Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »EnablingSapphire«
Saphir: Edelstein und Hochleistungswerkstoff
Saphir ist mehr als nur ein Edelstein: Als Hochleistungswerkstoff vereint er extreme Härte, chemische Beständigkeit und optische Transparenz – von UV bis Infrarot. Ob in der Quantentechnologie, der Hochfrequenzelektronik oder der Medizintechnik: Saphir ermöglicht Anwendungen, die mit herkömmlichen Materialien undenkbar wären. Seine Bearbeitung ist jedoch eine Herausforderung. Bislang werden eher einfache Geometrien hergestellt. Komplexere 3D-Strukturen sind kostspielig in der Herstellung und weisen häufig Qualitätsprobleme wie Mikrorisse, Oberflächenrauheit oder Formabweichungen auf.
Hybride Fertigungskette zur Herstellung komplexer Bauteile aus Saphir
Das Forschungsprojekt EnablingSapphire zielt darauf ab, diese Herausforderungen zu bewältigen und auch anspruchsvolle Geometrien wirtschaftlich zu fertigen.
Im Rahmen des Forschungsprojekts entwickeln das Fraunhofer IPT und das Fraunhofer ILT deshalb eine digitale Fertigungsplattform zur Herstellung komplexer Saphirbauteile und -werkzeuge aus industriell verfügbaren Saphir-Halbzeugen. Dazu kombinieren die Forschenden laserbasierte Formungs- und Polierverfahren mit modernen Umformtechnologien wie dem Präzisionsblankpressen.
Laserbasierte Formgebung und Polierung
Das Projekt untersucht die Formgebung komplexer 3D-Geometrien unter Verwendung ultrakurzer Laserpulse. Ziel ist es, Strukturen mit Hinterschneidungen, Mindestradien von weniger als 100 µm und Seitenverhältnissen von mehr als 10:1 herzustellen. Gleichzeitig werden Prozessparameter wie Strahlformung und thermische Vorbehandlung optimiert, um Spannungen und Mikrorisse zu minimieren.
Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf dem laserbasierten Polieren, um spannungsarme, rissfreie Oberflächen bis hin zur optischen Qualität zu erzielen. Darüber hinaus werden Verfahren zur Oberflächenfunktionalisierung entwickelt, darunter Glaskohlenstoffbeschichtungen mit und ohne Mikrostrukturen – beispielsweise refraktive oder diffraktive Strukturen – sowie die Metallisierung für Leiterbahnen. Die Mikrostrukturen werden mittels Zwei-Photonen-Polymerisation in Kombination mit einem Pyrolyseverfahren hergestellt, um unterschiedliche Freiformen für die Beschichtung zu erzielen.
Hochtemperatur-Umformung mit Saphirwerkzeugen
Im Verlauf des Projekts werden Saphir-Presswerkzeuge für die Hochtemperaturformung anspruchsvoller Gläser wie Borosilikat- und Quarzglas bei Prozesstemperaturen von über 1400 °C untersucht. In diesem Temperaturbereich stoßen herkömmliche Werkzeugmaterialien aufgrund von Verschleiß und Maßinstabilität an ihre Grenzen. Getestet werden beispielsweise gezielte Oberflächenfunktionalisierungen, etwa mittels Glaskohlenstoffbeschichtungen, um die Adhäsion zu verringern. Dadurch soll die Entformbarkeit verbessert und die Lebensdauer der Werkzeuge verlängert werden.
Anwendung und Validierung
Die entwickelte Prozesskette wird anhand von drei Demonstratoren validiert:
- Ionenfallen für Quantentechnologien
- Saphirwerkzeuge für die Hochtemperaturformung von Borosilikat- und Quarzglas-Optiken
- Durchkontaktierungen für Hochleistungs- und Hochfrequenzelektronik
Diese Anwendungen zeigen das Potenzial der Plattform für eine Vielzahl von Schlüsseltechnologien.
Förderhinweis
Das Projekt »EnablingSapphire – Digitale Fertigungsplattform zur Herstellung komplexer Saphir-Bauteile« wird durch das Fraunhofer-interne Programm »PREPARE« gefördert.
Projektpartner
- Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT, Aachen (Koordination)
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT