Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellbasiertes reaktives Fügen zur Erhöhung der Prozesssicherheit und -zuverlässigkeit

 

Ziel des Projekts ist die Erlangung eines tieferen Prozessverständnisses des reaktiven Fügens, insbesondere hinsichtlich der Dynamik. Durch möglichst exakte Modellierung unter Einsatz moderner numerischer Simulationstools sollen die räumliche und zeitliche Wärme- und Spannungsverteilung innerhalb der Fügezone und im angrenzenden Bauteil ermittelt werden, um die optimalen Material- und Prozessparameter beim reaktiven Fügen ohne vorherige, aufwändige Versuchsreihen zu finden. Die temperaturabhängigen Materialdaten der Komponenten und der Fügeschichten werden aus einer Recherche zusammengestellt. Fehlende Daten werden durch eigene Messungen erarbeitet. Geometrie- und Materialdaten dienen als Grundlage für die Modellierung und Simulation der Reaktion und der daraus resultierenden Wärme- und Spannungsverteilung. Geeignete RMS auf der Basis von Ni/Al, Zr/Al und Zr/Si werden entwickelt und zusammen mit Testsubstraten für Versuche bereitgestellt. Nach dem Fügeprozess werden die Fügeverbindungen und Fügepartner analysiert. Ein Vergleich der Ergebnisse mit der Simulation dient der Rückkopplung auf die Eingangsdaten der Modellierung. Falls erforderlich, werden mehrfache Iterationen von Modellierung, experimenteller Durchführung und Charakterisierung und anschließender Korrektur der Materialdaten oder Modellparameter durchgeführt.

Das vorliegende Projekt eröffnet Beschichtungsunternehmen im deutschen Raum ein neues Geschäftsfeld, indem eine RMS-Produktionslinie geschaffen und der Vertrieb von anwendungsspezifischen RMS angestrebt wird. Davon profitieren insbesondere KMU als Anlagenhersteller, die Herstellung, Lieferung und Inbetriebnahme der Beschichtungsanlagen übernehmen können. Zwei Firmen aus dem PA beteiligen sich als Hersteller von Mikromontageanlagen aktiv durch Dienstleistungen und Bereitstellung von Maschinenstunden am Projekt. Dadurch werden die Firmen eine bessere Möglichkeit erhalten, ein spezifisches Montagemodul für das reaktive Fügen zu entwickeln.

Ergebniszusammenfassung:

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens bestand in der Erhöhung der Prozesssicherheit und –zuverlässigkeit beim reaktiven Fügen durch Erlangung eines vertiefenden Prozessverständnisses der RMS-Fügetechnologie, um diese für industrielle Anwendungen zugänglicher zu machen. Dieses Prozessverständnis konnte durch Bereitstellung und Anwendung geeigneter Werkzeuge zur mathematischen Modellierung und numerischen Simulation der reaktiven Multischichtsysteme und des RMS-Fügeprozesses sowohl in zwei (für RMS-Folien) als auch in drei Dimensionen (für RMS mit angrenzenden Bauteilen) erlangt werden. Zur numerischen Simulation der RMS und des reaktiven Fügeprozesses wurden mathematische Modelle auf der Basis von ANSYS Fluent erarbeitet. Zur vereinfachten 3D-Simulation der Wärmeausbreitung in Bauteilen wurde darüber hinaus ein mathematisches Modell basierend auf Comsol Multiphysics entwickelt. Eine Kopplung dieser beiden mathematischen Modelle ermöglichte die Nutzung der Vorteile beider Modelle. Angepasste RMS-Folien auf Ni/Al- und Zr/Al-Basis wurden hergestellt, belotet und mittels Laser strukturiert. Umfangreiche Literaturrecherchen wurden durchgeführt, um temperaturabhängige Materialdaten der wichtigsten RMS, Lote, sowie der in der Mikrosystemtechnik gängigen Basismaterialien zu gewinnen. Ergänzend wurden die Reaktionsfrontgeschwindigkeit, der Energiegehalt und die Reaktionstemperatur der RMS-Folien experimentell bestimmt. Mit geeigneten Testsubstraten aus unterschiedlichen Materialien wurden zahlreiche Fügeversuche durchgeführt und die Fügeverbindungen analysiert. Anhand von ausgewählten Funktionsmustern gelang die experimentelle Validierung der durch Simulation vorhergesagten Wärmeverteilung innerhalb der Fügezone.