitten hatdie Maschinenfabrik Arnold GmbH &Co. KG eine Schneidmaschine mitHandhabungssystem gefertigt und amFraunhofer IWS in Betrieb genommen.Die Laserstrahl-Schneidmaschine ist inGantry-Bauweise ausgeführt, d. h. dieBewegung in der Ebene wird durchzwei parallel angeordnete X-Achsenund eine senkrecht dazu fahrbare Y-Achse realisiert. Diese Achsen sind mitLinearantrieben ausgestattet. Der Vor-teil der Linearantriebe gegenüber kon-ventionellen Spindelantrieben bestehtin den hohen Achsbeschleunigungenund -geschwindigkeiten. Die dadurcherzielbare hohe Bahnbeschleunigungist für formgenaue Konturschnitte beihoher Bearbeitungsgeschwindigkeitvon besonderer Bedeutung undermöglicht bei der Fertigung der Blech-zuschnitte deutliche Zeiteinsparungen.In die Z-Achse ist ein Laserschneidkopfmit kapazitiver Abstandsregelung inte-griert.

An die Laserschneidmaschine ist einHandhabungssystem in Form einerFlächenportalanlage angeschlossen.Das Handlingsystem mit Vakuumgrei-fern übernimmt das automatischeBeladen der Schneidmaschine mitBlechtafeln sowie die Entnahme unddas Paketieren der Blechzuschnitte.Sind weitere Zwischenschritte wie das

Abb. 1: Laserstrahl-Schneidmaschine (rechts) mitHandhabungssystem (links)


Abb. 5: Teilstück des Doppelstempels in MELATO®-Bauweise


Entgraten oder Reinigen vorgesehen,können die dafür notwendigen Bear-beitungsstationen im Arbeitsbereichdes Handlingsystems angeordnet undvon diesem auch bedient werden.

Für das Verbinden mittels Laserstrahl-schweißen, das partielle Oberflächen-veredeln durch Laser-Auftrag-schweißen und das Endbearbeitendurch Fräsen wird eine 5-Achs-Fräsma-schine vom Typ Hermle C800Ugenutzt. Durch die Integration einesFestkörperlasers und der Hardwarezum Laser- und Plasma-Pulver-Auftrag-schweißen verfügt die Fräsmaschineüber die notwendigen Systemkompo-nenten zum Verbindungs- und Auf-tragschweißen der Blechpakete mitund ohne Zusatzwerkstoff. Darüberhinaus wurde ein Kamerasystem fürdie Überwachung und Regelung derlaserbasierten Prozesse und ein 3D-Scanner für die optische Vermessungder Bauteil-Ist-Kontur in die Fräsma-schine integriert.

Mit der im IWS vorhandenen Anlagen-technik kann nunmehr eine durchgän-gig automatisierte Prozesskette zurHerstellung von Blechpaketwerkzeu-gen demonstriert werden. Die Prozess-kette beginnt mit dem Einladen der

3D-Daten des zu fertigenden Werk-zeuges. An die 3D-CAD-Datenbearbei-tung sowie das Zerlegen des zu ferti-genden Werkzeuges in Schichtenschließt sich das Anordnen derZuschnitte auf einer Blechtafel beliebi-ger Größe und das automatischeErstellen des Schneidprogramms an.Mit Hilfe des Handhabungssystemswird die Schneidmaschine mit den aus-gewählten Blechtafeln beladen. DasLaserschneiden der Blechsegmentebeginnt. Die Zuschnitte werden durchdas Handlingsystem zur weiteren Ver-arbeitung auf diversen Bearbeitungs-stationen abgelegt oder in definierterReihenfolge in die Stapelvorrichtunggestapelt. In Abhängigkeit von denBeanspruchungen am Bauteil wird dasentstandene Blechpaket anschließendverspannt, geschweißt oder gelötetund in nachfolgenden Bearbeitungs-zentren oberflächenveredelt oder end-bearbeitet.

Um bei allen Prozessen eine durchgän-gig einheitliche Datenbasis zu gewähr-leisten, wurden in Zusammenarbeit mitder Fa. NCSoft Wagner spezielle Soft-waremodule entwickelt und für denPraxiseinsatz qualifiziert. Die Erpro-bung der automatisierten Prozessketteerfolgte an einem Doppelstempel zumTiefziehen der C-Säulen-Versteifungfür eine PKW-Karosse. Das 1500 mmlange und bis zu 500 mm breite Werk-zeug wurde aus 1500 Blechzuschnit-ten zusammengesetzt, mechanischverspannt und konturfolgend ver-schweißt. Die Erprobung des Werkzeu-ges ist Gegenstand nachfolgenderUntersuchungen beim Projektpartner.

Abb. 4: CAD-Model des Doppelstempels zumTiefziehen von Karosserieteilen


Aufgabenstellung

Das Laserstrahl-Auftragschweißen hatsich als Präzisions-Fertigungsverfahrenzur schnellen und effizienten Repara-tur von beschädigten Flugzeugtrieb-werksteilen etabliert. Das Ziel der hiervorgestellten Arbeiten bestand darin,die Eignung des Verfahrens zur Repa-ratur von Kompressor-Blisks, Abb. 1,aus einer Titan-Luftfahrtlegierung zuuntersuchen. Der besondere Anspruchergab sich aus den Forderungen nacheinem fehlerfreien, aufhärtungsarmenGefüge des in Multilagen frei aufge-schweißten Materials sowie einerhohen Konturtreue. Insbesondere aberhatten die Festigkeitseigenschaftendenen des klassisch hergestellten Refe-renzwerkstoffs und vom Triebwerks-hersteller vorgegebenen Minimalwer-ten zu entsprechen.

Reparatur von Triebwerkskomponenten aus Titan-Legierungen

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Sven OrbanTel.: 0351 / 2583 358 [email protected]


Abb. 3: Ergebnisse der Warmzugversuche: Zug-festigkeit Rm und Streckgrenze RP0,2 derlasergenerierten Proben (LC) im Ver-gleich zum klassisch hergestellten Mate-rial (Referenz) und den Minimalwertender MTU-Spezifikation

Lösungsweg

In Zusammenarbeit mit MTU AeroEngines GmbH wurden im Rahmendes von der EU geförderten Verbund-projekts "AWFORS" umfangreicheUntersuchungen zur Fertigung von 3D-Strukturen aus Ti6242 durchgeführt.Die Auftragschweißversuche erfolgtenmit einem 3 kW Nd:YAG-Laser undeiner Koaxial-Pulverdüse aus demSystem COAXn. Zur Sicherung dererforderlichen inerten Schweißumge-bung wurde der Prozeß in einergeschlossenen Kammer in Ar-Atmo-sphäre mit einem Restsauerstoffgehaltvon unter 10 ppm realisiert.

Ergebnisse

Für die Untersuchungen sind Probenmit einer den Kompressorschaufelnähnlichen Geometrie endkonturnahaufgebaut worden. Die Oberfläche desaufgetragenen Materials ist metallischblank und zeigt keine Hinweise aufOxydation. In Abb. 2 ist dascharakteristische Gefüge des durchübereinandergeschweißte Einzellagengenerierten Werkstoffvolumens darge-stellt. Die Struktur ist vollständig dichtund feinkristallin. Durch epitaktischesAufwachsen des Materials vonSchweißlage zu Schweißlage ergibtsich die erkennbare grobe Überstruk-tur. Gegenüber dem unbeeinflußtenGrundmaterial steigt die Härte in denlasergenerierten Bereichen um etwa20 Prozent von 340 auf 400 HV0,5.Dieser Effekt ist durch die feine Erstar-rungsstruktur zu erklären und unter-streicht die Aussage, dass Oxydations-prozesse unter den eingestelltenSchweißbedingungen sicher vermiedenwerden. Zur Untersuchung der stati-schen Festigkeit sind durch MTU AeroEngines Zugversuche unter Standard-Bedingungen bei einer Temperatur von500 °C durchgeführt worden. Sowohldie Rm- als auch die RP0,2-Werte derlasergenerierten Proben liegen ober-halb der Festigkeit des Referenzwerk-stoffs. Die Minimalwerte entsprechendMTU-Spezifikation werden ebenfalls injedem Falle überschritten. Im Ergebnisweiterer Festigkeitsuntersuchungenkonnten auch die für die Ermüdungs-festigkeit geforderten Werte nachge-wiesen werden. Hierdurch und unterBerücksichtigung des nahezu poren-freien, homogenen und geometrischpräzisen Materialaufbaus wird dasLaserstrahl-Auftragschweißen alsgeeignetes Verfahren auch für diesenspeziellen Fall der Triebwerkinstandset-zung bewertet.

Abb. 1: Schweißaufbau zur Instandsetzungbeschädigter Titan-Blisks durch Laser-strahl-Auftragschweißen

Abb. 2: Querschliff einer Mehrlagen-Auftrag-schweißung aus Ti6242

1 mm



Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Siegfried ScharekTel.: 0351 / 2583 244 [email protected]

Abb. 1: 3-Achs-Fräsmaschine, Beispiel: Laser-Beschichtung eines Triebwerkflanschesmit Induktionsunterstützung

Abb. 2: Reis-Roboter, direkt angebauter 4 kW-Diodenlaser, Optik mit Prozess-überwachung und Koaxialdüse

Abb. 3: CAM-Programmiersystem DCAM5,Simulation von Laserbahnen mitBeschichtungseinheit

Aufgabenstellung

Das Laserstrahl-Auftragschweißen wirdzur schnellen Formänderung, zur Re-paratur, zum Oberflächenschutz vonWerkzeugen und Bauteilen sowie fürdas direkte Generieren (DMD) komplexgeformter Bauteile in der Produktionangewendet. Dabei werden von derIndustrie geschlossene Prozessketten,vom 3D-Modell bis zur CNC-Ansteue-rung der Bearbeitungszentren, gefor-dert. Es kommen 3-Achs- / 5-Achs-CNC-Maschinen sowie preiswerteRoboter-Handlingsysteme zum Einsatz.Für die unterschiedlichsten Maschinen-konzepte sollen Lösungen für die Inte-gration der Verfahren Laser-Pulver-Auftragschweißen, Plasma-Pulver-Auf-tragschweißen sowie die induktiveErwärmung gefunden werden. Zusätz-lich sollen durch Kombination der Ver-fahren neue Anwendungsfeldererschlossen und die Prozesszeiten ver-kürzt werden.

Geschlossene Prozessketten für das Laserstrahl-Auftragschweißenund Schweißverfahrenskombinationen

Lösungsweg

Die Lösung für die Verfahrenskombi-nation besteht in der Integration eineszusätzlichen Geräteträgers in beste-hende CNC-Fräsmaschinen. Dazu müs-sen alle neuen Komponenten so in dasvorhandene Maschinenkonzept einge-bunden werden, dass ein CNC-gesteu-erter wechselseitiger Betrieb der unter-schiedlichen Verfahren erfolgen kann.

Eine Grundvoraussetzung zur Realisie-rung einer geschlossenen Prozesskettestellt dabei das CAM-Programmiersy-stem DCAM5 dar. Dieses umfasstmehrere Tools, die, ausgehend von3D-CAD-Modellen, eine verfahrensge-rechte Datenbearbeitung durchführen,eine optimale Bearbeitungsstrategiefestlegen und die Werkzeugbahnenfür die eingesetzten Verfahren gene-rieren. Schließlich erstellen diese Tools

Ergebnisse

An einer 3-Achs-Fräsmaschine konntendie Grundlagen zur Integration deroben genannten Verfahren praktiziertwerden. Abb. 1 zeigt den an der Z-Achse der Frässpindel angebrachtenGeräteträger, der über einen pneuma-tischen Zylinder in die Arbeitspositionabgesenkt werden kann. Der Flanscheines Triebwerk-Gehäuses wurde mitHilfe der Kombination Laser / Induk-tion beschichtet. Damit konnte dieProzesszeit um 50 Prozent reduziertwerden. Weiterhin ist die Beschichtungvon rissgefährdeten hochfesten Werk-stoffen mittels dieser Kombinationmöglich.

Der direkte Anbau einer Einheit zumLaser-Pulver-Auftragschweißen aneinen Reis-Roboter ist in Abb. 2 darge-stellt. Der verwendete 4 kW-Diodenla-ser mit Optik und Koaxialdüse wurdean der Roboterhand montiert. Damitkönnen nahezu beliebige Beschichtun-gen im dreidimensionalen Raumdurchgeführt werden. An dieser Anla-ge, die von der Firma ALOtec angebo-ten wird, erfolgt die Kombination mitdem Laserhärten. Der Anwender kannsomit die Anlage besser auslasten.

Für die vorgestellten Maschinenkon-zepte erfolgt die Erstellung der Werk-zeugbahnen für die zum Einsatz kom-menden Verfahren mit dem CAM- undOffline Programmiersystem DCAM5.Die vorhandenen Tools können jeder-zeit weiterentwickelt oder in andereCAM-Systeme als Plug In integriertwerden. Damit kann je nach Anwen-dung ein für den Kunden maßge-schneidertes Paket angeboten werden.

über eigens geschriebene Postprozes-soren die CNC-Programme für dasLaser- und Plasma-Pulver-Auftrag-schweißen, für die Wärmeführung mit-tels Induktion wie auch für die Endbe-arbeitung.


Aufgabenstellung

Das Hochgeschwindigkeitsflammsprit-zen (HVOF) hat in den letzten Jahrenbedeutende Marktanteile in der Ver-fahrensgruppe des Thermischen Sprit-zens erobert. Dies ist begründet durchdie besonders dichten Schichten hoherHaftfestigkeit, die mit diesem Verfah-ren hergestellt werden können. Dabeiwurde die HVOF-Spritztechnik selbstund die Peripherie der Beschichtungs-anlagen ständig weiterentwickelt. Füreinige Werkstoffgruppen, wie dasBeschichten mit Hartmetallen, ist esmittlerweile das Standardverfahren.

Hochgeschwindigkeitsflammspritzen als neues Beschichtungs-verfahren im IWS


Lösungsweg

Mit der Integration von zwei neuenHVOF-Brennern der neuesten Genera-tion in die vorhandene Infrastruktur istjetzt im IWS das gesamte Spektrum anindustriell weit verbreiteter Spritztech-nik vorhanden. Die neuen HVOF-Bren-ner werden mit flüssigen (Paraffin)bzw. gasförmigen (Ethen, Ethin)Brennstoffen betrieben. Dabei zeichnetsich die mit Flüssigbrennstoff betriebe-ne Anlage im Vergleich mit anderenHVOF-Anlagen durch besonders niedri-ge Flammtemperatur und hohe Parti-kelgeschwindigkeiten aus. VorrangigesAnwendungsgebiet dieser mit Flüssig-brennstoff betriebenen Anlage ist dieHerstellung besonders dichter undoxidarmer Hartmetall- und metallischerSchichten. Im Gegensatz dazu erreichtdie mit gasförmigen Brennstoffenbetriebene Anlage höhere Flammtem-peraturen. Schwerpunkt für die Ver-wendung dieser Anlage wird die Ent-wicklung dichter und kostengünstigeroxidischer Schichten für neue Anwen-dungen sein.

Ergebnisse

Abb. 1 zeigt den mit Flüssigbrennstoffbetriebenen Brenner zusammen mitdem On-line-Diagnosesystem. InAbb. 2 ist als Beispiel für eine opti-mierte Hartmetallschicht die Struktureiner WC-Co-Schicht dargestellt. DieseSchichten zeichnen sich durch geringeZersetzung der Carbide aus und wei-sen damit eine Kombination von Härteund Zähigkeit auf, die denen von Sin-terhartmetall bereits nahekommt.

Ansprechpartner

Dr. Lutz-Michael BergerTel.: 0351 / 2583 330 [email protected]

Abb. 1: An das Handhabungssystem montierterHVOF-Brenner und On-line-Diagnose-system

Abb. 2: Struktur einer HVOF-gespritzten WC-17%Co Schicht

Die Brenner werden mit einem 6-Achs-Roboter geführt. Dies gewährleistetdie Einhaltung der Spritzparameterund die Reproduzierbarkeit dererreichten Schichtqualitäten.

Ergänzt wird die Erweiterung derBeschichtungstechnik durch ein On-line-Diagnosegerät (SprayWatch®),welches für alle vorhandenen Spritz-verfahren einsetzbar ist. Dadurch ist esmöglich, den Strom der schichtbilden-den Pulverpartikel im heißen Gasstrahldirekt zu erfassen und sowohl derenTemperatur als auch Geschwindigkeitzu bestimmen. Durch metallographi-sche Präparation und Untersuchungder Schichten kann die optimale Struk-tur mit den Spritzparametern korreliertwerden. Bei weiteren Beschichtungenwird die Einhaltung dieser optimiertenParameter durch das Diagnostiksystemgarantiert.

200 µm



Abb. 1: Schicht- und Gegenkörperverschleißbeim Einsatz von Hartmetallschichten

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Roman ZierisTel.: 0351 / 2583 245 [email protected]

Aufgabenstellung

Die Anforderungen an das Belastungs-profil von thermisch gespritztenSchichten sind in den letzten Jahrenimmer weiter gestiegen. Der Einsatzvon Spritzschichten bei Linien- undPunktbelastungen mit hohenHertz´schen Pressungen rückt dabeiimmer mehr in den Vordergrund.Durch einen Vergleich von verschiede-nen Werkstoffsystemen sollte einÜberblick über Einsatzmöglichkeitenunter diesen Bedingungen geschaffenwerden.

Tribologische Untersuchungen an thermisch gespritzten Schichten

Lösungsweg

Der Einsatz von oxidkeramischenWerkstoffen wird in einer Vielzahl vonAnwendungen auf Grund ihrer gerin-gen Masse und guten Verschleißbe-ständigkeit immer wieder angestrebt.Hartmetallschichten mit einer vielfachnoch höheren Verschleißbeständigkeithaben sich durch den Einsatz desHochgeschwindigkeitsflammspritzens(HVOF) ebenfalls in vielen Anwen-dungsfällen etabliert. Die hier unter-suchten oxidkeramischen Schichtenwurden durch Plasmaspritzen und dieHartmetallschichten mittels HVOF-Spritzen aufgebracht. Die für dieSchichtprüfung notwendige Rauheitvon Rz ≤ 1 µm wurde durch eine Nach-bearbeitung der Schichten erreicht.

Zur vergleichenden Prüfung wurde deroszillierende Gleitverschleiß gewählt.Alle eingesetzten Schichtwerkstoffewurden gegen den Stahl 100Cr6getestet. Zusätzlich wurden die kera-mischen Schichtwerkstoffe gegengesintertes Si3N4 und die Hartmetall-schichten gegen gesintertes WC-Cogetestet.

Ergebnisse

Alle Untersuchungen wurden mit einerLast von 10 N, über eine Wegstreckevon 216 m, bei einer Schwingfrequenzvon 10 Hz durchgeführt. Bei allenUntersuchungen gegen 100Cr6 wiesder Gegenkörper einen vielfach höhe-ren Verschleiß als die Schicht auf. DieUntersuchungen der keramischenSchichten gegen den SiN-Gegenkörperwaren durch einen geringeren Ver-schleiß des Gegenkörpers und derSchicht gekennzeichnet.

Die Ergebnisse für die Hartmetall-schichten gegen WC-Co in Abb. 1 zei-gen die Verschleißspurtiefe der Schichtsowie die Verschleißhöhe des Gegen-körpers. Die Harmetallschichten weisenim Vergleich zu den keramischenSchichten einen geringeren Verschleißauf. Der Gegenkörper unterliegt beiallen Untersuchungen einem stärkerenVerschleiß als die Schicht selber. DieHartmetallschichten auf der Basis vonTitancarbid zeigten hier ein ähnlichesVerschleißverhalten wie die klassischenWolframcarbid-Hartmetalle. Auf Grunddes erheblichen Dichteunterschiedessteht für dieses Belastungsprofil mitTitancarbid-Basis-Werkstoffen eineinteressante Alternative zu WC-Basis-Hartmetallen zur Verfügung. In Abb. 2ist ein Querschliff einer solchen Titan-carbid-Hochleistungsschicht darge-stellt.

Die Untersuchungen wurden im Rah-men des Europäischen Forschungsvor-habens "Oil-free powertrain" durchge-führt.

Abb. 2: Querschliff einer TiC-Basis-Hartmetall-schicht für den Einsatz bei hohenHertz´schen Pressungen

100 µm


Redaktion: Wie entwickelte sich Ihrerelativ junge Abteilung "CVD-Dünn-schichttechnologie" im vergangenenJahr?

Dr. Hopfe: In einer Dynamik, die bis-weilen zwar an die Grenzen ging, unsaber eine ausgezeichnete Plattform fürdie weitere Entwicklung bietet. Dasbetrifft sowohl neue komplexe Projek-te als auch eine Vielzahl von Anfragenaus der Industrie, die das sprungartiggewachsene Interesse an unseren For-schungsergebnissen zeigen. TrotzZuwachs sind beide Arbeitsgruppenam Jahresende wiederum an Grenzenhinsichtlich Personal- und Anlagenka-pazität angelangt. Diesem an sicherfreulichen Trend wollen wir 2005durch weiteres Wachstum, besondersaber durch Effektivitätssteigerung undAusbau der experimentellen BasisRechnung tragen. Das schafft einenMotivationsschub, der sich deutlich indem erzielten Kompetenzzuwachs inden beiden noch jungen Arbeitsgrup-pen ablesen läßt und letztlich unserenPartnern zugute kommt.

Redaktion: In Ihren Labors wurde imvergangenen Jahr extrem viel Equip-ment neu aufgebaut. Welche Anwen-dungen stehen dahinter?

Dr. Hopfe: Tatsächlich war in denLaborräumen zu Beginn des Jahres2004 keine "freie Ecke" mehr zu fin-den. Durch die Fertigstellung des IWS-Erweiterungsbaus konnten insbeson-dere im 4. Quartal 2004 die dringendbenötigten Erweiterungsmöglichkeitengeschaffen werden. Bei dem genann-ten Equipment handelt es sich umPrototypanlagen zum Beschichten undTrockenätzen von Halbzeugen mitplasmachemischen Verfahren beiAtmosphärendruck. Sie wurden imdirekten Kundenauftrag entwickelt,

gefertigt und sind derzeit in der Inbe-triebnahmephase. Inzwischen arbeitetmehr als die Hälfte der Abteilung ander Entwicklung und Testung von Pro-totypanlagen sowie an der dazu-gehörigen Prozessentwicklung. Für dieingenieurtechnischen Arbeiten habenwir die notwendige "kritische Masse"kurzfristig etablieren können. Die imIWS aufgebauten Beschichtungs- undÄtzanlagen sind Atmosphärendruck-Plasma-Durchlaufreaktoren, derenReaktordesign auf Basis thermofluid-dynamischer Rechnungen erfolgt.Gegenüber der herkömmlichen intui-tiv-empirischen Arbeitsweise ist damiteine wesentliche Zeit- und Kostener-sparnis verbunden.

Redaktion: Im Bereich des Prozess-Monitoring ist es Ihnen gelungen,spektroskopische Gassensorik zu ent-wickeln und in den Produktionsberei-chen namhafter Unternehmen zutesten. Wie sind die Ergebnisse zubewerten?

Dr. Hopfe: Zusammen mit mittelstän-dischen Unternehmen haben wirinzwischen mehrere Prototypen vonGassensoren zur Überwachung undRegelung von Industrieanlagen ent-wickelt. Ein auf FTIR-Spektroskopieberuhender Sensor befindet sich seiteinigen Monaten bei Infineon an einerProduktionsmaschine für 300 mm-Wafer im Dauertest. Sofort nach Inbe-triebnahme hat er hochinteressante -teilweise unerwartete - Einsichten indas "Maschinenleben" gebracht. DasPrinzip wird derzeit in die Keramik-industrie überführt. Erste hoffnungs-volle Ergebnisse demonstrieren erneutdie multivalente Anwendbarkeit derentwickelten innovativen Gassensorik.

Wenn eine Idee nicht zuerst absurd erscheint,taugt sie nichts.

Albert Einstein

FuE-Angebot: CVD-Dünnschichttechnologie


Dr. Volkmar HopfeAbteilungsleiter (Tel. 2583 402,[email protected])



1. Atmosphärendruck-Plasma-CVDzur Abscheidung transparenterKratzschutzschichten 68

2. Fluiddynamische Simulationen - ein effektives Werkzeug zum Design und zur Optimierung vonPlasma-CVD-Reaktoren 70

3. IRspecXL - ein neues Werkzeugzur Oberflächenanalyse und Qua-litätssicherung großer Bauteile mittels FTIR-Reflexionsspektro-skopie 72

4. Prozessüberwachung an Entbin-deröfen zur Herstellung von Keramik-Formteilen 73



Dr. Ines Dani Gruppenleiterin Atmosphärendruck-CVD (Tel. 2583 405,[email protected])

Dr. Wulf Grählert Gruppenleiter Prozess-Monitoring (Tel. 2583 406,[email protected])

FTIR-Monitoring von HochtemperaturprozessenBlick in den Beschichtungsraum der ArcJet-PECVD-Anlage

Plasmagestützte CVD-Verfahren beiAtmosphärendruck

Atmosphärendruck-Plasma-CVD-Pro-zesse (AP-PECVD) erlauben die groß-flächige Abscheidung qualitativ hoch-wertiger Funktionsschichten ohne Ein-satz kostenintensiver Vakuumanlagen.Damit sind kontinuierliche Beschich-tungsprozesse mit hohen Raten auftemperaturempfindlichen Materialien(wie Sonderstählen, Leichtmetallen,Gläsern und Kunststoffen sowie leichtgekrümmten Substraten unterschiedli-cher Dicke) realisierbar.

Am IWS werden Prototypen von AP-PECVD-Durchlaufreaktoren mit Gas-schleusen zur Herstellung von oxidi-schen und nichtoxidischen Schichtenbei Normaldruck entwickelt. Die Opti-mierung des Reaktordesigns basiertauf experimentellen Ergebnissen undthermofluiddynamischen Simulationen.Das modulare Reaktordesign sorgt füreine kostengünstige Adaption des Pro-zesses an neue Anwendungsgebieteund Schichtmaterialien.

Prozess-Monitoring

Die optimale Funktion von Industriean-lagen und die Qualität der gefertigtenProdukte steht oftmals im direktenZusammenhang mit der sich in derAnlage befindenden Gasatmosphäre,deren Zusammensetzung in engenGrenzen überwacht werden muss.Eine industrietaugliche kontinuierlichein-situ-Gasanalytik ist beispielsweiseessentiell bei der Qualitätssicherungvon chemischen Beschichtungs-, Ätz-oder Sinterprozessen sowie bei derÜberwachung von Emissionen ausIndustrieanlagen. Für kundenspezifi-sche Lösungen zur kontinuierlichenÜberwachung der chemischen Zusam-mensetzung und Konzentration vonGasgemischen nutzt das IWS Senso-ren, die wahlweise auf der NIR-Diodenlaser- oder FTIR-Spektroskopieberuhen.

Weiterhin werden Bauteiloberflächenund Schichtsysteme mit spektroskopi-schen Methoden wie FTIR-Spektrosko-pie, Spektro-Ellipsometrie oder Raman-Mikroskopie charakterisiert.


