Buch, Deutsch, 140 Seiten, Format (B × H): 148 mm x 210 mm
Scripts Precision and Microproduction Engineering, Band 15
Buch, Deutsch, 140 Seiten, Format (B × H): 148 mm x 210 mm
Reihe: Scripts precision and microproduction engineering
ISBN: 978-3-95735-134-0
Verlag: Wissenschaftliche Scripten
Im Rahmen der Arbeit wurde das Heißpressen als neuer Ansatz zur Fertigung gasdichter und mechanisch stabiler Glas-Titan-Verbindungen untersucht. Relevante Einflussgrößen des Fertigungsverfahrens wurden detailliert betrachtet, um quantitative Aussagen zur Wirkung auf die Bewertungskriterien Dichtheit und Haftung treffen zu können. Die Glas-Titan-Grenzfläche wurde mit Rasterelektronenmikroskopie analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass für die Glasart B270 und die Titanlegierung Ti-6-4 stoffschlüssige Fügeverbindungen herstellbar sind, die für medizintechnische Anwendungen eingesetzt werden können. Die in der Arbeit entwickelte experimentelle Methodik umfasst die Fertigung und Bewertung der Glas-Metall-Verbindungen und eignet sich für die Untersuchung unbekannter Glas-Metall-Materialpaarungen.
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1 Einleitung
2 Stand der Wissenschaft und Technik
2.1 Relevante Materialeigenschaften
2.1.1 Glaszustand und Glaswerkstoffe
2.1.2 Titan und Titanlegierungen
2.2 Technische Einsatzbereiche von Glas-Metall-Verbindungen
2.2.1 Historische Entwicklung und klassische Anwendungen
2.2.2 Medizinische Implantate
2.2.3 Weitere technische Anwendungen
2.3 Verfahren zur Herstellung von Glas-Metall-Verbindungen
2.3.1 Vorbehandlung der Metalloberflächen
2.3.2 Klassische Herstellung durch Glasschmelzen
2.3.3 Anodisches Bonden
2.3.4 Weitere Fügeverfahren
2.3.5 Heißpressen als alternatives Fertigungsverfahren
2.4 Methoden zur Qualifizierung von Glas-Metall-Verbindungen
2.4.1 Prüfung der Haftfestigkeit
2.4.2 Dichtheitsprüfung
2.4.3 Verfahren zur Analyse der Grenzfläche
2.4.4 Weitere Analyseverfahren
2.5 Physikalische Beschreibung und Modelle von Glas-Metall-Verbindungen
2.6 Bestehender Handlungsbedarf
3 Zielsetzung
4 Experimentelle Methodik
4.1 Entwicklung der experimentellen Methodik
4.1.1 Vorbetrachtungen
4.1.2 Modellgeometrie Sandwich
4.1.3 Modellgeometrie Fenster
4.2 Glas-Metall-Fügeverfahren
4.2.1 Aufbau der Versuchsanlage
4.2.2 Werkzeugsystem
4.2.3 Versuchsablauf
4.3 Messung der Haftfestigkeit
4.3.1 Aufbau der Versuchsanlage
4.3.2 Stirnzugversuch
4.3.3 Auspressversuch
4.4 Dichtheitsprüfung
4.4.1 Auswahl der Verfahren
4.4.2 Druckanstiegsverfahren
4.4.3 Heliumlecktest
4.5 Gesamtübersicht zur experimentellen Methodik
4.6 Fehleranalyse
4.6.1 Temperaturmessung
4.6.2 Kraftmessung
4.6.3 Dichtheitsmessung mit dem Druckanstiegsverfahren
4.6.4 Dichtheitsmessung mit dem Heliumlecktest
4.6.5 Messunsicherheiten im Vergleich
5 Versuchsplanung
5.1 Auswahl der Versuchsparameter für das Heißpressen
5.1.1 Eingrenzung der Einflussgrößen
5.1.2 Prozesstemperaturen und Glasviskosität
5.1.3 Prozesskraft beim Heißpressen
5.1.4 Mikrostruktur der Titanoberflächen
5.2 Vorbereitung der Proben
5.2.1 Herstellung der Glas- und Titanproben
5.2.2 Strahlbearbeitung der Titanoberflächen
5.2.3 Messtechnische Charakterisierung der Titanoberflächen
5.3 Werkstofftechnische Analyse der Glas-Titan-Grenzfläche
