PRESSE-INFO (Februar 2002)
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erbeten an die GTS und an:
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Kaltgasspritzen:
Revolutionäre Lösungen
durch neue Beschichtungs-Technologie
Über 50 Prozent der elektrischen und Wärmeleitfähigkeit reinen
Kupfers zu erzielen, galt bei thermisch gespritzten Kupferschichten bis
vor kurzem als unmöglich. Doch eine brandneue Technologie erreicht sogar
90 Prozent: das Kaltgasspritzen. Äußerst dicht und oxidarm sind die mit
ihm erzeugten Überzüge in ihren Eigenschaften vom Grundmaterial kaum zu
unterscheiden. Zudem erlaubt die minimale thermische Belastung von
Spritzwerkstoff und Substrat völlig neuartige Applikationen. Die
Beschichtung von Designergläsern mit Aluminium ist für ein thermisches
Spritzverfahren ebenso revolutionär wie die Modellierung mehrerer
Zentimeter dicker Strukturen im Reparaturbereich.
Die nötige
Anlagentechnik und Prozesssteuerung liefert die im bayerischen Ampfing
angesiedelte CGT Cold Gas Technology GmbH. Gemeinsam mit der Linde AG,
Geschäftsbereich Linde Gas, hat sie das Kaltgasspritzen zur
Industriereife entwickelt. Heute erproben nicht nur Wissenschaftler rund
um die Welt die zukunftsträchtige Technologie. Seit dem 4. Quartal 2002
gibt es mit der OBZ Dresel & Grasme GmbH auch einen industriellen
Anwender. Der Bad Krozinger Lohnbeschichter versieht
Aluminium-Kühlkörper mit einer lötbaren Kupferschicht. Die
Einsatzmöglichkeiten reichen vom Automobil bis hin zum Computer.
Eine bahnbrechende Entdeckung
Aluminium weist zahlreiche Vorzüge auf,
vom geringen Gewicht über die hohe elektrische Leitfähigkeit bis hin zur
einfachen, preiswerten Verarbeitung, etwa durch Fließ- oder
Profilpressen. Doch leider ist das Leichtmetall nicht direkt mit anderen
Materialien verlötbar. Bisher ermöglichten aufgespritzte
Kupferschichten zwar den Lötvorgang, doch blieb dieser problematisch
und teuer, da die Überzüge nur die Hälfte der thermischen und
elektrischen Leitfähigkeit reinen Kupfers erreichten. Die besten
Ergebnisse erzielte noch das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das mit
hohen Partikelgeschwindigkeiten bei vergleichsweise niedriger
Gastemperatur funktioniert. Diese Entwicklung – weg von der thermischen
und hin zur kinetischen Energie – setzt das Kaltgasspritzen fort. Es
beruht auf einer Entdeckung, die eine russische Forschergruppe um
Professor Anatolii Papyrin Mitte der 80er Jahre bei Experimenten im
Überschallwindkanal machte: Statt der erwarteten erosiven Wirkung
bildeten die beschleunigten Teilchen beim Aufprall auf das Substrat eine
dichte und fest haftende Schicht.
„Dieser Effekt tritt ab einer für
jeden Werkstoff spezifischen Geschwindigkeit ein; sie ist abhängig von
der Dichte des Spritzmaterials“, erklärt Peter Richter, Geschäftsführer
der CGT Cold Gas Technology GmbH. „Bei Kupfer sind das 570 Meter pro
Sekunde.“ Ein Wert, den das Kaltgasspritzen leicht erreicht: Mit dem
üblichen Betriebsgas Stickstoff erzielen die CGT-Anlagen
Partikelgeschwindigkeiten bis zu 800 m/s, mit Helium sogar bis zu 1.100
m/s. Da der Schichtwerkstoff bei dieser neuen Technologie – anders als
bei herkömmlichen thermischen Spritzverfahren – weder auf- noch
angeschmolzen wird, erfolgt praktisch keine Oxidation. Die hohe
kinetische Energie beim Aufprall der Teilchen bewirkt zudem eine extreme
Dichte der Schicht. Der Mikroschliff zeigt weder Oxidschlieren noch
Poren.
OBZ: ein Spezialist für thermisches Spritzen
„Deshalb lassen sich mit
dem Kaltgasspritzen 90 Prozent der elektrischen und thermischen
Leitfähigkeit reinen Kupfers erzeugen“, freut sich Dieter Grasme,
Geschäftsführer der OBZ (Oberflächen-Beschichtungs-Zentrum) Dresel &
Grasme GmbH. „Damit ist die Schicht nicht nur problemlos verlötbar,
sondern leitet später auch die Wärme des mit ihr verlöteten Bauteils
optimal in den Aluminiumkühlkörper ab.“ Das Kaltgasspritzen betrachtet
der innovationsfreudige Unternehmer als willkommene Ergänzung zur
herkömmlichen Beschichtungstechnologie. Mit den Chancen und Grenzen des
thermischen Spritzens ist er bestens vertraut: Sein 1997 zusammen mit
Ingo Dresel gegründeter, heute 20 Mitarbeiter zählender Betrieb arbeitet
mit sämtlichen Verfahren. Entsprechend früh erkannten die beiden Partner
das große Potenzial des Kaltgasspritzens und bestellten bei CGT als
erste industrielle Anwender eine Anlage inklusive Nutzungslizenz.
