Es werden strömungsmechanische und werkstoffkundliche Aspekte beim Kaltgasspritzen untersucht. Die strömungsmechanische Analyse umfasst eine vergleichsweise einfache, idealisierte Betrachtung des Strömungsprozesses innerhalb der Düse unter Annahme der Isentropie der Strömung, sowie eine aufwendigere numerische Simulation des gesamten Strömungsfeldes in der Spritzpistole und deren Umgebung, insbesondere im Freistrahl zwischen dem Düsenaustritt und dem Substrat. Die vereinfachte eindimensionale Analyse des Spritzprozesses führt zu Erkenntnissen über die Wechselwirkungen zwischen der Gasphase und den darin dispergierten Partikeln innerhalb der Düse. Anhand der aus den Rechnungen gewonnenen Informationen, insbesondere zu den Partikelzustandsgrößen Geschwindigkeit und Temperatur am Düsenaustritt, lässt sich der für den Prozess geeignete Parameterbereich deutlich einschränken und die Anzahl zeit- und kostenintensiver Experimente reduzieren. Grundlage dafür ist das Prinzip der kritischen Geschwindigkeit. Es wird ein Konzept zur experimentellen Ermittlung dieses für die Haftung der Partikel notwendigen Geschwindigkeitswertes entwickelt und auf Kupfer als Spritzwerkstoff angewandt. Bei der numerischen Simulation des Spritzprozesses mit der Software FLUENT werden zusätzlich die Auswirkungen von Reibungs- und Durchmischungseffekten, Wärmeleitung und Turbulenz der Strömung und daraus resultierender gasdynamischer Phänomene wie Verdichtungsstöße und Gasgrenzschichten auf die Gas- und Partikelströmung berücksichtigt, die bei der einfachen eindimensionalen Analyse nicht erfasst werden. Die Ergebnisse der Simulation bildeten eine wesentliche Grundlage bei der Optimierung der Strömungsprozesse in der Spritzpistole. Rückschlüsse werden insbesondere auf das Verhalten von sehr kleinen Pulverpartikeln gezogen. Ferner werden neue Spritzdüsen entwickelt, mit denen sich bei Spritzversuchen mit einem -25+5 Mikrometer Kupferpulver der Auftragswirkungsgrad von etwa 50 bis 60 % für die gegenwärtig übliche Standarddüse bei sonst gleichen Prozessbedingungen auf über 85 % steigern ließ. Aspekte der Prozesssicherheit werden mit Blick auf den zulässigen Anteil von Feinpartikeln am Pulver erörtert. Das Potential der kaltgasgespritzten Kupferschicht wird im Vergleich mit anderen thermischen Spritzverfahren bezüglich Porosität und Oxidanteil der Schichten, elektrischer Leitfähigkeit, Schichthärte und Haftzugfestigkeit bewertet. Auf erste industrielle Anwendungen (Kühlkörper für die Computer- und Fahrzeugtechnik) wird hingewiesen.
Kaltgasspritzen von Kupfer: eine strömungsmechanische und werkstoffkundliche Analyse und Optimierung des Spritzprozesses
2004
209 Seiten, Bilder, Tabellen, 94 Quellen
Theses
German
Kupfer-Aluminium- Verbundhalbzeuge durch Kaltgasspritzen
Tema Archive | 2013
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