BIAS Bremen

Mikroumformung von winzigen Bauteilen

| Autor / Redakteur: Annedore Munde / Annedore Bose-Munde

Mikronäpfe sind kleinste metallische Bauteile die sich schnell, kostengünstig und präzise und in hohen Stückzahlen produzieren lassen.
Mikronäpfe sind kleinste metallische Bauteile die sich schnell, kostengünstig und präzise und in hohen Stückzahlen produzieren lassen. (Bild: SFB 747/ Lucas Hinrich)

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In vielen Branchen werden die eingesetzten Bauteile immer kleiner. Doch sie sollen hinsichtlich Qualität und Funktionalität die gleichen oder gar höhere Anforderungen erfüllen. Für Entwickler und Hersteller bedeutet dies, angepasste Verfahren und geeignete Werkstoffe zu bereitzustellen, die diesen Ansprüchen gerecht werden.

Ob in der Automobilindustrie, der Unterhaltungselektronik oder der Medizintechnik – der Trend zur Miniaturisierung ist überall erkennbar. Das stellt auch die Wissenschaft vor neue Herausforderungen: Wie lassen sich kleinste metallische Bauteile schnell, kostengünstig und präzise und in hohen Stückzahlen produzieren? Wie müssen geeignete Werkzeuge, Materialien und Fertigungsverfahren aussehen, um solche Miniaturbauteile herzustellen? Und wie müssen die Prüfmechanismen beschaffen sein, um eine gleichbleibende Qualität von Werkzeugen, Materialien und Fertigungsverfahren zu gewährleisten?

An der Universität Bremen widmen sich acht Institute im Sonderforschungsbereich 747 der Thematik Mikrokaltumformen. Konkret wird dabei die gesamte Prozesskette für die umformtechnische Herstellung dieser metallischen Miniaturbauteile betrachtet – von der Entwicklung des Werkstoffes über die Werkzeugherstellung und Bauteilfertigung bis hin zur Bauteilprüfung.

Hendrik Flosky ist seit 2011 am Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH Bias im Bereich der Mikroumformtechnik tätig und leitet seit 2013 die Gruppe Mikrofertigung. Er erläutert die Größendimension und die Herausforderung für die Forscher: „Mikro ist aus unserer Sicht alles, was weniger als 1 mm in zwei Dimensionen misst. In diesem Größenbereich sind ganz andere physikalische Voraussetzungen zu berücksichtigen als in der Makrowelt.“ Für die Fertigung heißt das, dass in der „Mikrowelt“ die physikalischen Grundlagen, auf denen die Verfahren der Blechbearbeitung ansonsten aufsetzen, oft nicht wie gewohnt zum Tragen kommen. So wirken beispielsweise adhäsive Kräfte bei den Minitaurbauteilen auf Grund des geringen Gewichtes der Teile nicht im bekannten Maß. Vergleichbar mit einem Haar bleiben sie beispielsweise an der Wand des Werkzeuges kleben oder haften beim Transportieren aneinander. Auch die Struktur des verwendeten metallischen Materials hat entscheidende Auswirkungen auf die Weiterverarbeitung. Auf Grund der auftretenden Größeneffekte ist es nicht möglich, die Umformprozesse aus dem Makrobereich einfach in den Mikrobereich zu übertragen. Metall besteht aus einem Verbund von einzelnen Körnern. Wird jedoch die Blechdicke eines Napfes deutlich reduziert, besteht diese irgendwann nur noch aus einem oder wenigen Körnern. Hierdurch ändern sich die Materialeigenschaften und damit auch die Anforderungen an das zu wählende Umformverfahren. Entsprechend arbeiten die Wissenschaftler daran, herauszufinden, wie man sich Eigenschaften der verschiedenen Körner in Metallwerkstücken mit Blick auf die Festigkeit des Materials zu Nutze machen kann. Zum einen suchen sie nach neuen Materialien mit kleinen Korngrößen, zum anderen erforschen sie Verfahren zur Herstellung besonders dünner Bleche oder Folien.

Die Erzeugung hauchdünner Bleche mittels physikalischer Gasphasenabscheidung

Ein Teilprojekt, welches am Institut für Werkstofftechnik von Julien Kovac bearbeitet wird, ist beispielsweise die Fertigung des Ausgangsmaterials für die spätere Bauteilherstellung. Hierbei handelt es sich um sehr dünne Bleche, die eher schon Metallfolien sind. Diese sind mit den herkömmlichen Methoden, also mit Walzen, nicht herstellbar. Dementsprechend haben die Wissenschaftler nach Alternativen gesucht. Die Lösung heißt DC Magnetron-Sputtern. Dabei handelt es sich um einen physikalischen Gasphasenabscheidungs-Prozess (englisch: physical vapour deposition, kurz PVD), wobei die Verdampfung des Schichtwerkstoffs (Target) durch ein Plasma erfolgt.

