mikromal – Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen

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Mikrokaltumformen?

Forschungswege

Mikrokaltumformen
Arbeiten wie in der Schmiede, nur ohne Wärme…

Metall umformen? Das kennen viele aus der Schmiede.

Hier wird etwa ein Hufeisen erhitzt, bis es glüht, und dann mit verschiedenen Zangen, Hämmern und weiteren Werkzeugen auf einem Amboss so lange bearbeitet, bis es exakt am Pferdehuf sitzt. Wenn wir nun vom Mikrokaltumformen sprechen, geht es ebenfalls um den Werkstoff Metall. Allerdings sind unsere Werkstücke in mindestens zwei Dimensionen kleiner als ein Millimeter. Deshalb sind sie auch im kalten Zustand, das heißt ohne den Einsatz von Wärme sehr gut verformbar! Verfahren, die wir erforschen und weiterentwickeln, um Mikrobauteile zu formen sind:

  • Das Mikrotiefziehen
  • Das Mikrorundkneten
  • Das Stoffanhäufen

Um im Voraus sicher zu stellen oder fortlaufend zu prüfen, ob die entstehenden Bauteile der gewünschten Güte gerecht werden, arbeiten wir darüber hinaus auch an:

Verfahren zur Werkzeugherstellung und Messverfahren im Mikrobereich
...mit leistungsstarkem Werkzeug und sinnvoller Qualitätskontrolle

Gerade für kleinste Bauteile ist höchste Präzision gefragt. Schon winzige Abweichungen in ihrer Form oder Größe können dazu führen, dass Ausschussware entsteht, die nicht genutzt werden kann. Passieren kann dies zum Beispiel dann, wenn die im Herstellungsprozess eingesetzten Werkzeuge nicht genau genug gearbeitet sind oder Verschleißerscheinungen zeigen. Das Problem: Etablierte Verfahren zur Werkzeugherstellung oder zum Messen eignen sich nicht immer, um mit heutigen Anforderungen an Werkzeugstabilität und -genauigkeit, Produktionsgeschwindigkeiten oder -mengen Schritt zu halten und fehlerhafte Mikrobauteile früh genug anzuzeigen. Um also möglichst wenig Spreu entstehen zu lassen oder die Spreu rechtzeitig vom Weizen zu trennen, entwickeln die Forscher des SFB 747 neue Verfahren zur Werkzeugherstellung und neue Messtechniken wie:

  • Laserkontur
  • Digitale Holografie

Mikrokaltumformen
Arbeiten wie in der Schmiede, nur ohne Wärme…

Metall umformen? Das kennen viele aus der Schmiede.

Hier wird etwa ein Hufeisen erhitzt, bis es glüht, und dann mit verschiedenen Zangen, Hämmern und weiteren Werkzeugen auf einem Amboss so lange bearbeitet, bis es exakt am Pferdehuf sitzt. Wenn wir nun vom Mikrokaltumformen sprechen, geht es ebenfalls um den Werkstoff Metall. Allerdings sind unsere Werkstücke in mindestens zwei Dimensionen kleiner als ein Millimeter. Deshalb sind sie auch im kalten Zustand, das heißt ohne den Einsatz von Wärme sehr gut verformbar! Verfahren, die wir erforschen und weiterentwickeln, um Mikrobauteile zu formen sind:

  • Das Mikrotiefziehen
  • Das Mikrorundkneten
  • Das Stoffanhäufen

Um im Voraus sicher zu stellen oder fortlaufend zu prüfen, ob die entstehenden Bauteile der gewünschten Güte gerecht werden, arbeiten wir darüber hinaus auch an:

Verfahren zur Werkzeugherstellung und Messverfahren im Mikrobereich
...mit leistungsstarkem Werkzeug und sinnvoller Qualitätskontrolle

Gerade für kleinste Bauteile ist höchste Präzision gefragt. Schon winzige Abweichungen in ihrer Form oder Größe können dazu führen, dass Ausschussware entsteht, die nicht genutzt werden kann. Passieren kann dies zum Beispiel dann, wenn die im Herstellungsprozess eingesetzten Werkzeuge nicht genau genug gearbeitet sind oder Verschleißerscheinungen zeigen. Das Problem: Etablierte Verfahren zur Werkzeugherstellung oder zum Messen eignen sich nicht immer, um mit heutigen Anforderungen an Werkzeugstabilität und -genauigkeit, Produktionsgeschwindigkeiten oder -mengen Schritt zu halten und fehlerhafte Mikrobauteile früh genug anzuzeigen. Um also möglichst wenig Spreu entstehen zu lassen oder die Spreu rechtzeitig vom Weizen zu trennen, entwickeln die Forscher des SFB 747 neue Verfahren zur Werkzeugherstellung und neue Messtechniken wie:

  • Laserkontur
  • Digitale Holografie

Mikrotiefziehen

Mikrotiefziehen
Kleinste Hohlkörper herstellen, die der Elektronik auf die Sprünge helfen

Mit dem Verfahren des Tiefziehens wird aus einem Stück Blech ein auf einer Seite offener Hohlkörper geformt. Bewegen wir uns in unserer Alltagswelt, so könnten das zum Beispiel Töpfe sein. Im Mikrobereich – also beim Mikrotiefziehen – entstehen auf ähnliche Art und Weise kleine Näpfe oder Kappen in runder oder rechteckiger Form. Sie finden unter anderem in Elektronikbauteilen wie elektrischen Widerständen Verwendung.

Wie funktioniert das? Das zeigt die nebenstehende Skizze: Ein Blech wird in eine Umformmaschine eingelegt, so dass es zentriert auf dem „Ziehring" liegt. Dann fährt von oben der „Niederhalter" auf das Blech herunter und baut leichten Druck auf. Das Werkstück ist also fixiert. Im nächsten Verfahrensschritt bewegt sich der „Stempel" von oben nach unten, drückt auf das Blech und zieht es so in die Öffnung des „Ziehrings" hinein.

Was wird im SFB 747 in diesem Zusammenhang erforscht? Damit die Industrie in Zukunft auf Mikrobauteile wie diese in hoher Qualität zurück greifen kann, arbeiten wir im SFB 747 an einer Weiterentwicklung des Verfahrens. Insbesondere versuchen wir zu ergründen, warum und ab wann das Werkzeug, also die Umformmaschine, Verschleiß zeigt, wie man das rechtzeitig prüfen und verhindern oder zumindest hinauszögern kann. Wichtig ist dies, weil sich daraus verschiedene Vorteile ergeben:

  • Schnellere Produktionsabläufe
  • Genauer arbeitende Werkzeuge
  • Geringerer Verschleiß von Werkzeugen
  • Weniger Ausschuss, also weniger schadhafte Bauteile

Praxisbeispiel I: Fertigung von Federkontakten im Handy oder Cerumenschutz in Hörgeräten, die so dünn sind, dass sie nicht gewalzt werden können.

Praxisbeispiel II: Herstellung von Werkzeugen und Entwicklung von Verfahren, die den Anforderungen an die Präzision in der Mikrowelt gerecht werden.

Mikrorundkneten

Mikrorundkneten
Größe sowie Gewicht reduzieren und trotzdem Stabilität gewinnen

Hier geht es nicht etwa um Backstube und Kuchenteig, sondern ebenfalls um die Herstellung von Mikrobauteilen, nämlich möglichst dünnen Drähten. Was in unserer Alltagswelt Rohre oder Stangen sind, ist auch im allerkleinster Version gefragt. Die Bauteile, die im Mikrobereich benötigt werden, sind allerdings weit dünner als ein Streichholz und sollen dennoch extrem belastbar sein.

Wie funktioniert das? Ein Blick auf das Bild und die technische Zeichnung nebenan erklärt, wie eine so genannte „Rundknetmaschine" aussieht und wie sie dem Prinzip nach arbeitet. Ein Werkstück wird eingespannt und mittels verschiedener, gegenläufiger Drehbewegungen einzelner Maschinenteile bei Raumtemperatur verformt. Kontakt zum Werkstück haben die „Grundbacken". Sie werden mit Druck auf das Werkstück gepresst und geben die letztendliche Form vor – auf den hundertstel Millimeter genau.

Was wird im SFB 747 in diesem Zusammenhang erforscht? Auch hier arbeiten wir daran, das Verfahren selbst und die Rundknetmaschine für die Massenproduktion von Mikrobauteilen zu optimieren, denn beide bieten zahlreiche Vorteile:

  • Beim Mikrorundkneten entsteht kein Abfall wie etwa dann, wenn man einen Bleistift anspitzen würde, um eine feine Spitze zu erhalten – die verdrängte Masse lässt das Werkstück einfach länger werden
  • Durch das Mikrorundkneten verfestigt sich das verwendete Metall und wird so belastbarer – trotz weniger Materialeinsatz und Gewicht
  • Das Mikrorundkneten ermöglicht es, Bauteile aus verschiedenen Materialien herzustellen – aus einem Kupferrohr und einem Aluminiumdraht kann etwa ein fester Verbundwerkstoff werden

Praxisbeispiel I: Herstellung von Antriebswellen für Mikromotoren.

Praxisbeispiel II: Herstellung von Bauteilen und Entwicklung von Verfahren, die den Anforderungen an die Präzision in der Mikrowelt gerecht werden.

Stoffanhäufen

Stoffanhäufen
Weniger Produktionsschritte sparen Zeit und Geld

Kleinste Mikrobauteile, etwa mit runden Köpfen, die weniger als einen Millimeter Durchmesser haben? Das Verfahren des so genannten „Stoffanhäufens" macht es möglich. Was in unserer Alltagswelt allerdings ein mehrstufiges, so genanntes „Kaltstauchverfahren" benötigt, um Erfolg zu zeigen, gelingt in der Mikrowelt weitaus eleganter – sprich schneller, also mit weniger Arbeitsschritten und ohne Materialverlust.

Wie funktioniert das? Die Skizze links macht den Unterschied zwischen beiden Verfahren deutlich. Im Falle des Stoffanhäufens wird ein dünner Draht vertikal fest eingespannt. Mit Hilfe eines Laserstrahls wird nun das untere Ende des Drahtes erhitzt, bis es flüssig wird. Das aufgeschmolzene Metall formt sich zu einer Kugel, die „Massevorverteilung" genannt wird. In weiteren Prozessschritten kann diese weiter umgeformt werden – zum Beispiel mittels des Mikrorundknetens.

Was wird im SFB 747 in diesem Zusammenhang erforscht? Im Vordergrund steht die Weiterentwicklung des Produktionsverfahrens „Stoffanhäufen". Unter anderem möchten wir herausfinden, ob sich mit Einsatz von anderem Rohmaterial – also zum Beispiel von Folien oder Rohren statt Drähten – außer Kugeln auch andere Formen von Massevorverteilungen erzeugen lassen. So könnte die Industrie später auch anderweitig von folgenden Vorteilen des „Stoffanhäufens" profitieren:

  • kein Materialverlust
  • weniger Arbeitsschritte bis zum fertigen Mikrobauteil
  • Möglichkeit, aus der Massevorverteilung etwa durch das Rundkneten gewünschte Formen für das eigene Mikrobauteil herzustellen

Laserkontur

Laserkontur
Der Materialhärte ein Schnippchen schlagen - präzise Werkzeugherstellung per Laser

Werkzeuge müssen stabil und robust sein. Daher bestehen sie zumeist aus hochfestem Stahl. Aber: Derart harte Materialien lassen sich schon in unserer Alltagswelt nur schlecht bearbeiten. Besonders schwer wird es in der Mikrowelt. Hier gilt es, sehr kleine, genaue Formen und glatte oder speziell strukturierte Oberflächen zu fertigen, wie sie unter anderem für Werkzeuge zur Produktion von Mikrobauteilen wichtig sind. Die Lösung: Eine Kombination von Laserlicht und chemischen Ätzmitteln.

