DE102017103001A1

DE102017103001A1 - Verbesserte Klebeverbindung durch Mikrostrukturierung einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102017103001A1
Application number: DE102017103001.8A
Authority: DE
Inventors: Ingo Buschke; Simon Keßler
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2017-02-15
Filing date: 2017-02-15
Publication date: 2018-08-16
Also published as: WO2018149574A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper (1), welcher zumindest teilweise aus einem Edelstahl besteht und einem zweiten Körper (2), umfassend folgende Verfahrensschritte:- Strukturieren (4) zumindest eines ersten Teilbereichs einer ersten Oberfläche (1a) des ersten Körpers (1) mittels eines Ultrakurzpulslasers, und- Herstellen einer Klebeverbindung zumindest zwischen dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche (1a) des ersten Körpers (1) und zumindest eines zweiten Teilbereichs einer zweiten Oberfläche (2a) des weiten Körpers (2) vermittels eines Klebemittels (3).Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensoreinheit für einen vibronischen Sensor, bei welcher eine Klebeverbindung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist sowie einen vibronischen Sensor mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper, welcher zumindest teilweise aus Edelstahl besteht und einem zweiten Körper. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Sensoreinheit für einen vibronischen Sensor, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, sowie einen vibronischen Sensor mit einer entsprechenden Sensoreinheit.
Fügeprozesse zum Fügen zweier Bauteile aus unterschiedlichen Materialien gewinnen heute zunehmend an Bedeutung. Je nach den verwendeten Materialien sind teilweise vollkommen unterschiedliche Problematiken zu betrachten und in einem Bereich erprobte Verfahren lassen sich nicht ohne weiteres für andere Materialklassen anwenden. Typische Fügeverfahren betreffen das Kleben, oder auch thermische Verfahren, wie beispielsweise das Laserschweißen. Es ist bekannt, dass die Qualität der jeweiligen Fügestelle entscheidend von der Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Bauteile abhängt. Zur Gewährleistung einer ausreichenden Haftung wird in vielen Fällen zumindest eine der zu fügenden Oberflächen eines der beiden Bauteile geeignet vorbehandelt, insbesondere werden Oberflächen aufgeraut um die Kontaktfläche der zu verklebenden Bauteile zu erhöhen. Im Falle von Kunststoffen sind beispielsweise diverse chemische Verfahren bekannt, während sich für Metalle insbesondere eine Strukturierung der jeweiligen Oberfläche, beispielsweise mittels verschiedenster Schleif- oder Strahlprozesse, insbesondere Sandstrahlen, anbietet.
Weiterhin ist es bekannt geworden, eine Oberfläche mittels eines geeigneten Laserverfahrens zu strukturieren. Dazu wird die jeweilige Oberfläche häufig mit gepulstem Laserlicht bestrahlt, wodurch selbstorganisierte Strukturen auf der Oberfläche hergestellt werden können. In dieser Hinsicht ist beispielsweise aus der WO2014/094729A2 ein Verfahren zur Strukturierung einer nicht leitenden Werkstückoberfläche bekannt geworden, um eine selektive und haftfeste Metallisierung derselben zu erreichen. In dem Dokument wird auch auf die Verwendung von Ultra-Kurzpuls-Lasern eingegangen, welche sich insbesondere dann eignen, wenn die zu strukturierende Oberfläche keiner hohen thermischen Belastung standhält. In Bezug auf metallische Oberflächen sei wiederum beispielsweise auf den Artikel „High-rate laser processing of metals using high-average power ultra short pulse lasers“ der Autoren J. Schille, L. Schneider, L. Hartwig und U. Loeschner, veröffentlicht im Paper No. 3932 - 38th MATADOR Conference verwiesen.
Die jeweils entstehenden Strukturen auf der jeweiligen Oberfläche hängen grundsätzlich empfindlich von dem jeweils verwendeten Laser und den jeweils für dessen Betrieb verwendeten Parametern ab. Typische laser-induzierte Strukturen sind beispielsweise verschiedene periodische Graben- und Gitterstrukturen, welche auch als Riffeln bezeichneten werden. Außerdem sind statistische Strukturen, welche auch als Cone-like-protrusions, kurz CLPs, bezeichnet werden, beobachtbar. Letztere bestehen aus einer Überstruktur im Mikrometerbereich, welcher eine Nanostruktur im Nanometerbereich überlagert ist. Die jeweilige Struktur auf der Oberfläche hat dabei einen erheblichen Einfluss auf den jeweiligen Fügeprozess.
Vibronische Sensoren finden vielfach Anwendung in der Prozess- und/oder Automatisierungstechnik und dienen der Bestimmung und/oder Überwachung mindestens einer Prozessgröße eines Mediums. Im Falle von Füllstandsmessgeräten weisen sie zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit, wie beispielsweise eine Schwinggabel, einen Einstab oder eine Membran auf. Diese wird im Betrieb mittels einer Antriebs-/Empfangseinheit, häufig in Form einer elektromechanischen Wandlereinheit zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche wiederum beispielsweise ein piezoelektrischer Antrieb oder ein elektromagnetischer Antrieb sein kann. Die mechanisch schwingfähige Einheit kann im Falle von Durchflussmessgeräten aber auch als schwingfähiges Rohr ausgebildet sein, welches von dem jeweiligen Medium durchflossen wird, wie beispielsweise in einem nach dem Coriolis-Prinzip arbeitenden Messgerät.
Entsprechende Feldgeräte werden von der Anmelderin in großer Vielfalt hergestellt und im Falle von Füllstandsmessgeräten beispielsweise unter der Bezeichnung LIQUIPHANT oder SOLIPHANT vertrieben. Die zugrundeliegenden Messprinzipien sind im Prinzip aus einer Vielzahl von Veröffentlichungen bekannt. Die Antriebs-/Empfangseinheit regt die mechanisch schwingfähige Einheit mittels eines elektrischen Anregesignals zu mechanischen Schwingungen an. Umgekehrt kann die Antriebs-/Empfangseinheit die mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal umwandeln.
Dabei ist die Antriebs-/Empfangseinheit in vielen Fällen Teil eines rückgekoppelten elektrischen Schwingkreises, mittels welchem die Anregung der mechanisch schwingfähigen Einheit zu mechanischen Schwingungen erfolgt. Beispielsweise muss für eine resonante Schwingung die Schwingkreisbedingung, gemäß welcher der Verstärkungsfaktor ≥1 ist und alle im Schwingkreis auftretenden Phasen ein Vielfaches von 360° ergeben, erfüllt sein. Zur Anregung und Erfüllung der Schwingkreisbedingung muss eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal gewährleistet sein. Deshalb wird häufig ein vorgebbarer Wert für die Phasenverschiebung, also ein Sollwert für die Phasenverschiebung zwischen dem Anregesignal und dem Empfangssignal eingestellt. Hierfür sind aus dem Stand der Technik unterschiedlichste Lösungen, sowohl analoge als auch digitale Verfahren, wie beispielsweise die in den Dokumenten DE102006034105A1 , DE102007013557A1 , DE102005015547A1 , DE102009026685A1 , DE102009028022A , DE102010030982A1 oder DE00102010030982A1 beschriebenen. Neben einem, insbesondere vorgebbaren, Füllstand eines Mediums in einem Behälter, welcher anhand einer Änderung einer Resonanzfrequenz oder einer Amplitude der mechanisch schwingfähigen Einheit detektierbar ist, eignen sich vibronische Sensoren ebenfalls zur Ermittlung der Dichte und/oder Viskosität, wie beispielsweise in DE10050299A1 , DE102007043811A1 , DE10057974A1 , oder DE102015102834A1 beschrieben.