Die PVD-Anlage besteht aus einer Vakuumkammer, in der ein Hochvakuum von 10-6 mbar eingestellt werden kann. Für die Schichtabscheidung wird das Target elektrisch mit einem Gleichstromgenerator verbunden und eine negative Spannung im Bereich von -300 V bis -600 V angelegt. Gleichzeitig wird die Vakuumkammer mit zirka 10-3 mbar Argon geflutet. Durch die negative Spannung am Target kommt es zu einer Glimmentladung, bei der über Elektronenstöße positiv geladene Ar+-Ionen entstehen, die auf das Target beschleunigt werden und dort mit hoher Energie Target-Atome aus dem Target heraus schlagen. Diese bewegen sich auf das dem Target gegenüber liegende Substrat und scheiden sich dort als dünne Schicht ab. Für die Herstellung freitragender Schichten beziehungsweise Folien wird nach dem Beschichtungsprozess die Substratfolie über einen chemischen Ätz-Prozess entfernt. Bisher wurden Folien aus drei verschiedenen Werkstoffgruppen hergestellt und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften untersucht.

Geeignete Ausgangsmaterialien für das Tiefziehen von Mikrobauteilen entwickeln

Dies sind zum Einen Folien aus Al-Sc-Zr-Legierungen. Diese Legierungen erreichen sehr hohe Zugfestigkeiten. Trotz der geringen Bruchdehnungen konnten aus diesen Folien Mikronäpfe mit einem Grenztiefziehverhältnis von 1,8 hergestellt werden. Damit sind die PVD-Al-Sc-Zr-Folien sehr interessant für die Fertigung hochfester, aushärtbarer Mikrobauteile. Weiterhin wurden hochmanganhaltige TWIP-Stähle eingesetzt. Die austenitischen TWIP-Stähle bieten gleichzeitig eine hohe Festigkeit (bis 600 MPa) und eine außergewöhnlich hohe Duktilität bis 90 % und sind daher für die Herstellung komplex geformter Mikrobauteile über Tiefziehen sehr gut geeignet. Als drittes Material wurden Bimetallfolien mit gradiertem Kohlenstoffgehalt verwendet. Diese Bimetallfolien kombinieren die Vorteile des tiefziehbaren Grundwerkstoffs mit der hohen Festigkeit der C-gradierten Schicht und sind deshalb für die Fertigung hochfester härtbarer Mikrobauteile durch Tiefziehen interessant.

Erhöhung der Standzeit von Tiefziehwerkzeugen durch genaue Werkzeugauslegung

Die Werkzeuglebensdauer ist in der industriellen Praxis immer ein entscheidender Parameter für die Wirtschaftlichkeit und so steht sie auch im Zentrum des Sonderforschungsbereiches SFB 747. Denn beim verschleißbedingten Werkzeugwechsel kommt es auch beim Mikroumformen zu einem Ausfall der Produktion, was sich letztendlich in den Stückkosten niederschlägt. Um die Werkzeuge wirtschaftlicher einzusetzen, wird deshalb im Teilprojekt „Werkzeuglebensdauer“, welches Hendriky Flosky bearbeitet, der Einfluss der verwendeten Werkstoffe in den jeweiligen Werkstück-Werkzeugpaarungen eben auf die Werkzeuglebensdauer betrachtet. In dem dabei untersuchten kombinierten Schneid-/ Tiefziehprozess wurden Werkstücke sowohl mit als auch ohne Schmierstoff gefertigt. Der Prozess wurde dabei mit einem Folgewerkzeug durchgeführt, welches mit einer Taktzahl von 200/min Ronden ausschneidet und diese im nächsten Schritt automatisch zu Näpfen umformt. Hergestellt werden konnten mit diesen Bedingungen insgesamt etwa 300.000 Bauteile, ohne dass der Schneid-Ziehring gewechselt werden musste. Ziel ist es dabei auf Schmierstoffe zu verzichten, da diese sonst durch die oben beschrieben Probleme aneinander und im Werkzeug kleben.

Hendrik Flosky nennt einige Ergebnisse: „Einen qualitativen Unterschied zwischen trocken umgeformten Mikronäpfen und solchen, die mit Schmierstoff umgeformt wurden, konnten wir in unseren Untersuchungen nicht feststellen.“ Jedoch sei zwischen den Versuchen eine Entfernung der Mikrospäne nötig, die beim Ausschneiden der Ronden entstehen und sich zwischen Führung und Werkzeug setzen und so die Reibung an dieser Stelle erhöhen. Grundsätzlich konnte mit den Untersuchungen belegt werden, dass Mikronäpfe aus Al99.5 ohne Schmierstoff in einem kombinierten Schneid- und Umformprozess produziert werden können, jedoch ist die Werkzeuglebensdauer noch nicht so hoch wie bei Versuchen mit Schmierstoffen, an dieser Herausforderung wird aktuell geforscht.

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