Atmosphärendruck Plasma-CVD zur Abscheidung transparenterKratzschutzschichten

Ansprechpartner

Dr. Ines Dani Tel.: 0351 / 2583 405 [email protected]


Abb. 1: Bestimmung von Brechungsindex undExtinktionskoeffizient einer SiO2-Schichtauf Edelstahl (Ra = 40 nm) mittels UV-VIS-Spektroellipsometrie

Aufgabenstellung

Die Oberflächenveredlung von Halb-zeugen oder Bauteilen mittels kerami-scher Beschichtungen wie Silizium-oder Aluminiumoxid durch Gasphasen-prozesse bei Atmosphärendruck bietetkostengünstige Lösungen für eine zu-nehmende Anzahl von Anwendungen.Beispiele dafür sind kratzfeste, trans-parente Beschichtungen auf Kunst-stoff- oder Edelstahloberflächen, diebeispielsweise als Arbeitsflächen imKüchenbereich zum Einsatz gelangen,sowie Diffusionsbarriereschichten aufLebensmittel-Verpackungsfolien oderfür den Korrosionsschutz. Kommerziellverfügbare Verfahren versagen oft beispeziellen Anforderungen wie z. B. beider kontinuierlichen Beschichtung vontemperaturempfindlichen Substraten.Auch die kostengünstige Integrationherkömmlicher Beschichtungsprozessein bestehende Produktionsanlagen istoft aus Gründen des Materialflussesoder des Platzbedarfs nicht möglich.

Lösungsweg

Bei AP-PECVD-Prozessen wird dieschichtbildende Substanz, der Precur-sor, durch das Plasma aktiviert, d. h. inreaktive Spezies umgewandelt, diedurch Gasströme zum Substrat getra-gen und dort als Schichtmaterial abge-schieden werden. Für die Precursorak-tivierung wird ein durch Mikrowellen-strahlung (2,45 GHz) erzeugtes Nieder-temperatur-Volumenplasma genutzt,das auch unter Atmosphärendruckbe-dingungen homogen und stabilbrennt. Die Quelle weist in der am IWSentwickelten Laboranlage eine Arbeits-breite von 150 mm auf, eine Skalie-rung der Quelle bis zu 400 mm wurdebereits demonstriert. FluiddynamischeSimulationsrechnungen der Gasdyna-mik, der Temperatur- und Konzentra-tionsverteilungen sowie der Schicht-und Pulverbildungskinetik bildeten dieBasis für das Design der kontinuierlicharbeitenden AP-PECVD-Reaktorensowie der Optimierung der Beschich-tungsprozesse.

Der für das kontinuierliche AP-PECVD-Verfahren von flachen Substraten ent-wickelte Reaktor wird im sogenanntenRemote-Plasma-Mode betrieben. Um

68

Abb. 2: Schematische Darstellung des Mikrowellen-AP-PECVD-Reaktors; Plasmaquelle: CYRANNUS®, Iplas GmbH

Im Fraunhofer IWS werden skalierbare,kontinuierliche plasmagestützte CVD-Verfahren für den Einsatz bei Atmo-sphärendruck (AP-PECVD) bis zur in-dustriellen Prototyp-Phase entwickelt.Diese flexiblen Verfahren eignen sichzur Beschichtung temperaturempfindli-cher Materialien, wie Sonderstähle,Leichtmetalle, Gläser oder Kunststoffe.

Spezielle Zielstellung der im IWSbegonnenen Arbeiten ist die Abschei-dung µm-dicker SiO2-Schichten zumSchutz von Oberflächen durch mecha-nische Einwirkungen sowie derenKombination mit anderen Materialsys-temen zur Erweiterung des Eigen-schaftsprofils.



reinigungen (< 0,1 at.%) zeigen, dassder verwendete metallorganische Pre-cursor im Remote-Mikrowellenplasmaeffektiv fragmentiert wird und dadurchrein anorganische Schichten abge-schieden werden.

Die optische Charakterisierung derSchichten erfolgte durch UV-VIS-NIR-Spektroellipsometrie und FTIR-Reflexi-onsspektroskopie im Wellenlängenbe-reich 0,25 - 25 µm. Schichten mithoher Transparenz im VIS-Bereich undohne sichtbare Trübung können bis zuSchichtdicken von ca. 500 nm erzeugtwerden. Die Schicht besteht zu 75 Pro-zent aus einer dichten Unterschicht,deren optische Funktionen gut mitdenen von reinem Quarzglas überein-stimmen (siehe Abb. 1). Das spektro-ellipsometrisch ermittelte lateraleSchichtdickenprofil zeigt Abweichun-gen von unter 5 Prozent (Abb. 3). DieSchichthärte wurde mittels Nanoinden-ter an 450 nm dicken Schichtenbestimmt. Die ermittelten Härten lagenbei ca. 2 GPa.

Zur Strukturuntersuchung wurden dieSchichten FTIR-reflexionsspektrosko-pisch bei unterschiedlichen Einfallswin-keln unter Einsatz polarisierter Strah-lung untersucht. Da Reflexionsspektrenderartig dicker Schichten nicht direktauswertbar sind, erfolgte durch Simu-lationsrechnungen eine Transformationin die IR-optischen Funktionen (Bre-chungsindizes und Extinktionskoeffizi-ent, vgl. Abb. 4). Zur optischen Simu-lation wurde ein 3-Medienmodell(Stahlsubstrat - dichte SiO2-Schicht -raue Oberflächenschicht) verwendet.Die erhaltenen IR-optischen Funktio-nen entsprechen weitgehend denendes Quarzglases, wobei die geringereHalbwertsbreite der Si-O-Phononen-banden auf Nanokristallinität in derSchicht hinweist. Die SiO2-Schichtenenthalten außer geringen Mengen anSi-OH-Gruppen keine weiteren Struk-turgruppen.

Ergebnisse

Zur Optimierung des Atmosphären-druck-PECVD-Prozesses zur kontinuier-lichen SiO2-Abscheidung wurden fla-che Substrate aus Edelstahl (1.4301)mit zwei unterschiedlichen Ober-flächenrauheiten genutzt: kaltgewalz-tes Material mit einem Mittelrauwertvon 120 nm sowie elektropoliertesMaterial (Ra = 40 nm). Vor derBeschichtung wurden die Substratechemisch gereinigt und einer in-situ-Mikrowellenplasma-Behandlung aus-gesetzt, um die Oberflächenenergieund damit die Schichthaftung zuerhöhen. Die Siliziumdioxid-Abschei-dung erfolgte aus einer in das Ar/N2-Remoteplasma eingespeistenTEOS-O2-Gasmischung. Die dynami-sche Abscheiderate liegt derzeit bei0,3 nm m s-1 bei Substrattemperaturenunterhalb 250 °C.

Mittels REM wurde die Morphologieder abgeschiedenen Schichten unter-sucht. In Abhängigkeit von Schicht-dicke und Substratrauheit wurde dabeieine kompakte Schicht mit einem auf-liegenden relativ grobkörnigen Ober-flächenprofil gefunden (Abb. 5), dastypisch für Edelstahlbeschichtungen zusein scheint. Die mittels ERD-Analyseermittelte Elementzusammensetzungweist auf nahezu stöchiometrischesSiO2 hin (62 at.% O, 29 at.% Si, 9 at.% H). Geringe Kohlenstoff-Verun-

69

Abb. 5: REM Aufnahme einer 500 nm dickenSiO2-Schicht auf Edelstahl mit aufliegen-der körniger Deckschicht

Abb. 4: Brechungsindex und Extinktionskoeffi-zient einer SiO2-Schicht (durchgezogeneLinie) im Vergleich zu Literaturwerten(gepunktete Linie) - zusätzlich zu dentypischen Si-O-Phononenbanden desQuarzglases werden Absorptionen vonSi-OH-Gruppen beobachtet

Abb. 3: Schichtdickenprofil einer 500 nm dickenSiO2-Schicht auf Edelstahl, UV-VIS-NIR-Spektroellipsometrie, Linienscan über60 mm

3 µm

eine hohe Langzeitstabilität der Be-schichtungsanlage zu sichern und dieTemperaturbelastung des Substrateszu senken, ist die Beschichtungszoneräumlich von der Plasmaquelle ge-trennt (Abb. 2). Die Plasmaquelle wirdvon einem Gasgemisch (Ar mit N2, O2

und / oder H2) schnell durchströmt.Die im Plasmavolumen erzeugten akti-vierten Spezies verlassen die Quelledurch eine Düsenplatte, an deren Aus-gang der Precursor zugemischt wird.Das Substrat wird kontinuierlich überden Reaktorkopf bewegt und dabeigleichmäßig beschichtet.


Aufgabenstellung

Zur kontinuierlichen Beschichtunggroßflächiger Halbzeuge und Bauteilewerden im Fraunhofer IWS derzeitmehrere Atmosphärendruck Plasma-CVD-Prozesse (AP-PECVD) entwickelt.Eine besondere Herausforderung bildetdabei die strömungsdynamische Ausle-gung und Optimierung der AP-PECVD-Reaktoren. Empirische Ansätze sindzeit- und kostenintensiv und sind des-halb besonders für die Skalierung derProzesse und für den Entwurf von Pro-totypanlagen ungeeignet.

Im folgenden wird über fluiddynami-sche Simulationen als effektives Werk-zeug zum Reaktordesign am Beispiel

Fluiddynamische Simulationen - ein effektives Werkzeug zumDesign und zur Optimierung von Plasma-CVD-Reaktoren

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Gerrit Mäder Tel.: 0351 / 2583 262 [email protected]


Abb. 1: Plasmagaseinspeisung von der oberen Kammerseite, Gasfluss: 15 slm N2 + 35 slm Ar, Mikrowellenleistung 3,6 kW

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einer Mikrowellen-Plasmaquelle(Cyrannus® Iplas GmbH) für den Auf-bau von AP-PECVD-Reaktoren berich-tet. Wesentliches Kriterium für eineeffektive (Remote) Plasma-CVD-Beschichtung ist die Bereitstellungeiner möglichst hohen Konzentrationangeregter Plasmagas-Spezies außer-halb des Plasmagenerators, sowie dieMöglichkeit zu deren großflächiger,homogener Extraktion aus der Plasma-quelle. Bedingt durch die hohenRekombinationsraten aktivierter Plas-magaszustände bei Atmosphärendruckerfordert dies minimale Verweilzeitender Spezies beim Ausströmen aus derPlasmaquelle zur Substratoberfläche.Um gleichzeitig hohe Depositionsraten(Minimierung der ruhenden Gas-schicht) und größere Arbeitsabständezwischen Beschichtungskopf und Sub-strat (ca. 30 - 40 mm) realisieren zukönnen, ergibt sich die Notwendigkeit,sehr hohe Gasflüsse von 50 - 100 slmdurch die Plasmaquelle einzustellen.

Ziel der Arbeiten am IWS war es, dieThermofluid-Dynamik innerhalb derPlasmaquelle zu verstehen und anhanddieser Erkenntnisse eine Plasmagas-Einspeisung mit folgenden Eigenschaf-ten zu entwerfen: - homogene Gasaktivierung über das

gesamte Volumen der Plasmaquelle,- stabile Arbeitsweise bei hohen Gas-

flüssen sowie - effiziente Nutzung der Mikrowellen-

energie.

Eine weitere Zielstellung betraf dasErarbeiten von AP-PECVD-Prozessmo-dellen, mit denen die Konzentrationder schichtbildenden Intermediate unddaraus die Depositionsrate berechnetwerden kann. Berücksichtigung fandweiterhin die bei Atmosphärendruckals Konkurrenzprozess stark ausge-prägte Homogennukleation des Pre-cursors, die als potentielle Quelle vonPulverablagerungen bei hochwertigenBeschichtungen meist unerwünscht ist.


Abb. 2: Mikrowellen-Anlage


Lösungsweg

Den strömungsdynamisch relevantenTeil der Mikrowellen-Plasmaquelle bil-det ein Zylinder mit ca. 150 mmDurchmesser und 150 mm Höhe. Fürdiesen Zylinder wurde ein 3-D-Modellmit unterschiedlichen Plasmagasein-speisungen (durch die Bodenplattebzw. ringförmig von oben bzw. unten,Abb. 1) und Geometrien für den Aus-lass der aktivierten Spezies über eineim Deckel angeordnete Düsenplatte(shower head) erstellt. Die Mikrowel-leneinkopplung in die Plasmaquellewurde durch ein diffuses, durchström-bares Energiefeld mit den gleichengeometrischen Abmessungen wie dasMikrowellenfeld nachempfunden. MitHilfe eines kommerziellen Programm-pakets und ergänzt durch am IWS fürdie Schichtabscheidung entwickelteZusatzmodelle wurden die Tempera-tur- und Konzentrationsfelder der Plasmaspezies innerhalb der Plasma-quelle sowie in der (Remote-) Be-schichtungszone simuliert. Auf dieseWeise konnten Designvorschlägedirekt am Computer bewertet undoptimiert werden.

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Ergebnisse

Unabhängig von der Lage der Plasma-gaseinspeisung kommt es zu gravita-tionsbedingten Gaszirkulationen imoberen Bereich des Plasmavolumensmit typischen Strömungsgeschwindig-keiten von 0,5 - 1 m s-1. In mehrerenEntwicklungsschritten wurden ver-schiedene Plasmagaseinspeisungen(durch die Bodenplatte, ringförmig vonoben bzw. unten und auch Kombina-tionen davon) bzgl. ihrer Auswirkun-gen auf das Strömungsverhalten un-tersucht. Überraschenderweise erge- Abb. 3: Homogene Plasmagasextraktion über

ein Düsenfeld bei Atmosphärendruck

ben sich die günstigsten fluiddynami-schen Eigenschaften für eine Plasma-gaseinspeisung, bei der das Plasmagasin Form einer Ringeinspeisung amäußeren Kammerrand entgegen derAuslassrichtung eingeleitet wird. UnterVerwendung dieser Gaszufuhr werdendie durch die Schwerkraft auftreten-den Gaszirkulationen im Kammerinne-ren zwar verstärkt, gleichzeitig aberdie zusätzliche Ausbildung weitererundefinierter Gaszirkulationen wir-kungsvoll unterdrückt. Daraus resul-tiert eine enge Verweilzeitfunktion deraktivierten Spezies bei gleichzeitigerSteigerung des Plasmagasflusses aufWerte von 150 slm, ohne die homoge-ne und stabile Funktion der Mikrowel-len-Plasmaquelle zu beeinträchtigen(Abb. 3).

Durch diese signifikante Erhöhung desPlasmagasflusses ist es gelungen, eineausreichende Konzentration von akti-vierten Plasmagasspezies für denRemote-Plasma-CVD-Prozess zur Verfügung zu stellen und (statische)Depositionsraten von bis zu 100 nm s-1

zu erzielen. Durch diese Designände-rung wird die für Oberflächenprozessean sich ungünstige Volumen-Plasma-quelle zu einer sehr günstigen quasi-Flächenquelle. Ein weiterer Vorteil dergewählten Plasmagaseinspeisung isteine zusätzliche Wandkühlung des alsUmrandung der Plasmakammer einge-setzten Quarzglaszylinders, wodurchdie eingekoppelte Mikrowellenleistungwesentlich effizienter und verlustärmerin das Plasma eingekoppelt wird.


IRspecXL - ein neues Werkzeug zur Oberflächenanalyse und Qua-litätssicherung großer Bauteile mittels FTIR-Reflexionsspektroskopie

Ansprechpartner

Dipl.-Chem. Beate LeupoltTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Aufgabenstellung

Qualitätssichernde Maßnahmen wiedie großflächige Kontrolle von Be-schichtungen oder von Reinigungs-prozessen hinsichtlich verbleibenderchemischer Rückstände erfordern denEinsatz von empfindlichen, zerstö-rungsfrei arbeitenden Analysenmetho-den über das gesamte - z.T. sehr aus-gedehnte - Bauteil hinweg.


Lösungsweg

Die bewährten Vorzüge der Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR-)Spektro-skopie - berührungslose, zerstörungs-freie und schnelle Messung - sind mitdem am Fraunhofer IWS entwickeltenIRspecXL (Abb. 2) nunmehr auch fürgroße Bauteile verfügbar. Die verwen-dete FTIR-Reflexionsspektroskopie mitpolarisierter Strahlung bei streifendemEinfall ist eine exzellente Methode zurUntersuchung der Struktur und derZusammensetzung von Oberflächenund Bauteilbeschichtungen. So könnenz. B. Dicke und wellenlängenabhängi-ge optische Eigenschaften von Schich-ten und kompakten Festkörpernbestimmt oder Verunreinigungen hin-sichtlich Art und Menge charakterisiertwerden.

Ergebnisse

Beispielhaft werden zwei Einsatzmög-lichkeiten des IRspecXL gezeigt. Imersten Beispiel wurde das Laserrei-nigen eines ölbeladenen Bleches (40 cm x 20 cm) mit dem Nd:YAG-Laser (1064 nm) bei unterschiedlicherEnergie untersucht. Mit steigenderLaserenergie wurden erwartungs-gemäß bessere Reinigungseffekteerzielt. Dennoch verblieben selbst beiden höchsten eingesetzten Laserener-

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Abb. 2: IRspecXL - FTIR-spektroskopische Cha-rakterisierung von Oberflächen

Abb. 1: Berechnete Extinktionskoeffizienten fürverschieden hergestellte Si3N4-Schichten,ein direkter Vergleich des Wasserstoffge-haltes ist möglich, der Wasserstoff ist jenach Herstellung am Silizium oder Stick-stoff gebunden

gien noch Öl-Rückstände von ca.18 nm Dicke. Trotz ihrer relativ gerin-gen "Dicke" können diese Öl-Rück-stände nachfolgende Oberflächenpro-zesse wie Beschichten oder Klebenerheblich beeinflussen.

Im zweiten Beispiel sollte ermitteltwerden, inwieweit sich mit verschiede-nen Beschichtungsverfahren abge-schiedene Silizumnitrid-Schichten aufSi-Wafern chemisch unterscheiden(Abb. 1). Dazu wurden die gemes-senen Reflexionsspektren einer Spek-trensimulation unterzogen und darausdie optischen Funktionen und Schicht-dicken der Si3N4-Schichten ermittelt.Aus dem spektralen Verlauf des Ex-tinktionskoeffizienten konnten die N-H- und Si-H-Anteile in der Schichtermittelt werden, die empfindlich vonden Herstellungsbedingungen abhän-gig sind. Aus den Reflexionsspektrenist diese Information dagegen nichtdirekt ableitbar.

Mit den vorliegenden Beispielen konn-te eindrucksvoll das Potenzial derMethode als Werkzeug zur Prozess-entwicklung und Qualitätskontrollegezeigt werden. Mit dem IRspecXLkönnen nm- bis µm-dicke Schichten(z. B. Öle, Fette, Oxide, keramischeSchichten) auf verschiedensten Werk-stoffen auch auf großen Bauteilen(Bleche, Gläser, diverse Formteile etc.;400 mm x 400 mm, Höhe bis 50 mm)untersucht werden. Das IRspecXL isthervorragend als Analysengerät für dieWareneingangskontrolle, für die on-line Kontrolle der Oberflächenvorbe-handlung und Schichtabscheidung inder laufenden Produktion (z. B. Band-beschichtung) geeignet.


Prozessüberwachung an Entbinderöfen zur Herstellung von Keramik-Formteilen

Ansprechpartner

Dr. Wulf Grählert Tel.: 0351 / 2583 [email protected]

Abb. 2: FTIR-spektroskopische Untersuchungenan einem industriellen Sinterofen zurHerstellung von Keramik-Formteilen

Aufgabenstellung

Die Herstellung von Formteilen ausHochleistungskeramiken ist ein Pro-zess, zu dessen Beherrschung auchheute noch sehr viel Erfahrung not-wendig ist. Werkstücke durchlaufendie Schritte Formgebung, Entbindernund Sintern. Einen für die mechani-schen Eigenschaften der Sinterkeramikentscheidenden Schritt in dieser Pro-zesskette stellt das Entbindern dar. Einim Urformprozess für den temporärenZusammenhalt der Keramikpartikelnotwendiges Bindemittel muss demFormteil vor dem Sintern wieder entzo-gen werden. Die Prozeßführung beimEntbindern entscheidet über dieHomogenität und Restporosität derHochleistungskeramik. Die zum Entbin-dern am häufigsten eingesetzte ther-mische Pyrolyse ist jedoch kritischbezüglich Dauer und Geschwindigkeitder Wärmebehandlung. Je nachZusammensetzung des Binders - insbe-sondere der Schmelzpunkte seinerBestandteile - und dessen Volumenan-teil im Rohmaterial kann die Entste-hung gasförmiger Abbauprodukte zuRissen und Fehlstellen führen.

Lösungsweg

Bei der thermischen Zersetzung derBindemittel entstehen gasförmige bzw.leicht flüchtige organische Substanzen,deren Moleküle in der Regel Infrarot-strahlung spezifischer Wellenlängenselektiv absorbieren. Durch den Einsatzder Fourier-Transform-Infrarot-Spektro-skopie (FTIR-Spektroskopie) kann daherdie Zusammensetzung der Abgase desEntbinderofens präzise bestimmt wer-den.

Ergebnisse

Die an einem industriellen Entbin-derofen durchgeführten Untersuchun-gen an einer Zinkoxid-Keramik(Abb. 2) zeigen, dass sich die FTIR-Spektroskopie als Werkzeug zur Pro-zeß-Optimierung der Keramikentbin-derung hinsichtlich Produktqualitätund minimalem Zeitbedarf verwendenlässt. Es konnten eine Vielzahl thermi-scher Abbauprodukte des Bindermate-rials nachgewiesen werden (u. a. Koh-lendioxid, Kohlenmonoxid, Ethylen,Methan, Methanol, Formaldehyd,Ameisensäure) und mit der jeweiligenTemperatur korreliert werden. Derzeitliche Verlauf der Gaskonzentratio-nen ist charakteristisch für die Phasendes Entbinderprozesses und somit einfür die Prozeß- und Qualitätskontrollegeeigneter "Fingerabdruck".

Auf diesen Ergebnissen aufbauend istgeplant, die in Echtzeit vorliegendenMesswerte als Eingangs-Signal einesAdvanced-Process-Control-Frameworks(APC-Frameworks) zur qualitätsstabili-sierenden Regelung des Entbinderpro-zesses zu nutzen.

Abb. 1: Gegenüberstellung der Zeitverläufe dergemessenen Gaskonzentrationen überder Prozessdauer in Korrelation zur Temperatur


Dazu wurde an einem industriellenEntbinderofen eine beheizbare Mess-zelle installiert. Diese ermöglicht -durch spezielle Viewports - die stö-rungsfreie und nahezu rückwirkungs-freie simultane Messung der Gaskom-ponenten mit einem portablen indus-trietauglichen Prozess-Spektrometer.Damit können zeit- und temperaturab-hängig die Art und Konzentration derausgasenden Komponenten verfolgtwerden. Die zeitaufgelösten Messun-gen ermöglichen es schließlich anzuge-ben, bei welchen Ofentemperaturenwelche Binderbestandteile entweichen(Abb. 1).

Redaktion: In Ihrer Abteilung konntenSie 2004 auf 15 Jahre Entwicklung vonKohlenstoffschichten auf der Basis vonPulsbogenverfahren zurückblicken. Istdas nicht eine recht lange Zeit auf demWege zur industriellen Umsetzung?

Prof. Schultrich: In der Tat. DieserWeg reicht sogar noch länger in dieVergangenheit zurück. Wir startetensogar einige Jahre zuvor mit der Koh-lenstoffabscheidung durch Puls-Laser-Deposition (PLD). Es zeigte sich aber,dass die PLD wegen der begrenztenmittleren Leistung der Pulslaser nichtauf die erforderlichen Abscheideratenskalierbar ist. Gleichzeitig erkanntenwir aber die enge Verwandtschaft derLaser- und der Bogenplasmen. Es lagdeshalb nahe, die mit der Lasertechnikgewonnenen Erfahrungen mit densehr vielversprechenden Kohlenstoff-schichten auf die wesentlich effekti-vere Vakuumbogentechnologie zuübertragen.

Redaktion: Worauf begründete sichzu diesem frühen Zeitpunkt Ihre Zuver-sicht auf die Realisierung eines heraus-ragenden Schichtsystems?

Prof. Schultrich: In erster Linie auf diebereits damals von uns, aber auch vonanderen Gruppen nachgewiesenenextremen Härtewerte, die in ihren Spit-zenwerten nur vom Diamant übertrof-fen werden. In der Zwischenzeit habenwir gesehen, dass diese tetrahedralgebundenen amorphen Kohlenstoff-schichten (ta-C) eine ganze Reihe wei-terer attraktiver Eigenschaften aufwei-sen.

Redaktion: Um welche Eigenschaftenhandelt es sich dabei?

Prof. Schultrich: Selbst wenn mansich schon so lange mit den Besonder-heiten der Kohlenstoffsysteme ausein-andersetzt ist die Vielgestaltigkeitexzellenter Eigenschaftskombinationenimmer wieder überraschend. Für tribo-logische Anwendungen ist die geringeAdhäsionsneigung zu Metallen vonBedeutung, die ihren Einsatz bei der

Trockenbearbeitung, bei kritischenUmformprozessen oder als schmiermit-telfreie Gleitkomponenten in der Tex-til- oder Lebensmittelindustrie favori-sieren. Japanische Untersuchungenzeigten in jüngster Zeit, dass ta-C-Schichten selbst im geschmierten Reib-kontakt zu weiteren wesentlichenReduzierungen der Reibkräfte führenund insbesondere den Einsatz umwelt-freundlicher, da additivarmer Schmier-mittel ermöglichen. Vom Paul-Scher-rer-Institut in der Schweiz wurde fest-gestellt, dass die IWS-Schichten her-vorragende Neutronenreflektoren dar-stellen und geeignet sind, das bisher inSpeichergefäßen für ultrakalte Neutro-nen verwendete Beryllium zu ersetzen.Die Liste ließe sich fortsetzen. Es seinur darauf hingewiesen, dass sich wei-tere Variationsräume durch die (Nano-)Strukturierung und die Dotierung derKohlenstoffschichten ergeben, wie siein Beiträgen des Jahresberichtes vorge-stellt werden.

Redaktion: Wenn diese ta-C-Schich-ten so hervorragende Eigenschaftenhaben, warum sind sie dann nichtlängst in breitem Umfang auf demMarkt?

Prof. Schultrich: Zum einen wurdevon den potenziellen Anwendernzunächst einmal das tribologischePotenzial der über Plasma-CVD-Verfah-ren hergestellten wasserstoffhaltigena-C:H und a-C:H:W-Schichten, die seitden neunziger Jahren zunehmendeVerwendung fanden, ausgeschöpftund zum anderen gibt es für die ta-C-Schichten ein grundlegendes Problem:Die für die ta-C-Abscheidung unab-dingbare Kombination von hoher Teil-chenenergie und niedriger Abscheide-temperatur begünstigt die Schichtablö-sung, so dass die Schichtdickengewöhnlich auf Dicken unterhalb von1 µm beschränkt sind. Durch ein opti-miertes Schichtdesign hat das IWS die-se Hürde überwunden. Die unter demMarkennamen Diamor® angebotenenKohlenstoff-Schichten werden inSchichtdicken bis über 10 µm herge-stellt.

