Missão "Um olhar aprofundado"

Desafios

Uma das coisas que a equipe do ILT e da TRUMPF queria avaliar de perto sob a luz de raios-X altamente brilhante era a soldagem de substratos de metal-cerâmica (MKS). Estes substratos de metal-cerâmica conectam componentes eletrônicos num ambiente de alta tensão, como na eletrônica de potência de um carro elétrico. Uma camada muito fina de cobre é aplicada sobre uma placa isolante de cerâmica. Os fabricantes de veículos querem soldar outro componente de cobre no substrato de metal-cerâmica para o contato por laser verde. Ou seja, trata-se de uma ligação de cobre sobre cobre. A questão é: como obter o melhor resultado possível no processo de soldagem? As placas de cobre devem ter a menor espessura possível, o processo deve ser extremamente rápido, a costura deve ser 100% resistente e a cerâmica não pode sofrer influência do laser. Resumindo: como é possível encontrar o ajuste do laser perfeito para o processo mais produtivo?

Soluções

Juntos, o Fraunhofer ILT e a TRUMPF decidiram sobre um esclarecimento extraordinariamente complexo do problema: eles querem ver vídeos de raios-X extremamente nítidos do processo a laser em andamento e ver com todas as ferramentas de análise e com seus próprios olhos quais são os efeitos das menores alterações nos parâmetros laser sobre a profundidade de soldagem, formação de poros e formação de respingos. Na Alemanha, isso é possível apenas no síncrotron de elétrons DESY, onde normalmente é realizada a pesquisa científica básica. Como um dos primeiros projetos industriais, o ILT e a TRUMPF conseguiram garantir um lugar em um dos laboratórios locais onde esses vídeos de raios-X são possíveis.

Implementação

Foram reservados três dias de trabalho de laboratório no DESY – a preparação para o trabalho demora dois anos inteiros: a equipe precisa desenvolver uma metodologia de teste e definir as questões científicas exatas. Para a equipe, já é muito importante elaborar desde cedo um planejamento preciso de como os achados poderão ser implementados posteriormente em aplicações industriais concretas. A hora chegou em dezembro de 2022: as duas equipes levaram sua tecnologia laser, sistemas óticos e outras tecnologias e se encontraram no DESY. Na Beamline P07 do laboratório, as equipes montaram o laser de discos TruDisk 2021 para a luz laser verde e para a organização do teste: a luz do raio-X incide sobre a amostra lateralmente e registra as sequências de imagem no interior, um laser solda a partir de cima e um robô troca as amostras para agilizar o processo. Agora, os três dias precisavam ser bem aproveitados. Os testes preparados foram executados dia e noite em sistema de turnos. Refrigerantes e batatas fritas ajudavam os cientistas a se manter concentrados. Mais de cem execuções experimentais foram realizadas só no substrato de metal-cerâmica.

Perspectiva

Os dados sobre precisão de soldagem, velocidades de soldagem e assim por diante são gerados por terawatt. No DESY, os cientistas do ILT e da TRUMPF começaram a analisar as primeiras impressões. Mas o principal trabalho de avaliação só começará nas semanas após os experimentos no DESY. No ILT em Aachen e na TRUMPF em Ditzingen, tabelas, vídeos e dados de sensores são analisados. Graças ao planejamento preciso, rapidamente ficou claro como a soldagem a laser otimizada de substratos de metal-cerâmica, por exemplo, será utilizada num futuro próximo na eletrônica de potência para a mobilidade elétrica. Os fabricantes de automóveis já aguardam.