Keramik mit Laser schweißen

22. Oktober 2019, 14:53 Uhr
Lasergeschweißte Keramikbaugruppe mit transparenter zylindrischer Kappe. Bild: Garay Lab.
Lasergeschweißte Keramikbaugruppe mit transparenter zylindrischer Kappe. Bild: Garay Lab.
Das in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Verfahren verwendet einen ultraschnell gepulsten Laser, um keramische Materialien entlang der Grenzfläche zu schmelzen und miteinander zu verbinden. Das Schweißen funktioniert unter normalen Umgebungsbedingungen und benötigt weniger als 50 Watt Laserleistung. Auf einen Ofen kann also verzichtet werden.

Das Schweißen keramischer Werkstücke war eine grundlegende Herausforderung, da extrem hohe Temperaturen benötigt werden und extreme Temperaturgradienten entstehen, die leicht zu Rissbildung führen. Keramik ist aber von großem Interesse, da es biokompatibel, extrem hart und bruchsicher ist und sich daher ideal für biomedizinische Implantate und Gehäuse für die Elektronik eignet. Derzeitige Schweißverfahren waren jedoch recht unpraktikabel.
 
Durchsichtigkeit von transparenter Keramik (links) und herkömmlicher opaker Keramik (rechts).
Bilder von David Baillot, UCSD Jacobs School of Engineering.

Methode

Die Lösung besteht darin, eine Reihe von kurzen Laserpulsen entlang der Grenzfläche zwischen zwei Keramikteilen zu platzieren, so dass die Wärme nur an der Grenzfläche entsteht und die Keramik nur lokal geschmolzen wird. Damit das funktioniert, mussten zwei Aspekte optimiert werden: die Laserparameter (Belichtungszeit, Anzahl der Laserpulse und Dauer der Impulse) und die Transparenz des keramischen Materials. Mit der richtigen Kombination wird die Laserenergie stark absorbiert, so dass Schweißnähte mit geringer Laserleistung von <50 W bei Raumtemperatur durchgeführt werden können.
Optimal zeigten sich Impulse von 2 ps Dauer bei einer Wiederholrate von 1 MHz und moderater Gesamtdauer. Dabei wird der Durchmesser der Schmelze maximiert und der Materialabtrag minimiert. Außerdem entstehen keine Temperaturgradienten über das gesamte Werkstück und die Abkühlung geht schnell.

Als Test schweißten die Forscher eine transparente zylindrische Kappe in die Innenseite eines Keramikrohres. Tests zeigten, dass die Schweißnähte stark genug sind, um Vakuum zu halten. Solche Tests werden Industrie zur Validierung von Dichtungen an elektronischen und optoelektronischen Geräten verwendet. Bislang wurde das Verfahren nur zum Schweißen von keramischen Kleinteilen mit <2 cm eingesetzt. Zurzeit wird es für größere Maßstäbe sowie für verschiedene Materialtypen und Geometrien optimiert.
 
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