Man kann dem Leben nicht mehr Tage geben,aber dem Tage mehr Leben.

amerikanische Managerregel

FuE-Angebot: PVD-Dünnschichttechnologie



Prof. Bernd SchultrichAbteilungsleiter (Tel. 2583 403,[email protected])



1. PVD-Beschichtung von tempera-turbeständigen Filtermedien zureffektiveren Reinigung von Prozessgasen 78

2. Nanostrukturierte Kohlenstoff-Schichten als ultradichte Spei-chermedien 79

3. Tribologisches Verhalten super-harter amorpher Kohlenstoff-schichten 80

4. Amorphe Kohlenstoffschichtenfür superhydrophobe Ober-flächen 82

6. Laserakustische Prüfung unter-stützt Optimierung der Beschich-tungstechnologie 84

7. Beschichtung dreidimensionaler Bauteile mit dem Programmsys-tem SimCoat - Simulation der industriellen Vakuumbogen-beschichtung 86



Dr. Otmar Zimmer Gruppenleiter PVD-Schichten (Tel. 2583 257,[email protected])

Metallverdampfung mittels Elektronenstrahltech-nologie

Beschichtung mittels aktivierterHochrateverfahren

Verfahren der Physikalischen Dampf-phasenabscheidung (PVD = PhysicalVapor Deposition) erlauben dieAbscheidung hochwertiger tribologi-scher und funktioneller Schichten imDickenbereich von wenigen Nanome-tern bis zu einigen zehn Mikrometern.Dazu stehen im IWS Verfahren von derHochrate-Bedampfung bis hin zuhochaktivierten Plasmaverfahren sowiederen Kombination zur Verfügung.Einen besonderen Schwerpunkt bildetdie umfassende Nutzung von Bogen-entladungen als der effektivsten Quelleenergiereicher Dampfstrahlen. Auf derGrundlage dieser Technologien bietenwir an: - Musterbeschichtungen,- Schichtcharakterisierung,- Entwicklung von Schichtsystemen,- kundenspezifische Anpassung von

Beschichtungsverfahren,- Wirtschaftlichkeits- und Machbar-

keitsstudien,- Entwicklung und Fertigung ange-

passter Anlagenkomponenten.

Anlage zur Abscheidung von superharten dia-mantähnlichen Kohlenstoffschichten (Diamor®)nach dem Laser-Arc-Verfahren

Prof. Bernd SchultrichGruppenleiter Kohlenstoffschichten (Tel. 2583 403,[email protected])

Beschichtung mit superhartemamorphem Kohlenstoff

Amorphe Kohlenstoffschichten mittetraedrischen Diamantbindungen (ta-C) vereinen sehr hohe Härte, niedri-ge Reibung und chemische Inertheit.Sie sind deshalb in hervorragendemMaße als Schutzschichten einsetzbar. Die vom IWS entwickelten ta-C-Schichtsysteme (Diamor®) können mitsehr guter Haftung im Schichtdicken-bereich von wenigen Nanometern biszu einigen zehn Mikrometern abge-schieden werden. Die Abscheidungerfolgt bei niedrigen Temperaturen imVakuum mit speziell entwickelten Puls-Bogen-Verfahren. Für die industrielleEinführung der Diamor®-Schichten lie-fert das IWS zusammen mit Partner-Unternehmen neben der Technologieauch die erforderlichen Beschichtungs-quellen und Beschichtungsanlagen.Das Angebot wird ergänzt durch dielaserakustische Prüftechnik Lawave®

zur Qualitätssicherung und Schichtop-timierung.


PVD-Beschichtung von temperaturbeständigen Filtermedien zureffektiveren Reinigung von Prozessgasen

Ansprechpartner

Dr. Otmar ZimmerTel.: 0351 / 2583 257 [email protected]


Abb. 2: REM-Aufnahme von Einzelfasern einesmetallisierten Vliesstoffes

Aufgabenstellung

Die Abscheidung von Stäuben aus Pro-zessgasen wird gegenwärtig vorrangigdurch abreinigbare filternde Abschei-der realisiert. Für Einsatzbereiche bis150 °C sind zahlreiche Materialien ver-fügbar. Für den Temperaturbereich> 150 °C werden für gefaltete Filter-elemente überwiegend feinporigeMetallgewebe eingesetzt, die jedochrelativ teuer sind. Die Einsatzbereichebis 300 °C können aber auch durchVliesstoffe aus hochtemperaturbestän-digen Stapelfasern abgedeckt werden.Durch geeignete Nachbehandlungs-prozesse lassen sich die Standzeit, derFilterkuchenaufbau, das Abreinigungs-verhalten und das Filtrationsergebnisentscheidend verbessern. Eine Mög-lichkeit dazu ist die Beschichtung derVliesstoffe mit Metallen oder anderenleitfähigen Materialien.

eine ausreichende Haftfestigkeit derBeschichtung auf dem Vliesstoffgewährleitstet werden muss. Dieskonnte durch moderate Abscheidera-ten und einen speziell angepasstenPlasma-Vorbehandlungsprozesserreicht werden.

Lösungsweg

Im Rahmen eines von der Arbeitsge-meinschaft industrieller Forschungsver-einigungen (AiF) geförderten Verbund-projektes wurden derartige beschichte-te Filtermedien entwickelt. Dabei wur-den vom Sächsischen Textilforschungs-institut Chemnitz (STFI) unterschiedli-che Vliesstoffe hergestellt und an-schließend mit dem Vakuumbogenver-fahren metallisiert. Dieses Verfahrenwird industriell zur Abscheidung vonVerschleißschutzschichten auf Werk-zeugen, zur Metallisierung oder auchfür dekorative Beschichtungengenutzt. Die spezielle Herausforderungbestand darin, dass einerseits die Filter-medien in ihrer Temperaturbelastbar-keit eingeschränkt sind, andererseits

Ergebnisse

Abb. 1 zeigt eine rasterelektronenmi-kroskopische Aufnahme eines mitMetall beschichteten Vliesstoffes.Deutlich ist zu erkennen, dass im ober-flächennahen Bereich eine intensivereBeschichtung als in den unterenSchichten des Stoffes stattfand. Abb. 2zeigt beschichtete Einzelfasern imVliesstoffverbund.

Mit dem verwendeten Verfahrenkonnte auf verschiedenen Vliesstoffeneine ausgezeichnete Schichthaftunghergestellt werden. Auch eine Weiter-verarbeitung der Textilien nach derBeschichtung ist möglich, ohne dieSchichten zu beschädigen.

Durch die Beschichtung wird das Filter-medium an der Oberfläche elektrischleitfähig, wodurch elektrostatischeAufladungen vermieden werden kön-nen. Ein weiterer angestrebter Effektist die Verbesserung des Abreinigungs-verhaltens des Filters. Die Untersu-chungen dazu sind gegenwärtig inArbeit. Es wird erwartet, dass sich mitderartigen Filtermedien die Kosten fürFilterpatronen für Industriefilteranlagendrastisch reduzieren lassen.

78

Abb. 1: REM-Aufnahme eines metallisiertenVliesstoffes

300 µm

10 µm



Abb. 2: Mittels der STM-Technik (s. Abb. 1) umeinen Faktor 105 auf Nanoabmessungenverkleinertes Bild, eingeschrieben in eineta-C-Schicht

79

Abb. 1: Mittels STM in eine diamantartige Koh-lenstoffschicht (ta-C) eingeschriebenegraphitische Struktur, mittels STM sicht-bar gemacht über die lokalen Erhöhun-gen der weniger dichten graphitischenBereiche

Nanostrukturierte Kohlenstoff-Schichten als ultradichte Speicher-medien

Aufgabenstellung

Ein Grundproblem der Informations-verarbeitung besteht in der zuverlässi-gen Langzeitspeicherung der anfallen-den gewaltigen Datenmengen. Dieserfordert irreversible Strukturänderun-gen in Bereichen unterhalb von100 nm zur Sicherung der Langzeitsta-bilität und zur Realisierung von Spei-cherdichten im Bereich > 1 Tbit/in2. (Zum Vergleich: Die magnetischenFestplattensysteme streben für dienächsten Jahre Speicherdichten von0,1 Tbit/in2 an.)

Gesellschaft für SchwerionenforschungDarmstadt konnte gezeigt werden,dass auch Nanostrukturierungen vonta-C-Schichten möglich sind. BeimBeschuss dieser Schichten mit schwe-ren Hochenergie-Ionen mit Energienum 1 GeV entstehen graphitischeKanäle mit Abmessungen unterhalbvon 10 nm. Sie besitzen eine um meh-rere Größenordnungen gesteigerteLeitfähigkeit und markieren sichwegen des größeren von ihnen einge-nommenen Volumens als kleine Nano-meter-Hügel. In Zusammenarbeit mitdem Leibniz-Institut für Festkörper-und Werkstoffforschung Dresden (IFW)wurden nun ähnliche lokale Strukturendurch Elektronen-Injektion von STM-Spitzen in genau positionierbarer Wei-se hergestellt (STM = Scanning TunnelMicroscope, Rastertunnelmikroskop).

Lösungsweg

Irreversible Strukturänderungen kön-nen aus metastabilen Zuständenerzeugt werden, die durch lokale Akti-vierung in eine energetisch günstigereStruktur überführt werden. AmorpheKohlenstoffschichten mit dominieren-den sp3-Bindungen (tetrahedral gebun-dener amorpher Kohlenstoff, ta-C)stellen ein derartiges metastabilesSystem dar. Zur Abscheidung hoch-wertiger ta-C-Schichten wurden imFraunhofer IWS verschiedene Verfah-ren auf der Basis gepulster Hochstrom-bogenentladungen entwickelt. Dielokalen Bindungsverhältnisse entspre-chen der Diamantstruktur, der kristalli-nen Hochdruckmodifikation des Koh-lenstoffs. Durch intensive Anregungkönnen sie in die stabileren graphiti-schen sp2-Bindungen umgewandeltwerden. Auf diese Weise können loka-le graphitische Strukturen erzeugt wer-den, die sich von ihrer diamantähnli-chen Umgebung durch ihre wesentlichhöhere elektrische Leitfähigkeit, ihregeringere Dichte und ihre höhere che-mische Reaktivität unterscheiden. InMikrobereichen können derartigeStrukturierungen durch Laser- oderElektronenstrahlen vorgenommen wer-den. In Zusammenarbeit mit demHahn-Meitner-Institut Berlin und der

Ergebnisse

Abb. 1 zeigt eine derartige mittelsSTM erzeugte graphitische Struktur,die durch den Topographiekontrast imSTM sichtbar gemacht wurde. Sie istdurch Überlagerung vieler Nanoberei-che entstanden, die jeweils Abmessun-gen von etwa 10 nm besitzen. Dasdurch die hohe Speicherdichte mögli-che Potenzial zur hochkomprimiertenAnalogspeicherung wird mit Abb. 2demonstriert. Zehn Milliarden derarti-ger Bilder fänden auf einer Fläche vonder Größe einer Postkarte Platz. Aktuelle Arbeiten sind auf eine Ver-stärkung der Kontraste, auf eineErhöhung der Schreib- und Lesege-schwindigkeit sowie auf die Nutzungfür weitere Einsatzbereiche gerichtet.Weitere Möglichkeiten ergeben sichdurch die Nutzung elektroneninduzier-ter Ätzprozesse sowie durch die geziel-te Einstellung der elektrischen Leit-fähigkeit des Nanokanals.

Ansprechpartner

Fraunhofer IWS:Prof. Bernd SchultrichTel.: 0351 / 2583 403 [email protected]

IFW Dresden:Dr. Thomas MühlTel.: 0351 / 4659 [email protected]


Aufgabenstellung

Amorphe wasserstofffreie Kohlenstoff-schichten mit überwiegend tetraedri-scher, d.h. diamantartiger Konfigura-tion (ta-C-Schichten) haben durch dieKombination von extremer Härte undgeringer Adhäsionsneigung ein höheresAnwendungspotenzial als tribologischeSchutzschichten. Die im Fraunhofer IWSauf der Basis von Pulsbogentechnolo-gien entwickelten superharten amor-phen Kohlenstoffschichten (Diamor®)mit Härten oberhalb von 40 GPa (ent-sprechend Vickershärten > HV 4000)werden bei niedrigen Temperaturen(unter 100 °C) abgeschieden. Sie sinddamit auch für die Beschichtung tem-peraturempfindlicher Materialien ge-eignet und sind bis zu Temperaturenum 400 °C einsetzbar. Durch einengeeigneten Grenzflächen- undSchichtaufbau besitzen die Diamor®-Schichten auch bei größeren Schicht-stärken von einigen Mikrometern einesehr gute Haftfestigkeit.

Der gegenüber den konventionellennitridischen oder karbidischen Hart-stoffen erreichbare Fortschritt wirdbeim Vergleich des Reibungsverhaltensbeider Schichtsysteme deutlich. DieKohlenstoffschichten besitzen einenwesentlich niedrigeren Reibungskoeffi-zienten von 0,10 - 0,15 gegen Stahlgegenüber Hartstoffschichten, dieeinen Reibungskoeffizienten von 0,5 -0,7 aufweisen. Wenn die Hartstoff-schichten bereits wesentlichen (durchden Anstieg des Reibungskoeffizientenausgewiesenen) Verschleiß zeigen,nähert sich das Kohlenstoffsystemnach dem Einlaufverschleiß erst seinemniedrigen stationären Reibungskoeffi-zienten. Das Einlaufverhalten ist aller-dings mit einem merklichen Verschleißdes Gegenkörpers verbunden. Darausergeben sich die folgenden Fragestel-lungen:

Tribologisches Verhalten superharter amorpher Kohlenstoff-schichten

Ansprechpartner

Fraunhofer IWS:Prof. Bernd Schultrich Tel.: 0351 / 2583 403 [email protected]

BAM BerlinDr. Dieter KlaffkeTel.: 030 / 8104 [email protected]


Lösungsweg

Das Reibungs- und Verschleißverhaltenist grundsätzlich eine Systemeigen-schaft, die in komplexer Weise vonmehreren ineinandergreifenden Pro-zessen bestimmt wird. Von besondererBedeutung sind dabei oszillierendeBelastungen, die in realen Baugruppensowohl durch den Bewegungsablauf(z.B. in Lagern) als auch durch dasRauheitsprofil bedingt sind.

Als repräsentative Verschleißbeanspru-chung wurde deshalb der von derBundesanstalt für Materialforschungund -prüfung Berlin (BAM) entwickelteSchwingverschleiß gewählt. Dabei wirdeine Kugel mit einem Durchmesser von10 mm bei einer Belastung von 5 N inoszillierender Gleitbewegung (Amplitu-de 1 mm, Frequenz 5 Hz) über diebeschichtete ebene Probe geführt. DieUntersuchungen unter Standardbedin-gungen [100Cr6 - Stahlkugel, trocken,Raumluft (ca. 22 °C, 50 Prozent Luft-feuchtigkeit)] wurden im FraunhoferIWS vorgenommen, der Einflussabweichender Bedingungen (Luft-feuchtigkeit, Gegenkörper, Schmier-mittel, Temperatur) wird in der BAMuntersucht. Zur Bestimmung des Rei-bungskoeffizienten wird die Tangen-tialkraft kontinuierlich in Abhängigkeitvom Verschleißweg aufgezeichnet. DerSchicht- und der Gegenkörperver-schleiß werden durch profilometrischeVermessung der Verschleißfurche bzw.der abgeschliffenen Kugelkalottebestimmt.

80

Abb. 1: Einfluß der Rauheit einer Diamor®-Schicht auf den trockenen Schwing-verschleiß gegen Stahl (100Cr6)

- Wie lassen sich der Einlaufprozessverkürzen und der Gegenkörperver-schleiß reduzieren?

- Welchen Einfluss hat die Schicht-rauheit?

- Wie beeinflussen das Umgebungs-medium und das Material des Ge-genkörpers das Reibungsverhalten?



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Ergebnisse

Als entscheidender Einflussfaktor wur-de die Schichtrauheit identifiziert. Diemit dem Pulsvakuumbogen hergestell-ten Schichten weisen gewöhnlich einemit der Schichtdicke d anwachsendeRauheit auf (näherungsweise giltRa ≈ 0,1 d). Abb. 1 zeigt, dass derSchichtverschleiß und der Gegenkör-perverschleiß mit geringerer Rauheit(infolge geringerer Schichtdicke) absin-ken. Wird durch nachträgliches Polie-ren die durch das Schichtwachstumbedingte Rauheit von Ra ≥ 0,2 µm aufRa ≈ 0,02 µm vermindert, so sinkenSchicht- und Gegenkörperverschleißum einen Faktor 100: von 6 · 10-8 mm3 / Nm auf 6 · 10-10 mm3 / Nm(Schichtverschleiß) bzw. von 9 · 10-7 mm3 / Nm auf 4 · 10-9 mm3 / Nm(Gegenkörperverschleiß). Gleichzeitigsinkt der an sich schon niedrige Rei-bungskoeffizient von 0,15 - 0,18 auf0,06 - 0,10, ein Einlaufvorgang wirdnicht beobachtet.

Bei der Verwendung von keramischenGegenkörpern (Al2O3, Si3N4) ist dieserRauheitseinfluss gar nicht oder we-sentlich schwächer als bei den Stahlku-geln ausgeprägt (Abb. 2). Die Rei-bungs- und Verschleißwerte mit dengewachsenen Schichten (Ra ≥ 0,2 µm)liegen deutlich unter denen für Stahlals Gegenkörper. Für die nachpoliertenSchichten (Ra ≈ 0,02 µm) zeigt dage-gen der Reibungskoeffizient mit Wer-ten von 0,06 - 0,10 keinen Einfluss desGegenkörpers (Stahl oder Keramik).Der Schichtverschleiß mit den Keramik-kugeln sinkt durch die Schichtpolitur(im Unterschied zum Stahl) nur wenigab, so dass er jetzt deutlich höher alsfür die Stahlkugeln ist.

Abb. 3: Einfluss der Feuchtigkeit auf den Rei-bungskoeffizienten einer unbehandeltenbzw. einer nachpolierten Diamor®-Schicht gegen Stahl

Von entscheidender Bedeutung für dasTribosystem ist das Umgebungsme-dium. Bei wasserstofffreien Kohlen-stoffschichten müssen freie Bindungenan der Oberfläche durch Wasserstoffoder OH-Gruppen abgesättigt werden.Dazu genügt schon die übliche Luft-feuchtigkeit. Bei fast völliger Trocken-heit verschlechtert sich das Reibungs-verhalten deutlich (Abb. 3), währendeine erhöhte Feuchte sich günstig aufReibung und Verschleiß auswirken. ImGrenzfall des Ultrahochvakuums (UHV)steigt der Reibungskoeffizient bis aufWerte nahe 1. Für Anwendungen imUHV, wie sie z. B. für die Raumfahrtund bestimmte Mikroelektronik-Anla-gen von Interesse sind, eröffnen koh-lenstoffbasierte Nanokomposite anstel-le der reinen Kohlenstoffschichteneinen vielversprechenden Lösungsweg.Mit entsprechenden Entwicklungenwurde im IWS begonnen.

Erste Ergebnisse zeigen, dass die fürdie Trockenreibung ungünstigen Ober-flächen-Bindungen der ta-C-Schichtengezielt für die Wechselwirkung mitSchmiermitteln genutzt werden kön-nen. Insbesondere eröffnen diese was-serstofffreien Kohlenstoff-Schichtendie Möglichkeit zu einer starken Redu-zierung der umweltproblematischenSchmiermitteladditive. Die Er-schließung dieses Potenzials wirdgegenwärtig im Fraunhofer IWS inten-siv bearbeitet.

Abb. 2: Einfluss des Gegenkörper-Materials aufden Verschleiß einer unbehandeltenbzw. nachpolierten Diamor®-Schicht bei50 % Luftfeuchtigkeit



Amorphe Kohlenstoffschichten für superhydrophobe Oberflächen

Lösungsweg

Harte amorphe Kohlenstoffschichtenwerden wegen ihrer hohen Härte unddes geringen Reibungskoeffizientenvorzugsweise als Verschleißschutz-schichten eingesetzt. Im FraunhoferIWS werden superharte, wasserstoff-freie amorphe Kohlenstoffschichten(ta-C-Schichten, Diamor®) mit ge-pulsten Bogenverfahren abgeschieden.Durch Dotierung mit zusätzlichen Elementen lassen sich nicht nur diemechanischen Eigenschaften sondernauch die Oberflächenenergie derSchichten verändern. Teflon-ähnlicheEigenschaften können durch Zusatzvon Fluor und anderen Elementenerreicht werden. Der Beschichtungs-prozess beruht auf der Erzeugungeines hoch aktivierten Kohlenstoffplas-mas aus einer reinen oder dotiertenGraphitkathode, welches unter Vaku-um- oder Reaktivgasbedingungengebildet wird.

Um superhydrophobe Eigenschafteneiner Oberfläche zu erhalten, ist dieKombination einer geringen Ober-flächenenergie mit einer definiertenOberflächentopographie notwendig.Durch verschiedene Strukturierungs-methoden in Verbindung mit dotiertenamorphen Kohlenstoffschichten kön-nen superhydrophobe Eigenschaftenerzeugt werden.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Harald SchulzTel.: 0351 / 2583 179 [email protected]

Abb. 1: Abhängigkeit des Wasser-Kontaktwin-kels und des E-Moduls modifizierter Dia-mor®-Schichten in Abhängigkeit vomAluminiumgehalt der Schichten

Aufgabenstellung

Das komplexe Anforderungsprofil vonWerkstoffen wird in der heutigen Zeitzunehmend über die Wechselwirkun-gen der Oberfläche mit der Umweltdefiniert. So können unter anderemdie Korrosionsbeständigkeit oder dieReibungs- und Verschleißfestigkeitaber auch die optischen und elektri-schen Eigenschaften über die Ober-fläche eingestellt werden.

Bei vielen technischen Anwendungensind Oberflächen erwünscht, welchedie Bildung von Wasserfilmen odereine Tropfenbelegung vermindernbzw. vollständig verhindern. So ist esbei Wärmetauschern oder in der Sensortechnik erforderlich, dass daskondensierte Wasser schnellstmöglichabtransportiert wird.

Leicht zu reinigende Oberflächen spie-len in der Industrie und im täglichenLeben eine wichtige Rolle. Dabei sollenSchmutzpartikel (z.B. Staub oder Ruß)vom abrollenden Wassertropfen aufge-nommen und restlos von der Ober-fläche entfernt werden.

Abb. 2: Wassertropfen auf einer Oberfläche, diemittels Laser strukturiert und anschlie-ßend mit einer fluordotierten Diamor®-Schicht beschichtet wurde



Der E-Modul dieser modifiziertenSchichten sinkt mit zunehmendemAluminiumgehalt. Für die höchstenKontaktwinkel konnte aber immernoch ein E-Modul oberhalb von150 GPa gemessen werden. Das ent-spricht einer Härte von 15 GPa bzw.1500 HV, also der Härte üblicher Hart-metalle.

Die hier vorgestellten Benetzungsun-tersuchungen wurden an hoch polier-ten Oberflächen durchgeführt. DurchKombination einer hydrophoben Ober-fläche mit einer definierten Ober-flächentopographie kann eine super-hydrophobe Oberfläche erzeugt wer-den, d. h. ein aufgesetzter Wasser-tropfen rollt ohne zusätzliche Kraft-einwirkung schon bei geringsten Oberflächenneigungen ab. Abb. 2zeigt einen Wassertropfen auf einersolchen modifizierten Oberfläche. DieAbb. 3 und 4 zeigen REM-Aufnahmenvon Oberflächen, die mittels Laserbzw. mittels Galvanik strukturiert unddanach mit fluordotiertem Diamor®

beschichtet wurden.

Die Oberflächen bewirken durch ihreStrukturgröße und ihre Regelmäßig-keit, dass der Wassertropfen eine mini-male Auflagefläche besitzt. Die sehrniederenergetische fluordotierte Dia-mor®-Schicht verhindert zusätzlich eineKapillarwirkung der Struktur.

Ein großes Anwendungspotenzial die-ser Verbindung von strukturierterOberflächentopografie und hydro-phober Schicht liegt in der Sensortech-nik. Die quantitative Detektion vonGasen setzt einen gleichmäßigen Luft-strom voraus. Dieser wird durch Kon-densation von Wasser an der Ober-fläche gestört und verfälscht damit dasMessergebnis. Deswegen ist es not-wendig, anhaftende Wassertropfen zuvermeiden.

Ergebnisse

Bei der Kohlenstoffabscheidung unterReaktivgas-Atmosphäre werden nebendem E-Modul auch die Oberflächen-energie und somit das Benetzungsver-halten beeinflusst. Durch den zuneh-menden Einbau von Fluor in dieSchicht wird die Bildung der sp3-Bin-dungen gestört und der E-Modul sinkt.Die Schichten zeigen ein polymerarti-ges Verhalten. Es ist aber auch zuerkennen, dass durch zunehmendenFluoranteil in den Schichten sowohlder polare Anteil wie auch der disperseAnteil der Oberflächenenergie gesenktund damit der Kontaktwinkel vonWasser deutlich erhöht wird. Hoch flu-ordotierte Diamor®-Schichten errei-chen dabei eine Oberflächenspannung,die deutlich geringer als die von PTFE(Teflon) ist.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflus-sung des Benetzungsverhaltens ist dieDotierung mit Metallen. Dies kannüber eine Targetdotierung oder übereine Koabscheidung von Kohlenstoffund dem Metall geschehen. In Abb. 1ist ein Beispiel der Dotierung einer Diamor®-Schicht mit Aluminium ge-geben.

Mit der Aluminiumdotierung lassensich Kontaktwinkel von nahezu 100°einstellen. Die Alterung der Schichtenspielt bei der Beurteilung der Benet-zung allerdings eine bedeutende Rolle,da das Aluminium an der Oberflächeoxidiert. Mit zunehmender Zeit (alsofortschreitender Oxidation) steigt derKontaktwinkel bis zu einer Sättigung,die in Abb. 1 dargestellt ist.

Abb. 4: REM-Aufnahme einer mittels Nd:YAG-Laser strukturierten Oberfläche (Strukturierung: Fraunhofer IWS Dres-den)

Abb. 3: REM-Aufnahme einer mittels galvani-scher Abscheidung strukturierten Ober-fläche (Strukturierung: Fa. Gould Elec-tronics)


Laserakustische Prüfung unterstützt Optimierung der Beschichtungstechnologie

Ansprechpartner

Dr. Dieter SchneiderTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Aufgabenstellung

Die Beschichtung mit superhartemamorphem diamantähnlichem Kohlen-stoff verspricht deutliche Fortschritte inder Verbesserung des Verschleiß-schutzes.

Mit einem Elastizitätsmodul und einerHärte von 40 bis 75 % des Diamantübertreffen die Schichten die Leis-tungsparameter herkömmlicher Hart-stoffschichten deutlich. Zu weiterenVorteilen zählen ein geringer Reibkoef-fizient, geringe Sprödigkeit, gute che-mische Beständigkeit und biologischeVerträglichkeit.

Wichtige Eigenschaften können durchgezielte Einstellung der Abscheidungs-bedingungen in einem weiten Bereichvariiert werden, wodurch die Schicht-qualität an die Erfordernisse derAnwendung angepasst werden kann. Deshalb finden diese Schichten bereitsumfangreiche Anwendung als Schutz-schichten für Computerfestplatten,Werkzeuge, optische Fenster, Motor-und Getriebeteile oder als Funktions-schichten für mikromechanische Bau-elemente (MEMS).

Ihre Eigenschaften werden im wesent-lichen durch den Anteil an sp3-Bindun-gen des Diamant im Gefüge bestimmt,deren Ausbildung sehr stark von derBeschichtungstechnologie abhängt.Deshalb ist für die unterschiedlichenAnwendungsfälle eine sorgfältige tech-nologische Entwicklung und Prozess-kontrolle erforderlich. Dafür werdenSchichtmesstechniken benötigt, dierasch und zuverlässig Aussagen überdie Schichteigenschaften liefern.


Lösungsweg

Die laserakustische PrüfmethodeLAwave® hat sich als vorteilhaftes Ver-fahren für die Charakterisierung vonSchichten in einem weiten Eigen-schaftsspektrum bewährt. Mit derMethode kann der Elastizitätsmodulsehr unterschiedlicher Schichtenbestimmt werden, die von Polymerenbis zu Diamant reichen. Auf gut schall-leitendem Substrat können Schichtenvon wenigen Nanometern Schichtdickegeprüft werden.