Schnell fand sich ein Interessent in der Elektronikbranche. Das
technische Datenblatt mit allen Parametern für die Kupferbeschichtung
von Aluminium-Kühlkörpern lieferte CGT. „Selbstverständlich helfen wir
unseren Kunden bei der Entwicklung ihrer Applikationen“, erklärt Peter
Richter. „Dabei unterstützen uns unsere Partner Linde Gas und die UNI BW
Hamburg.“ Im Linde-Labor in Unterschleißheim bei München befindet sich
eine betriebsbereite Kaltgasspritzanlage in einer Lärmschutzkammer mit
Luftabsaugung und Abluftreinigung. Diese Einrichtung nutzte CGT für die
Optimierung der von OBZ geforderten Kupferschicht. „Schon die ersten
Versuche waren überzeugend“, erinnert sich Peter Richter. „Mit einigen
hundert Mustern haben wir dann die Reproduzierbarkeit nachgewiesen.“ Der
OBZ-Kunde, ein Zulieferer der Automobilindustrie, zertifizierte Produkt
und Verfahren und bestellte eine Großserie von mehreren hunderttausend
Stück. Setzt sich die neue Technik durch, werden Millionen folgen.
„Dafür gerüstet ist das von uns mitgelieferte Handlingsystem; es kann
von uns nach Kundenwunsch geplant, konstruiert und geliefert werden“,
ergänzt Peter Richter. „In Sachen Automatisationsanlagen haben wir ja 16
Jahre Erfahrung.“ Denn der CGT-Geschäftsführer ist auch Gründer und
Vorstandsvorsitzender der CRP Automationstechnik AG, die Hand in Hand
mit dem neuen Unternehmen arbeitet.
CRP: höchste Präzision im Anlagenbau
1986 als Ein-Mann-Betrieb
gegründet, beschäftigt CRP heute 40 Mitarbeiter. Auf dem rund 12.000 m²
großen Firmengelände sind 3.500 m² reine Fertigungsfläche
unter¬gebracht. Das Unternehmen liefert Automationsanlagen an Kunden aus
aller Welt und den verschiedensten Branchen, von der Automobil- über die
elektrochemische Industrie bis hin zur Medizin-, Luft- und
Raumfahrttechnik. „Eine Spezialität von uns sind Maschinen für die
Herstellung, Prüfung und Handhabung von Siliziumwafern, dem
Ausgangsmaterial für Micro-Prozessoren“, berichtet Peter Richter. Der
Umgang mit diesen hoch empfindlichen Bauteilen erfordert größte Reinheit
und Präzision – Qualitäten, die auch beim Bau von Kaltgasspritzanlagen
zählen. Für ihre Herstellung stehen leistungsfähige Spezialeinrichtungen
wie CNC-gesteuerte Fünf-Achsen-Fräsmaschinen, CNC-Drehmaschinen und
CNC-Erodiermaschinen zur Verfügung. Besonders bei den Spritzpistolen und
Düsen kommt es auf Perfektion an. Deshalb prüft die moderne
Qualitätssicherungs-Abteilung jedes Bauteil mit CNC-gesteuerten
Messmaschinen und exakten Messgeräten.
CGT und Linde: starke Allianz für eine neue Technologie
Den Anstoß
für die Konstruktion der Kaltgasspritzanlage gab Linde Gas. Das
Unternehmen hatte schon zuvor maßgeblich an der Entwicklung des
Verfahrens mitgewirkt. Besonderes Engagement zeigte dabei Peter
Heinrich, der neben seiner Tätigkeit für den Gasehersteller bereits 1992
die GTS Gemeinschaft Thermisches Spritzen e.V. gegründet hatte. Fast 125
Anwender und Förderer der vielseitigen Spritzverfahren gehören der
Vereinigung heute an; unter ihnen auch Linde Gas, CRP und CGT. 2000 rief
Peter Heinrich gemeinsam mit Professor Heinrich Kreye von der
Universität der Bundeswehr, Hamburg, ein „Kompetenzzentrum
Kaltgasspritzen“ ins Leben. Für die Erstellung einer industrietauglichen
Anlagentechnik und Prozesssteuerung wandte er sich an einen bewährten
Partner: die CRP Automationstechnik AG. Sie hatte im Auftrag von Linde
Gas bereits verschiedene Apparaturen wie etwa Manipulatoren für die
Steuerung thermischer Spritzpistolen gebaut. Jetzt galt es den noch
recht unförmigen Kaltgasspritz-Prototyp in ein industriell nutzbares
Gerät zu verwandeln. „Der Transformator war mindestens zehnmal so groß
wie unser jetziger“, erinnert sich Peter Richter. „Heute passen alle
Komponenten in einen zweitürigen Steuerschrank – links die elektrischen,
rechts die gasführenden Elemente.“ Während sich CRP auf die
Konstruktion, Fertigungs- und Montagetechnik konzentrierte, steuerte
Linde Gas die Gase- und Ventiltechnik bei. Alle notwendigen Tests fanden
im Linde-Labor statt. Darüber hinaus finanzierte der Gasehersteller die
Konstruktion des Heaters, der das Trägergas in ein bis zwei Minuten auf
circa 800 °C aufheizen kann. An der Überarbeitung der Spritzpistole
wirkte der Hamburger Professor Kreye mit. Er entwickelte eine für alle
derzeit spritzbaren Pulver verwendbare Standarddüse.
Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten
Für das Kaltgasspritzen eignen
sich im Prinzip alle plastisch verformbaren Metalle und Kunststoffe. Bei
Metallen reicht das Spektrum von relativ niedrig schmelzendem Zink bis
zu hochschmelzendem Titan und Niob. In Zukunft sind auch
Werkstoffgemische mit plastisch nicht verformbaren Anteilen wie Keramik
denkbar. „Der Phantasie sind da kaum Grenzen gesetzt“, ermutigt Peter
Richter sowohl Fachleute wie auch Laien. „So hat uns zum Beispiel ein
Glashersteller angerufen, ob wir nicht Designergläser mit Aluminium
beschichten könnten, so dass die Rückseite wie ein Spiegel wirkt.“ Kein
Problem – dank der geringen Temperaturbelastung des Substrats. Daraus
ergibt sich eine weitere reizvolle Anwendung für die Elektronikbranche:
das Aufspritzen elektrischer Leiterbahnen auf Glas. Die geringe
Erwärmung der Werkstoffoberfläche auf gerade einmal 40 bis 50 °C
erschließt dem Kaltgasspritzen noch andere Einsatzbereiche. Die
Vermeidung thermisch induzierter Spannungen ermöglicht erstmals das
Spritzen mehrere Millimeter dicker Strukturen. „Applikationen hierfür
sehen wir nicht nur im Reparaturbereich“, folgert Peter Richter. „Wir
denken beispielsweise daran Kupferkokillen durch Kaltgasspritzen zu
modellieren.“ Die hohe Präzision der neuen Technologie erlaubt die
Beschichtung auch komplizierter Geometrien bei minimalem
Abdeckungsbedarf und geringen Spritzverlusten. Erfreuliche 65 Prozent
beträgt die Auftragsrate bei der Kupferbeschichtung von Kühlkörpern
durch OBZ. „Und das mit der Standarddüse“, betont Peter Richter.
„Sollten die Stückzahlen später tatsächlich in die Millionen gehen,
würde ich Herrn Grasme empfehlen Professor Kreye mit der Entwicklung
einer für diese Anwendung optimierten Düse zu beauftragen.“ Über die
Wahl der Düsengeometrie lässt sich der Spritzabstand zum Substrat
zwischen 20 und 60 mm variieren. So wurde im Labor beim Kaltgasspritzen
von Kupfer bereits eine Auftragsrate von 80 Prozent erreicht.
Innovation zahlt sich aus
Auch OBZ verfügt über ein Hightech-Labor,
das künftig sicherlich der Entwicklung neuer Kaltgasspritzschichten
dienen wird. Rund ein Dutzend Universitäten und Forschungsinstitute in
Europa, Amerika, Asien und Australien arbeiten ebenfalls an neuen
Applikationen – alle mit Anlagen von CGT. „Nun muss nur noch die
Wirtschaft ihre vorsichtige Zurückhaltung aufgeben“, konstatiert Peter
Richter. „Wer jetzt mutig ist, wird später die Nase vorn haben.“ OBZ
bescherten Innovationen bisher stets gute Erfahrungen. „Wir mussten auch
erst lernen uns rechtzeitig um neue Verfahren und Applikationen zu
kümmern“, gesteht Dieter Grasme. „Doch seither bleibt uns der Erfolg
treu – auch in wirtschaftlich schwierigen Zeiten.“
Weitere Informationen sind erhältlich bei Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas
Werner Krömmer
per Fax: 0 89 / 3 10 01-5364
per E-Mail: info@gts-ev.de
Im Internet unter:
www.linde-gas.de
oder www.gts-ev.de
obz innovation gmbh
per Fax: 0 76 33 / 9 08 99-0
info@obz-innovation.de
www.obz-innovation.de
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