An die mechanisch schwingfähige Einheit eines vibronischen Sensors, welche häufig aus einem Edelstahl besteht, wird üblicherweise eine Steatitscheibe geklebt, bevor die Antriebs-/Empfangseinheit integriert wird. Dabei hängt die Qualität des Sensors empfindlich von der Klebeverbindung ab. Gerade Klebeverbindung zwischen einem Edelstahl und einem zweiten, nichtmetallischen Bauteil sind jedoch schwierig zu realisieren, wie eingangs ausgeführt.
Ausgehend vom Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Herstellung einer qualitativ hochwertigen Klebeverbindung zwischen einem Edelstahl und einem nichtmetallischen Bauteil anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das erfindungsgemäße Verfahren nach Anspruch 1 sowie durch die Sensoreinheit nach Anspruch 12 und den vibronischen Sensor nach Anspruch 15.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bezüglich des Verfahrens wird die erfindungsgemäße Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper, welcher zumindest teilweise aus einem Edelstahl besteht und einem zweiten nichtmetallischen Körper, umfassend folgende Verfahrensschritte:

- Strukturieren zumindest eines ersten Teilbereichs einer ersten Oberfläche des ersten Körpers mittels eines Ultrakurzpulslasers, und
- Herstellen einer Klebeverbindung zumindest zwischen dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche des ersten Körpers und zumindest eines zweiten Teilbereichs einer zweiten Oberfläche des zweiten Körpers vermittels eines Klebemittels.

Edelstahl ist ein chemisch beständiges Material mit einer passiven Oberfläche. Klebemittel haften daher auf Edelstahl vergleichsweise schlecht. Durch die Oberflächenstrukturierung mittels eines Ultrakurzpulslasers lässt sich einerseits eine Vergrößerung der für die Herstellung der Klebeverbindung zur Verfügung stehenden Oberfläche erreichen. Weiterhin ist eine gezielte Modifikation der Oberfläche möglich. Die Oberfläche wird bevorzugt derart strukturiert, dass eine im Wesentlichen vollständige Benetzung der vergrößerten Oberfläche mittels des Klebemittels realisiert bzw. erreicht werden kann. Dies ermöglicht ein gleichmäßiges Anfließen des Klebemittels, was grundlegend für eine möglichst große Adhäsion und entsprechend entscheidend für die Reproduzierbarkeit und Langzeitbeständigkeit der Klebeverbindung ist.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers besteht darin, dass die jeweils strukturierte Oberfläche weniger sogenannte Schmelzartefakte oder auch Spikes aufweist. Durch die kurzen Pulsdauern im Bereich von Pikosekunden oder Femtosekunden kann einhergehend mit einer gezielten räumlichen Fokussierung des Laserstrahls erreicht werden, dass die jeweils eingebrachte Wärme ausreicht, um Material in einer vorgegeben Region der Oberfläche zu verdampfen (Abtrag) ohne dass sich eine größere Wärmeeinflusszone ausbilden kann.