Der Elastizitätsmodul korreliert füramorphe wasserstofffreie Kohlenstoff-schichten (a-C-Schichten) mit dem sp3-Gehalt. Letzterer wurde mit Elektro-nen-Energieverlust-Spektroskopie(EELS) ermittelt. Damit ist die Messungdes Elastizitätsmoduls eine sehr geeig-nete Prüfmethode für die Qualifizie-rung der Schichteigenschaften. DerElastizitätsmodul ist über diese Bin-dungsverhältnisse mit anderen wichti-gen Schichteigenschaften, wie Härteoder optische Transparenz, verknüpft.

Mit dem LAwave®-Messgerät (Abb. 1)kann der Elastizitätsmodul in wenigenMinuten zuverlässig und reproduzier-bar gemessen werden. Es bestehenkeine besonderen Anforderungen andie Oberflächenqualität oder die Pro-benform. Die Methode beruht auf derMessung der Ausbreitungsgeschwin-digkeit von akustischen Oberflächen-wellen, die durch kurze Laserimpulseangeregt werden.

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Abb. 1: LAwave®-Messgerät

Abb. 3: Die laserakustische Messung offenbartden günstigsten Winkelbereich für denIoneneinfall


Ergebnisse

Am Beispiel von a-C-Schichten, die mitdem Verfahren des lasergestütztengepulsten Hochstrombogens abge-schieden wurden, konnte demonstriertwerden, wie mit Hilfe des LAwave®-Messverfahrens Aufschlüsse über wich-tige Prozesseinflüsse bei der Beschich-tung erlangt werden können.

Abb. 2 zeigt, wie sich der Elastizitäts-modul der Schicht mit zunehmendemEinfallswinkel der Ionen auf die Sub-stratoberfläche verringert. Dabei wur-de zusätzlich die Form der Elektroden-anordnung variiert. Die Ergebnisseerlauben Rückschlüsse darauf, in wel-chem Winkelbereich mit einer gleich-mäßigen Schichtqualität zu rechnenist. Das war eine wichtige Vorausset-zung für die optimale Konstruktion derBauteilbewegungseinrichtung.

Wie nachhaltig Fremdstoffe in derBeschichtungsatmosphäre die Schicht-eigenschaften beeinträchtigen können,ist in Abb. 3 zu sehen. Restgase, wieArgon, Stickstoff und Fluor, führen zueiner drastischen Erniedrigung des E-Moduls und damit auch der Härtedes Schichtwerkstoffes. Der Einbaudieser Elemente in das Kohlenstoffgit-ter wirkt der Ausbildung der tetraedri-schen sp3-Bindungen des Diamant inbeträchtlichem Maße entgegen, sodass die mechanischen Eigenschaftendieser im Idealzustand superhartenamorphen Kohlenstoffschichten aufdiejenigen von Graphit abfallen kön-nen.

Abb. 2: Nachteiliger Einfluss von Restgas auf dieEigenschaften von amorphen Kohlen-stoffschichten

Abb. 4: Einfluss der Ionenenergie auf diemechanischen Eigenschaften der amorphen Kohlenstoffschichten


Welchen Einfluss Energie und Mengeder Kohlenstoffionen im Plasma aufdie Schichteigenschaften ausüben, ver-deutlichen die Ergebnisse in Abb. 4.Mit der Erhöhung des Pulsstromeskann der Elastizitätsmodul der Schich-ten bis auf E = 750 GPa angehobenwerden. Zum Vergleich: Diamant hateinen Wert von E = 1142 GPa und istdamit das steifste und härteste allerMaterialien.

Die Ergebnisse der laserakustischenMessungen belegen, dass mit der Puls-Bogentechnologie Kohlenstoffschich-ten mit außergewöhnlich guten Eigen-schaften abgeschieden werden kön-nen. Das mit der Laserakustik gewon-nene Datenmaterial bildet dafür dienotwendige Optimierungsbasis. Ohnedie Möglichkeit einer solchen Prüfunghätte sich die Technologieentwicklungfür diese Schichten wesentlich aufwän-diger gestaltet.

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Beschichtung dreidimensionaler Bauteile mit dem ProgrammsystemSimCoat - Simulation der industriellen Vakuumbogenbeschichtung

Aufgabenstellung

Die Vakuumbogenbeschichtung hatsich in der industriellen Beschichtungs-praxis als dominierendes Verfahren zurVerbesserung von Verschleiß- und Oxi-dationsschutz, Optimierung von Gleit-eigenschaften und nicht zuletzt Beein-flussung von optischen Eigenschaftendurchgesetzt.

In den Reaktoren werden entwedersehr viele Bauteile in einem Produk-tionszyklus bearbeitet oder hochwerti-ge komplexe Bauteile müssen mit einerdefinierten Oberfläche beschichtetwerden. Das kann bei der für diesesVerfahren typischen geradlinigen Aus-breitung der Plasmateilchen nur durchgeeignete Bewegungen von Plasma-quellen und Bauteilen erreicht werden.Zwangsläufig kommt es zu Abschat-tungs- und Projektionseffekten unddaraus resultierenden inhomogenenBeschichtungen.

Die Aufgabe besteht in der Minimie-rung des experimentellen Aufwandesbei der Optimierung der Beschich-tungsbedingungen und in der Vermei-dung von Fehlchargen. Deshalb mussder Beschichtungsprozess in einer vir-tuellen Anlage möglichst realistischsimuliert werden.

Lösungsweg

Die Lösung besteht in der Entwicklungeines Simulationswerkzeugs für denGesamtprozess in einer virtuellen Anla-ge. Die Vorzüge des Programms SimCoat sind die Möglichkeiten derVisualisierung der Bewegung von Bau-teilen und Strahlquellen im dreidimen-sionalen Arbeitsraum, die exakte phä-nomenologische Beschreibung derphysikalisch-technischen Prozesse unddie nutzerorientierte Bedienung mitden applikationsorientierten Schnitt-stellen.

Die Vorgehensweise besteht aus dreiTeilschritten, die aber in einemgeschlossenen Programmpaket durch-geführt werden.

1. Simulationsvorbereitung:

Festlegung der Anlagenparameter(Geometrie und Kinematik der Bau-teilaufnehmer, örtliche und zeitlicheAktivität der Plasmaquellen)

Vorbereitung der Bauteile zur Simu-lation (Oberflächenvernetzung, Aus-wahl relevanter Bereiche)

Abb. 1 zeigt diese Funktionen amBeispiel eines Extruders.

2. Prozesssimulation:

Visuelle Überprüfung der Funktiona-litäten der virtuellen Anlage

Bei der Simulation bewegen sich dieBauteile mit der vorgesehenen Kine-matik in den Plasmaströmen derunterschiedlichen Quellen. Zu jedem

Abb. 1: Vorbereitung eines Extruders zur Simulation - Auswahl der relevantenBereiche

Ansprechpartner:

Prof. Bernd Schultrich Tel.: 0351 / 2583 403 [email protected]

Dr. Siegfried VöllmarTel.: 0351 / 2583 [email protected]



Ergebnisse

Das Ergebnis soll am Beispiel einerBeschichtung mit Kohlenstoff demon-striert werden. Im linken Teilbild vonAbb. 2 ist die Anordnung der Bauteileim Planetary und die der Plasma-quellen (codiert mit den Farben rot,blau, grün) dargestellt. Die Kinematikder dreifachen Rotation der Bauteilekann im Zeitablauf geprüft werden.Das Beschichtungsergebnis ist die loka-le Schichtdicke in Falschfarben. Fürjeden Oberflächenpunkt ist dieSchichtbildung nachvollziehbar doku-mentiert. Beispielsweise ist für denausgewählten Punkt auf der Mittelebe-ne des Zylinders die obere Plasmaquel-le dominant. Nur in den Zeiten größe-rer Entfernung des Bauteils von derQuellanordnung und bei Hinwendungdes Punktes zu den Quellen kommtPlasma von den unteren Quellen zumAufpunkt. Als physikalische Eigen-schaft ist in diesem Fall die Verteilungder sp2-sp3-Zustände des Kohlenstoffsaufgetragen.

Abb. 2: Collage aus Ergebnissen des Programms:Von links nach rechts: - Standort des Bauteils in der Anlage- Schichtdicke in Falschfarbendarstellung, Charakteristika eines Oberflächenpunktes - Zuordnung der Quellen im Zeitablauf der Beschichtung von unten nach oben - Verteilung der Kohlenstoffmodifikationen

Zeitpunkt wird die Beschichtungs-rate an den interessierenden Ober-flächensegmenten festgestellt undgespeichert. Abschattungs- und Hin-terschneidungseffekte werden indiesem Stadium der Simulation vollberücksichtigt. Die relevante Infor-mation ist aus der jeweiligen instan-tanen Entfernung von Quelle undOberflächenpunkt, der Winkelbezie-hung bezüglich der Quellennormalenund dem Einfallswinkel des lokalenPlasmastromes zusammengesetzt.

3. Schichtberechnung:

Festlegung der physikalischen Para-meter der Plasmaquellen (Material,Stromdichte, Winkelabhängigkeit)und des Schichtbildungsmodells (bei-spielsweise Subplantation)

Die Auswertung der Ergebnisse derProzesssimulation ist mit unter-schiedlichen Modellansätzen durch-führbar und bietet dadurch Ver-gleichs- und Anpassungsmöglichkei-ten. Das Ergebnis besteht in derAngabe der lokalen Schichtdicke undder lokalen Schichtstruktur. Wegender schnell wechselnden Beschich-tungsbedingungen wird sich stetseine Multischichtstruktur mit Struk-turelementen in der Nanometerskalaausbilden. Die Schichtbildungsmo-delle können als analytische mathe-matische Ausdrücke hinterlegt wer-den. Offene Parameter sind freiwählbar.

Redaktion: Die Bedeutung optischerKomponenten für den kurzwelligenBereich des Spektrums bis hin zumRöntgenbereich nimmt immer mehrzu. Welche neuen Entwicklungen gabes in Ihrer Abteilung im Jahr 2004?

Dr. Leson: Im Jahr 2004 haben wirverstärkt versucht, unsere herausra-genden Resultate, die wir bei Beschich-tungen für die EUV-Lithographie erzielthaben, auf andere Anwendungsgebie-te zu übertragen. So haben wir fürden EUV-Bereich ein Schwarzschild-Objektiv auf der Basis von Mo/Si-Multi-schichten aufgebaut, das hervorragen-de Abbildungseigenschaften zeigt unddamit neue Beobachtungsmöglichkei-ten im weichen Röntgenbereich eröff-net. Weiterhin haben wir unser imEUV-Bereich gewonnenes Know-howeingesetzt, um qualitativ hochwertigeMonochromatoren für andere Wellen-längenbereiche zu entwickeln, die vorallem bei der Röntgenfluoreszenzana-lyse eingesetzt werden.

Redaktion: Vor gut zwei Jahren wur-de aus Ihrer Abteilung heraus die Fir-ma Applied X-Ray Optics DresdenGmbH, kurz AXO genannt, gegründet.Wie hat sich diese seither entwickeltund wie arbeiten Sie heute mit der Fir-ma AXO zusammen?

Dr. Leson: Die Firma AXO GmbH, dievon drei Mitarbeitern unserer Abtei-lung gegründet wurde und an derauch die Fraunhofer-Gesellschaft betei-ligt ist, hat eine erfolgreiche Entwick-lungsphase durchlaufen und ist mitt-lerweile gut auf dem Markt bekannt.Dabei arbeiten wir auf vielen Gebieteneng zusammen, um neue Anwen-dungsfelder zu erschließen. So könnenwir unsere jeweiligen spezifischen Stär-ken vorteilhaft ergänzen.

Ein gutes Beispiel hierfür ist derBereich der Röntgenfluoreszenzanaly-tik, den wir uns im Jahr 2004 gemein-sam mit der AXO GmbH erschlossenhaben.

Redaktion: Neben den Präzisionsbe-schichtungen für den röntgenopti-schen Bereich nutzen Sie in IhrerAbteilung die Beschichtungskompe-tenz auch für andere Zwecke. Welchesind diese?

Dr. Leson: Beispielsweise setzen wirdas Verfahren der Laserdepositionnicht nur zur Erzeugung von röntgen-optischen Multischichten ein, sondernerzeugen damit auch extrem belastba-re Wärmedämmschichten auf innenlie-genden Flächen. Auch lassen sichdamit sehr harte Kohlenstoffschichtenauf Rohrinnenflächen erzeugen, wasmit anderen Verfahren kaum machbarist.

Wer nicht mehr will, als er kann,bleibt unter seinem Können.

Herbert Marcuse

FuE-Angebot: Röntgen- und EUV-Optik





1. Optische Vergütungsschichten für Mikrospiegel 92

2. PLD-Kohlenstoffschichten zurGlättung von Substratrauheiten

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3. Maßgeschneiderte Innenbe-schichtungen - Neue Möglich-keiten der PLD 94

4. Monochromatoren für die Röntgenfluoreszenzanalyse 95

5. Erweiterte Messmöglichkeiten beider Röntgenanalytik 96

6. EUV-Reflektometer: Messaufbau und Präzision 97

Dr. Andreas LesonAbteilungsleiter (Tel. 2583 317,[email protected])



Dr. Stefan Braun Gruppenleiter Beschichtung(Tel. 2583 432, [email protected])

Dr. Ludwig van Loyen Gruppenleiter Metrologie / Applikation (Tel. 2583 422, [email protected])

Metrologie und Applikation

Arbeitsschwerpunkte sind die Reflekto-metrie, die Diffraktometrie sowie dieWeiterentwicklung von Optiksystemenund Messverfahren.

Mit Standard-Röntgenanalysegerätenwerden unter Einsatz von Cu-Kα- bzw.Mo-Kα-Strahlung zerstörungsfreieMessungen zur Bestimmung vonSchichtdicken, Schichtrauheiten undDichten sowie zur qualitativen Phasen-analyse, vornehmlich an dünnen und /oder Multilagen-Schichten und / oderan Pulvern durchgeführt.

Zur Optimierung der Analyseverfahrenwurden spezielle strahlformende Opti-ken, wie Beamkollimator und Beam-kompressor entwickelt.

Zur Charakterisierung und Optimie-rung von Optiken für EUV-Anwendun-gen wurde ein Labor-Reflektometermit der Arbeitswellenlänge von 10 bis16 nm aufgebaut.

Gesamtansicht des EUV-ReflektometersSubstratbestückung an einer UHV-Präzisionsbe-schichtungsanlage zur Herstellung von nm-Mul-tischichten

Multischichten für EUV- und rönt-genoptische Anwendungen

Einfach- und Multischichtsysteme, diemittels Puls-Laser- und Magnetron-Sputter-Deposition hergestellt werden,zeichnen sich aus durch:- höchste Schichtdickengenauigkeit,- geringste Grenzflächenrauhigkeiten,- hohe chemische Reinheit,- hohe laterale Homogenität und- sehr gute Dickenreproduzierbarkeit.Schichtsysteme unterschiedlicherMaterialkombinationen können aufebenen oder gekrümmten Substratenmit bis zu 150 mm Durchmesser mitund ohne Gradient der Periodendickeabgeschieden werden.

Das Hauptanwendungsgebiet solcherMultischichten ist der Einsatz als rönt-genoptisches Bauelement zur Strahl-formung und Monochromatisierung.Neben der Synthese von Einfach- undMultischichten nach Kundenwunschbieten wir unsere langjährigen Erfah-rungen auf dem Gebiet der Präpara-tion, Charakterisierung und Simulationröntgenoptischer Bauelemente an.


92 Fraunhofer IWS Jahresbericht 2004

Optische Vergütungsschichten für Mikrospiegel

Aufgabenstellung

Mikrospiegelarrays und Mikroscanner-spiegel werden für verschiedeneAnwendungen wie zum Beispiel Laser-Maskenbelichtungssysteme und Strich-code-Lesesysteme eingesetzt. Dabeiwerden zur Zeit Aluminium bzw. eineAluminiumlegierung als Verspiegelungund Spiegelaktuator-Material verwen-det. Um weitere Einsatzgebiete solcherSpiegelsysteme auch im Wellenlängen-bereich vom Nahen Infrarot (NIR) biszum Extremen Ultraviolett (EUV) undfür sehr hohe Lichtleistungen zuerschließen, müssen neue, hochreflek-tierende optische Vergütungsschichtenentwickelt und eingesetzt werden. ImGegensatz zu konventionell hoch-reflektierenden Spiegeln müssen dieoptischen Vergütungsschichten fürMikrospiegel zusätzliche Anforderun-gen wie CMOS-Kompatibilität, Struk-turierbarkeit, niedrige Eigenspannungund hohe Lebensdauer erfüllen.

Lösungsweg

Für den Einsatz von Mikrospiegelarraysund / oder Mikroscannerspiegeln wirdeine speziell für die Arbeitswellenlängeentwickelte eigenspannungsreduzierteoptische Vergütungsschicht auf denAktuator aufgebracht. Je nach Anwen-dung kann diese optische Vergütungs-schicht aus einem metallischen System,einem dielektrischen System oder auseiner Kombination beider Systemebestehen. In Abb. 1 ist ein Vergleichzwischen dem gemessenen Reflexions-grad einer Silberschicht und zwei für die Arbeitswellenlänge vonλ = 1064 nm (NIR) optimierten dielek-trischen Systemen dargestellt. DieseSchichten können wahlweise durchDC- oder RF-Magnetronsputtern abge-schieden werden. Durch die Wahlgeeigneter Beschichtungsparameter

Ergebnisse

Wie in Abb. 1 dargestellt ist, beträgtder Reflexionsgrad 98,7 Prozent füreine geschützte Silberschicht und99,7 Prozent für einen vierfachenSi/SiO2-Schichtstapel bei einer Arbeits-wellenlänge von 1064 nm. Damit wirdgewährleistet, dass im Gegensatz zuherkömmlichen Aluminiumschichtenmit einem Reflexionsgrad von 96 Pro-zent weniger Energie absorbiert undeine Zerstörung des Spiegels bei höhe-ren Laserleistungen vermieden wird.Bei einer Arbeitswellenlänge von193 nm werden Aluminiumschichtenals Vergütungsschichten eingesetzt.Diese Aluminiumschichten werden beikonventionellen Laserspiegeln durchVerdampfen hergestellt. Im Gegensatzdazu zeichnet sich das Sputterverfah-ren durch eine sehr gute Homogenität,Kontrollierbarkeit und Einbindung inden Herstellungsprozess der Mikrospie-gel aus. Die Spiegel mit gesputtertenAluminiumschichten erreichen einenvergleichbaren Reflexionsgrad von86 Prozent.

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Thomas FoltynTel.: 0351 / 2583 256 [email protected]

Abb. 1: Vergleich von metallischen und dielelek-trischen Spiegelsystem zur Reflexion beider Laserwellenlänge von 1064 nm

Abb. 2: REM-Aufnahme eines am FraunhoferIPMS hergestellten Mikroscannerspiegels

(z. B. Sputtergasdruck, Entladungs-leistung, Target-Substrat-Abstand) undEntwicklung eines passenden Schicht-systems kann die Vergütungsschichtder Mikrospiegel hinsichtlich ihrer opti-schen und mechanischen Eigenschaf-ten optimiert werden.



Abb. 2: Schematische Darstellung des Glät-tungsmechanismus und AFM-Ergebnissevor und nach der Beschichtung

Aufgabenstellung

Multischichtspiegel werden in verschie-denen EUV- und röntgenoptischenAnwendungen wie z. B. Reflektome-trie, Diffraktometrie, Lithographie oderFluoreszenzanalyse zur Strahlformungund Monochromatisierung eingesetzt.Um einen höchstmöglichen Reflexions-grad dieser Multischichtspiegel zuerreichen, müssen präzise Abscheidun-gen von Schichten mit einer Dicke vonwenigen Nanometern auf hochpolier-ten Substraten mit Oberflächenrauhei-ten von σRMS < 0,2 nm erfolgen. DieEndpolitur der Substratoberflächenerfolgt bisher durch einen sehr auf-wändigen und kostenintensiven Pro-zess. Insbesondere die Herstellung vonglatten Oberflächen großer ebenerSubstrate und glatter gekrümmterOberflächen ist sehr schwierig. Ausdiesem Grund werden verschiedeneKonzepte verfolgt und untersucht, beidenen durch einen kostengünstigerenHerstellungsschritt die für einen spezi-fischen Anwendungsfall erforderlicheSubstratoberflächenqualität erreichtwerden kann.

eignet sich besonders Kohlenstoff, daman durch Veränderung der Laserpa-rameter unterschiedliche Modifikatio-nen bzw. Eigenschaften der Schichteinstellen kann. Außerdem ist die dro-plet- und defektfreie Schichtabschei-dung von Kohlenstoff sehr vorteilhaft.

Lösungsweg

Durch das Aufbringen einer geeigne-ten dünnen Schicht auf ein Substratgeringerer Oberflächengüte ist esmöglich, die Oberflächenrauheit weiterzu verringern (Abb. 2). Dabei wird aufdas am Fraunhofer IWS vorhandenePuls-Laser-Deposition-Verfahren (PLD)zurückgegriffen, mit dem Substrate biszu einem Durchmesser von 6" homo-gen beschichtet werden können.Durch die verfahrensbedingt hohemittlere Energie der schichtbildendenTeilchen sind diese in der Lage, auf-grund ihrer größeren Mobilität Rauhei-ten über einen großen Frequenzbe-reich zu glätten. Als Schichtmaterial

Ergebnisse

C-Schichten mit verschiedenen Modifi-kationen und Dicken wurden mit demPLD-Verfahren hergestellt und mitAFM und Cu-Kα-Reflektometrie analy-siert. Dabei zeigt sich, dass die Schicht-rauheit mit zunehmender C-Schicht-dicke und bei Verwendung höhererLaserenergien abnimmt. Weitergehendwurde auf einem Substrat mit einerOberflächenrauheit von σRMS = 0,75 nmeine C-Glättungsschicht mit einemDickengradienten von 50 - 300 nmaufgetragen und nachfolgend eineMo/Si- Multischicht mittels Magnetron-sputtertechnik abgeschieden. DieUntersuchung des Reflexionsgradesdieser Mo/Si-Multischicht bei derArbeitswellenlänge dieser Spiegel wur-de am EUV-Labor-Reflektometer imIWS durchgeführt. Eine deutliche Stei-gerung des Reflexionsgrades dieserMultischicht (> 5 %) korreliert miteiner signifikanten Reduzierung derSubstratrauheit schon bei einer Dickeder C-Schicht von 100 nm (Abb. 1).

PLD-Kohlenstoffschichten zur Glättung von Substratrauheiten

Abb. 1: Rauheit und EUV-Reflexion in Abhängig-keit von der C-Schichtdicke

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Maik MenzelTel.: 0351 / 2583 [email protected]


Aufgabenstellung

Die Beschichtung von Bauteil-Innen-flächen stellt für alle Beschichtungs-technologien eine Herausforderungdar. Speziell für plasmagestützte undunter Vakuum ablaufende Verfahren,z. B. zur Abscheidung von Hartstoff-und Verschleißschutzschichten, gibt esderzeit kaum industrielle Umsetzungenzur Innenbeschichtung.

Ziel der Arbeiten war es, das amFraunhofer IWS entwickelte Verfahrender Innenbeschichtung mittels Puls-Laser-Deposition (PLD) zu erweitern,um einerseits neue, bisher auf Innen-flächen nicht zu realisierende Beschich-tungen abscheiden zu können undandererseits das Eigenschaftsspektrumder mit "klassischer" PLD herstellbarenSchichtsysteme zu verbreitern und aufden jeweiligen Anwendungsfall maß-zuschneidern.

der ebenfalls durch einen gepulstenLaser initiiert wird. Die auf diese Weiseerzeugten Beschichtungen unterschei-den sich wegen den jetzt vergleichs-weise geringen Partikelenergien inihrer Struktur grundlegend von denender klassischen Variante. Eine geeigne-te Kombination von Laserablation und-verdampfung erlaubt es, synchron dieverschiedenen Wachstumsmodi einzu-stellen und damit das Eigenschafts-spektrum der PLD-Schichten stark zuerweitern.

Ansprechpartner

Dipl.-Phys. Peter GawlitzaTel.: 0351 / 2583 [email protected]

Maßgeschneiderte Innenbeschichtungen - Neue Möglichkeiten der PLD


Lösungsweg

Das PLD-Verfahren in seiner klassi-schen Variante beruht auf der Erzeu-gung eines Teilchenplasmas mit hoch-energetischem Ionenanteil (Laserab-lation). Die damit herstellbaren Schich-ten zeichnen sich durch eine dichte,nanokristalline, z. T. auch amorpheStruktur mit sehr glatter Oberflächeaus. Das PLD-Innenbeschichtungsver-fahren wurde nun durch einen thermi-schen Verdampfungsprozess ergänzt,

Ergebnisse

Die PLD-Innenbeschichtungsanlagewurde hinsichtlich Strahlführung undTarget-Substrat-Handling derartergänzt, dass ein gleichzeitiger Betriebdes Ablationslasers (gütegeschalteterNd:YAG) und des Verdampfungslasers(gepulster 1 kW-Nd:YAG, quasi-cw)möglich ist (Abb. 2). Eine Synchronisie-rung der Laserpulse erlaubt die Ver-dampfungs- bzw. Plasmabildungsvor-gänge und die zugehörige Schichtkon-densation sowohl überlagert als auchunabhängig voneinander durchzu-führen.

Am Beispiel keramischer ZrO2-Wärme-dämmschichten konnte exemplarischgezeigt werden, dass der Übergangder Struktur von poröser, mit Ver-dampfung abgeschiedener Schicht hinzur dichten, nanokristallinen, "klassi-schen" PLD-Schicht nahezu kontinuier-lich einstellbar ist.

Abb. 1: Fotografische Aufnahmen der Plasma-bzw. Verdampfungswolken beimBeschuss eines ZrO2-Targets. In denunteren Bildern erfolgte die Pulsauslö-sung für die Ablation (NY) und die Ver-dampfung (LAY) gleichzeitig auf einegemeinsame Spotfläche

Abb. 2: Schematischer Aufbau der PLD-Innenbeschichtungsanlage bei synchronisiertem Betrieb vonLaserablation (NY-Laser) und Laserverdampfung (LAY-Laser) und getrennter Strahleinkopp-lung



Abb. 2: Cu-Kα-Reflektogramm einer hochreflek-tierenden W/Si-Multischicht

Aufgabenstellung

Die Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)ist schon seit vielen Jahren als ein lei-stungsfähiges zerstörungsfreies Ver-fahren sowohl zur qualitativen als auchzur quantitativen Elementanalyse etab-liert. Neben Einsatzfeldern in For-schung und Entwicklung kommt dieRFA auch in hohem Maße in der Pro-duktion (z. B. Zement- und pharma-zeutische Industrie), der Qualitätssiche-rung (z. B. Nachweis von Schwefel inKraftstoffen) und der Umwelttechnik(z. B. Überwachung von Abwässernund Reinigungsflüssigkeiten) zum Ein-satz. Alle Anwendungsfälle erforderndie stetige Weiterentwicklung der RFA-Geräte, um Nachweisgrenzen zu ver-ringern oder Messzeiten zu verkürzen.Dies kann vor allem dadurch erreichtwerden, dass die bei der wellenlängen-dispersiven RFA (WD-RFA) zur Mono-chromatisierung eingesetzten Multi-schichten hinsichtlich Reflexionsgradund Auflösungsvermögen verbessertwerden.