Wie funktioniert das? Das Stück, aus dem das spätere Werkzeug oder eines seiner Bestandteile entstehen soll, wird mit einem Laserstrahl sowie einem Ätzmittelstrahl bearbeitet. Dort, wo beide gleichzeitig auf das Werkstück treffen, erwärmt der Laser die Werkstoffoberfläche und löst in Verbindung mit dem Ätzmittel eine chemische Reaktion aus. Dadurch wird punktgenau Material abgetragen, sprich das Werkstück bearbeitet. Ein Verfahren, das ganz neue Dimensionen von Präzision ermöglicht.

Was wird im SFB 747 in diesem Zusammenhang erforscht? Im Mittelpunkt unserer Arbeit steht die Weiterentwicklung des Verfahrens „Laserkontur". Insbesondere wird daran geforscht, den Prozess zu beschleunigen und zu verfeinern, so dass er im Vergleich zu herkömmlichen Produktionsverfahren für Mikrobauteile konkurrenzfähig wird. Vorteile des Verfahrens:

  • Möglichkeit der Herstellung von Werkzeugen für Mikrobauteile ohne Verschleiß, Grat oder Abfall
  • Möglichkeit der Bearbeitung harter Werkstoffe wie Edelstahl oder Legierungen auf Titan-, Nickel und Chrombasis

Praxisbeispiel I: Herstellung präziser „Rundknetbacken", Werkzeugteile für Rundknetmaschinen

Praxisbeispiel II: Herstellung so genannter „Mikrofunktionselemente" wie Mikrogreifer, Mikrofedern und Mikrokanäle für den Einsatz in kleinen, elektromechanischen Geräten.

Digitale Holografie

Digitale Holografie
Kleinste Fehler schon im Produktionsprozess aufdecken

Gerade in der Massenproduktion gilt: Zeit ist Geld. Werkzeuge verschleißen, das lässt sich nicht vermeiden. Aber durch ihre beständige Überwachung lässt sich erkennen, wann der richtige Moment für einen Wechsel gekommen ist. So kann die Herstellung fehlerhafter Bauteile schon von vorne herein vermieden werden. Doch Schäden an Werkzeugen, die sich in unserer Alltagswelt mit bloßem Auge oder auch mit herkömmlichen Messverfahren wie dem Mikroskopieren nachweisen lassen, erfordern in der Mikrowelt ganz andere Herangehensweisen – zum Beispiel die vergleichende, digitale Holografie.

Wie funktioniert das? Für dieses Verfahren wird Laserlicht eingesetzt, um dreidimensionale Bilder von Gegenständen – also etwa von Werkzeugen – zu erzeugen. Zunächst wird ein Hologramm des unbenutzten Werkzeuges aufgenommen. Mit Hilfe eines speziellen, optischen Bauelementes kann dann das in der Produktion eingesetzte Werkzeug fortlaufend mit dieser Ursprungsaufnahme verglichen werden. Dabei zeigen sich schon kleinste Unterschiede, wie etwa beginnender Verschleiß.

Was wird im SFB 747 in diesem Zusammenhang erforscht? Wir widmen uns dem gesamten Verfahren der digitalen Holografie, das bisher noch Neuland ist. Das heißt, wir arbeiten daran, herauszufinden, wie und für welche Gelegenheiten es sich künftig praktisch einsetzen lässt, wie sich das Verfahren noch weiter beschleunigen oder wie sich die Messdaten, die es liefert, praktisch interpretieren lassen. Die Vorteile:

  • Schnelles Prüfverfahren, um schadhafte Bauteile und Werkzeuge zu vermeiden
  • Liefert genauere Messdaten als andere, bisher bekannte Prüfverfahren
  • Minimalinvasives Prüfverfahren, schädigt weder Werkzeuge noch Bauteile

Kontakt

mikromal
SFB747 – Universität Bremen
Klagenfurter Straße 5
28359 Bremen

Phone +49 421 218-58000
Fax + 49 421 218-58063

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