Erfindungsgemäß wird nur eine Oberfläche einer der beiden Körper mittels des Lasers strukturiert. Dies führt zu einer erhöhten Reproduzierbarkeit der Klebestelle. Indem der zweite Körper eine im Wesentlichen glatte Oberfläche aufweist, führen laterale Verschiebungen zwischen der ersten und zweiten Oberfläche des ersten und zweiten Körpers nicht zu einer veränderten Geometrie im Bereich der Fügestelle.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der zweite Körper zumindest teilweise aus Steatit bzw. Speckstein. Die Realisierung einer qualitativ hochwertigen Fügung von Edelstahl und Steatit ist im Allgemeinen schwierig zu realisieren. Beispielsweise sind üblicherweise die Haftungseigenschaften beider Materialien bezüglich verschiedener Klebstoffe sehr unterschiedlich.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird der Laser in einem Burstmodus betrieben. Im Burstmodus wird die Energie eines einzelnen Laserpulses in eine Gruppe von Einzelpulsen unterschiedlicher Frequenz aufgeteilt. Dies erlaubt eine präzise Einstellung der Laserfluenz und damit einhergehend eine besonders schonende Möglichkeit der Oberflächenstrukturierung. Es kann erreicht werden, dass die jeweils strukturierte Oberfläche im Wesentlichen frei von Artefakten, insbesondere Schmelzen oder Spikes, ist.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass der Laser mit einer Leistung von etwa 50-200µJ und/oder einer Rastergeschwindigkeit parallel zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche von etwa 0,1-1cm/s betrieben wird. Bevorzugte Pulslängen sind 5-30ps. Ferner wird bevorzugt ein Laser mit einer Frequenz von 100-1000kHz verwendet. Besonders bevorzugt sind Frequenzen <500kHz, da bei diesen Frequenzen sogenannte Abschirmeffekte vermieden werden können. Unter einem Abschirmeffekt wird im Folgenden verstanden, dass ein einfallender Laserpuls an durch diesem Puls vorausgehenden Pulsen erzeugten Plasma- und/oder Materialdampfwolken absorbiert oder gestreut wird.
Eine weitere Ausgestaltung beinhaltet, dass zumindest im ersten Teilbereich der ersten Oberfläche eine Strukturierung in Form einer Überstruktur und einer der Überstruktur überlagerten Feinstruktur erzeugt wird. Die für den Betrieb des Lasers verwendeten Parameter werden also jeweils geeignet eingestellt.
Für diese Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn es sich bei der Überstruktur um eine periodische Struktur mit einer Periodizität im Mikrometerbereich, insbesondere im Bereich von bis zu 50µm handelt. Besonders bevorzugt sind Strukturen mit einer Periodizität im Bereich von 5-30 µm.
Ebenso ist es von Vorteil, wenn es sich bei der Feinstruktur um eine periodische Struktur mit einer Periodizität im Nanometerbereich handelt. Die Feinstruktur zeichnet sich insbesondere durch ein vergleichsweise geringes Aspektverhältnis aus. Dies führt wiederum zu einer signifikanten Zunahme der mittels des Klebemittels benetzbaren Oberfläche. Vorzugsweise weist die Feinstruktur eine Periodizität im Bereich von <1µm auf.
Es ist weiterhin von Vorteil, wenn bei der Strukturierung sogenannte Cone-like-Protrusions (CLPS) erzeugt werden.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Überstruktur eine mittlere Strukturhöhe (peak-to-valley) von bis zu 25µm aufweist, bevorzugt 2-20 µm. Dagegen liegt die mittlere Strukturhöhe der Feinstruktur bevorzugt in einem Bereich von etwa 300-1500nm.
Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren zur Laserstrukturierung weisen die erfindungsgemäß hergestellten Strukturen vergleichsweise geringe mittlere Strukturhöhen und damit einhergehend ein geringes Aspektverhältnis auf, sowohl für die Überstruktur als auch hinsichtlich der Feinstruktur. Dies ist überraschender Weise insbesondere vorteilhaft in Bezug auf die Benetzung der Oberfläche mit dem Klebemittel. Zwar nimmt die Oberfläche mit zunehmender mittlerer Strukturhöhe zu. Allerdings kann im Falle größerer mittlerer Strukturhöhen ggf. nicht mehr gewährleistet werden, dass die Oberfläche vollständig mit dem Klebemittel benetzt werden kann, da der Klebstoff nicht vollständig in die Strukturen fließen kann. Der Übergang hierbei ist fließend und hängt insbesondere von der Viskosität des Klebemittels ab. Neben der mittleren Strukturhöhe spielt in dieser Hinsicht auch die Periodizität der Strukturen eine entscheidende Rolle. Desto größer die Periodizität, desto größer kann die mittlere Strukturhöhe gewählt werden. Allerdings wird mit zunehmend größerer Periodizität der Effekt der Oberflächenvergrößerung gegebenenfalls geringer als bei geringerer Periodizität mit geringerer mittlerer Strukturhöhe.