Einzelschichten mit Dicken im Bereichvon 0,5 bis 5 nm. Zur Synthese derMultischichten werden die im Ultra-hochvakuum ablaufenden Beschich-tungsverfahren der Puls-Laser- undMagnetron-Sputter-Deposition einge-setzt.

Lösungsweg

Bei der WD-RFA wird die in einer Ana-lysenprobe angeregte Fluoreszenz-strahlung mittels eines Multischichtmo-nochromators analysiert (Abb. 1). Diefür die jeweiligen Elemente charakte-ristischen Linien liefern die Informationüber die in der Probe enthaltenen Ele-mente. Eine Verringerung der nochnachweisbaren Menge eines speziellenchemischen Elementes kann dadurcherreicht werden, dass das Reflexions-vermögen des Analysators bei der fürdas jeweilige Element charakteristi-schen Wellenlänge erhöht wird. ImFraunhofer IWS wurden daher Multi-schichten entwickelt, die besonders fürden Nachweis leichter Elemente (B, C,N, O, Na, Mg, Al, Si) des Periodensy-stems geeignet sind. Diese Multi-schichten bestehen aus bis zu 1000

Ergebnisse

Der wesentliche Schlüssel zurErhöhung des Reflexionsvermögensder Multischicht-Monochromatoren fürdie RFA liegt in der Verringerung derGrenzflächenbreite σ. Dabei setzt sichσ aus den Anteilen Grenzflächenrau-heit und Grenzflächeninterdiffusionzusammen. Erstere konnte durch Opti-mierung der Beschichtungsparameterverringert werden, letztere wurdedurch den Einsatz von ultradünnenBarriereschichten (Dicken zwischen 0,2und 0,5 nm) zwischen den optischaktiven Materialien reduziert. DurchAnwendung dieser Maßnahmengelang es, die Grenzflächenbreite derMultischichtsysteme W/Si, W/B4C undCr/Sc bis auf Werte zwischen 0,20 bis0,25 nm zu verringern. Für die vor-rangig in der RFA eingesetzten undauf W/Si-Multischichten basierendenMonochromatoren resultiert dies ineinem um rund 10 Prozent erhöhtenReflexionsgrad gegenüber dem derzei-tigen Stand der Technik.

Monochromatoren für die Röntgenfluoreszenzanalyse

Abb. 1: Schematische Darstellung der wellen-längendispersiven Röntgenfluoreszenz-analyse

Ansprechpartner

Dr. Stefan BraunTel.: 0351 / 2583 [email protected]


Aufgabenstellung

Die Messmethoden zur zerstörungs-freien Analyse von dünnen Schichtenund Schichtsystemen mittels Röntgen-strahlung werden seit Jahren stetigweiterentwickelt. Standardmäßig wirdbei der Röntgenanalytik mit zweiunterschiedlichen Messverfahren gear-beitet:- Die Röntgenreflektometrie (X-ray

reflectometry, XRR) wird zur Bestim-mung der Dicken, der Dichten undder Grenz- bzw. Oberflächenrauhei-ten von Einzel- und Multischicht-systemen eingesetzt.

- Die Röntgendiffraktometrie (X-raydiffraction, XRD) ermöglicht die qua-litative und quantitative Phasenana-lyse von dünnen Schichten und Pul-vern.

Beide Messmethoden haben Grenzenhinsichtlich ihres Nachweisvermögens.Die XRR ist nur bei dünnen Schichteneinsetzbar, während bei der XRD dieentstandenen kristallinen Phasen erstab einer Mindestschichtdicke beobach-tet werden können. Diese bisherigenBeschränkungen sollten überwundenwerden.

Erweiterte Messmöglichkeiten bei der Röntgenanalytik


Ergebnisse

Für eine Mo/Si-Multischicht werdenbeispielhaft in Abb. 1 eine XRR-Mes-sung (mit Standardoptiken ohne Kris-talloptik) und in Abb. 3 eine HR-XRR-Messung (mit Kristalloptik) verglei-chend dargestellt. Die deutlich verbes-serte Winkelauflösung zeigt sich durchden Nachweis der Nebenoszillationenzwischen den beiden Bragg-Maxima,so dass Gesamtschichtdicken vonoberhalb 250 nm gemessen und analy-siert werden können.

In Abb. 2 ist eine GI-XRD-Messungeiner TiO2-Schicht (Phasenanalyse:Rutil, Anatas sowie amorphe Anteile)und eine Illustration der atomarenStrukturen dargestellt. Die Verwen-dung der für die GI-XRD maßgeschnei-derten Optiksysteme ermöglichte denNachweis dieser kristallinen Phasen.Lösungsweg

Die Verwendung von herkömmlichenParallelstrahloptiken bei der XRRerzeugt eine relativ große Strahldiver-genz, so dass Schichtdicken oberhalb250 nm nicht mehr messtechnischerfasst werden können. Deshalb wur-den diese Optiken mit verschiedenenKristalloptiken kombiniert, um einehochaufgelöste Röntgenreflektometrie(High-Resolution XRR, HR-XRR) mitausreichender Intensität bei gleichzei-tig sehr geringer Strahldivergenz zuermöglichen.

Abb. 2: XRD-Messung einer 140 nm dünnenTiO2-Schicht mit Kennzeichnung derbeiden höchsten Peaks und Darstellungder jeweiligen Elementarzelle von denTiO2-Modifikationen Anatas und Rutil

Abb. 1: Ausschnitt aus einem Cu-Kα-Reflekto-gramm einer Mo/Si-Multischicht miteiner Gesamtschichtdicke von 414 nm,gemessen ohne bzw. mit hochauflösen-der Kristalloptik

Abb. 3: Kristalloptik für Cu-Kα-Strahlung

Zur Analyse von polykristallinen Phasenin dünnen Schichten wurde die XRDbei streifendem Einfall (Grazing Inci-dence XRD, GI-XRD) erfolgreich alsMessmethode etabliert. Diese Metho-de gestattet die qualitative und quanti-tative Bestimmung der Phasenanteile,insbesondere bei geringen Schicht-dicken unter 100 nm.

Ansprechpartner

Dr. Ludwig van LoyenTel.: 0351 / 2583 422 [email protected]



Abb. 2: Inneransicht der Goniometerkammermit einem Halter für kleinere Proben,der Verlauf des EUV-Strahles ist schema-tisch dargestellt

Ansprechpartner

Dr. Ludwig van LoyenTel.: 0351 / 2583 422 [email protected]

Aufgabenstellung

Optikkomponenten für den Wellenlän-genbereich des extremen Ultraviolett(EUV) sind ausschließlich reflektierendeOptiken. Für die Entwicklung solcherEUV-Optiken kommt daher der EUV-Reflektometrie eine besondere Bedeu-tung zu. In der Vergangenheit wurdensolche Messungen ausschließlich unterNutzung von Synchrotronstrahlungdurchgeführt, was eine enge Anbin-dung an einen Elektronenspeicherring,z. B. BESSY II in Berlin, bedeutete unddamit auch territoriale und zeitlicheRahmenbedingungen vorgab. Für eineschnelle Entwicklung von EUV-Optikenwurde deshalb eine Vor-Ort-Messtech-nik bei der Herstellung der Spiegel-schicht auf diesen Optiken erforder-lich.

Ergebnisse

Das Optikdesign unseres Labor-EUV-Reflektometers (EUVR) ist in Abb. 1gezeigt. Einen Blick in die Messkam-mer gestattet Abb. 2.

Mit diesem Reflektometer könnensowohl ebene als auch gekrümmteOptiken vermessen werden. Dabei lie-gen die relativen Standardabweichun-gen der Peak-Reflektivität bei 0,2 %und die der Zen-trumswellenlängebei 0,02 %. DieEUVR- als auch dieSynchrotron-Mes-sungen führen inPeak-Reflektivitätund Zentrumswel-lenlänge zu ver-gleichbaren Ergeb-nissen.

Bei der Optimierungvon EUV-Optikengilt es durch einengeeigneten, ggf.lateral unterschiedlichen Multi-schichtaufbau der Spiegelschichtsowohl die Zentrumswellenlänge desReflektivitätspeaks anforderungsgemäßeinzustellen als auch die Peak-Reflekti-vität zu maximieren. Mit dem EUV-Reflektometer vor Ort werden dieseKenngrößen schnell verfügbar.

Außerhalb des Standardmessbetriebesgestattet unser Reflektometer kleinereProben auch bei streifendem Einfalldes EUV-Strahles zu untersuchen. Aufdiese Weise können Schichteigenschaf-ten z. B. über die Vermessung derBreite der Totalreflektionskante ermit-telt werden.

Lösungsweg

Dieser Forderung entsprechend wurdeunter Leitung des Fraunhofer IWSDresden und in Zusammenarbeit mitder Physikalisch-Technischen Bundes-anstalt (PTB), dem Max-Born-Institut(MBI), der Fa. Bestec, der Fa. AIS Auto-mation und der Carl Zeiss SMT AGinnerhalb eines vom BMBF gefördertenProjektes ein Labor-Reflektometer auf-gebaut, das- eine eigenständige Vor-Ort-Verfüg-

barkeit gewährleistet,- mit Strahlung im EUV-Bereich, spe-

ziell im Wellenlängenbereich von10 nm bis 16 nm arbeitet,

- die Vermessung von Proben gestat-tet, die in ihren Dimensionen denErfordernissen der Halbleiterindustriegerecht werden und

- eine den Synchrotronmessungen ver-gleichbare hohe Messgenauigkeitund Flexibilität aufweist.

EUV-Reflektometer: Messaufbau und Präzision

Abb. 1: Optikdesign des EUV-Reflektometers


FuE-Angebot: Klebtechnik


1. Vorbehandlung von faserver-stärkten Kunststoffen mittels Nd:YAG-Laser 99

2. Untersuchung der Klebfuge mittelslaserakustischer und thermo-analytischer Methoden 100

FuE-Angebot:Klebtechnik

Klebtechnik

Das Klebtechnikum am Institut fürOberflächentechnik und Fertigungs-messtechnik der TU Dresden wurde imvergangenen Jahr mit einer Nd:YAG-Reinigungslaser- und einer Atmo-sphärenplasmaanlage ausgestattet.Damit sind optimale Bedingungen fürdie Fügestellenvorbehandlung mittelsphysikalischer Methoden gegeben.

Dr. Irene JansenGruppenleiterin Klebtechnik(Tel. 4633 52 10,[email protected])

Hauptarbeitsgebiete der Gruppe sind:- Oberflächenvorbehandlung mittels

Plasma- und Lasertechnik sowie der Vergleich mit herkömmlichen Vorbe-handlungsmethoden,

- konstruktives Kleben verschiedenerMaterialien (Metalle, Kunststoffe,Glas, Holz),

- Charakterisierung der Oberflächensowie der geklebten Verbunde mit-tels Kontaktwinkel-, Rauheits- undSchichtdickenmessung, Lichtmikro-skopie, REM / EDX und spektroskopi-schen Methoden,

- Bestimmung der Klebfestigkeitenund Alterungsuntersuchungen,

- Simulation und Aufbau einer Daten-bank.



Aufgabenstellung

Faserverstärkte Kunststoffe mit Epoxid-harzen als Matrixharz werden zuneh-mend in der Luftfahrtindustrie und imFahrzeugbau eingesetzt. Diese Bauteilewerden dabei untereinander oder mitanderen Materialien durch Klebengefügt. Aufgrund der chemischenZusammensetzung des Harzes ist eineAktivierung der Oberfläche vor demKleben in aller Regel nicht erforderlich.Herstellungs- und lagerungsbedingtkönnen die Oberflächen jedoch konta-miniert sein, wodurch Anforderungender meist sicherheitsrelevantenAnwendungen nicht erfüllt werden.Traditionell wird deshalb die Ober-fläche mechanisch geschliffen oder einvorher einlaminiertes Gewebe (PeelPly) abgezogen. Oftmals kommt aucheine Kombination beider Verfahrenzum Einsatz. Nachteilig wirkt sichdabei insbesondere die ungenügendeReproduzierbarkeit aus.

Eine potenzielle, bisher noch nicht aufihre Eignung geprüfte Alternative istdie Behandlung mit einem Nd:YAG-Laser. Zu erwartende Vorteile sindwirtschaftliche Bearbeitungsgeschwin-digkeiten auch für großflächige Bautei-le auf Grund der Verfügbarkeit indus-triell einsetzbarer Systeme und dieMöglichkeit der Herstellung reprodu-zierbarer Oberflächenzustände durchden Einsatz des Lasers.

Nd:YAG-Strahlquelle mit einer mittle-ren Leistung von 120 W (cw). Mit Puls-längen zwischen 100 ns ≤ τP ≤ 300 nsund Repetitionsraten zwischen 8 kHz ≤ F ≤ 40 kHz wird die Realisie-rung verschiedenartiger Aufgabenstel-lungen möglich. In die Anlage istzusätzlich über eine Faserkopplung ein1D- und ein 2D-Handscanner für diemanuelle Bearbeitung integriert.

Zunächst wurden Untersuchungenzum Absorptionsverhalten derNd:YAG-Laserstrahlung durchgeführt,die gezeigt haben, dass auf Grund derTransparenz der Deckharzschicht dieAbsorption der Laserstrahlung in derGrenzschicht zwischen der oberenKohlefaserlage und dem Deckharzstattfindet. Im zweiten Schritt wurdeüberprüft, inwieweit die Laserstrahlungin bereits freigelegten Bereichen zurZerstörung der Kohlefaser führt. Hierkonnten keine Veränderungen beob-achtet werden. Abschließend durchge-führte großflächige Abtragsuntersu-chungen ermöglichten eine ersteAbschätzung zur Leistungsfähigkeitdes Laserstrahlabtragsverfahrens.

Vorbehandlung von faserverstärkten Kunststoffen mittels Nd:YAG-Laser

Ansprechpartner

Dipl.-Ing. Hendrik Wust Tel.: 0351 / 4633 96 39 [email protected]

Lösungsweg

Für die Untersuchungen wurde kohle-faserverstärkter Kunststoff verwendet.Die Vorbehandlung erfolgte mit demNd:YAG-Laserstrahlentschichtungs-system CLA 050, das basierend aufeiner industriell verfügbaren Standard-anlage speziell für das Fraunhofer IWSentwickelt wurde. Das Laserstrahlent-schichtungssystem verfügt über eine

Ergebnisse

Der selektive Abtrag des Deckharzesmit Nd:YAG-Laser ist ohne nennens-werte Beschädigung der Kohlefasermöglich. Weiterhin lassen sich dadurchauch relativ dicke und ungleichmäßigeSchichten des Deckharzes erfolgreichabtragen. Es werden reproduzierbareOberflächenzustände ermöglicht, ohnedass ein chemischer Abbau des alsMatrixharz verwendeten Epoxidharzesin Kauf genommen werden muss.

Abb. 2: Laserstrahlentschichtete und anschlie-ßend geklebte Stringer-Verbindung auskohlefaserverstärktem Kunststoff

Abb. 1: Laserstrahlentschichtungssystem CLA 050 mit Nd:YAG-Laser und 4-Achsen-Bearbeitungsanlage



Aufgabenstellung

Zwischen Fügeteil und Klebstoff bildetsich eine Interphase mit gradiertenEigenschaften aus, die sowohl vomSubstrat als auch von der Oberflächen-vorbehandlung beeinflusst wird. Eswurden verschiedene Methoden her-angezogen, um entweder an Schich-ten unterschiedlicher Dicke oder aberan der gesamten Klebfuge die vomBulk abweichenden Eigenschaften zubestimmen. Die genaue Kenntnis die-ser Phase ist einmal für Simulationenaber auch zur Vorhersage des Bruch-verhaltens von großer Wichtigkeit.

Mittels verschiedener thermoanalyti-scher Methoden wurden zunächstGlasübergangstemperaturen in diesemBereich bestimmt. Ausgehend vomMetall ergaben sich absinkende Wertein Richtung Bulk.

Visko-elastische Eigenschaften von Kle-bungen sollen nun mit der im IWS ent-wickelten LAwave®-Methode bestimmtwerden. LAwave® ist eine zerstörungs-freie, laserakustische Technik basierendauf hochfrequenten Ultraschallober-flächenwellen. Bisher wurde dieMethode vor allem für ultradünne undsuperharte Schichten verwendet.

Untersuchung der Klebfuge mittels laserakustischer und thermo-analytischer Methoden

Ansprechpartner

Dr. Irene JansenTel.: 0351 / 4633 52 10 [email protected]

Lösungsweg

Die zu untersuchenden Klebschichtenwurden durch Spincoating von gelö-sten Epoxid-Härter-Gemischen auf Sili-zium-Wafer oder AlMg3-Substrategebracht. Neben diesen offenen Kle-bungen wurden für thermoanalytischeUntersuchungen auch AlMg3-Substra-te miteinander verklebt und der Quer-schliff der Klebfuge untersucht. DieSchichtdicke wurde entweder IR-spek-troskopisch oder nach dem Wirbel-stromverfahren bestimmt.

Aus den LAwave®-Messungen wurdendie Elastizitätsmoduln von Klebschich-ten unterschiedlicher Dicke berechnet.Zum Vergleich wurden Glasübergangs-temperaturen mit verschiedenen ther-moanalytischen Methoden (µTA, DMA,DSC) bestimmt.

Ergebnisse

Mittels LAwave®-Methode wurde dieSchallgeschwindigkeit in Abhängigkeitvon der Frequenz von offenen Klebun-gen unterschiedlicher Dicke vermessen(Abb. 1). Polymerschichten dämpfendie Schallgeschwindigkeit. DieserEffekt nimmt mit zunehmenderSchichtdicke zu. Dadurch ergibt sichein oberer Wert für die Messbarkeitdickerer Schichten. Für das hier ver-wendete System liegt der Wert für dieSchichtdicke derzeitig bei 100 µm.Die aus den Messkurven errechnetenElastizitätsmoduln nahmen mit zuneh-mender Schichtdicke ab (Abb. 2). Dassteht im Einklang mit der aus thermo-analytischen Untersuchungen gefunde-nen Abnahme der Glasübergangstem-peraturen (Abb. 3).

Bestätigt wurden die abnehmendenGlasübergangstemperaturen und Elas-tizitätsmoduln zusätzlich durch abneh-mende Härten, die durch Nanoinden-tation bestimmt wurden (Abb. 4).

Abb. 1: Dispersionskurven von Epoxidschichtenverschiedener Dicken auf AlMg3-Substraten

Abb. 4: Abhängigkeit der Härte (mit Nanoinden-tation gemessen) von der Schichtdicke

Abb. 3: Abhängigkeit der Glasübergangstempe-raturen (mit verschiedenen thermoanaly-tischen Methoden bestimmt) von derSchichtdicke

Abb. 2: Abhängigkeit der Elastizitätsmoduln (mit LAwave® gemessen) von derSchichtdicke



1. Implementierung einer "VirtuellenTechnologie" am Beispiel Laser-auftragschweißen 102

2. Simulation des induktiven Vor-wärmens beim Laserinduktions-schweißen 104

FuE-Angebot:Multimedia und Simulation

FuE-Angebot: Multimedia und Simulation

Kompetenz-Zentrum Multimedia

Die Vermittlung der Forschungs- undEntwicklungsergebnisse des IWS erfor-dern wegen des komplexen Charaktersder technologischen, werkstoffwissen-schaftlichen und physikalischen Zusam-menhänge häufig den Einsatz allerMöglichkeiten der modernen Kommu-nikationstechnik. Durch Kombinationvon Text, Bild, Video und Audio kön-nen auch unsichtbare oder sehr schnellablaufende Vorgänge veranschaulichtwerden. Von besonderer Bedeutungist das bei sicherheitsrelevanten Pro-zessen.

Folgende Dienstleistungen werden vonder Gruppe angeboten:- Photo- und Videoaufnahmen mit

modernster digitaler Technik - Herstellung von Akquisitionsmaterial

zu Technologien und Produkten- Aufzeichnung wissenschaftlicher

Events und Wiedergabe als Live-Prä-sentation im Internet oder als per-manent abrufbare Datenstreams

- Gestaltung von Präsentationen- Umsetzung physikalisch-technischer

Abläufe in 3D-Simulationen- Entwicklungsarbeiten zur Bereitstel-

lung moderner Werkzeuge der “vir-tual reality” und “augmented reali-ty” für die technologische Forschung

- Aufbau eines Systems von Weiterbil-dungs-Veranstaltungen zur Laser-und Oberflächentechnologie

Dr. Siegfried Völlmar Gruppenleiter Multimedia(Tel. 2583 434,[email protected])

Dr. Dietrich Lepski Gruppenleiter Simulation / Grundlagen (Tel. 2583 222,[email protected])

Prozess-Simulation und Software-entwicklung für die Lasermaterial-bearbeitung

"Probieren geht über Studieren", sagtder Volksmund, doch bei modernenHochtechnologien kann Probieren sehrteuer werden. Ein möglichst tiefgehen-des Verständnis der in der Prozesszoneablaufenden Vorgänge erleichtert nichtnur die Weiterentwicklung und Opti-mierung von Verfahren der Lasermate-rialbearbeitung und Beschichtung, son-dern spart auch Kosten in der Produk-tionsvorbereitung. Daher gehört imIWS zur Verfahrensenswicklung und-weiterentwicklung in zunehmendemMaße auch die Prozessmodellierungbis hin zur Entwicklung produktions-tauglicher Software (z. B. Laserhärten,Laser-Pulver-Auftragschweißen).

Modellgestützte Abschätzungenerleichtern oft die Prognose, ob undmit welchen Mitteln konkrete Kunden-wünsche erfüllt werden können(Machbarkeitsstudien) und unterstüt-zen die Ermittlung von geeigneten Pro-zessfenstern. Darüber hinaus wird imIWS Material für Lehre und Ausbildungentwickelt (z. B. Laserlexikon, Laser-sicherheit).



Ansprechpartner

Dr. Siegfried VöllmarTel.: 0351 / 2583 434 [email protected]

Implementierung einer "Virtuellen Technologie" am Beispiel Laserauftragschweißen

Aufgabenstellung

Die Beantwortung von Anfragen zurindustriellen Umsetzung von im Institutentwickelten Verfahren muss in immerkürzeren Zeiträumen und zu immergünstigeren Kosten erfolgen. Dabeikommt es auf die korrekte Auswahlder Prozesse, die Eingrenzung derVerfahrensparameter und die optimaleAnlagentechnik an. Die Simulation vonProduktionsabläufen kann als Modellder Anlagen und Prozesse mit Metho-den der virtuellen Realität (VR) durch-geführt werden, bevor die hohenKosten der eigentlichen Fertigung derAnlagentechnik entstehen. Die Aufga-be besteht in der möglichst korrektenSimulation der angefragten Prozesseund dem virtuellen Erproben derdurchgängigen Produktionskette. DieEntwicklungsarbeiten beinhalten dieDimensionierung der vollständigennotwendigen Anlagen als dreidimen-sionale Objekte mit den zugehörigenkinematischen Freiheiten und dieImplementierung der werkstoffbeding-ten Prozesse. Die Arbeiten müssensowohl in Installationen der virtuellenRealität vom Typ einer Cave als auchan PC-Arbeitsplätzen kostengünstigausgeführt werden können.

Als Fallbeispiel wird eine hybride Bear-beitungsanlage ausgewählt, in der dieKombination von 4 Verfahren realisiertwerden kann: Laser- und Plasma-Auf-tragschweißen, Induktionserwärmungzur Lösung ausgewählter Werkstoff-probleme sowie einer nachfolgendenFräsbearbeitung auch an kompliziertendreidimensionalen Bauteilen. Die Simu-lation kann sowohl zur Optimierungund Kontrolle der Abläufe auf real vor-handenen Anlagen bei unterschiedli-chen Bauteilen als auch zur Unterstüt-zung der Konstruktion von Anlagen-varianten eingesetzt werden.

Abb. 2: Interaktionsmöglichkeit Mensch-Maschi-ne mit einem Flystick

Abb. 1: Darstellung des zweistufigen Simu-lationsvorganges aus virtuellem Ein-gabegerät und virtueller Bearbeitungs-situation

Lösungsweg

Ausgehend von der Abschätzung derBearbeitungsparameter mit dem Simu-lationsprogramm für das Auftrag-schweißen LAVA und dem werkstoff-wissenschaftlichen Erfahrungsschatzwird für das Bauteil die Bahn berech-net. Im Fall einer Reparatur muss dasfehlende Volumen des Ist-Zustandeszum Soll-Zustand durch Schweißrau-pen aufgefüllt werden, bei der Gene-rierung eines Bauteils muss durch eineKombination des Laserpulverauftrag-schweißens mit dem Plasma-Auftrag-schweißen das Volumen aufgebautwerden. Im konkreten Fall werden dieBahnen der Schweißdüsen mit demSystem DCAM berechnet.

Über die virtuelle Nachbildung des Ein-gabegerätes auf einem Touch-Screenwird das Bearbeitungsprogramm unddie Geometrie des Bauteils eingelesen.Nach Auswahl der Anlagenkonfigura-tion werden die Steuerbefehle geparstund sofort als Aktionen in der virtuel-len Anlage ausgeführt. Der Pro-grammablauf kann im Eingabefeldgeändert und sofort wieder getestetwerden. Mit dem in Abb. 1 symbolischdargestellten Ablauf wird eine 3D-Ansicht von Anlage und Bauteilerzeugt. Das Bild kann in dieser Vari-ante des Programms beliebig gezoomtund gedreht werden. In der virtuellen



Installation besteht darüber hinaus dieMöglichkeit der interaktiven Steue-rung. Der Standpunkt des Nutzers wirdüber ein optisches Tracking ermittelt.Die Interaktionen, etwa mit einem Fly-stick leicht ausführbar, werden eben-falls durch das Tracking-System erfasstund entsprechend simuliert. Bei beidenVarianten ist der störungsfreie Ablaufdes vorbereiteten Bearbeitungsprozes-ses aus optimaler Beobachtungspo-sition bewertbar und nötigenfalls korri-gierbar.

In der Vorbereitungsphase der endgül-tigen Bearbeitung kann der Ablaufohne Blockierung teurer Maschinen-zeiten und bei Schonung von Menschund Maschine geprüft und optimiertwerden. Ein weiterer Vorteil besteht inder Schaffung eines Trainingswerk-zeugs, da die umgesetzten Anlagenty-pen und Verfahrensvarianten auchzum Erlernen der Grundfertigkeiten anrealistischen Beispielen eingesetzt wer-den können.

Ergebnisse

Programmtechnisch ist die Kopplungder 3D-Simulation mit der Berechnungvon kinematischen Prozessparameternund einer in der Simulation mitgeführ-ten Prozesskontrolle möglich. Im Bei-spiel des Auftragschweißens würdediese Kontrolle beim virtuellen Auf-bringen der Einzelraupen erfolgen. AlsErgebnis der Simulation sind Aus-gangszustand und finaler Zustand inder Abb. 3 gegenübergestellt.

Mit dem erreichten Stand ist einerhebliches Einsparpotenzial bei derProduktionsvorbereitung und der Pla-nung neuer Anlagen erreicht. Damitsind alle Möglichkeiten einer frühzeiti-gen Fehlererkennung aufgezeigt. InZusammenarbeit mit Anwendern wer-den die Funktionalitäten der Kollisions-kontrolle, einer intuitiven Bedienungund die Entwicklung graphischerWerkzeuge zur Modifizierung vonAnlagenparametern innerhalb der VR-Simulation voll ausgebaut. Der Parsergeht auf verschiedene Varianten derCNC-Programmierung ein und mussdie Vielfalt der verwendeten 3D-For-mate verarbeiten können.

