Lasergeschweißte Keramiken

Moderne Keramiken vereinigen eine Vielzahl wünschen­swerter Eigen­schaften. Sie sind nicht nur außerordentlich hitze­beständig, sondern auch sehr hart und damit kratz- und bruchfest. Außerdem sind sie biokompatibel und korrodieren nicht. Das macht sie im Prinzip auch für den Einsatz als bio­medizinische Implantate interessant. Die gleichen positiven Eigen­schaften, die Keramiken auszeichnen, machen aber auch ihre Verarbeitung besonders schwierig. Nur unter sehr hoher Hitze lassen sich diese Werkstoffe miteinander verbinden. Das bedeutet einerseits, dass die entsprechenden Komponenten längere Zeit im Ofen verbringen müssen, was unter anderem integrierte elek­tronische Schaltungen zum Schmelzen bringt. Andererseits ist dieser Prozess mit einem Schrumpfen der Keramik verbunden. Um enge Toleranzen beim verbundenen Werkstück zu erreichen, sind oftmals aufwändige Model­lierungen des Schrumpfungs­vorgangs vonnöten. Zudem schränkt dies die möglichen Geometrien beim Schweißen von Keramiken stark ein.

Ein neuartiges Laser­verfahren könnte nun Bewegung in dieses Gebiet bringen. Ein Forscherteam um Javier E. Garay von der University of California in San Diego hat eine Laserschweiß­technik entwickelt, mit der sich Keramiken schnell und sicher miteinander verbinden lassen. Die Methode beruht auf schnell getakteten, kurzen Laserpulsen und passend dazu gewählten keramischen Werkstoffen. Dabei sprechen die Arbeits­parameter für eine schnelle Umsetzbarkeit in der Praxis: Das Verfahren funktioniert bei Raum­temperatur, benötigt keine allzu hohen Laser­leistungen und schont das umliegende Werkstück, da nur die Kontakt­flächen aufgeheizt werden.

Der Clou an dem neuen Verfahren ist die genaue Abstimmung von Pulslänge und Wiederhol­rate der Laserpulse. Frühere Versuche, Keramiken mit Hilfe von konti­nuierlich feuernden Lasern miteinander zu verschweißen, waren schließlich gescheitert. Zwar war es gelungen, mit solchen Lasern Keramiken zum Schmelzen zu bringen; die nötige Hitze hatte aber immer wieder aufgrund der hohen thermischen Gradienten zu Brüchen im Material geführt. Die Wissen­schaftler orientierten sich stattdessen an etablierten Laser­techniken, mit denen es bereits möglich ist, Gläser – etwa aus Borsilikat – zu schweißen. Der große Unterschied zu Keramiken liegt jedoch darin, dass letztere nicht transparent, sondern nur halb oder gar nicht lichtdurch­lässig sind. Dadurch fällt es sehr viel schwerer, die gewünschte lokale Erhitzung durch die Laserpulse genau einzustellen, während man unerwünschte Effekte vermeidet. 

Da bei kurzen Laserpulsen sowohl thermische Effekte wie das Aufschmelzen als auch nichtthermische Effekte wie Ablation und Plasma­bildung auftreten können, war eine genaue Abstimmung der Laser­parameter entscheidend. Als gut geeignet erwies sich eine Kombination aus rund zwei Pikosekunden langen Pulsen mit einer hohen Wiederhol­rate von rund einem Megahertz und bei einer Wellenlänge von 1028 Nanometer. Die Phononen­relaxation bewegt sich in der Größenordnung von rund einer Pikosekunde, was nach Ansicht der Forscher wichtig ist, um möglichst große Bereiche aufschmelzen zu lassen, ohne gleichzeitig Material­abtrag zu verursachen. Die Laserleistung war vergleichs­weise moderat und bewegte sich nicht über fünfzig Watt hinaus. Die Anzahl an Laserpulsen betrug zwischen 2500 und 250.000, je nachdem wie stark das Material im Bereich der Laserstrahlung absorbierte. Dadurch erhitzte sich die Keramik nur an den gewünschten Stellen. Und die Abkühlung erfolgte zeitlich langsam genug, um Probleme an der Schweißnaht zu vermeiden.

Auf diese Weise konnten die Forscher Keramiken unter­schiedlicher Lichtdurch­lässigkeit sowie konventionell gesinterte Keramiken miteinander verbinden. Dabei entwickelten sie zwei verschiedene Laser­konzepte. Das erste arbeitete mit transparenten Keramiken für hermetischen Einschluss – etwa von elek­tronischen Komponenten. Das zweite beschäftigte sich mit diffusen Keramiken, die zu einfachen geo­metrischen Strukturen zusammengefügt wurden. So gelang es den Wissen­schaftlern unter anderem, einen trans­parenten keramischen Deckel luftdicht auf einen Zylinder zu schweißen.

Die Forscher testeten ihre geschweißten Werkstücke mit industrie­üblichen Vakuum­verfahren, bei denen die eine Seite der Schweißnaht unter hohem Vakuum stand. Die Leckrate war rund eine Größe­nordnung besser, als es für eine hermetische Versiegelung hoher Güte gefordert wird. Damit erfüllt es die Spezi­fikationen für militärische, weltraumtaugliche oder medizinisch implan­tiertbare Elektronik. Keramiken, die zwar in mechanischem Kontakt standen, aber nicht verschweißt waren, konnten keine Vakuum­versiegelung leisten. Das Ganze funktioniert mit gängigen Keramiken wie etwa poly­kristallinem Aluminium­oxid oder Yttriumoxid-stabi­lisiertem Zirkonoxid. Letzteres erwies sich als besonders gut zu verarbeiten, da die optische Durch­lässigkeit dieses Materials sich durch thermische Behandlung gezielt einstellen lässt.

Das neue Verfahren besticht auch durch Energie­effizienz. Ein typischer Schweiß­vorgang über fünf Stunden in einem Ofen mit 1000 Watt Leistung benötigt fünf Kilowatt­stunden Energie – das Laser­schweißen hingegen nur rund 25 Wattstunden. Die bisher geschweißten Kompo­nenten waren aber nicht größer als zwei Zentimeter. Nun wollen die Forscher ihr Verfahren auch auf komplexere Geometrien und weitere Materialien ausweiten. 

Dirk Eidemüller

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  E. H. Penilla et al.: Ultrafast Laser Welding of Ceramics, Science 365, 803 (2019); DOI: 10.1126/science.aaw6699
• Advanced Materials Processing and Synthesis (J. E. Garay), University of California, San Diego

Weitere Beiträge

• Z. C. Eckel et al.: Additive manufacturing of polymer-derived ceramics, Science 351, 58 (2016); DOI: 10.1126/science.aad2688 
• M. Malinauskas et al.: Ultrafast laser processing of materials: from science to industry, Light Sci. Appl. 5, e16133 (2016); DOI: 10.1038/lsa.2016.133

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