mikromal – Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen

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Mikrokaltumformen?

PVD-Bleche: Aus dem Nichts aufgetaucht

Pizza und Bleche

Bei der Blechherstellung gilt, genauso wie bei der Vorbereitung von Pizzateig, je weicher der Teig (oder der Werkstoff), desto leichter ist es diesen abzuflachen.

Walzen ist ein herkömmlicher Prozess, um dünne Bleche (Folien) aus relativ weichen Werkstoffen (bspw. Aluminium, Kupfer, Edelstahl) in großen Mengen herzustellen. Obwohl sich diese Werkstoffe gut umformen lassen, sind ihre mechanischen Eigenschaften (Härte, Festigkeit) begrenzt und daher sind umgeformte Mikrobauteile aus diesen Werkstoffen nicht für alle Anwendungen geeignet. Härtere Werkstoffe sind allerdings zu fest, um sie in die gewünschte Dicke (15-50 µm) zu walzen. Zum Vergleich: die gewünschte Dicke der Folie ist halb so dick wie ein Babyhaar.

Und wie können nun solche Folien hergestellt werden?
                                                                                                                Mit Hilfe von PVD-Prozessen.

Physikalische Gasphasenabscheidung (PVD)

Mit Hilfe von PVD-Prozessen ist keine Umformung des Werkstoffes mehr nötig. Das Grundprinzip ist einfach: Der gewünschte Blechwerkstoff wird verdampft, also in einen gasförmigen Zustand versetzt, und zu einem Substrat geleitet, wo er dann kondensiert (typischerweise ist das Substrat ein Blech aus einem anderem Werkstoff). Dadurch bildet sich eine Schicht auf diesem Substrat. Das Substrat wird nachher mit Hilfe von Chemikalien weggeätzt, sodass nur eine freitragende Schicht (d. h. eine Folie) aus dem gewünschten Werkstoff zurückbleibt.

Ohne es zu wissen kennt jeder von uns PVD-Prozesse aus dem alltäglichen Leben: wenn man Wasser kocht, wird das Wasser verdampft und kondensiert am Deckel in Form von Tropfen. PVD funktioniert genauso, es unterscheidet sich nur die Dampfquelle.

Magnetronsputter

Magnetronsputtern ist ein besonderer PVD-Prozess, der geeignet ist, um Metall relativ schnell zu beschichten. Die Verdampfungsweise des Metalls ist beim Magnetonsputter-Prozess sehr ungewöhnlich: statt Wärme wird ein sogenanntes Plasma verwendet. Ein Plasma ist ein Gas, bei dem die negativ geladenen Teilchen (Elektronen) von den positiv geladenen Teilchen (Ionen) getrennt sind. Typische Beispiele für Plasma sind Flammen, Blitze oder Polarlichter.

Wie funktioniert das konkret?

Die Blechwerkstoffe (das Target (1) und das Substrat (2)) werden in einer Hochvakuumkammer platziert. Darin herrscht ein Druck von 10-6 mbar, d. h. etwa eine Milliarde mal kleiner als Luftdruck. Danach fließt ein Edelgas, wie beispielsweise Argon (3), in die Kammer und der Druck steigt auf bis zu 10-3 mbar an. Das Target wird mit einem Generator verbunden (4) und ein elektrisches Potenzial wird zwischen dem Target und dem Rest der Anlage angelegt. Daraus resultiert die Ionisierung des Argons und somit die Schaffung des Plasmas. Die positiven Plasma-Ionen (5) werden bis zum Target beschleunigt und tragen, wie zum Beispiel Billardkugeln, die Targetatome (6) ab, die anschließend verdampft werden.

PVD im Rahmen des SFB 747

Im SFB 747 stellt dieses Teilprojekt Folien aus festen und praxisrelevanten Materialien, wie hochfesten Aluminiumlegierungen, TWIP-Stahl oder kohlenstoffgradiertem Stahl, mit der Hilfe von einem bestimmten PVD-Prozess her. Diese Folien werden mechanisch getestet und in Mikrobauteile umgeformt . Die Mikrobauteile werden nachher durch Wärmebehandlung im Fallrohrofen gehärtet.

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

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