Die virtuelle Technologie wurde fürdrei Anlagen im IWS realisiert, für dieFADAL-Anlage zum hybriden Laserpul-verauftragschweißen, für einenDemonstrator zum Laserstrahlhärtenund für die XXL-Anlage zum Laser-strahlschweißen großformatiger Bau-teile.

Abb. 3: Virtuelles Auftragschweißen an einemUmformwerkzeug



Aufgabenstellung

Die beim Laserstrahlschweißen auftre-tenden hohen Temperaturgradientenkönnen bei verschiedenen Werkstoffenzu Aufhärtungen, hohen Zugspannun-gen und Rissen führen. Im FraunhoferIWS wurde daher in den vergangenenJahren eine Hybridtechnologie ent-wickelt und in die Produktion einge-führt, die diese unerwünschten Be-gleiterscheinungen durch prozessinte-griertes induktives Vorwärmen vermei-det. Der dabei zur Ermittlung geeigne-ter Prozessfenster nötige experimentel-le Aufwand soll - zunächst für dieinduktive Erwärmung - mit Hilfe vonSimulationsrechnungen reduziert wer-den.

Simulation des induktiven Vorwärmens beim Laserinduktions-schweißen

Ansprechpartner

Dr. Achim MahrleTel.: 0351 / 2583 407 [email protected]

Ergebnisse

Eine berechnete Temperaturverteilungfür ein rotationssymmetrisches Bauteilaus Einsatzstahl (Abb. 1) ist in Abb. 2gezeigt, wobei die maximale Vorwär-mung im Bereich der Fügestelle durchpartielle Abschirmung mit einemmagneto-dielektrischem Spezialkunst-stoff erreicht wird. Bei gegebenerGeneratorfrequenz (f = 20 kHz) ist dieMaximaltemperatur eine Funktion derangelegten Effektivspannung Ueff undder Luftspaltbreite ∆s zwischen Induk-tor und Bauteil. Abb. 3 zeigt berech-nete Funktionsverläufe für die nach5 Sekunden Aufheizdauer eingekop-pelte Joule'sche Leistung und für dieerreichte Maximaltemperatur sowiederen zeitliche Entwicklung bei Varia-tion der Luftspaltbreite. Man beachtedie starke Abhängigkeit der Energie-einkopplung von der Induktorposition.

Lösungsweg

Das durch den Induktorstrom erzeugteMagnetfeld dringt, abhängig von derWechselstromfrequenz, in eine Rand-schicht des Werkstücks ein underzeugt dort Wirbelströme, die wieder-um den Induktorstrom modifizieren.Durch Lösung der Maxwell'schen Glei-chungen werden das resultierendeMagnetfeld, die Wirbelstromdichtever-teilung und die lokale Joule'sche Wär-meleistungsdichte als Eingangsgrößefür die anschließende Berechnung deszeitabhängigen Temperaturfeldesbestimmt.

Abb. 3: Berechnete Werte von Temperaturmaximum und Energieeinkopplung in das Bauteil- Zeitabhängigkeit der Maximaltemperatur für verschiedene Luftspaltbreiten- Abhängigkeit der nach 5 s erreichten Maximaltemperatur und der eingekoppelten

Joule'schen Leistung von der Luftspaltbreite ∆s

Abb. 2: Berechnete Temperaturverteilung imBauteil (Ueff = 25 V, f = 20 kHz, ∆s = 4 mm)

Abb. 1: Rotationssymmetrisches Referenzbauteilund Induktor


Namen, Daten und Ereignisse

Diplomarbeiten

T. Hackel(Technische Universität Dresden)"Prozessanalyse von Dünnschichttech-nologien und Herstellkostenberech-nung"

C. Kiertscher(Hochschule für Technik und Wirt-schaft Dresden (HTWD))"Laserschneiden und –markieren vonBahnmaterialien"

M. Knechtel(Berufsakademie Sachsen - StaatlicheStudienakademie Dresden)"Entwicklung und Implementierungeines Intrusion-Detection und -Preven-tion Systems zur Erkennung undAbwehr von gezielten Attacken undanormalen Ereignissen im LAN"

C. Lunow(Westsächsische Hochschule Zwickau(FH))"Charakterisierung von Laserbohrpro-zessen in Metallen durch die zeitlicheDetektion gestreuten Laserlichts mitmehreren Sensoren"

S. Mälzer(Westsächsische Hochschule Zwickau(FH))"Mikrobearbeitung von Siliziumwafernmit diodengepumptem frequenzver-dreifachtem Nd:YAG-Laser"

B. Mimler(Technische Universität Dresden)"Prozessorientierte Restruktion einesFahrzeugbauunternehmens untermarktorientierten, logistischen und fer-tigungstechnischen Gesichtspunkten"

K. Strulik(Berufsakademie Sachsen - StaatlicheStudienakademie Dresden)"Untersuchungen und Analyse zumEinsatz von Tracking-Systemen bei derSimulation von Anlagen der Laserma-terialbearbeitung in virtuellenRäumen"

Dissertationen

S. Braun(Universität Bielefeld)"Gefüge- und Grenzflächenbeschaf-fenheit von Mo/Si-Multischichten syn-thetisiert mittels Puls-Laser- undMagnetron-Sputter-Deposition"

F. Lupp(Technische Universität Dresden)"Gratfreies Microcaving vonMolybdän"

J. Hohage(Technische Universität Dresden)"Synthese von Bornitridschichten mittels PLD-Verfahren"

C. Thoma(Technische Universität Dresden)"Einfluss von Handlingsystemen beinasschemischen Prozessen auf dieRandfläche des Wafers"

D. Weber(Hochschule Mittweida (FH))"Konstruktion einer flexiblen Maschi-neneinhausung"


Prof. E. Beyer:Mitglied des Advisory Board des Euro-pean Laser Institute (ELI)

Prof. B. Brenner: Fachausschuß 9 der AWT "Rand-schichtbehandlung und Kurzzeit-austenitisierung"

Prof. B. Brenner:Mitglied Gutachterausschuss der AiF

Dr. I. Jansen:Mitglied des Industriearbeitskreises"Intlaskleb" des BMBF

Dr. R. Jäckel: Arbeitskreis "Messe- und Öffentlich-keitsarbeit" des Materialforschungs-verbundes Dresden e.V.

Dr. G. Kirchhoff: Arbeitsausschuss "Schallemissions-analyse" der DGzfP

A. Kluge: Sprecher der Rechnerbetreiber in derFraunhofer-Gesellschaft

Dr. A. Leson: Member of the International ExpertPanel for the Nanomat-Program ofNorway

Dr. A. Leson: Mitglied des BMBF-Gutachtergre-miums zum Thema Nanotechnologieund Automobilbau

Dr. A. Leson: Sprecher des Nanotechnologie-Kompe-tenzzentrums "Ultradünne funktionaleSchichten"

Dr. A. Leson: Kuratoriumsmitglied der Zeitschrift"Vakuum in Forschung und Praxis"

Dr. A. Leson: Mitglied des Arbeitskreises Zukunfts-technologien der Stadt Dresden

Dr. A. Leson:Mitglied des Wissenschaftlichen Beiratsdes Vereins Deutscher Ingenieure

Vorlesungen

Vorlesungen am Institut für Ober-flächentechnik und Fertigungsmess-technik der TU Dresden imWintersemester 2003 / 2004:- Prof. Beyer: Fertigungstechnik II

(Oberflächen- und Schichttechnik) - Prof. Schultrich: Dünnschichttechno-

logie (Sonderwerkstoffe) - Dr. Leson, Prof. Beyer: Oberflächen-

technik / Nanotechnologie - Prof. Beyer: Rapid Protocoating

Vorlesung am Institut für Ober-flächentechnik und Fertigungsmess-technik der TU Dresden im Sommersemester 2004:- Prof. Beyer: Lasergrundlagen / Laser-

systemtechnik - Prof. Beyer: Praktikum Lasersicher-

heits- und Laserverfahrenstechnik

Vorlesungen am Institut für Ober-flächentechnik und Fertigungsmess-technik der TU Dresden imWintersemester 2004 / 2005:- Prof. Beyer: Laser und Plasmen in der

Oberflächen- und Mikrotechnik (Produktionstechnik und Wirtschafts-ingenieure)

- Prof. Beyer: Plasmen in der Ferti-gungstechnik (Mechatronik)

- Prof. Schultrich: Dünnschichttechno-logie (Sonderwerkstoffe)

- Dr. Leson, Prof. Beyer: Oberflächen-technik / Nanotechnologie

- Prof. Beyer: Rapid Protocoating

Vorlesung an der Hochschule für Tech-nik und Wirtschaft Dresden:- Dr. Nowotny, Prof. Schultrich:

Lasermaterialbearbeitung - Dr. Nowotny: Oberflächenver-

edlungs- und Wärmebehandlungs-technik


Mitarbeit in Gremien

Prof. E. Beyer: Mitglied des Präsidiums der Fraun-hofer-Gesellschaft

Prof. E. Beyer: Sprecher des Fraunhofer-VerbundesOberflächentechnik und Photonik

Prof. E. Beyer: Direktor des Institutes für Oberflächen-technik und Fertigungsmesstechnik IOFder TU Dresden

Prof. E. Beyer: Vorsitzender der Arbeitsgemeinschaft"Ingenieurwissenschaften" sowie Mitglied des Vorstands der Wissen-schaftlichen Gesellschaft für Laser-technik WLT e.V.

Prof. E. Beyer:Mitglied des Materialforschungs-verbundes Dresden e.V.

Prof. E. Beyer:Mitglied der Sachsenberg-Gesellschafte.V.

Prof. E. Beyer:Mitglied des Bundesverbandes mittel-ständische Wirtschaft e.V.

Prof. E. Beyer:Kurator der Palucca Schule Dresden -Hochschule für Tanz

Prof. E. Beyer:Mitglied der Europäischen Forschungs-gesellschaft "Dünne Schichten" e.V.

Prof. E. Beyer:Mitglied des Kompetenzzentrums"Luft- und Raumfahrttechnik Sachsene.V."

Prof. E. Beyer:Mitglied des Universitären Zentrumsfür Luft- und Raumfahrt (UZLR)der TU Dresden



Dr. A. Leson:Vorsitzender des VDI-KompetenzfeldesNanotechnik

Dr. A. Leson:Mitglied des International AdvisoryBoard der Zeitschrift "Micromaterialsand Nanomaterials"

Dr. A. Leson, Dr. H.-J. Scheibe, Prof. B. Schultrich:, Arbeitskreis Plasmaoberflächen-technologie

Dr. S. Nowotny: DVS-Arbeitsgruppe V9.2 / AA 15.2"Laserstrahlschweißen und verwandteVerfahren"

Dr. S. Nowotny:Gemeinschaft Thermisches Spritzen(GTS) e.V.

Prof. B. Schultrich: Vorstandsmitglied der Europäischen For-schungsgesellschaft "Dünne Schichten"e.V.

Dr. A. Techel, Dr. S. Nowotny: VDI-Arbeitsgruppe "Rapid Prototyping"im VDI-Bezirksverein Dresden

Dr. B. Winderlich: Arbeitsgruppe "Festigkeit und Konstruktion" des DVS-BV Dresden

Herr Wittig erhält eine Anerkennung für seinbesonderes Engagement beim Anbau

Dr. Kirchhoff erhält den Institutspreis für diebeste innovative Produktidee

Preise des IWS 2004

1. Beste innovative Produktidee

Herr Dr. Kirchhoff"Lebensdaueruntersuchungen anKomponenten von Raketentrieb-werken"

Herr Sonntag"Akquisition und Aufbau der Arbeitsrichtung Laseranwendungenin der Biotechnologie"

2. Beste wissenschaftlich-technische Leistung

Herr Liebscher, Herr Hennig,Herr Dr. Standfuß, Herr Dr. Pollack

"Aufbau und Inbetriebnahme der XXL-Laserstrahlschweißanlage zumbeidseitig-gleichzeitigen Laserstrahl-schweißen"

3. Beste wissenschaftliche Leistung eines Nachwuchswissenschaftlers

Herr Hutsch"Möglichkeiten und Grenzen des Lasers bei der Reinigung von metal-lischem Kunst- und Kulturgut aus Kupfer und Kupferverbindungen"

4. Sonderpreis

Herr Dr. Wiedemann"Anwendung der Lasertechnologiein der Restaurierung und Denkmal-pflege - insbesondere der Einsatzder Laserreinigung"

Herr Wittig"Anerkennung für besondere Leis-tungen während der gesamten Anbauphase"


Podiumsdiskussion zum 5. Hochleistungsdioden-laser-Workshop


Demonstration im Fraunhofer IWS zur Tagungdes Internationalen Rohbauexpertenkreises

Besondere Ereignisse

01. Januar 2004 Ausgründung der Arc Precision GmbHaus dem Fraunhofer IWS

03. Juni 2004 Eröffnung der Erweiterungsbauten dervier IZD-Institute

07. - 09. Juni 2004 Laser Summerschool der Wissenschaft-lichen Gesellschaft für Lasertechnik e.V.in Dresden (Mitorganisator: FraunhoferIWS)

25. Juni 2004 Offizielle Inbetriebnahme der XXL-Laserstrahlschweißanlage

08. Juli 2004 Teilnahme an der Zentralveranstaltung"Leuchtzeichen - Optik & Elektronik"im Rahmen des Jahres der Technik im Internationlen KongresszentrumDresden

02. - 04. September 2004 Beteiligung am Ideenpark von Thyssen-Krupp

20. - 21. September 2004 International Open House

23. September 2004 Tagung des Internationalen Rohbauex-pertenkreises im IWS

21. - 22. Oktober 2004 5. Workshop "Industrielle Anwendun-gen von Hochleistungs-Diodenlasern"

09. - 10. November 2004 "Neue Rapid-Technologien auf demWeg in die Produktion - Erfahrungsberichte und Entwicklungs-trends", Abschlusspräsentation derBMBF-Projekte

23. - 24. November 2004 3. Internationales Nanotechnologie-Symposium "Nanofair - Neue Ideen fürdie Industrie" in Karlsruhe

30. November 2004 5. Fachsymposium Oberflächentechnikim Dortmunder OberflächenCentrumder ThyssenKrupp Stahl AG

Surface Engineering und Nanotechno-logie (SENT)

Unter dieser Bezeichnung, die dieBedeutung nanotechnologischerAspekte für die moderne Dünnschicht-technologie ausdrückt, startete dasIWS in Zusammenarbeit mit der TUDresden Weiterbildungskurse zur indu-striellen Dünnschichttechnologie. Siewerden sowohl als allgemeine Kurseim IWS als auch als speziell angepassteVeranstaltungen bei den Unternehmendurchgeführt.

26. - 29. Oktober 2004 "Herstellung und Anwendung dünnerSchutzschichten"

23. - 24. November 2004"Sputtern und Vakuumbogen-beschichtung"

07. - 09. Dezember 2004"Charakterisierung dünner Schichten"

Demonstration des neuen AnlagenkonzeptespcPro

® in der Technikumshalle des IWS zurAbschlusspräsentation der BMBF-Projekte


Messebeteiligungen

Messe Learntec 2004 Karlsruhe, 10. - 13. Februar 2004

Unter dem Motto "Wissen & Transfer -Fraunhofer-eQualification" präsentier-ten sich 11 Institute der Fraunhofer-Gesellschaft in Karlsruhe. Die Arbeits-gruppe Multimedia beteiligte sich inZusammenarbeit mit anderen Gruppendes IWS zum zweiten Mal an dieserMesse. Vorgestellt wurden an PC-Arbeitsplätzen:- CD-ROM "Laserlexikon" und

CD-ROM "Lasersicherheit", - eLearning-Produkte: "Hybride Laser-

strahlschweißverfahren" und"Beschichtungstechnik".

Hannover-Messe Industrie 2004, 19. - 24. April 2004

Im Rahmen des Gemeinschaftsstandes"Laser Technology" präsentierte dasIWS in Halle 15 - Micro Technology -auf einer 60 m2 großen Fläche neuesteErgebnisse angewandter Forschungauf dem Gebiet der Lasermaterial- undMikrobearbeitung. Bereits zum wieder-holten Mal waren auf dem Stand desIWS auch Partnerfirmen vertreten;zusammen mit den Firmen ALOtecGmbH Dresden und Linde AG Mün-chen wurden Ergebnisse gemeinsamerForschungsprojekte gezeigt.

Aller zwei Jahre, so auch im Jahr 2004,bildet die Oberflächentechnik einenThemenschwerpunkt der Hannover-Messe. Aus diesem Anlass präsentiertedas IWS im Rahmen des VDI-Gemein-schaftsstandes "SurfPlaNet" auf einer50 m2 großen Fläche in der Halle 5

neueste Ergebnisse angewandter For-schung auf dem Gebiet der Ober-flächentechnik. Gezeigt wurden dia-mantähnliche Kohlenstoffschichten Dia-mor® für Zerspanungs- und Umform-werkzeuge, der neue LaserArc®-Modulmit einer Beschichtungslänge von400 mm, das neue Infrarot-Spektrome-ter für große Proben IRspecXL und dieVerfahrenskombination des laserunter-stützten Plasmaspritzens zur Erzeugunghaftfester Schichten mit sehr hoherProduktivität. Neben dieser IWS-Präsen-tation zeigte das Nanotechnologie-Kompetenzzentrum "Ultradünne funk-tionale Schichten", welches vom IWSkoordiniert wird, Anwendungen undProdukte der Nanotechnologie, die vonden Mitgliedern des Zentrums zur Ver-fügung gestellt wurden.

Gleichzeitig beteiligte sich das Fraunho-fer IWS Dresden im Rahmen der Fraun-hofer-Allianz "Transparenter Kratz-schutz" am Fraunhofer-Gemeinschafts-stand Oberflächentechnik in Halle 5.

Die Richtigkeit der Entscheidung, diePräsentationen des IWS auf der Hanno-ver-Messe 2004 zu erweitern, wurdedurch ca. 240 relevante Kundenkontak-te bestätigt.

Internationale Luft- und Raumfahrt-ausstellung Berlin 2004, 10. - 16. Mai 2004

Im Rahmen des Gemeinschaftsstandesdes Kompetenzzentrums Luft- undRaumfahrttechnik Sachsen / Thüringene.V. beteiligte sich das IWS erstmals ander ILA auf dem Gelände des Schöne-felder Flughafens. Vorgestellt wurdenTechnologieentwicklungen zum Laser-strahlschweißen von Flugzeugrumpf-strukturen, der Aufbringung hitzebe-ständiger Schichten sowie der Charak-terisierung der mechanischen, thermi-schen und tribologischen Eigenschaftenvon laserbehandelten luftfahrt-relevanten Bauteilen.

109


Besuch des Bundesstaatssekretärs Staffelt amStand des Kompetenzzentrums Luft- und Raum-fahrttechnik Sachsen / Thüringen e.V. währendder Internationalen Luft- und RaumfahrtmesseBerlin

Präsentation des Fraunhofer IWS auf der Hannover-Messe 2004


Materialica München 2004, 21. - 23. September 2004

Im Rahmen des Gemeinschaftsstandes"Forschung für die Zukunft" präsen-tierte die Gruppe Klebtechnik neuesteErgebnisse zur Klebflächenvorbehand-lung mittels Plasma- und Lasertechnik.Vorteile dieser Methoden sind dieberührungslose und partielle Fügeteil-behandlung, eine gute Integrierbarkeitin Produktionsprozesse sowie die öko-logische Unbedenklichkeit. Es wurdenExponate zur partiellen Vorbehandlungvon Magnesium, Aluminium und faser-verstärkten Kunststoffen aus denBereichen der Automobil- und Luft-fahrtbranche gezeigt.

Powder Metallurgy World Congressand Exhibition 2004 Wien, 17. - 21. Oktober 2004

Die Abteilung Thermische Beschich-tungsverfahren präsentierte ihr Leis-tungsspektrum mit den Schwerpunk-ten Thermisches Spritzen, Laserauf-tragschweißen und MELATO®-Techno-logie.

Euroblech 2004 Hannover,26. - 30. Oktober 2004

Auf der Internationalen Technologie-messe für Blechbearbeitung Euroblech2004 beteiligte sich das IWS zumzweiten Mal. Gezeigt wurden neueschweißtechnologische Lösungen fürdie Verwendung der Leichtbauwerk-stoffe Aluminium und Magnesium(u. a. laserstrahlgeschweißter Lande-klappendemonstrator für Flugzeuge,neuartige Al-Leichtbautür für PKW)sowie neue Verfahren zum Ver-schweißen höchstfester Karosseriefein-bleche. Zweiter Schwerpunkt war dasMELATO®-Verfahren zur schnellenHerstellung von Umformwerkzeugen,wo erstmals eine durchgängige Auto-matisierungslösung für das Schneiden,

Paketieren und Fügen von Stahlblech-Ausschnitten präsentiert wurde. Eskonnten viele neue Kontakte zu An-wendern aufgebaut werden.

Parts2clean Friedrichshafen,26. - 28. Oktober 2004

Das IWS präsentierte auf dieser Messeeine Lösung zur partiellen Reinigungvon Bauteilen mittels Laserstrahlen. Diebesonderen Merkmale sind die Inte-gration des Reinigungsschrittes in dieautomatisierte Fertigung, die Realisie-rung kurzer Taktzeiten, die Möglich-keit der Reinigung der für den Folge-arbeitsschritt notwendigen Funktions-flächen an Bauteilen im vormontiertenZustand sowie der Verzicht auf Löse-mittel bzw. anderweitige Reinigungs-medien. Am Beispiel der Abreinigungvon Kühl- und Schmierstoffrestensowie von Konservierungsmitteln imFügestellenbereich vor dem Laser-strahlschweißen wurde die Lösung vor-gestellt.

Das Fraunhofer IWS stellte außerdemeine Messmethode der FTIR-Spektro-skopie vor, die berührungslos und zer-störungsfrei arbeitet und keinerlei Pro-benpräparation erfordert. Die Messungkann bei Bedarf in bestehende Prozes-se integriert und damit auch für dieOnline-Qualitätskontrolle eingesetztwerden. Die FTIR-Spektroskopie istauch an großen Bauteilen und Flächenproblemlos anwendbar. Mit derMethode können sowohl organischeals auch anorganische Verschmutzun-gen nahezu unabhängig vom Unter-grund detektiert werden. Interessantist sie für alle Branchen, in denen Bau-teile gereinigt und die Ergebnisse kon-trolliert werden müssen. Erfahrungsaustausch auf dem Stand des Fraun-

hofer IWS auf der Euroblech 2004

Präsentation des Fraunhofer IWS auf der Materialica 2004

Reger Gedankenaustausch am Stand des Fraun-hofer IWS auf der Materialica 2004


Euromold 2004 Frankfurt/Main,01. - 04. Dezember 2004

An der Branchenmesse zum Formen-,Modell- und Werkzeugbau sowie zurGießereitechnik beteiligte sich das IWSbereits zum neunten Mal. Auf demFraunhofer-Gemeinschaftsstand derAllianz Rapid-Prototyping wurden Er-gebnisse aus dem Projekt "MELATO®"vorgestellt, welches das Ziel verfolgt,eine neue Prozesskette zur schnellenFertigung von komplex geformtenWerkzeugen von bis zu 1,5 m Kanten-länge zu entwickeln. Die gezeigtenPräge- und Umformwerkzeuge wurdennach dem Prinzip des LOM-Verfahrens(Laminated Object Manufacturing) her-gestellt. Zentrales Objekt des Fraunho-fer-Standes war die kleine AnlagepcPro

® für ein hochgenaues Rapid-Pro-totyping von Gussteilen, die erstmalsder Öffentlichkeit präsentiert wurde.Durch die Integration des Gießverfah-rens in eine Fräsmaschine ist die Fertigung der Werkzeughälfte und un-mittelbar im Anschluss die Komplett-bearbeitung des Bauteiles in einer Auf-spannung möglich. Der hohe Automa-tisierungsgrad ermöglicht eine erhebli-che Produktivitätssteigerung bei hoherFlexibilität und Bauteilqualität. Anwen-dungspotenzial für die neue Verfah-renskombination wird in allen Berei-chen gesehen, wo Kunststoffteile zumEinsatz kommen.

Denkmal 2004 Leipzig,27. - 30. Oktober 2004

Das Laserstrahlreinigen von kultur-historisch wertvollen Objekten ausMetall, Holz und Stein wurde auf die-ser europäischen Branchenmesse fürDenkmalpflege und Stadterneuerunggezeigt. Präsentiert wurde beispiels-weise ein lasergereinigter Messing-Put-to aus den Herrenhäuser Gärten inHannover, eine Arbeit im Rahmeneines von der DBU geförderten For-schungsprojektes.

GlassTec 2004 Düsseldorf,08. - 13. November 2004

Das Fraunhofer IWS nahm in diesemJahr an einem Gemeinschaftsstandzusammen mit den beiden großenLaserherstellern Coherent Inc. undLambda Physik an der Glasmesse"GlassTec" in Düsseldorf teil. DasInteresse der in diesem Jahr ca. 54 000äußerst zahlreichen Besucher lag zueinem großen Teil auf den neuen Themengebieten "Lasertechnologie"und "Dünne Spezialgläser", zu denenauch das Fraunhofer IWS mit einerAnlage zur schädigungsfreien Markie-rung von Glas auf Basis eines scanner-gekoppelten Excimerlasers präsentwar.

Darüber hinaus wurden auf dem Standder Firma KL-Beschläge Ergebnisse derGemeinschaftsforschung unseres Insti-tuts mit dieser Firma, der Firma Delound dem Institut für Baukonstruktionder TU Dresden auf dem Gebiet deskonstruktiven Glasbaus gezeigt.


