Ziel der Entwicklung

Das Diffusionsschweißen findet unter anderem zunehmend Anwendung bei der Herstellung von Spritzgusswerkzeugen, insbesondere dort, wo das Wärmemanagement und die Bauteilsicherheit einen hohen Stellenwert besitzen. Zu den relevanten Anwenderbranchen zählt unter anderem die Luft- und Raumfahrt. Das Potenzial des Verfahrens liegt darin, dass komplexe und großflächige Bauteilgeometrien mit hoher Verbundqualität hergestellt werden können, die mit konventionellen Metallbearbeitungsverfahren nicht oder nur mit erheblichem Aufwand realisierbar sind.
Um das Diffusionsschweißen verstärkt in die industrielle Serienproduktion zu überführen, müssen die hergestellten Bauteile die geforderten Qualitätsanforderungen zuverlässig erfüllen. Insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen sind hierfür spezifische Anforderungen an die Bauteilqualität und deren Nachweis zu erfüllen. Dies erfordert eine geeignete Werkstoffprüfung nach dem Herstellungsprozess. Durch eine geeignete Prüfung können kostenintensive Nacharbeiten oder erneute Schweißprozesse vermieden und die Anzahl der erforderlichen Ofenzyklen reduziert werden.
Im Gegensatz zu etablierten Schweißverfahren fehlen für das Diffusionsschweißen bislang weitgehend spezifische Bewertungsregeln, anhand derer zulässige und unzulässige Unregelmäßigkeiten in den Fügezonen definiert und beurteilt werden können. Ziel des Projekts war es daher, mithilfe zerstörungsfreier Werkstoffprüfverfahren reale Defekte in diffusionsgeschweißten Bauteilen zu charakterisieren und zu bewerten, um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu erhöhen. Ergänzend sollte die Aufzeichnung und Auswertung von Prozessdaten dazu beitragen, den Fertigungsprozess zu überwachen und bei Bedarf bereits während des Schweißprozesses korrigierend einzugreifen. Die gewonnenen Erkenntnisse sollten die Prozesssicherheit des Fügeverfahrens erhöhen und dadurch Prozesszeiten, Ausschussquoten und Fertigungskosten in der industriellen Anwendung reduzieren.

Vorteile und Lösungen

Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Zuverlässigkeit des Diffusionsschweißens zu erhöhen und die geforderten Bauteilqualitäten reproduzierbar zu erreichen. Dies sollte durch den Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren, insbesondere der Ultraschallprüfung, sowie die Ableitung geeigneter Gütekriterien erreicht werden. Weiter sollten durch die Erfassung und Auswertung der Prozessparameter Abweichungen frühzeitig erkannt und durch gezielte Regelung während des Fügevorgangs korrigiert werden. Das Vorhaben konzentrierte sich dabei überwiegend auf das Diffusionsschweißen von Proben der Legierung AlMgSi0,5 (AW-6060-T66).
Zu Beginn wurde der Diffusionsschweißprozess umfassend analysiert. Dies umfasste die Eingangskontrolle der zu fügenden Proben, deren Werkstoffanalyse sowie den Abgleich der Analyseergebnisse mit den zugehörigen Datenblättern und Werkszeugnissen. Darüber hinaus wurden anhand bereits durchgeführter Diffusionsschweißversuche die verwendeten Prozessparameter systematisch ausgewertet und mit den erzielten Bauteilqualitäten korreliert. Die Prozessparameter Temperatur, Presskraft und Haltedauer wurden dabei als wesentliche Regelgrößen betrachtet. Zusätzlich wurde untersucht, inwiefern geringfügige Schwankungen der chemischen Zusammensetzung der Bauteilwerkstoffe die Fügequalität beeinflussen und gegebenenfalls eine Anpassung der Prozessparameter erforderlich machen.
Die Ultraschallprüfung wurde als bevorzugtes zerstörungsfreies Prüfverfahren für die Untersuchung flächiger Fügebereiche ausgewählt und im Rahmen des Projekts an die spezifischen Prüfanforderungen angepasst. Zur Qualifizierung des Prüfverfahrens wurden Prüfkörper eingesetzt, die definierte Oberflächenrauheiten und Oberflächenfehler auf den Fügeflächen aufwiesen. Auf dieser Grundlage wurden die Leistungsfähigkeit der Ultraschallprüfung bewertet und die erreichbaren Nachweisgrenzen ermittelt. Darüber hinaus wurde durch die gezielte Variation der Fügeparameter untersucht, wie sich der Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit auf das Fügeergebnis verändert.
Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Weiterentwicklung der Prozessüberwachung und Qualitätssicherung. Sie sollen eine gezielte Überwachung und Regelung der Schweißprozesse in Echtzeit ermöglichen, um die Entstehung von Unregelmäßigkeiten zu reduzieren und die reproduzierbare Herstellung qualitativ hochwertiger Diffusionsschweißverbindungen sicherzustellen.