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird zumindest der erste Teilbereich der ersten Oberfläche des ersten Körpers, insbesondere mittels des Lasers, hydrophobiert. Die Strukturierung führt also zu einer Hydrophobierung der Oberfläche. Überraschenderweise führt eine hydrophobe Oberfläche zu einer verbesserten Benetzung mit, vorzugsweise heißhärtenden, Klebemitteln in Form von Epoxidharzen. Solche Klebemitteln werden bei Temperaturen >100°C ausgehärtet und weisen zu Beginn der thermisch induzierten Aushärtung üblicherweise vergleichsweise geringe Mischviskositäten auf.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird zumindest der erste Teilbereich der ersten Oberfläche derart strukturiert, dass die jeweils hergestellte Klebeverbindung Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Haftzugfestigkeit von mindestens 20MPa aufweist. Die Haftzugfestigkeit stellt hierbei ein Maß für die Qualität der Klebeverbindung dar.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Sensoreinheit für einen vibronischen Sensor, umfassend zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit aus einem Edelstahl und eine mittels einer Klebeverbindung an der Sensoreinheit befestigte Steatitscheibe, wobei die Klebeverbindung mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist. Im Falle eines vibronischen Sensors beeinflusst die Klebeverbindung zwischen der schwingfähigen Einheit und der Steatitscheibe maßgeblich die Schwingungseigenschaften des Sensors. Insbesondere hat die Klebeverbindung einen großen Einfluss auf die Steifigkeit der schwingfähigen Einheit, von welcher die Resonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit direkt abhängt.
Die Strukturierung einer Oberfläche der schwingfähigen Einheit beeinflusst ebenfalls deren Steifigkeit, so dass eine Strukturierung mit einer geringen mittleren Strukturhöhe hier in zweierlei Hinsicht vorteilhaft ist. Zum einen kann, wie bereits erwähnt eine im Wesentlichen vollständige Benetzung der Oberfläche durch das verwendete Klebemittel erzielt werden. Zum anderen wird aufgrund der geringen Strukturhöhe gewährleistet, dass die Steifigkeit der schwingfähigen Einheit möglichst wenig beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Klebeverbindung derart hergestellt ist, dass eine Antiresonanzfrequenz der schwingfähigen Einheit bei maximal 600Hz liegt. Die Lage der Antiresonanz ist unter anderem durch die mechanische Kopplung zwischen der schwingfähigen Einheit und der Antriebs-Empfangseinheit bestimmt, welche wiederum von der Klebeverbindung zwischen der schwingfähigen Einheit und der Steatitscheibe abhängt.
Grundsätzlich kann im Fall eines vibronischen Sensors der Abstand zwischen der Resonanzfrequenz und der Antiresonanzfrequenz durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden, z. B.:

1) Einstellung der mechanischen Schwingungsgüte der mechanisch schwingfähigen Einheit durch Änderung der Formgebung bzw. Geometrie (Membrandicke, Übergänge zwischen Membran und schwingfähiger Einheit) und/oder des Materials (u. a. beispielsweise die Steifigkeit);
2) Vermeidung oder Verringerung von Energieverlusten, z. B. durch einen symmetrischen Aufbau und/oder die Schwingungsübertragungen zwischen Antriebs-/Empfangseinheit, Membran und schwingfähiger Einheit auftreten.
3) Reduzierung der Anzahl von Bauteilen;
4) Vermeidung von mechanischen Verspannungen;
5) Gegebenenfalls Einstellung der Dicke einer isolierenden Scheibe zwischen Membran und Antriebs-Empfangseinheit, wie beispielsweise in der EP0985916B1 beschrieben;
6) Einstellung des Kopplungsfaktors der Antriebs-/Empfangseinheit;und
7) Optimierung von Klebungen und Kontaktierungen.

