DIAMOND BUSINESS Titelstory Ausgabe 3/2021: Beim Vakuumlöten ist noch Luft nach oben

01. September 2021
Temperaturmessung mittels eines Thermoelements am Bauteil
Hohe Standzeiten, präzise Abtragungsrate, geringer Verschleiß und hohe Prozesssicherheit zeichnen PKD-, pCBN-, MKD- und Keramik-Werkzeuge aus.

Sie gelten vielfach als „Problemlöser“ im Präzisionsbereich, sobald es um komplexe und effektive oder schwer zerspanbare Aufgaben geht. Allerdings ist die thermische Stabilität im Prozess dieser Werkzeuge ein herausragendes Thema, das es sowohl in der Werkzeugherstellung als auch im Fertigungsprozess zu beherrschen gilt. Die Firma iew beschäftigt sich seit über 20 Jahren mit der Induktions- und Vakuumlöttechnik für gerade diese Werkzeuge und nimmt in der Entwicklung dieser Technologien eine Pionierrolle ein. Mit einer Fertigungstiefe von 90% entwickelt sie sich ständig weiter und wartet mit der innovativen Drei-Zonen-Temperaturregelung oder einem „Highspeed-Vakuumlötprogramm“ mit einer möglichen Gesamtprozesszeit von unter 90 Minuten auf...

Ganz neu hat iew die Messung mit einem Thermoelement (insgesamt befinden sich damit fünf Thermoelemente in der Anlage) an einem Bauteil zur Verifikation der Bauteiltemperatur in den Vakuumlötprozess eingebracht, was vor allem bei unterschiedlich großen Bauteilen dafür sorgt, rechtzeitig erkennen zu können, wann die optimale Löttemperatur erreicht ist. Aber auch bei der Prüfung neuer Lotzusatzwerkstoffe kann iew mit diesem Verfahren in Kombination mit dem iew-eigenen Sichtfenster, mit dem der Prozess jederzeit beobachtet werden kann, prüfen, wann diese im Vakuum aufschmelzen. Dies bedeutet: es gibt keine „Blackbox“ die verursacht, dass das Lötergebnis erst nach dem Löten vollständig begutachtet werden kann. Die hohe Leistungsdichte der Anlage erlaubt es auf Kundenwunsch und bei Bedarf in Abhängigkeit der zu lötenden Werkzeuge/Bauteile die Gesamtprozesszeit auf unter 90 Minuten zu bringen. Eine normale Ofenfahrt dauert oft drei bis vier Stunden, die iew-Anlagen können jedoch bei Bedarf schneller arbeiten, müssen dies aber nicht.

Vakuumgelötete Bauteile ohne weitere Reinigung

Solid PKD, also PKD-Werkzeuge ohne Hartmetallunterschicht, werden unter Zuhilfenahme eines Aktivlotes mit einem definierten Titananteil als aktive Komponente (Bildung von Titancarbid zwischen Lot und Diamant) und Indium (Schmelzpunkt 156,6° C) zur Senkung der Arbeitstemperatur unter hochreinem Schutzgas (Argon, kein Stickstoff da Bildung von TiN) gelötet. Dies funktioniert beim PKD primär aufgrund der intermetallischen Phase, die zwischen Lot und dem im PKD befindlichen metallischem Binder (Kobalt oder Nickel) entsteht. Nach intensiven Versuchen, sowohl intern als auch extern, musste iew jedoch feststellen, dass im Schutzgas bei z. B. CVD, MKD, Keramik, etc. keine ausreichende Reaktionsschicht zwischen Lot und Diamant herbeigeführt werden konnte. Deshalb hat sich iew 2017 für die Entwicklung und den Bau einer Vakuumlötanlage mit der Bezeichnung VVBM 200 (Vertical Vacuum Brazing Machine) zur Ergänzung und Weiterentwicklung der Induktionslötanlagen entschieden.

Mit dieser Vakuumlötanlage VVBM 200 ist es jetzt möglich, Diamant- und Keramikwerkzeuge (PKD, pCBN, MKD, Naturdiamant, Keramiken, etc.) von Chargengröße eins, je nach Baugröße, bis ca. 200 Stück oder mehr zu löten. Der Lötprozess selbst ist dabei deutlich einfacher als das manuelle Löten mittels Flamme oder Induktion, die Abhängigkeit von einer speziell ausgebildeten Arbeitskraft entfällt. Die zu lötenden Schneiden werden von den Lotpasten in Position gehalten, kleinere Spalte, die z. B. beim Bestücken entstehen, können durch den Casimir-Effekt geschlossen werden. Auch kann während des Prozesses mit Schutzgas geflutet werden, um ein Ausdampfen des Silbers im Lot zu verhindern (Partialdruckregelung). Zusätzlich kann Stickstoff zur Bauteilkühlung unterhalb von ca. 500° C genutzt werden - dies kann die Gesamtprozesszeit nochmals reduzieren.