5.4 Planung der Versuchsserien
6 Auswertung und Diskussion
6.1 Einfluss der Fertigungsparameter auf Haftung und Dichtheit
6.1.1 Versuchsserie 1 – Sandwich – B270 / Ti-6-4
6.1.2 Versuchsserie 2 – Fenster – B270 / Ti-6-4
6.1.3 Versuchsserie 3 – Fenster – N-F2 / Ti-6-4
6.2 Analyse der Glas-Titan-Grenzfläche
6.2.1 Rasterelektronenmikroskopie
6.2.2 Thermomechanische Analyse
6.2.3 Energiedispersive Röntgenspektroskopie
6.3 Analyse der Haftungsmechanismen
7 Prozessgestaltung für die Fertigung mittels Heißpressen
8 Zusammenfassung und Ausblick
Literatur
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Anlagen
Vorwort des Herausgebers
In der Schriftenreihe Präzisions- und Mikrofertigungstechnik werden in loser Folge Forschungsergebnisse und Veranstaltungsbeiträge zu aktuellen Entwicklungen auf den Gebieten der Präzisionsfertigung und der Herstellung mikrostrukturierter Bauteile und Oberflächen aus der Professur Mikrofertigungstechnik der Technischen Universität Chemnitz
und dem Fraunhofer Institut Werkzeugmaschinen und Umformtechnik — Abteilung Funktionsoberflächen und Mikrofertigung – sowie dem durch beide Einrichtungen getragenen Kompetenzzentrum Mikrofertigungs- und Oberflächentechnologie KoMOT veröffentlicht.
Der 15. Band der Schriftenreihe ist dem Thema des Fügens artungleicher Werkstoffe gewidmet. Es wird ein Beitrag zum beherrschten Fügen von gasdichten Glas-Titan-Verbindungen vorgestellt. Sowohl Glas als auch Titan kommen in medizintechnischen Anwendungen zum Einsatz, da diese Werkstoffe bei geeigneter Spezifikation biokompatibel
beziehungsweise bioinert sind. Eine besondere Herausforderung besteht jedoch im Fügen großflächiger Glaseinsätze in Titanbauteilen, die sowohl hoch belastbar als auch gasdicht sind.
Herr Winkler hat sich der Untersuchung eines Fügeverfahrens für anspruchsvolle, haftfeste und gasdichte Glas-Titan-Verbindungen gewidmet. Glas-Titan-Verbindungen sind bisher wenig untersucht, so dass hier entsprechender Handlungsbedarf besteht. Darüber hinaus hat Herr Winkler den Anwendungsfall eines dauerhaften Humanimplantats seinen
Untersuchungen zugrunde gelegt. Hierbei sind sowohl die Wahl der Werkstoffe als auch die Sicherung der Funktionalität besonderen Anforderungen unterzuordnen. Mit dem Verfahren Heißpressen hat Herr Winkler eine Technik angewendet, die ein besonders geeignetes Prozessfenster für die Erzeugung von Fügeverbindungen in dickeren, flächigen
Bauteilen nutzen kann. Das ist insbesondere den mit diesem Verfahren hohen erzeugbaren Pressungen bei moderaten Temperaturen nahe des Glasübergangsbereichs geschuldet.
Neben der Entwicklung eines geeigneten Prozesses hat Herr Winkler den Einfluss ausgewählter Eigenschaften der Grenzfläche des metallischen Fügepartners auf die Haftfestigkeit und Gasdichtheit der erzielten Fügeverbindung untersucht. Um zu verlässlichen Aussagen hinsichtlich der Funktionalität der Verbindung zu gelangen, wurden geeignete Tests entwickelt und erfolgreich angewendet. Mit der Bearbeitung dieser Thematik hat Herr Winkler einen wertvollen Beitrag zur systematischen Prozessgestaltung und zur Prüfung wesentlicher Eigenschaften von festen und dichten Glas-Titan-Verbindungen geleistet.
Prof. Dr.-Ing. Andreas Schubert
Chemnitz, im März 2021