Vorteilhaft kann erfindungsgemäß die Klebung zwischen schwingfähiger Einheit und Steatitscheibe optimiert werden, ohne einen Verlust hinsichtlich der mechanischen Schwingungsgüte hinnehmen zu müssen. Herkömmliche Laserstrukturierungen mit größeren mittlerer Strukturhöhen beeinflussen nachteilig die mechanische Schwingungsgüte des vibronischen Sensors.
Es ist ferner von Vorteil, wenn es sich bei einem für die Herstellung der Klebeverbindung verwendeten Klebemittel um ein Klebemittel mit einer Glasübergangstemperatur, welche Glasübergangstemperatur außerhalb eines Arbeitsbereiches des Sensors liegt, handelt.
Weitere wichtige Eigenschaften des verwendeten Klebemittels betreffen die Viskosität und Oberflächenspannung des Klebemittels, sowie die Haftungseigenschaften bezüglich der Steatitscheibe, deren Oberfläche erfindungsgemäß nicht bearbeitet wird. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung einen vibronischen Sensor, umfassend zumindest eine erfindungsgemäß hergestellte Sensoreinheit.
Es sei darauf verwiesen, dass die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Ausführungsformen mutatis mutandis auch für die erfindungsgemäße Sensoreinheit und den erfindungsgemäßen vibronischen Sensor anwendbar sind und umgekehrt.
Die Erfindung sowie ihre vorteilhaften Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der Figuren 1 - Fig. 3 näher beschrieben. Es zeigt:

1 zwei mittels einer Klebeverbindung gefügte Bauteile, wobei das erste Bauteil ein Edelstahl ist, und wobei das zweite Bauteil aus einem nichtmetallischen Material besteht,
2 (a) und (b) zwei Abbildungen zweier erfindungsgemäß strukturierter Oberflächen,
3 eine schematische Skizze (a) eines vibronischen Sensors gemäß Stand der Technik, und (b) einer Schwinggabel mit einer daran befestigten Steatitscheibe.

In 1a sind ein erster Körper 1 aus Edelstahl und ein zweiter Körper 2 aus einem nichtmetallischen Werkstoff gezeigt, welche mittels des Klebemittels 3 entlang der Oberflächen 1a und 2a miteinander verbunden sind. Zur Gewährleistung einer möglichst stabilen und langlebigen Klebeverbindung weist die erste Oberfläche eine Strukturierung 4 auf, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde.
Eine detailliertere Ansicht einer bevorzugten Ausgestaltung der erzielten Strukturierung ist in 1b gezeigt. Die Strukturierung 4 setzt sich aus einer Überstruktur 5 und einer dieser Überstruktur 5 überlagerten Feinstruktur 6 zusammen, welche nur in einem Teilbereich dargestellt ist. Zu diesem Zwecke werden die für den Betrieb des Lasers verwendeten Parameter werden also jeweils geeignet eingestellt.
Vorteilhaft weist die Überstruktur 5 eine Periodizität p₁ im Mikrometerbereich auf, während die Periodizität p₂ (nicht eingezeichnet) der Feinstruktur 6 im Nanometerbereich liegt. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Überstruktur 5 eine mittlere Strukturhöhe h₁ (peak-to-valley) von bis zu 25µm, bevorzugt 2-20 µm, aufweist.
Unter dem Aspektverhältnis wird im Allgemeinen das Verhältnis aus Tiefe bzw. Höhe h einer Struktur im Vergleich zu ihrer lateralen Ausdehnung, also im Vergleich zu ihrer Periodizität p verstanden. Im Falle, dass eine Klebeverbindung hergestellt werden soll, ist ein vergleichsweise geringes Aspektverhältnis h/p wünschenswert, da dies im Allgemeinen zu einer signifikanten Zunahme der mittels des Klebemittels benetzbaren Oberfläche führt.