Hannover-Messe 2004: Oberflächentechnik alsGrundlage für innovative Anwendungen

Vom Fraunhofer IWS auf der GlassTec 2004 prä-sentiert: laserstrahlgeschnittene Blitzlampen-Rohlinge



Patentanmeldungen

[P1] E. Beyer, L. Morgenthal, V. Fleischer, A. Klotzbach

"Vorrichtung und Verfahren zur Bearbei-tung von Werkstücken mittels Laserstrah-lung"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 045 408.6

[P2] B. Brenner, S. Bonß, F. Tietz, J. Kaspar, W. David

"Verfahren zur Herstellung von ver-schleißbeständigen und ermüdungsre-sistenten Randschichten in Titan-Legie-rungen und damit hergestellte Bauteile"

Anmelde-Az.: 10 2004 033 342.4/24

[P3] B. Brenner, B. Winderlich, J. Standfuß, J. Schumacher, H. Brenneis, W. Zink

"Leichtbau-Strukturbauteil insbesonderefür Flugzeuge und Verfahren zu seinerHerstellung"

Anmelde-Az.: EP 04000743.7


"Leichtbau-Strukturbauteil insbesonderefür Flugzeuge und Verfahren zu seinerHerstellung"

Anmelde-Az.: JP 2004-9796


"Lightweight structural component inparticular for aircraft and method for itsproduction"

Anmelde-Az.: US 10/757,419


"Lightweight structural component inparticular for aircraft and method for itsproduction"

Anmelde-Az.: CA 2,455,791

[P7] I. Dani, W. Grählert, G. Mäder, V. Hopfe

"Vorrichtung und Verfahren zur opti-schen Detektion von in Abgasen chemi-scher Prozesse enthaltenen Stoffen"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 028 420.2-52

[P8] R. Dietsch, H. Borrmann, T. Holz

"Monochromatisierende röntgenoptischeAnordnung"

Anmelde-Az.: EP 044000400.4

Patente und Marken

[P9] T. Himmer, A. Techel

"A device and a method formanufacturing three-dimensional component parts"

Anmelde-Az.: US 10/794,936

[P10] G. Mäder, V. Hopfe, D. Rogler

"Modul und Verfahren für die Modifizie-rung von Substratoberflächen beiAtmosphärenbedingungen"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 015 216.0-45

[P11] L. Morgenthal, A. Klotzbach, T. Schwarz, J. Hauptmann, R. A. Gnann, A. van Spankeren

"Vorrichtung und Verfahren für eineBearbeitung großflächiger Bearbeitungs-bereiche von Werkstücken mittels Laser-strahlung"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 007 541.7-34

[P12] L. Morgenthal, T. Schwarz, F. Kretz-schmar, D. Pollack, S. Thalheim

"Vorrichtung und Verfahren zur Bestim-mung des Abstandes zwischen einerReferenzebene und einer Substratober-fläche"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 002 253.4-54

[P13] D. Rogler, G. Mäder, V. Hopfe

"Verfahren und Vorrichtung zur Ausbil-dung dünner Schichten aus Siliziumni-trid auf Substratoberflächen"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 015 217.9-45

[P14] A. Techel, R. A. Gnann

"Metallbauelement"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 032 084.5

[P15] A. Techel, R. A. Gnann

"Metallische Verbundbauteile"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 032 088.8

[P16] A. Techel, T. Himmer

"Verbundelement aus Metall, mit mindestens einem Temperierkanal"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 032 085.5

[P17] C. Wallenhauer

"Schaltungsanordnung zur Reduzierungvon Messfehlern analoger pulsförmigerMesssignale eines Detektors"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 004 260.8-52

[P18] V. Weihnacht, B. Schultrich, P. Siem-roth, T. Mühl

"Element mit strukturierter Oberflächesowie Verfahren zu seiner Herstellung"

Anmelde-Az.: DE 10 2004 011 363.7-54

Marken

[P26] "IRspec XL"

Anmelde-Az.: DE 3705266

[P27] "pcPro"

Anmelde-Az.: US 78/481,473Veröffentlichungs-Nr.: DE 304 17 000

[P28] "spARC"

Veröffentlichungs-Nr.: DE 304 38 694

Patenterteilungen

[P19] E. Beyer, S. Nowotny, S. Scharek

"Method for producing shaped bodiesor applying coatings"

Veröffentlichungs-Nr.: US 6,744,005

[P20] B. Brenner, V. Fux

"Verfahren zur Erzeugung von ver-schleißbeständigen Randschichten mit-tels Laser"

Veröffentlichungs-Nr.: EP 1285 719 B1

[P21] T. Himmer

"Verfahren zum Fügen von planaren,übereinander angeordneten Laminatenoder Laminatpaketen oder Laminarbau-teilen durch Laserstrahlschweißen"

Veröffentlichungs-Nr.: DE 102 11 511 C1

[P22] T. Himmer, A. Uelze

"Vorrichtung und Verfahren zur Herstel-lung von Laminatbauteilen"

Veröffentlichungs-Nr.: DE 102 10 420 B4

[P23] L. van Loyen, T. Böttger, S. Braun, H. Mai

"Vorrichtung zur Erzeugung eines ge-pulsten Plasmas innerhalb einer Vakuum-kammer mittels eines Festkörpertargets,mit mindestens einer Debris-Blende"

Veröffentlichungs-Nr.: DE 102 33 567 C2

[P24] H. Mai, S. Braun

"Optisches System mit einer Strahlungs-quelle für elektromagnetische Strahlungim extremen ultravioletten Bereich undeinem reflektierenden Element"

Veröffentlichungs-Nr.: DE 102 21 116 B3

[P25] H.-J. Scheibe, C.-F. Meyer

"Electric resistance element, which canbe electromechanically regulated"

Veröffentlichungs-Nr.: US 6,788,187

113Fraunhofer IWS Jahresbericht 2004

[L01] L.-M. Berger

"Hardmetal Coatings by Thermal Spray-ing - Compositions, Processes, Propertiesand Applications"

Euro PM2004, World Powder MetallurgyCongress (2004)

[L02] L.-M. Berger

"Titanium Oxide - New Opportunities foran Estabilished Coating Material"

Thermal Spray Solutions - ITSC 2004,Part: Photocatalytic Materials (2004)

[L03] L.-M. Berger, M. Woydt, S. Zimmermann,H. Keller, G. Schier, R. Enzl, S. Thiele

"Tribological Behavior of HVOF-SprayedCr3C2-NiCr and TiC-Based CoatingsUnder High-Temperature Dry SlidingConditions"

Thermal Spray Solutions - ITSC 2004,Part: HVOF-Processes and Materials (I)(2004)

[L04] E. Beyer

"Latest Developments in TransmissionLaser Welding"

Automotive Laser Application Workshop- ALAW (2004)

[L05] E. Beyer


12th Annual Automotive Laser Applicati-on Workshop - ALAW (2004)

[L06] S. Beyer, S. Ferrara, J. Hauptmann, H. Janssen, G. Kirchhoff, J. Rösing, S. Schmidt

"Metall-Keramik-Verbindungstechnikenim Bereich Raumfahrt-Antriebe"

Verlag für Schweißen und verwandteVerfahren (2004)

[L07] E. Beyer, H.-J. Scheibe, B. Schultrich, V. Weihnacht

"Deposition Technology, Tribological Pro-perties and Applications of SuperhardAmorphous (ta-C) Carbon Films"

THE Coatings (2004) S. 79-91

[L08] E. Beyer, H.-J. Scheibe, B. Schultrich, V. Weihnacht

"Laser-assisted deposition of superhardcarbon coatings"

The Industrial Laser User, Issue 36 (2004)

[L09] S. Bonß, B. Brenner, H.-J. Scheibe, E. Beyer

"Laser Gas Alloying of Titanium - ProcessTechnology and Wear Test Results"

10th World Conference Titanium - Ti-2003 (2004) S. 993-1000

[L10] S. Braun, B. Bendjus, T. Foltyn, M. Menzel, J. Schreiber, A. Leson

"Smoothing of Substrate Roughness byCarbon-Based Layers Prepared by PulsedLaser Deposition (PLD)"

Advances in Mirror Technology for X-Ray, EUV Lithography, Laser, and OtherApplications II (Proc. of the SPIE 5533)(2004) S. 75-84

[L11] S. Braun, B. Bendjus, T. Foltyn, M. Menzel, J. Schreiber, D. Weißbach

"Carbon Buffer Lasers for SmoothingSubstrates of EUV and X-Ray MultilayerMirrors"

Testing, Reliability, and Application ofMicro- and Nano-Material Systems II(Prof. of the SPIE 5392)(2004) S. 132-140

[L12] S. Braun, T. Böttger, T. Foltyn, L. van Loyen, A. Leson

"High-Reflection Optics and High-Preci-sion Metrology for Extreme Ultraviolet(EUV) Light"

Nanofair (2004)

[L13] B. Brenner, E. Beyer, S. Nowotny

"Overview of Hybrid Technology"

1st Pacific International Conference onApplication of Lasers and Optics, Mel-bourne 19.-21. April 2004, Tagungsband

[L14] B. Brenner, J. Standfuß, A. Jahn, D. Dittrich, A. Zwick

"Neue verfahrenstechnische Lösungenzum Laserstrahlschweißen für den Karos-seriebau"

22. Fachtagung "Prozesskette Karosse-rie", Dresden, 21.-23. September 2004,Tagungs-CD

[L15] B. Brenner, J. Standfuß, L. Morgenthal,D. Dittrich, V. Fux, B. Winderlich, H. Brenneis, W. Zink, J. Hackius, J. Held,W. Schwabe

"Neue technologische Aspekte des Laser-strahlschweißens von Flugzeug-strukturen"

Schweißen und Löten im Luft- undRaumfahrzeugbau: moderne Anwendun-gen und Werkstoffe in Neufertigung undInstandhaltung,DVS-Berichte, DVS-Verlag Düsseldorf 299 (2004) S. 19-24

[L16] C. Casiraghi, A. C. Ferrari, J. Robertson,R. Ohr, M. v. Gradowski, D. Schneider,H. Hilgers

"Ultra-Thin Carbon Layer for High Densi-ty Magnetic Storage Devices"

Diamond and Related Materials13 (2004) 4-8, S. 1480-1485

[L17] D. H. C. Chua, K. B. K. Teo, T. H. Tsai,W. I. Milne, D. Sheeja, B. K. Tay, D. Schneider

"Correlation of Surface, Mechnical andMicroproperties of Tetrahedral Amor-phous Carbon Films Deposited underDifferent Magnetic Confinement Condi-tions"

Applied Surface Science221 (2004) 1-4, S. 455-466

[L18] T. Chudoba, M. Griepentrog, A. Dück,D. Schneider, F. Richter

"Young's Modulus Measurements onUltra-Thin Coatings"

Journal of Materials Research 19 (2004)1, S. 301-304

[L19] D. Deutscher, J. Hauptmann

"Rutschhemmende Ausrüstung polierterFußbodenbeläge"

Bundesinnungsverband des DeutschenSteinmetz-, Stein- und Holzbildhauer-handwerks, Vortragsreihe, BBZ Mainz(2004)

[L20] D. Deutscher, J. Hauptmann

"Rutschhemmende Ausrüstung polierterFußbodenbeläge"

Bundesinnungsverband des DeutschenSteinmetz-, Stein- und Holzbildhauer-handwerks, Vortragsreihe, BBZ Ingolstadt (2004)

[L21] R. Dörfler, I. Jansen, J. Müller, E. Beyer

"Adhesives for specific requirements inproduction of MST-components"

In: G. Köhler et. al. (eds), ProductionTechniques for Application specificMicrosensors, Shaker Verlag, Aachen,(2004) S. 206

[L22] T. Foltyn, S. Braun, P. Gawlitza, A. Leson, K. Bergmann, W. Neff, K. Walter

"Design and Development of an OpticalSystem for EUV-Microscopy"

Advances in Mirror Technology for X-Ray, EUV Lithography, Laser, and OtherApplications II (Proc. of the SPIE 5533)(2004) S. 37-46

Veröffentlichungen

[L23] R. Franke, B. Brenner, V. Ulbricht, W. Zinke

"Schadenstoleranzverhalten von laserge-schweißten integralen Rumpfstrukturen"

DVM-Bericht 236 "Fortschritte derBruch- und Schädigungsmechanik", S. 11-26 (2004)

[L24] P. Gawlitza

"Innenbeschichtung von EUV-Kollekto-ren"

Photonik 5 (2004)

[L25] P. Gawlitza, K. Jacob, T. Sebald, S. Beyer, A. Leson

"Tailored Internal Coating of Compo-nents by PLD and Pulsed Laser Evapora-tion"

Applied Physics A 79 (2004) 4-6, S. 1043-1046

[L26] M. Guenther, G. Gerlach, G. Suchaneck,D. Schneider, B. Wolf, A. Deineka, L. Jastrabik

"Physical Properties and Structure ofThin Conducting Ion-Beam ModifiedPolymer Films"

Macromol. Symp., 212 (2004) S. 245-250

[L27] J. Hannweber, S. Bonß, B. Brenner, E. Beyer

"Integrated Laser System for Heat Treat-ment with High Power Diode Laser"

23rd International Congress on Applica-tions of Lasers and Electro-Optics", SanFrancisco, USA, 4.-7. Oktober 2004,Conference Proceedings


"Prozesskette Integrierte Härterei -Laserstrahlhärten als Facharbeiterpro-zess"

5. Workshop "Industrielle Anwendun-gen von Hochleistungs-Diodenlasern"Dresden, 21.-22. Oktober 2004,Tagungs-CD


"Ortsaufgelöst messendes Temperaturer-fassungssystem für die Lasermaterialbe-arbeitung"


[L30] J. Hauptmann, A. Klotzbach, U. Stamm

"Laserreinigung verbessert Laser-schweißen von Getriebebauteilen"

Photonik, 3 (2004) S. 16

[L31] J. Hauptmann, C. Kündscher

"Rutschhemmende Ausrüstung vor Ortmittels mobiler Laseranlage"

Architektur, 7 (2004) S. 10 - 12

[L32] T. Himmer, A. Techel, S. Nowotny

"Metal Laminated Tooling - A Quick andFlexible Tooling Concept"

Proceedings of the 23rd InternationalCongress on Applications of Lasers andElectro-Optics (2004)

[L33] A. Jahn, B. Brenner, B. Winderlich

"Induktiv unterstütztes Laserstrahl-schweißen von Strukturen aus höher-festen Feinblechen"

Strahltechnik (2004) S. 46-52

[L34] A. Jahn, B. Winderlich, A. Zwick, R. Imhoff, B. Brenner

"Laserstrahlhybridschweißen schwin-gend belasteter Bauteile aus dem hoch-festen Feinkornbaustahl S1100QL"

DVS-Berichte, DVS-Verlag Düsseldorf232 (2004) S. 283-288

[L35] I. Jansen, D. Schneider, E. Beyer

"Laser-acoustic method for determiningYoung`s modulus of bondlines"

7th European Adhesion Conference,Freiburg, 5.-9. September 2004, S. 427

[L36] I. Jansen, D. Schneider, E. Beyer

"Anwendung der LAwave-Methode zurCharakterisierung von Klebschichten"

18. International Symposium, Swiss Bon-ding 04, 17.-19. Mai 2004, Rapperswil,Schweiz, P5

[L37] I. Jansen, H. Wust, R. Heymann, E. Beyer

"Vorbehandlung vor dem Kleben mitgepulster Bogenentladung"



[L38] J. Kaspar, A. Luft, S. Bonß, B. Winderlich, B. Brenner

"A Detailed Study of the MicrostructuresFormed during Laser Nitriding of Ti-6Al-4V under Different Gas Atmospheres"

10th World Conference Titanium - Ti-2003 (2004) S. 949-956

[L39] G. Kirchhoff, T. Göbel, H.-A. Bahr, H. Balke, K. Wetzig, K. Bartsch

"Damage Analysis for Thermally Cycled(Ti, Al)N Coatings-Estimation of Strengthand Interface Fracture Thoughness"

Surface and Coatings Technology179 (2004) 1, S. 39-46

[L40] D. Klaffke, H.-J. Scheibe, V. Weihnacht

"Tribological Characterisation of CarbonCoatings at Room Temperature; Effectof Counter-Body Material and Humidity"


[L41] U. Klotzbach, S. Mälzer, T. Kuntze, M. Panzner, M. Dötschel, F. Sonntag, E. Beyer

"Influence of Gas on Cutting Siliconwith Solid State Laser"

Photon Processing in Microelectronicsand Photonics III (Proc. of the SPIE 5339)(2004) S. 488-493

[L42] T. Kuntze, U. Klotzbach, E. Beyer

"Excimer Laser Turning Flexible: VariableMarking with Micromirror Devices"

Photon Processing in Microelectronicsand Photonics III (Proc. of the SPIE 5339)(2004) S. 518-523

[L43] M. Leonhardt, D. Schneider, J. Kaspar,S. Schenk

"Characterizing the Porosity in Thin Tita-nium Films by Laser-Acoustics"

Surface and Coatings Technology185 (2004) 2-3, S. 292-302

[L44] V. A. Lopota, G. A. Turichin, E. A. Valdaitseva, E. Beyer, S. Völlmar

"Maragoni Convection in the Rear Partof Melting Pool in Keyhole Laser Wel-ding"

Laser-Assisted Micro- and Nanotechno-logies 2003 (Proc. of the SPIE 5399)(2004) S. 204-211

[L45] L. van Loyen, T Böttger, S. Schädlich, S. Braun, T. Foltyn, A. Leson, F. Scholze,S. Müllender

"Laboratory LPP EUV Reflectometer working with non-polarized radiation"

Applied Surface Sience (2004)

Veröffentlichungen


[L46] A. Mahrle, D. Lepski, E. Beyer

"Controlling Weld Geometry DuringHeat Conduction Mode Laser BeamWelding by Surface Active Elements"

17th Meeting on Mathematical Model-ling of Materials Processing with Lasers -M4PL17 (2004)

[L47] S. Martens, C. Kleemann, V. Weihnacht,L.-M. Berger, R. Zieris, I. Schulz

"Ceramic Coatings"

COST 532 Conference, Triboscience andTribotechnology (2004) S. 240-249,

[L48] M. Menzel, D. Weißbach, P. Gawlitza,R. Dietsch, A. Leson

"Deposition of High-Resolution Carbon /Carbon Multilayers on Large Areas forX-Ray Optical Applications"

Applied Physics A 79 (2004) 4-6, S. 1039-1042

[L49] M. Moss, T. Böttger, S. Braun, T. Foltyn,A. Leson

"Stress Compensation of a Mo/Si/C Hig-hly Reflective Multilayer by Means of anOptimised Buffer laser and Heat Treat-ment"

Thin Solid Films (2004) im Druck

[L50] A. Novy, G. Wiedemann

"Entfernen von Kontaminationen -Zur Reinigung in der Lebensmittelbran-che - Studie der Fraunhofer-Allianz Rei-nigungstechnik"

Fleischwirtschaft 84 (2004) 2, S. 35 - 38

[L51] S. Nowotny

"Oberflächenbeschichten und formge-bendes Auftragschweißen mit laserba-sierten hybriden Fertigungsverfahren"

Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2004, ISBN 3-8167-6656-0

[L52] S. Nowotny

"Oberflächenschutz und Werkzeug-reparaturen durch Laserstrahl-Präzisions-auftragschweißen"

Beiträge der Hochschule Pforzheim Nr.107 (2004) S. 41-53

[L53] S. Nowotny, S. Scharek, F. Kempe, A. Schmidt

"Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen:industrielle Lösungen für die Reparaturund schnelle Formänderungen vonWerkzeugen"

Tagungsband 3D Erfahrungsforum For-men- und Werkzeugbau (2004) S. 229-240

[L54] H. Paschke, T. Stucky

"Großflächen-Kohlenstoffbeschichtungam Dortmunder OberflächenCentrum"

Kohlenstoffschichten - tribologischeEigenschaften und Verfahren zu ihrerHerstellung (2004) Beitrag 5

[L55] L. H. Phung, H. Kleinert, I. Jansen, R. Häßler, E. Jähne

"Improvement in strength of the alumi-nium / epoxy bonding joint by modifica-tion of the interphase"

Macromol. Symp. "Reactive Polymers"(2004), S. 210, 349

[L56] K.-H. Richter, S. Orban, S. Nowotny

"Laser Cladding of the Titanium AlloyTi6242 to Restore Damaged Blades"

Proceedings of the 23rd InternationalCongress on Applications of Lasers andElectro-Optics ICALEO (2004)

[L57] S. Schmidt, S. Beyer, J. Hauptmann, G. Kirchhoff, S. Ferrara, H. Janssen, J. Rösing

"Metall-Keramik-Verbindungstechnikenim Bereich Raumfahrt-Antriebe"

Hart- und Hochtemperaturlöten und Dif-fusionsschweissen (2004) S. 118-125

[L58] J. Schreiber, S. Braun, A. Gatto, H. Schenk

"Improved Mechanical Properties ofMetallic Micro-Structures"

Testing, Reliability, and Application ofMicro- and Nano-Material Systems II(Proc. of the SPIE 5392) (2004) S. 114-122

[L59] B. Schultrich, S. Völlmar, D. Römer

"Process Simulation of Industrial Vacu-um Arc Deposition"


[L60] H. Schulz, H.-J. Scheibe, P. Siemroth, B. Schultrich

"Pulsed Arc Deposition of Super-HardAmorphous Carbon Films"

Applied Physics A 78 (2004) 5, S. 675-679

[L61] H. Schulz, V. Weihnacht, H.-J. Scheibe,B. Schultrich

"Verschleißuntersuchungen an super-harten amorphen Kohlenstoffschichten"

Materialwissenschaft und Werkstoff-technik 35 (2004) 10, im Druck

[L62] B. Schumacher, S. Wischmann, A. Zwick

"Verbesserte Laserschweißeignungdurch neuartige Zn-Mg Überzüge mitgeringer Dicke"

Fügetechnologien im Fahrzeug-Rohbau(2004)

[L63] M. Seifert, S. Bonß, B. Brenner, E. Beyer

"High Power Laser Beam Scanning inMulti-Kilowatt Range"

23rd International Congress on Applica-tions of Lasers and Electro-Optics, SanFrancisco, USA, 4.-7. Oktober 2004,Conference Proceedings

[L64] M. Seifert, S. Bonß, B. Brenner, E. Beyer

"Dynamische Strahlformung für Hochlei-stungs-Diodenlaser bis 4 kW"


[L65] A. Skopp, N. Kelling, M. Woydt, L.-M. Berger

"Thermally Sprayed TiO2-x-CoatingsUnder Mixed Lubrication and Unlubrica-ted Sliding Conditions"

Tribologie-Fachtagung (2004)

[L66] J. Standfuß, A. Klotzbach, A. Jahn, A. Mahrle, B. Brenner

"Verfahrens- und systemtechnischeAspekte zum Laserstrahlschweißen fürden Fahrzeugbau"

IIR-Fachforum "Fügetechnologien imFahrzeugrohbau" (2004)

[L67] A. Techel

"Lamellierte Werkzeuge in Formen- undWerkzeugbau - Metal Laminated Tooling- Prozesskette zur schnellen Werkzeug-fertigung (MELATO)"

wt Werkstattstechnik online94 (2004) 11-12, im Druck

[L68] P. Thomsen-Schmidt, K. Hasche, G. Ulm, K. Herrmann, M. Krumrey, G. Ade, J. Stümpel, I. Busch, S. Schädlich, A. Schindler, W. Frank, D. Hirsch, M. Procop, U. Beck

"Realization and Metrological Characte-rization of Thickness Standards below100 nm"

Applied Physics A 78 (2004) 5, S. 645-649

Veröffentlichungen


Veröffentlichungen

[L76] R. Zieris, G. Langner, L.-M. Berger, S. Nowotny, E. Beyer

"Investigation of AlSi Coatings Preparedby Laser-Assisted Atmospheric PlasmaSpraying of Internal Surfaces of Tubes"

Thermal Spray Solutions - ITSC 2004,Part: Innovative Equipment and ProcessTechnology (V) (2004)

[L77] R. Zieris, A. Schmidt

"Off-Line Programming for Spraying andLaser Cladding of Three-DimensionalSurfaces"

Thermal Spray Solutions - ITSC 2004,Part: Economics and Quality (2004)

[L69] F.-L. Toma, G. Bertrand, D. Klein, L.-M. Berger, S. Thiele

"Photocatalytic Properties of CoatingsSprayed from TiOx and Tin-2Cr2O2n-1powders by APS and VPS"

Thermal Spray Solutions - ITSC 2004,Part: Photocatalytic Materials (2004)

[L70] M. A. Uusitalo, R. Backman, L.-M. Berger, P. M. J. Vuoristo, T. A. Mäntylä

"Stability of Carbides in Chlorine-Contai-ning High-Temperature Environments"

Euro Ceramics VIII, Part 1 (2004) S. 497-500

[L71] V. Weihnacht, H. Schulz, B. Schultrich

"Tetraedrisch koordinierter amorpherKohlenstoff - Herstellung und Eigen-schaften"

Kohlenstoffschichten - tribologischeEigenschaften und Verfahren zu ihrerHerstellung (2004) Beitrag 3

[L72] G. Wiedemann, M. Schulz u.a.

"Einsatz des Laserstrahlreinigens bei derRestaurierung einer mittelalterlichenBohlenstube im Tetzelhaus zu Pirna"

Die Bohlenstube des Tetzelhauses in Pirna, Baugeschichte und Restaurierung.Herausgeber: J. Möser u. K. Milde,ISBN 80-86067-83-1

[L73] B. Wolf, A. Richter, V. Weihnacht

"Differential and Integral Hardness -New Aspects of Quantifying Load-Depth-Data in Depth-Sensing Nanoin-dention Experiments"

Surface and Coatings Technology183 (2004) 2-3, S. 141-150

[L74] M. Woydt, A. Skopp, N. Kelling, L.-M. Berger

"Tribological Characterization of Titani-um Suboxide Coatings Prepared by VPSSpraying"

Tribology of Surface Layers and Coa-tings (2004) S. 1-12

[L75] H. Wust, I. Jansen, E. Beyer

"Vorbehandlung von Magnesium mitLaserstrahlung"



Tagungsvorträge

[T01] M. Becker, H. Beese, T. Schuelke

"Thin Film Temperature Sensor Develop-ment on Cutting Tools for in-situ Tempe-rature Measurements"

47th Annual SVC Technical Conferenceand Smart Materials Symposium,Dallas / Texas (USA), 24.-29. April 2004

[T02] L.-M. Berger

"Hardmetal Coatings by Thermal Spray-ing - Compositions, Processes, Propertiesand Applications"

Powder Metallurgy World Congress &Exhibition - PM 2004, Wien (A), 17.-21. Oktober 2004

[T03] L.-M. Berger

"Titanium Oxide - New Opportunities foran Established Coating Material"

International Thermal Spray Conference& Exhibition ITSC 2004, Osaka (J), 10.-12. Mai 2004

[T04] L.-M. Berger, M. Woydt, S. Zimmer-mann, H. Keller, G. Schwier, R. En�l, S. Thiele

"Tribological Behavior of HVOF-SprayedCr3C2-NiCr and TiC-Based Coatings"

COST 532 Joint Working Group Mee-ting, Brussels (B), 19.-20. Februar 2004

[T05] L.-M. Berger, M. Woydt, S. Zimmer-mann, H. Keller, G. Schwier, R. En�l, S. Thiele

"Tribological Behavior of HVOF-SprayedCr3C2-NiCr and TiC-Based Coatingsunder High-Temperature Dry SlidingConditions"

4th International Tribology Conference,Prag (CZ), 17.-18. Juni 2004

[T06] L.-M. Berger, R. Zieris, C. Kleemann, I. Schulz, S. Martens, R. En�l

"Evaluation of applicability of thermallysprayed hardmetal coatings for surfaceprotection of gearwheels"

18th International Confertence on Sur-face Modification Technologies, SMT18Dijon (F), 15.-17. November 2004

[T07] J. Berthold, W. Hentsch, H. Hilgers, P. Siemroth, Wenzel, Köbernick

"Industrial precision deposition formicroelectronics and generation disk"

München (D), 19.-23. April 2004

[T08] J. Berthold, P. Siemroth, W. Hentsch, H. Hilgers, T. Schuelke, S. Seifried

"Industrial Precision for Microelectronicsand Next Generation Hard Disk (InvitedPresentation)"

47th Annual SVC Technical Conferenceand Smart Materials Symposium, Dallas / Texas (USA), 24.-29. April 2004

[T09] E. Beyer

"Anwendungstrends: Remote- undHybridschweißen"

Open House Rofin-Sinar Laser GmbH, Hamburg (D), 20. April 2004

[T10] E. Beyer

"High power laser applications from thephysical basics to industrial applications"

Michigan State University Seminar, Lansing / MI (USA), 23. März 2004

[T11] E. Beyer

"High power laser machining: Applications and trends in Europe"

PhAST conference, San Francisco / CA(USA), 19. Mai 2004

[T12] E. Beyer

"Lasertechnik: Zur Technischen Nutzungdes Lichts in Vergangenheit undZukunft"

Veranstaltung "Leuchtzeichen - Elektro-nik & Optik", anlässlich der "Tage derTechnik in Dresden", Dresden (D), 08. Juli 2004

[T13] E. Beyer


Automotive Laser Application WorkshopALAW 2004, Plymouth / MI (USA), 09. März 2004

[T14] E. Beyer, S. Bonß, J. Hannweber, B. Brenner

"Integrated Laser System for Heat Treat-ment with High Power Diode Laser"

