mikromal – Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen

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Mikrokaltumformen?

Was ist anders in der Mikrowelt?

Hier ticken die Uhren anders...
... könnte man umgangssprachlich formulieren, wenn man von der Welt des Allerkleinsten spricht. Wer hier arbeitet – so wie die Wissenschaftler des SFB 747 – sieht sich mit physikalischen Gegebenheiten konfrontiert, die in unserer Alltagswelt nicht unbedingt zum Tragen kommen.

 

Zu berücksichtigen ist zum Beispiel Folgendes:

Hier ticken die Uhren anders...
... könnte man umgangssprachlich formulieren, wenn man von der Welt des Allerkleinsten spricht. Wer hier arbeitet – so wie die Wissenschaftler des SFB 747 – sieht sich mit physikalischen Gegebenheiten konfrontiert, die in unserer Alltagswelt nicht unbedingt zum Tragen kommen.

 

Zu berücksichtigen ist zum Beispiel Folgendes:

Korngröße

Was in unserer Alltagswelt „Macken" hat – könnte in der Mikrowelt Vorteile geltend machen!

Korngröße im Metallwerkstück

  • Auch wenn es so aussieht, Metalle sind nicht etwa eine homogene Masse, sondern bestehen aus einer großen Anzahl winziger Körner.
  • Diese Körner, auch Kristalle genannt, bestehen ihrerseits aus Atomen, die unterschiedlich groß und verschieden geformt sind. Die Atome und mit ihnen die Körner sind also nicht unbedingt gleichmäßig aufgebaut.

Wichtig für die Arbeit der Wissenschaftler des SFB 747 ist in diesem Zusammenhang, dass der Aufbau einzelner Körner im Metall eine umso größere Rolle spielt, je weniger Material zum Einsatz kommt – zum Beispiel dann, wenn es um die Herstellung sehr dünner Bleche oder Folien und ihre Bruch- beziehungsweise Reißfestigkeit geht. Der Hintergrund:

  • Der Aufbau einzelner Körner eines Metalls hat Auswirkungen – zum Beispiel auf dessen Festigkeit.
  • Das Schaubild zeigt Kornstrukturen verschieden dicker Aluminiumbleche. Hier wird sichtbar: Kleinere „Fehler" durch Körner, deren atomarer Aufbau die Festigkeit der Bleche negativ beeinflussen könnte, werden in größerer Materialmenge ausgeglichen – in kleinerer nicht.

Doch was auf den ersten Blick ein Problem ist, lässt sich auch als Vorteil nutzen. Denn es gibt Körner, deren Aufbau dadurch auffällt, dass er besonders stabil ist. Mit ihrer Hilfe lassen sich künftig vielleicht Bleche oder Folien herstellen, die besonders strapazierfähig sind.

Somit arbeiten die Wissenschaftler des SFB 747 daran herauszufinden, wie man sich Eigenschaften der verschiedenen Körner in Metallwerkstücken zu Nutze machen kann. Zum einen suchen sie nach neuen Materialien mit kleinen Korngrößen für Drähte, Folien oder Werkzeuge, zum anderen erforschen sie Verfahren zur Herstellung besonders dünner Bleche oder Folien.

Haftkraft

Was in unserer Alltagswelt seinen Platz behauptet – klebt in der Mikrowelt aneinander!

Haftkraft contra Gewicht

  • In unserer Alltagswelt ist die Kraft des Gewichtes von festen oder flüssigen Stoffen, die Gravitation, in der Regel stärker als ihre gegenseitige Anziehungskraft, also die Adhäsion.
  • Das ist die Ursache dafür, warum etwa Regen und Schnee fallen oder Kaffee und Senf gerne einmal auf dem teuren Lederschuh landen.

Was die Wissenschaftler des SFB 747 im Rahmen ihrer Forschungen rund um die Herstellung von kleinsten Bauteilen aus Metall vor besondere Herausforderungen stellt, ist die Tatsache, dass diese physikalischen Gegebenheiten in der Mikrowelt nicht gelten. Der Hintergrund:

  • Wie auf dem Schaubild zu sehen, können Gravitation und Adhäsion in gleiche Größenordnungen geraten oder ihr Verhältnis kehrt sich sogar um, das heißt die Anziehungskraft kleiner Mikrobauteile untereinander ist größer als die Kraft ihres Eigengewichtes.
  • Im Ergebnis bedeutet das, dass die kleinen Bauteile aneinander haften. Flüssigkeiten wie Schmierstoffe können diesen Effekt noch verstärken.

Somit sehen sich die Wissenschaftler des SFB 747 vor der Aufgabe, neue Verfahren zu entwickeln, um Mikrobauteile etwa ohne Einsatz von Schmierstoffen zu produzieren oder Lösungen zu finden, um diese Teile trotz Haftkraft sinnvoll transportieren und verarbeiten zu können. Ein Ansatz ist die Produktion in „Teileverbunden", das bedeutet: Die winzigen Teile werden so hergestellt, dass eine bestimmte Anzahl von ihnen durch kleine Verbindungen auf Abstand gehalten werden. Diese „Bauteilgruppen" können dann ohne miteinander zu verkleben von A nach B verschickt werden. Erst am Zielort nimmt man sie auseinander, um sie für eigene Zwecke einzusetzen.

Oberflächenspannung

Was in unserer Alltagswelt herunterfällt – bleibt in der Mikrowelt hängen!

Oberflächenspannung contra Gewicht

  • Die Oberflächenspannung ist eine Eigenschaft von Grenzflächen zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas – also etwa zwischen Wasser und Luft. Die Oberfläche verhält sich ähnlich einer gespannten, elastischen Folie.
  • Die Oberflächenspannung ist die Ursache dafür, dass Flüssigkeiten energetisch günstige, kugelähnliche Tropfen mit möglichst geringer Oberfläche bilden.
  • Im Inneren eines Tropfens Flüssigkeit herrscht aufgrund der Oberflächenspannung erhöhter Druck, etwa wie in einer Seifenblase.

Was sich die Wissenschaftler des SFB 747 für die Herstellung von kleinsten Bauteilen aus Metall zu Nutze machen, ist die Tatsache, dass in der Mikrowelt Tropfen aus flüssigem Material nicht so schnell fallen wie sie es in unserer Alltagswelt tun würden. Der Hintergrund:

  • Auf die Flüssigkeit wirken zwei Kräfte, die Gewichtskraft und die Oberflächenspannung.
  • Die Gewichtskraft zieht die Kugel nach unten, während die Oberflächenspannung dafür sorgt, dass alle Atome der Kugel nach innen streben.
  • Solange die Oberflächenspannung größer ist als die Gewichtskraft, bleibt ein Tropfen hängen.
  • In unserer Alltagswelt ist die Gewichtskraft eines Tropfens in der Regel größer als die Oberflächenspannung. In der Mikrowelt ist das nicht immer der Fall.

Die Forscher des SFB 747 können diesen Effekt nutzen, um mit dem Verfahren des „Stoffanhäufens" per Lasertechnik in nur einem Produktionsschritt kleine Metallkugeln, so genannte „Massevorverteilungen", entstehen zu lassen. Würde man diese mit herkömmlichen Verfahren herstellen, wären mehrere Arbeitsschritte notwendig. Benötigt werden die Massevorverteilungen zum Beispiel als Rohmaterial. Aus ihnen lassen sich Mikrobauteile in verschiedenen Formen herstellen. So, wie sie jeweils gebraucht werden.

Kontakt

mikromal
SFB747 – Universität Bremen
Klagenfurter Straße 5
28359 Bremen

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

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