2 zeigt zwei Edelstahl-Oberflächen, welche erfindungsgemäß strukturiert wurden. Zur Strukturierung wurde ein Picosekunden-Laser mit einer Wellenlänge von 1064nm bei einer Leistung von 150µJ verwendet. Der Vorschub (laterale Geschwindigkeit entlang der Oberfläche) betrug für die in 2a gezeigte Oberfläche 600mm/s und für die in 2b gezeigte Oberfläche 200mm/s. Jeweils rechts oben in den Abbildungen finden sich vergrößerte Ausschnitte der Probenoberfläche für eine detailliertere Ansicht.
Die Periodizität p₁ der Überstruktur für die in 2a gezeigte Oberfläche beträgt etwa 18µm, und die mittlere Strukturhöhe h₁=8 µm ist. Dagegen beträgt bei der in 2b gezeigten Oberfläche die Periodizität p₂ etwa 80µm, und die mittlere Strukturhöhe liegt bei h₂=60 µm. Die Feinstrukturen sind für beide Figuren ähnlich mit einer Periodizität p2 von <1µm und einer mittleren Strukturhöhe von ca. 0,8 µm. Während die Oberfläche aus 2a überraschenderweise hydrophob ist, ist diejenige gemäß 2b hydrophil. Zwar wurde bezüglich der Haftung von Klebemitteln bezüglich der beiden unterschiedlichen Oberflächenstrukturen kein signifikanter Unterschied festgestellt. Jedoch hat sich herausgestellt, dass bei einer Strukturierung entsprechend dem Beispiel der Probe gemäß 2a eine erhöhte Qualität der Klebeverbindung erzielt werden konnte. So wurden beispielsweise durchgängig Haftfestigkeiten der beiden jeweils gefügten Körper von >50MPa erreicht.
In 3a ist schließlich ein vibronischer Sensor 7 mit einer Sensoreinheit 8 umfassend eine schwingfähige Einheit 9 in Form einer Schwinggabel gezeigt, welche teilweise in ein Medium 10 eintaucht, welches sich in einem Behälter 11 befindet. Die schwingfähige Einheit 9 wird mittels der Anrege-/Empfangseinheit 12 zu mechanischen Schwingungen angeregt, und kann beispielsweise ein piezoelektrischer Stapel- oder Bimorphantrieb sein. Es versteht sich jedoch von selbst, dass auch andere Ausgestaltungen eines vibronischen Sensors 7 unter die Erfindung fallen. Weiterhin ist eine Elektronikeinheit 13 dargestellt, mittels welcher die Signalerfassung, -auswertung und/oder -speisung erfolgt.
In 3b ist eine detailliertere Ansicht einer Sensoreinheit 8 für einen vibronischen Sensor 7 gezeigt, welcher ebenfalls eine schwingfähige Einheit 9 in Form einer Schwinggabel aufweist gezeigt, wie sie beispielsweise im von der Anmelderin unter dem Namen LIQUIPHANT vertriebenen vibronischen Sensoren 1 integriert sind.
Die Schwinggabel 9 umfasst zwei an eine Membran 14 angeformte Gabelzinken 15a,15b, welche jeweils aus einem Schwingstab und einem daran angeformten Paddel bestehen. Bevor die Antriebs-Empfangseinheit12 in den Sensor 7 integriert wird, wird im Bereich der Membran 17 eine Steatitscheibe 18 mittels einer Klebeverbindung an der schwingfähigen Einheit 9 befestigt.