Laser Materials Processing Conference -ICALEO 2004, San Francisco / CA (USA), 04.-07. Oktober 2004

[T15] E. Beyer, S. Bonß, U. Karsunke, K.-H. Richter

"Monitoring of High Power Diode LaserSheet Metal Welding"


[T16] E. Beyer, H. Scheibe, B. Schultrich, V. Weihnacht

"Deposition technology, tribological pro-perties and application of superhardamorphous (ta-C) carbon films"

4th International Conference 'THE coa-tings', Erlangen (D), 05.-07. April 2004

[T17] T. Böttger

"Combination of Parallel Beam X-RayMirrors with Crystall Monochromatorsfor Improved Angular Resolution"

Bruker AXS Einkristall- und Pulver-Diffraktometrie Anwendertreffen, Potsdam (D), 03.-05. November 2004

[T18] S. Bonß

"New Developments in Laser Beam Hardening"

International Open House, Dresden (D),20.-21. September 2004

[T19] S. Bonß, B. Brenner, E. Beyer, M. Seifert

"High Power Laser Beam Scanning inMulti-Kilowatt Range"


[T20] S. Bonß, B. Brenner, H.-J. Scheibe, E. Beyer

"Laser gas alloying of Titanium - Processtechnology and wear test results"

International Conference on Metallurgi-cal Coatings and Thin Films - ICMCTF, San Diego (USA), 19.-23. April 2004

[T21] S. Bonß, K.-H. Richter

"Sensorik beim Schweißen von Nickel-basislegierungen mit HLDL"

Industrielle Anwendungen von Hochlei-stungs-Diodenlasern, Dresden (D), 21.-22. Oktober 2004

[T22] S. Bonß, K.-H. Richter

"Laser Hybrid Welding of AdvancedHigh Strength"


[T36] P. Gawlitza

"Maßgeschneiderte Innenbeschichtun-gen mittels Puls-Laser-Deposition (PLD)"

Laser Summer School 2004, Dresden (D), 07.-09. Juni 2004

[T37] J. Hannweber, S. Bonß, B. Brenner, E. Beyer

"Prozesskette Integrierte Härterei -Laserstrahlhärten als Facharbeiterpro-zess"

Industrielle Anwendungen von Hochlei-stungs-Diodenlasern, Dresden (D), 21.-22. Oktober 2004


"Ortsauflösend messendes Temperatur-erfassungssystem für die Lasermaterial-bearbeitung"

Industrielle Anwendungen von Hoch-leistungs-Diodenlasern, Dresden (D),21.-22. Oktober 2004


"Integrated Laser System for Heat Treat-ment with High Power Laser"

23rd International Congress on Applica-tions of Lasers and Electro-Optics, SanFrancisco (USA) 04.-07. Oktober 2004

[T40] R. Häßler, I. Jansen

"Thermische Analyse dünner Schichten"

GEFTA-Jahrestagung 2004, Braun-schweig (D), 04.-06. Oktober 2004

[T41] T. Himmer

"Metal Laminated Tooling - A Quick andFlexible Tooling Concept"


[T42] V. Hopfe

"Atmospheric Pressure Plasma CVD forWide Area Coating"

16th International Vacuum Congress /International Conference Solid Surfaces,Venice, 28. Juni - 02. Juli 2004

[T43] T. Holz, D. Korytar, T. Böttger

"Impact of Coupled Parallel Beam X-RayMirrors and Channel Cut Monochroma-tors on Divergence Beam Width andMonochromacy"

DPG Frühjahrstagung 2004, Regensburg (D), 08.-11. März 2004


[T30] B. Brenner, J. Standfuß, A. Jahn, D. Dittrich, A. Zwick

"Neue verfahrenstechnische Lösungenzum Laserstrahlschweißen für denKarosseriebau"

22. Fachtagung "Prozesskette Karosse-rie", Dresden (D), 21.-23. September2004

[T31] B. Brenner, J. Standfuß, L. Morgenthal,D. Dittrich, V. Fux, B. Winderlich, H. Brenneis, W. Zink, J. Hackius, J. Held,W. Schwabe

"Neue technologische Aspekte desLaserstrahlschweißens von Flugzeug-strukturen"

Symposium "Moderne Anwendungenund Werkstoffe in Neufertigung undInstandhaltung - Schweißen und Lötenim Luft- und Raumfahrzeugbau", Inter-nationale Luft- und Raumfahrtausstel-lung, Berlin (D), 10.-16. Mai 2004

[T32] B. Brenner, J. Standfuß, U. Stamm, A. Jahn, G. Göbel, B. Winderlich

"Laserinduktionsschweißen in Forschungund Anwendung"

Innovationsforum "Hybridtechnologien -Fügetechnologien für die Zukunft", Halle, 23.-24. November 2004

[T33] W. Conrad, M. Panzner, A. Kempe

"Laserreinigung von Vergoldungen"

8. Forum "Laser in Restaurierung undDenkmalpflege", Fulda (D), 08. Oktober2004

[T34] I. Dani, V. Hopfe, D. Rogler, L. Roch, G. Mäder

"Plasma Enhanced CVD of AtmosphericPressure for Wide Area Coating on Tem-perature Sensitive Materials"

PSE, Garmisch Partenkirchen (D), 13.-17.September 2004

[T35] T. Foltyn, S. Braun, P. Gawlitza, A. Leson, K. Bergmann, W. Neff, K. Walter

"Design and Development of an OpticalSystem for EUV-Microscopy"

Advances in Mirror Technology for X-Ray, EUV Lithography, Laser, and OtherApplications II (SPIE Annual Meeting2004: Radiation Technologies), Denver /CO (USA), 02.-06. August 2004

[T23] S. Braun

"High-Reflection Optics and High-Preci-sion Metrology for Extreme Ultraviolet(EUV) Light"

Nanofair 2004, Karlsruhe (D),23.-24. November 2004

[T24] S. Braun, B. Bendjus, T. Foltyn, M. Menzel, J. Schreiber, A. Leson

"Smoothing of Substrate Roughness byCarbon-Based Layers Prepared by PulsedLaser Deposition (PLD)"

Advances in Mirror Technology for X-Ray, EUV Lithography, Laser, and OtherApplications II , (SPIE Annual Meeting2004: Radiation Technologies), Denver /CO (USA), 02.-06. August 2004

[T25] S. Braun, R. Dietsch, T. Foltyn, T. Holz,A. Leson, M. Menzel, M. Moss, D. Weißbach

"High Resolution and High ReflectanceMultilayers in the Photon Energy Range900-1800 eV"

7th International Conference on thePhysics of X-Ray Multilayer Structures -PXRMS 2004, Sapporo (J), 07.-11. März 2004

[T26] B. Brenner

"Moderne Laserstrahlschweißverfahrenin der Fertigung"

OTTI-Profiforum "Lasereinsatz in derFertigung und Materialbearbeitung",Regensburg (D), 01.-02. Dez. 2004

[T27] B. Brenner

"Laserstrahlschweißen schwer schweiß-barer Werkstoffe"

IWF-Kolloquium, Eidgenössische Techni-sche Hochschule Zürich, 09. Dezember2004

[T28] B. Brenner

"Laserhärten - die präzise Kurzzeit-Wär-mebehandlung"

4. Materialforschungstag des Material-forschungsverbundes Dresden, 05. November 2004

[T29] B. Brenner, E. Beyer, S. Nowotny

"Overview of Hybrid Technology"

1st Pacific International Conference onApplication of Lasers and Optics, Melbourne (AUS), 19.-21. April 2004

Tagungsvorträge


Tagungsvorträge

[T59] A. Leson

"Nanotechnologie - Chancen für denStandort Deutschland?"

Berliner Republik - Innovationsdialoge:Chancen und Risiken der Nanotechnolo-gie, Berlin (D), 30. Juni 2004

[T60] A. Leson

"XUV Optics and Applications"

Heraeus Seminar "XUV Technologiesand Applications", Bad Honnef (D), 07.-09. Juni 2004

[T61] A. Leson

"Nanotechnology in Saxony"

Commercialization of Micro and NanoSystems Conference - COMS 2004Edmonton (Kanada), 29. August - 02. September 2004

[T62] A. Leson

"Nanotechnologie - Zukunftschanceoder Fiktion?"

Tag der Technik an der LandesschulePforta, Schulpforte (D), 12.-13. Oktober2004

[T63] A. Leson

"German Centers of Competence inNanotechnology Present Status and OurExperiences"

International Nanotech Workshop 2004,Venedig (IT), 19. März 2004

[T64] A. Leson, S. Braun, P. Gawlitza

"Fabrication of High-Precision TailoredMaterials by Pulsed Laser Deposition"


[T65] A. Leson, P. Gawlitza, S. Braun, M. Menzel

"Pulsed Laser Deposition - An Indispens-able Tool for the Fabrication of High-Precision Tailored Materials"

6th Symposium of European VacuumCoaters, Anzio (IT), 27.-29. September2004

[T66] L. van Loyen, T. Böttger, S. Schädlich, S. Braun, A. Leson

"Aufbau und Leistungsfähigkeit desIWS-EUV-Reflektometers"

13. Arbeitstagung Angewandte Ober-flächenanalytik - AOFA 13, Dresden (D),14.-17. September 2004

[T44] T. Hutsch

"Naturwissenschaftliche Betrachtungenzum Laserstrahlreinigen von Kunst- undKulturgut aus Kupfer und Kupferlegie-rungen"

8. Forum "Laser in Restaurierung undDenkmalpflege", Fulda (D). 08. Oktober2004

[T45] R. Jacob, R. Sonnet, M. Wagner, G. Wiedemann

"Laserstrahlschweißen in der Restaurie-rung am Beispiel eines silbernen, teilver-goldeten Schmuckkästchens mit Kaltbe-malung aus dem Bestand des GrünenGewölbes"

8. Forum "Laser in Restaurierung undDenkmalpflege", Fulda (D), 08. Oktober2004

[T46] R. Jäckel

"Nanotechnologie: Ultradünne funktio-nale Schichten - mit großen Auswirkun-gen"

VDI-Workshop Nürnberg (D), 12. Februar 2004

[T47] A. Jahn, B. Brenner, B. Winderlich

"Induktiv unterstütztes Laserstrahl-schweißen von Strukturen aus höher-festen Feinblechen"

Konferenz Strahltechnik, Halle (D), 26.-28. April 2004

[T48] A. Jahn, B. Winderlich, A. Zwick, R. Imhoff, B. Brenner

"Laserstrahlhybridschweißen schwin-gend belasteter Bauteile aus dem hoch-festen Feinkornbaustahl S 1100 QL"

Große Schweißtechnische Tagung, Mag-deburg (D), 22.-24. September 2004

[T49] I. Jansen

"Klebflächenvorbereitung von Magnesi-umbauteilen"

Dresdener Fügetechnisches Kolloquium"Klebtechnik - Verfahren und Prozesseziel- und qualitätsgerecht gestalten", Dresden (D), 25.- 26. März 2004

[T50] I. Jansen

"Vorbehandlung und Klebstoffauswahl"

Glasbau 2004, Dresden (D),02. April 2004

[T51] I. Jansen, D. Schneider

"Anwendung der Lawave-Methode inder Klebtechnik"

Dechema-Kolloquium "Klebtechnik",Frankfurt (D), 23.-24. November 2004

[T52] E. Jelen, K. Püschner, G. Wiedemann

"Dekontamination biozidbelasteterKunst- und Kulturgüter aus Holz"

8. Forum "Laser in Restaurierung undDenkmalpflege", Fulda (D). 08. Oktober2004

[T53] Klaffke, H.-J. Scheibe, V. Weihnacht

"Tribological Characterisation of Amor-phous Hard Carbon (ta-C) Coatings atRoom Temperature; Effect of Counter-body Material and Humidity"

4th International Conference 'THE coa-tings', Erlangen, 05.-07. AprilInternational Conference on Metallurgi-cal Coatings and Thin Films - ICMCTF,San Diego (USA), 19.-23. April 2004

[T54] A. Klotzbach, V. Fleischer, L. Morgenthal, E. Beyer

"Robotergeführtes Remoteschweißenmit Hochleistungs-YAG-Lasern"

4. Jenaer Lasertagung, Jena (D),18.-19. November 2004

[T55] U. Klotzbach

"Chances of Laser Micro Materials Pro-cessing"


[T56] A. Leson

"Nanotechnologie - Vision oder Realität"

Ingenieurstammtisch des Vereins derIngenieure, Techniker und Wirtschaft-licher in Sachsen e.V., Dresden (D),06. Januar 2004

[T57] A. Leson

"The FhG-Thyssen Cooperation"

Nano DE 2004, Wiesbaden (D), 21.-22. Juni 2004

[T58] A. Leson

"Nanometer-Schichtsysteme für Rönt-genoptiken"

Nanotechnologie in der industriellenAnwendung, Regensburg (D), 04.-05. Oktober 2004

[T67] G. Mäder, F. Prässler, D. Rogler, V. Hopfe

"Simulation einer Lichtbogenplasma-quelle zur Nutzung einer plasmagestütz-ten Schichtabscheidung unter Atmos-phärendruck"

Fluent CFD Konferenz 2004, Bingen (D),29.-30. September 2004

[T68] S. Martens, C. Kleemann, V. Weihnacht,L.-M. Berger, R. Zieris, I. Schulz

"Ceramic Coatings"

COST 532 Conference, Triboscience and Tribotechnology, Superior Frictionand Wear Control in Engines and Trans-missions, Ghent (B), 18.-19. Oktober2004

[T69] M. Menzel

"Abscheidung von hochauflösendenKohlenstoff/Kohlenstoff-Multischichtenauf großflächigen Substraten für röntge-noptische Anwendungen mittels PulsedLaser Deposition (PLD)"

Laser Summer School 2004, Dresden (D), 07.-09. Juni 2004

[T70] L. Morgenthal, A. Klotzbach

"Nd:YAG Laser Remote WeldingSystem"

International Open House, Dresden (D),20. - 21. September 2004

[T71] S. Nowotny

"Laserstrahl-Auftragschweißen: industri-elle Lösungen für das Beschichten,Reparieren und Formändern von Werk-zeugen, Formen und Bauteilen"

Festveranstaltung zum Firmenjubiläumder Firma LASERVORM, Mittweida (D),26. November 2004

[T72] S. Nowotny

"Kombination von Auftragschweißver-fahren für schnelle Reparaturen undFormänderungen von Werkzeugen"

Neue Rapid Technologien auf dem Wegin die Produktion, Dresden (D), 09.-10. November 2004

[T73] S. Nowotny

"New Developments for Thermal Coa-ting Processes"


[T81] H.-J. Scheibe, C.-F. Meyer, M. Leonhardt, B. Schultrich, V. Weihnacht

"Laser-Arc-Module for Deposition ofHard Amorphous Carbon (ta-C) Coatingswith Industrial Batch Coaters"

4th International Conference 'THE coa-tings', Erlangen (D), 05.-07. April 2004International Conference on Metallurgi-cal Coatings and Thin Films - ICMCTF,San Diego (USA), 19.-23. April 2004

[T82] T. Schülke

"In-situ Temperature Sensor for CuttingTools"

International Conference on Metallurgi-cal Coatings and Thin Films - ICMCTF,San Diego (USA), 19.-23. April 2004

[T83] B. Schultrich

"Laser Assisted Deposition of SuperhardCarbon Films"


[T84] B. Schultrich, J. Berthold, H.-J. Scheibe,H. Schulz, P. Siemroth, V. Weihnacht

"Superhard Amorphous Carbon Filmsfrom 2 nm to 100 µm: Properties andApplications"

PSE, Garmisch-Partenkirchen (D), 13.-17. September 2004

[T85] B. Schultrich, C.-F. Meyer, H. Schulz, H.-J. Scheibe, V. Weihnacht

"Industrielle Anwendung und Herstel-lung superharter amorpher Kohlenstoff-schichten"

7. Werkstofftechnisches Kolloquium,Chemnitz (D), 30.9.-01.10.2004

[T86] B. Schultrich, H.-J. Scheibe

"Laser-Arc Process and Technology forDeposition of Hard Amorphous Carbon(ta-C)"

47th Annual SVC Technical Conferenceand Smart Materials Symposium, Dallas / Texas (USA), 24.-29. April 2004

[T87] B. Schultrich, S. Völlmar, D. Römer

"Process Simulation of Industrial Vacu-um Arc Deposition"

4th International Conference 'THE coa-tings', Erlangen (D), 05.-07. April 2004

[T74] S. Nowotny

"Neue systemtechnische Lösungen zumAuftragschweißen mit Diodenlasern"

Industrielle Anwendungen von Hochlei-stungs-Diodenlasern, Dresden (D),21.-22. Oktober 2004

[T75] S. Nowotny, K.-H. Richter



[T76] S. Nowotny, S. Scharek

"Fertigungsintegration von hybridenAuftragschweißverfahren zum Ober-flächenschutz und zur Reparatur vonBauteilen"

Karlsruher Arbeitsgespräche, Karlsruhe (D), 11.-12. März 2004

[T77] S. Nowotny, S. Scharek, F. Kempe

"Laserstrahl-Präzisionsauftragschweißen:industrielle Lösungen für die Reparaturund schnelle Formänderungen vonWerkzeugen"

3D-Erfahrungsforum Werkzeug- undFormenbau, Dresden (D), 13.-14. Mai2004

[T78] S. Nowotny, S. Scharek, T. Naumann

"Development in HPDL Cladding with aWide Laser Beam"


[T79] S. Nowotny, R. Zieris, E. Beyer

"Surface Protection of Light Alloys byLaser Assisted Atmospheric PlasmaSpraying (LAAPS)"

International Conference on Plasma Sur-face Engineering (PSE), Garmisch-Par-tenkirchen (D), 13.-17. September 2004

[T80] K.-H. Richter, S. Orban, S. Nowotny




Tagungsvorträge


Tagungsvorträge

[T88] B. Schultrich, D. Römer, S. Völlmar

"Influence of Planetary Kinematics andBatch Filling on Film Homogeneity andDeposition Rate in Industrial Batch Coa-ters- a Simulation Approach"


[T89] H. Schulz

"Von Superhärte bis Superhydrophobie -amorphe Kohlenstoffschichten als ..."

Oberflächentage 2004, Dresden (D),22.-24. September 2004

[T90] H. Schulz, M. Leonhardt, H.-J. Scheibe,B. Schultrich

"Hydrophobe Oberflächen durch modifi-zierte Kohlenstoffschichten"

7. Werkstofftechnisches Kolloquium,Chemnitz (D), 30.09.-01.10.2004

[T91] H. Schulz, M. Leonhardt, B. Schultrich,H.-J. Scheibe

"Ultrahydrophobic Wetting Behavior ofAmorphous Carbon Films"


[T92] M. Seifert, S. Bonß, B. Brenner, E. Beyer

"Dynamische Strahlformung von Hoch-leistungs-Diodenlasern bis 4 kW"

Industrielle Anwendung von Hochlei-stungs-Diodenlasern, Dresden (D), 21.-22. Oktober 2004

[T93] M. Seifert, S. Bonß, B. Brenner, E. Beyer

"High Power Laser Beam Scanning inMulti-Kilowatt-Range"

23rd International Congress on Applica-tions of Lasers and Electro-Optics, SanFrancisco (USA) 04.-07. Oktober 2004

[T94] M. Seifert, S. Bonß, E. Beyer

"Advanced Manufacturing Technologiesof Metallic Components with HighPower Diode Lasers"

Laser System Technology and Applicati-ons for SME's, S. Asaph (GB), 12.-13. Februar 2004

[T95] P. Siemroth, J. Berthold, Petereit, H. Schneider, H. Hilgers

"A New Generation of Filtered Arc Sour-ces for Ultra Thin Top Coats on Magne-tic Hard Disks"


[T96] A. Skopp, N. Kelling, M. Woydt, L.-M. Berger

"Thermally Sprayed TiO2-x-Coatingsunder Mixed Lubrication and Unlubrica-ted Sliding Conditions"

Tribologie-Fachtagung 2004, Göttingen (D), 27.-29. September 2004

[T97] J. Standfuß

"Laser Beam Welding"


[T98] J. Standfuß, A. Klotzbach, A. Jahn, A. Mahrle, B. Brenner

"Verfahrens- und systemtechnischeAspekte zum Laserstrahlschweißen vonStrukturen aus höherfesten Feinble-chen"

IIR-Fachforum "Fügetechnologien imFahrzeugrohbau", Dresden, 09.-10.März 2004

[T99] T. Stucky

"Kohlenstoffschichten in Theorie undPraxis"

Nanotechnologie in der industriellenAnwendung, Regensburg (D), 04.-05. Oktober 2004

[T100] A. Techel, T. Himmer, E. Beyer, T. Heptner

"Automation Solutions for Metal Lami-nated Tooling"

4th International Conference on LaserAssisted Net Shape Engineering - LANE2004, Erlangen (D), 21.-24. September2004

[T101] F.-L. Toma, G. Bertrand, D. Klein, L.-M. Berger, S. Thiele

"Photocatalytic Properties of CoatingsSprayed from TiOx and Tin-2Cr2O2n-1Powders by APS and VPS"


[T102] C. Walz, E. Stiles, A. Groth

"Laser Cladding and Primer Applicationas a One-Step-Process"

Laser Materials Processing Conference -ICALEO 2004, San Francisco / California(USA), 04.-07. Oktober 2004

[T103] M. Woydt, A. Skopp, N. Kelling, L.-M. Berger



[T104] M. Woydt, A. Skopp, N. Kelling, L.-M. Berger


4th International Tribology Conference, Prag (CZ), 17.-18. Juni 2004

[T105] H. Wust, I. Jansen, E. Beyer

"Vorbehandlung von Magnesium mitLaserstrahlung"

Laser-Summerschool, Dresden (D), 07.-09. Juni 2004

[T106] R. Zieris, G. Langner, L.-M. Berger, S. Nowotny, E. Beyer

"Investigation of AlSi Coatings Preparedby Laser-Assisted Atmospheric PlasmaSpraying of Internal Surfaces of Tubes"


[T107] O. Zimmer

"Vacuum Arc Deposition by Using aVenetian Blind Particle Filter"


[T108] O. Zimmer, J. Vetter, P. Siemroth, B. Schultrich

"Technical Physics of the Cathodic Vacuum Arc Evaporation"



Adresse:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden Presse und Öffentlichkeitsarbeit Ansprechpartner: Dr. Ralf Jäckel

Winterbergstr. 28 01277 Dresden

Tel.: 0351 / 2583 444 Fax: 0351 / 2583 300 E-mail: [email protected]


Wenn Sie mehr Informationen wün-schen, kreuzen Sie bitte das entspre-chende Feld an und senden bzw.faxen Sie eine Kopie dieser Seite anuntengenannte Adresse:

Bitte senden Sie mir:

� die Broschüre “Problemlösungen aus einer Hand”

� die Broschüre “One-Stop Solutions” (in englisch)

� den Jahresbericht 2002

� den Jahresbericht 2003

� einen weiteren Jahresbericht 2004

Bitte senden Sie mir Material über folgende Verfahren und Methoden:

Bereich Röntgen- und EUV-Optik

� Multischichten für EUV- und röntgenoptische Anwendungen

Bereich PVD-Dünnschichttechnologie

� Diamor® - Superharte, amorpheKohlenstoffschichten für Werkzeu-ge zur Bearbeitung von Leicht- undBuntmetallen sowie Kunststoffen

� Diamor® - Superharte, amorpheKohlenstoffschichten für Maschinender Verpackungs- undLebensmittelindustrie

� Laserakustisches Prüfgerät LAwave®

für Schichten und Werkstoffober-flächen

� Laser-Arc-Modul zur Abscheidungvon superharten amorphen Kohlen-stoffschichten

Bereich CVD-Dünnschichttechnologie

� FTIR-Spektroskopie zur CVD-Diag-nostik

� Optische Spektroskopie an Ober-flächen und Schichten

Bereich Thermische Beschichtungs-verfahren

� Laserunterstütztes Plasmaspritzen

� 3D-Laser-Pulver-Auftragschweißenmit dem Koaxial-Beschichtungskopf

� Laser-Rapid-Prototyping - Ein Ver-fahren zur schnellen Fertigung von Funktionsmustern

� MELATO® - Qualifikation innovati-ver Fertigungstechnologien zurflexiblen Fertigung von großforma-tigen Werkzeugen mit seriennahenEigenschaften

� Rapid-Prototyping von metallischenBauteilen durch Laser-Flüssig-phasen-Sintern von Verbundpulvern

Bereich Füge- und Randschicht-technologien

� Laserstrahlschweißen und Hybrid-schweißverfahren

� Laserstrahlschweißen mit Hoch-leistungs-Diodenlasern

� Induktiv unterstützte Laser-Materialbearbeitung

� Laserstrahlhärten - ein modernesVerfahren zur Verbesserung derSchwingfestigkeit von Bauteilen

� Werkstoffprüfung sichert Produkt-qualität

� GEOPT - Software zum Laserstrahl-härten

Bereich Systemtechnik / Laser-abtragen und -trennen

� lasertronic® - Systeme aus demFraunhofer IWS Dresden

� lasertronic® - High-Power-Strahl-ablenkoptik für das Laserstrahl-schweißen

� Formgenaues Hochgeschwindig-keits-Laserschneiden

� Laserstrahlabtragen dünner Deck-schichten

� Laserbearbeitung von Naturstein

� Patinafreilegungen mit dem Laser-strahl

� Mikroschneiden und -bohren mitultraviolettem Laserlicht

� Mikrostrukturierung von Keramikenmit Excimerlasern

� Rutschhemmende Ausrüstungpolierter Natursteinoberflächen mittels Lasermikrostrukturierung

Informationsservice


Post-Adresse:

Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden

Winterbergstr. 28

01277 Dresden

Internet-Adresse:

http://www.iws.fraunhofer.de

Tel.: (0351) 2583 324 Fax: (0351) 2583 300 E-mail: [email protected]

Anfahrtsweg:

Mit dem Auto (ab Autobahn): - Autobahn A4 oder A13 bis Dreieck Dresden-

West, dann über die neue Autobahn A17,Ausfahrt Südvorstadt / Zentrum,

- Bundesstraße B170 folgend Richtung Stadtzen-trum bis Pirnaischer Platz (ca. 6 km),

- am Pirnaischen Platz rechts abbiegen Richtung"Gruna / VW-Manufaktur",

- geradeaus, am Ende des "Großen Gartens"rechts in die Karcherallee,

- an der folgenden Ampel links in die Winter-bergstraße.

Mit der Straßenbahn (ab Dresden-Hauptbahn-hof): - Straßenbahnlinie 10 zum Straßburger Platz, - mit den Linien 1 oder 2 stadtauswärts (Rich-

tung Kleinzschachwitz bzw. Prohlis) bis Halte-stelle Zwinglistraße,

- 10 min zu Fuß (Richtung Grunaer Weg).

Kontaktadressen und Anfahrt

Impressum

Redaktion: Dr. Ralf Jäckel Dipl.-Ing. Karin Juch

Koordination / Gestaltung: Dipl.-Ing. Karin Juch Dr. Ralf Jäckel

Bildnachweis: S. 46 (Abb. 1): Lange und Söhne GmbH Glashütte

S. 51 (Abb. 1): Staatliche KunstsammlungenDresden

S. 55 (Abb. u. r.): AlstomS. 109 (Abb. u.): City-Press / ess.eralle anderen Abb.: Fraunhofer IWS Dresden

© Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS Dresden 2005

Bei Abdruck ist die Einwilligung der Redaktion erforderlich.


Titelfoto: Institutsgebäude

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