Materialforschung: Laserschweißen mit Keramik

Ein neues Verfahren macht ultraharte Handybeschichtungen, biokompatible Herzschrittmacher und versiegelte Weltraumelektronik möglich.

Ein Bericht von Dirk Eidemüller veröffentlicht am 10. September 2019, 9:26 Uhr

Zwei Keramikwerkstücke, die verschweißt wurden: Dicht genug für Weltraumqualifizierung (Bild: Garay Lab/UCSD)

Wer kennt das nicht: Eine kleine Unachtsamkeit, und schon ist ein Kratzer oder Sprung im Handy. Und was im Alltag lediglich eine Unannehmlichkeit ist, kann bei Geräten zu großen Problemen führen. Herzschrittmacher etwa werden heute vor allem mit einer korrosionsschützenden Verkapselung aus Metall hergestellt und müssen deshalb mit einer Beschichtung wie Titan versehen werden. Keramisch ummantelte Herzschrittmacher lassen Radiowellen durch und können dadurch kabellos aufgeladen werden.

Das gilt natürlich auch für andere Implantate - etwa zur Überwachung bestimmter Vitalfunktionen. Da Keramiken extrem biokompatibel und korrosionsbeständig sind, sind sie für solche Zwecke im Prinzip hervorragend geeignet und werden auch schon eingesetzt. Bislang steht solchen Einsatzzwecken aber eine große Hürde im Weg: Keramiken lassen sich nur schwer miteinander verbinden.

Dabei sind keramische Materialien schon seit Jahrtausenden ganz besondere Werkstoffe. Sie waren einst die wichtigste Handelsware des antiken Griechenlands und sind auch heute nicht aus Industrie und Alltag wegzudenken. Ihre Eigenschaften wie Härte, Temperaturbeständigkeit und Verarbeitbarkeit sind so vielseitig, dass sie für viele Zwecke unersetzbar sind. Hochleistungskeramiken können in Gasturbinen zum Einsatz kommen oder Weltraumfahrzeuge als Hitzeschild beim Wiedereintritt in die Erdatmosphäre vor dem Verglühen schützen.

Ihre positiven Eigenschaften stellen Konstrukteure allerdings auch vor ein großes Problem: Keramiken schmelzen erst bei so hohen Temperaturen, dass sie nur aufwendig in speziellen Öfen aneinandergeschweißt werden können. So ist es bislang unmöglich, elektronische Komponenten in Keramik einzuschweißen. "Dafür müsste man das gesamte Werkstück über Stunden in einen Ofen stecken, was am Ende die ganze Elektronik verbrennen würde", sagt Javier Garay, Professor für Materialwissenschaften an der University of California in San Diego. Er und sein Team haben im Fachblatt Science jedoch eine Laserschweißtechnik für Keramiken vorgestellt, die zu ganz neuen Einsatzgebieten führen könnte.

Während das Laserschweißen bei Stahl und Kunststoff mittlerweile als industrielles Standardverfahren etabliert ist, was das bei Keramiken bisher nicht möglich war. Bisherige Versuche mit Dauerstrich-Lasern, die einen kontinuierlichen Laserstrahl aussenden, sowie mit verschiedenen Hochleistungslasern hatten leider häufig Bruch produziert: Die hohen Temperaturunterschiede zwischen der Schweißnaht und dem umliegenden Werkstück haben regelmäßig dazu geführt, dass Sprünge und Risse aufgetreten sind.

Die Forscher um Garay haben deshalb in aufwendigen Versuchen ein ganz neues Verfahren ausprobiert. Sie arbeiteten mit einem Infrarot-Kurzpulslaser mit sehr schnellen Pulsfolgen. Die Länge eines einzelnen Pulses lag im Bereich von Femto- oder Pikosekunden, wobei sich zwei Pikosekunden bei den untersuchten Materialien als beste Wahl erwies. Diese Pulse hatten eine Wiederholungsrate von einem Megahertz. Je nach Materialart und -dicke reichten 2.500 bis 250.000 dieser kurzen Pulse, um zwei Keramik-Bauteile an einer Stelle zusammenzuschweißen.

Die Laserleistung ging nicht über 50 Watt hinaus.