Bezugszeichenliste

1		Erster Körper
	1a	Oberfläche des ersten Körpers
2		Zweiter Körper
	2a	Oberfläche des zweiten Körpers
3		Klebemittel
4		Strukturierung
5		Überstruktur
6		Feinstruktur
7		Vibronischer Sensor
8		Sensoreinheit
9		Schwingfähige Einheit, Schwinggabel
10		Medium
11		Behälter
12		Antriebs-/Empfangseinheit
13		Elektronikeinheit
14		Membran
15a, 15b		Gabelzinken
16		Steatitscheibe

p,p₁,p₂		Periodizität der Strukturierung
h,h₁,h₂		mittlere Strukturhöhe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/094729 A2 [0003]
DE 102006034105 A1 [0007]
DE 102007013557 A1 [0007]
DE 102005015547 A1 [0007]
DE 102009026685 A1 [0007]
DE 102009028022 A [0007]
DE 102010030982 A1 [0007]
DE 00102010030982 A1 [0007]
DE 10050299 A1 [0007]
DE 102007043811 A1 [0007]
DE 10057974 A1 [0007]
DE 102015102834 A1 [0007]
EP 0985916 B1 [0030]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Klebeverbindung zwischen einem ersten Körper (1), welcher zumindest teilweise aus einem Edelstahl besteht und einem zweiten Körper (2), umfassend folgende Verfahrensschritte: - Strukturieren (4) zumindest eines ersten Teilbereichs einer ersten Oberfläche (1a) des ersten Körpers (1) mittels eines Ultrakurzpulslasers, und - Herstellen einer Klebeverbindung zumindest zwischen dem ersten Teilbereich der ersten Oberfläche (1a) des ersten Körpers (1) und zumindest eines zweiten Teilbereichs einer zweiten Oberfläche (2a) des weiten Körpers (2) vermittels eines Klebemittels (3).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der zweite Körper (2) zumindest teilweise aus Steatit besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Laser in einem Burstmodus betrieben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Laser mit einer Leistung von 50-200µJ betrieben wird und/oder einer Rastergeschwindigkeit parallel zu einer Längsrichtung der ersten Oberfläche von 0,1-1cm/s betrieben wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest im ersten Teilbereich der ersten Oberfläche (1a) eine Strukturierung (4) in Form einer Überstruktur (5) und einer der Überstruktur (5) überlagerten Feinstruktur (6) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei es sich bei der Überstruktur (5) um eine periodische Struktur mit einer Periodizität (p₁) im Mikrometerbereich, insbesondere im Bereich von bis zu 50µm, handelt.
Verfahren nach Anspruch5 oder 6, wobei es sich bei der Feinstruktur (6) um eine periodische Struktur mit einer Periodizität (p₂) im Nanometerbereich handelt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5-7, wobei bei der Strukturierung (4) sogenannte Cone-like-Protrusions (CLPS) erzeugt werden.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5-8, wobei die Überstruktur (5) eine mittlere Strukturhöhe (h₁) von bis zu 25 µm aufweist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der erste Teilbereich der ersten Oberfläche (1a) des ersten Körpers (1) hydrophobiert wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest der erste Teilbereich der ersten Oberfläche (1a) nach der Strukturierung mittels des Lasers eine Haftzugfestigkeit von mindestens 20MPaaufweist.
Sensoreinheit (8) für einen vibronischen Sensor (7), umfassend zumindest eine mechanisch schwingfähige Einheit (9) aus einem Edelstahl und eine mittels einer Klebeverbindung an der Sensoreinheit befestigte Steatitscheibe (17), wobei die Klebeverbindung mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist..
Sensoreinheit (8) nach Anspruch 12, wobei die Klebeverbindung derart hergestellt ist, dass eine Antiresonanz der schwingfähigen Einheit (9) bei maximal 600Hz liegt.
Sensoreinheit (8) nach Anspruch 12 oder 13, wobei es sich bei einem für die Herstellung der Klebeverbindung verwendeten Klebemittel (3) um ein Klebemittel mit einer Glasübergangstemperatur, welche Glasübergangstemperatur außerhalb eines Arbeitsbereiches des Sensors (7) liegt, handelt.
Vibronischer Sensor (7) umfassend zumindest eine Sensoreinheit (8) nach zumindest einem der Ansprüche 12-14.