Zielgruppe und Zielmarkt

Das Diffusionsschweißen als flächiges und stoffschlüssiges Pressschweißverfahren etabliert sich gerade dort, wo konventionelle Herstellungsverfahren an ihre Grenzen hinsichtlich Geometrie, Material oder Konstruktion stoßen. Die Herstellung von Bauteilen mit innenliegenden Freiformstrukturen oder großflächige Verbindungen sind aktuell die wichtigsten Aufgaben des Diffusionsschweißens. In den letzten Jahren haben sich vermehrt kleine und mittelständische Unternehmen am Markt etabliert, die z. B. die Fertigung konturnaher Kanäle in Bauteilen als kommerzielle Dienstleistung anbieten. Zielmärkte dieser Unternehmen sind insbesondere in der Energie- und Wärmetechnik, beim Werkzeug und Formenbau, der Halbleiter- und Elektronikindustrie sowie in der Medizintechnik und Präzisionsfertigung zu finden.
Die im Projekt erlangten Erkenntnisse zum Prozessmonitoring von Diffusionsschweißungen und zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von diffusionsgeschweißten Bauteilen sollen die Basis für das effizientere Nutzen des Verfahrens des Diffusionsschweißens bilden. Profiteure der Ergebnisse des Forschungsprojektes sollen u. a. Unternehmen sein, die das Diffusionsschweißen als spezielle Fügetechnologie als Dienstleister für Einzelteilfertigung oder für Kleinserien anbieten. Darunter zählen auch Firmen, denen das Diffusionsschweißen aufgrund der speziellen Anforderungen der Bauteilherstellung als einziges Fügeverfahren zur Verfügung steht. Auch richten sich die Erkenntnisse an Hersteller von Diffusionsschweißanlagen, da eine Implementierung des Prozessmonitorings und -steuerung auch die Akzeptanz des Fügeverfahrens allgemein erhöhen wird. Ein Prozessmonitoring des Diffusionsschweißprozesses eröffnet den Aufbau neuer Geschäfts- und Tätigkeitsfelder und fördert die Weiterentwicklung bereits bestehender Systeme. So schreitet die Miniaturisierung von technischen Systemen immer weiter voran. Dies ist nicht nur im Bereich der Informations- bzw. Kommunikationstechnik, sondern vor allen auch in den Bereichen Biotechnologie, Medizintechnik sowie Verfahrenstechnik zu erkennen. Insbesondere die Mikroreaktortechnik findet immer mehr Anwendung in der Produktion und ist durch das Diffusionsschweißen effektiv und hochpräzise realisierbar.
Der Transfer der gewonnenen Ergebnisse werden durch beispielsweise die intensive Gremienarbeit des ifw Jena in Normungsausschüssen sowie über die Mitgliedschaften in Netzwerken und Industrieverbänden realisiert. Insbesondere über die Forschungsvereinigung Schweißen und Schneiden des DVS, die Clusterinitiative Mikro Nano Thüringen (MNT e. V.) und das Thüringer Zentrum für Maschinenbau werden die Ergebnisse einem breiten öffentlichen Personenkreis gezielt zur Verfügung gestellt. Eine weitere Transfer- und Vermarktungsstrategie besteht darin, mit kooperierenden Unternehmen industrielle Forschungsprojekte bzw. Machbarkeitsstudien zu generieren, deren Schwerpunkte Beratungsleistungen, verfahrenstechnische Studien bis hin zu einer Muster- und Serienfertigung zum Inhalt haben.