Weiterentwicklungen der Vakuumlötanlage VVBM 200

Zum Löten bei höheren Temperaturen oder zur Vergütung von Materialen während des Vakuumlötens ist es nun auch möglich, die Turbopumpe auszuschalten und ausschließlich mit der zusätzlich verbauten Drehschieberpumpe (normal für das Vorvakuum verantwortlich) zu arbeiten. Die maximale Vakuumqualität liegt dann bei ca. 4x10−2 und somit deutlich unter der maximalen Vakuumqualität von 10−6 mit der Turbomolekularpumpe. Hier können dann z. B. Hartmetallwerkzeuge mit titan- und zinkfreien Hartloten bei ca. 850° C gelötet werden, die Gefahr des Ausgasens vom Silberanteil im Lot wird dadurch minimiert und es lassen sich Gaskosten, für die bei besseren Vakuumqualitäten benötigte Partialdruckregelung, einsparen. Zusätzlich ist es möglich, Materialvergütungsprozesse mittels der optionalen Stickstoffkühlung durchzuführen, um nach dem Lötvorgang erweichte Materialen wieder aufzuhärten.

Vakuumgelötete Bauteile ohne weitere Reinigung

Großes Plus: Drei-Zonen Temperaturregelung

Zudem hat iew jüngst die Drei-Zonen-Temperaturregelung (normal für eine sehr homogene Temperaturverteilung verantwortlich) weiterentwickelt und dahingehend angepasst, dass nun alle drei Zonen auch bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden können. Damit ist es nun möglich, auf drei verschiedenen Ebenen (jeweils ca. 180x120mm) mit verschiedenen Loten zu arbeiten, um beispielsweise PKD bei sehr niedrigen Temperaturen (<700° C) und auf einer anderen Ebene z. B. solid CBN oder CVD bei höheren Temperaturen und einer anderen Lötpaste zu verlöten. Es lassen sich damit also effektiv Anlagenfahrten reduzieren und Prozesskosten minimieren. Schirmbleche, welche pro Ebene eingezogen werden können, verbessern die Temperaturgenauigkeit pro Erwärmungsebene zusätzlich. Die Benutzeroberfläche wurde so angepasst, dass eine leichte Bedienung und Handhabung der Anlage weiterhin gewährleistet bleibt. Mit dieser Neuerung kann die Anlage so universell wie möglich eingesetzt werden und bietet den Kunden damit einen nicht zu vernachlässigenden Mehrwert an, ohne Aufpreis!

Hinter iew steht der erfolgreiche Unternehmer Dipl.-Ing. Martin Schweikhart, der gleich nach dem Studium 1996 den Schritt in die Selbständigkeit wagte - er wusste sehr wohl, dass er für die Anfangszeit sehr viel Geduld und Durchhaltevermögen aufbringen müsste. „Aber, als junger Absolvent der TU Wien im Bereich der Elektrotechnik hatte ich ja weder familiäre noch finanzielle Verpflichtungen, die mich in meinem Jungunternehmertum hätten bremsen können und außerdem hatte ich auch keinen sicheren Arbeitsplatz aufs Spiel gesetzt“, berichtet der Unternehmer. Vor rund 25 Jahren saß der junge Student vor seiner Diplomarbeit, in der er sich näher mit dem Thema der Induktionserwärmung beschäftigte. Ab diesem Zeitpunkt war seine Faszination geweckt und er sah die vielen Chancen und Möglichkeiten, die sich für die Industrie in diesem Bereich boten. Was damals als „One-Man-Show“ am Küchentisch seiner Großmutter begann, hat sich mittlerweile zu einem beachtlichen Hightech-Unternehmen mit 22 Mitarbeitern entwickelt. Die steigende Mitarbeiterzahl sowie die steigende Auftragslage, der Ausbau des Standorts Gumpoldskirchen und eine ständig steigende Mitarbeiterzahl bedeuten, dass bei der Disziplin der Induktions- und Vakuum-Löttechnologie noch Luft nach oben bleibt...

iew-Vakuumlötanlagen im Blick

  • Genau kontrollierbare Erwärmungsprozesse für Gesamtprozesszeiten ab 1,5 Stunden, bauteilabhängig
  • Sichtfenster auf die Produkte zur Prozessentwicklung und -kontrolle, keine Black-Box!
  • Fernzugriff auf die Anlage
  • Drei Temperaturzonen-Lötvorgang mit unterschiedlichen Lotpasten möglich
  • Prozessentwicklung seitens iew, hohe Kompetenz in der Löttechnik vorhanden
  • Netzwerk zu allen renommierten Lotzusatzwerkstoffherstellern
  • Nur Einsatz qualitativ sehr hochwertiger Komponenten, u. a. von Heraeus, Pfeiffer Vacuum

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