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  PRESSE-INFO (Februar 2002)
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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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