Luftdicht verschweißt

Dank der Kombination geeigneter Keramiken und passend eingestellter Pulslänge und Pulszahl erwärmte sich das Material stark genug, um miteinander zu verschmelzen, ohne dass übermäßige thermische Verspannungen auftraten und ohne dass abseits der Schweißnähte allzu hohe Temperaturen auftraten. "Unsere Innovation bestand darin, die Materialeigenschaften und den Laser möglichst gut aufeinander abzustimmen", sagt Garay Golem.de.

Die Wissenschaftler konnten so etwa einen transparenten keramischen Deckel luftdicht auf einen Zylinder schweißen. Die Schweißnähte überprüften die Forscher dann mit industrieüblichen Vakuumtests, bei denen eine Seite der Naht unter hohem Vakuum steht und die Leckage gemessen wird. Die Leckrate war rund eine Größenordnung besser, als für eine hermetische Versiegelung hoher Güte erforderlich ist. Sie erfüllt damit die Spezifikationen für militärische, weltraumtaugliche oder medizinisch implantierbare Elektronik.

Man könnte damit ein Handy luftdicht versiegeln, ebenso wie Unterwasser-Elektronik oder Sensoren. Ein Herzschrittmacher würde zwar immer noch metallische Kontakte benötigen, könnte aber sonst hermetisch versiegelt aus korrosionsbeständiger und biokompatibler Keramik bestehen und kabellos aufgeladen werden. "Die Keramiken, die wir getestet haben, sind hochgradig biokompatibel und sollten sich im menschlichen Körper sehr gutmütig verhalten", betonte Garay.

Auch durch Energieeffizienz besticht das neue Verfahren. So benötigt ein typischer Schweißvorgang über fünf Stunden in einem Ofen mit 1.000 Watt Leistung insgesamt 5 Kilowattstunden Energie - das Laserschweißen hingegen nur rund 25 Wattstunden.

Die Forscher wollen als nächstes ihr Schweißverfahren auf weitere Keramiken und größere Werkstücke ausdehnen. Die bislang geschweißten Stücke waren nur rund zwei Zentimeter groß. Auch kompliziertere Geometrien wollen die Forscher angehen. An den komplexen Formen scheitert schließlich das Zusammenschmelzen im Ofen: Denn dabei ändert sich die Größe der Werkstücke immer ein bisschen. Nur aufwendige Simulationen und Tests können gewährleisten, dass die Keramiken nach dem Schweißen luftdicht aufeinanderpassen. Dies funktioniert nur bei vergleichsweise einfachen Geometrien.

Die Industrie hat am neuen Schweißverfahren bereits Interesse gezeigt und verspricht sich einiges davon. Bis zur Serienreife könnte es vielleicht gar nicht so lange dauern. Die Wissenschaftler schweigen sich aber noch darüber aus, ob Handyhersteller, Implantatebauer oder Elektronikfirmen zu den ersten Interessenten gehören. Sie wollen das Verfahren auch mit Spezialkeramiken ausprobieren, die Licht aussenden können, was das Ganze für optoelektronische Anwendungen interessant macht.