mikromal – Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen

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Mikrokaltumformen?

Wie Leitern und Perlenketten die Fertigung von Mikrobauteilen vereinfachen

Mikrobauteile sind sehr empfindlich und lassen sich nur schwer greifen. Das liegt daran, dass sie sehr klein (sie können problemlos durch ein Loch mit 1 mm Durchmesser fallen!) und sehr leicht sind. Versucht man sie zu greifen, gehen sie unter Umständen schnell kaputt oder bleiben an Stellen kleben, wo sie nicht kleben bleiben sollen. Beides stört den Ablauf der Fertigung und Förderung. Durch die Verknüpfung der Mikrobauteile, wie bei Perlen in einer Perlenkette, entsteht der sogenannte Teileverbund. Viele der Bauteile können so zusammen gegriffen werden, was den Umgang mit den Bauteilen erleichtert.

In unserem Projekt untersuchen wir, Florian und Philipp, wie wir eine Verkettung der Bauteile in einem Teileverbund realisieren und sie zu den verschiedenen Maschinen in einer Produktionslinie transportieren können. Das Ziel ist es, die Handhabung der Teileverbunde flexibel, schnell und kostengünstig zu gestalten. Dazu sind zwei Wege denkbar: die praktische Untersuchung und die simulative Untersuchung. Bei der praktischen Untersuchung werden die realen Maschinen für das Fertigen und Fördern in einem Versuchsumfeld aufgebaut und echte Versuche durchgeführt, um das Zusammenspiel von Fertigungstechnik und Fördertechnik zu verstehen. Weil der Auf- und Umbau der Versuche in der Realität häufig sehr teuer und umständlich sind, bietet sich die Möglichkeit an, die Zusammenhänge anhand einer Simulation zu untersuchen, um somit die Anzahl der Versuche zu reduzieren. Hier werden die real existierenden Maschinen in Computerprogrammen abgebildet und virtuell untersucht. Das spart Zeit und Kosten. Damit das virtuelle Modell funktioniert, braucht man zu Anfang aber auch Daten aus der Realität, weswegen beides erforderlich ist.

Wie die Bauteile miteinander verkettet werden ...

Da Mikrobauteile u.a. aus Metallbändern und Drähten hergestellt werden, haben wir uns für jede dieser Grundformen verschiedene Teileverbundarten überlegt. Der Leiterverbund (Bild a) ist, wie es der Name sagt, wie eine Leiter aufgebaut. Er besteht im Wesentlichen aus den Bereichen Förderstrang und Bauteile. Die Förderstränge liegen links und rechts neben den Bauteilen und entsprechen in unserem Bildnis den Holmen einer Leiter. Die Bauteile, in diesem Fall die Mikronäpfe, entsprechen den Sprossen der Leiter. Die Besonderheit beim Leiterverbund ist, dass bei der Förderung nicht direkt an den Bauteilen gegriffen und gezogen wird, sondern an den Fördersträngen. Die Bauteile bleiben damit unbelastet und die Gefahr, dass diese beschädigt werden sinkt. Hergestellt wird der Leiterverbund, indem zunächst Teilbereiche in der Mitte der Blechstreifen ausgestanzt werden und aus den übrig bleibenden Bereichen durch eine Umformung ein Napf erzeugt wird.
Die zweite Teileverbundart ist der Linienverbund (Bild b). Der Aufbau dieses Verbundes entspricht der oben bereits erwähnten Perlenkette. Hergestellt wird dieser aus Draht. Mit einem Laser werden zunächst kugelförmige Bauteile in einem Draht aufgeschmolzen, die anschließend durch einen Umformprozess auf ihre Endgeometrie gebracht werden. Für die Förderung wird direkt am Draht gezogen. Da die Bauteile im Draht sehr fest sind, ist die Gefahr, dass sie sich verformen geringer als beim Leiterverbund.

Weikert Wilhelmi Leiterverbund.Linienverbund



Bild a: Leiterverbund; Bild b: Linienverbund

Wie die Teileverbundproduktion praktisch untersucht werden kann...

Bei der Produktion eines Mikrobauteils gibt es mehrere Bearbeitungsschritte. Im Leiterverbund werden z.B. zunächst einzelne Bereiche ausgestanzt, dann wird durch einen Umformvorgang der Napf in das Material eingebracht und anschließend können mit einem Laser Verdickungen an den Kanten erzeugt werden. Beim Linienverbund wird der Draht zunächst durch einen Umformvorgang im Durchmesser reduziert, dann werden mit einem Laser kugelförmige Stoffanhäufungen erzeugt und diese in einem weiteren Schritt zu den finalen Bauteilen umgeformt. Wenn man die Bauteile zwischen den Bearbeitungsschritten mit einem Mikroskop sehr genau misst, stellt man fest, dass die Bauteile nie genau identisch sind. Es gibt immer minimale Unterschiede. Diese werden von vielen unterschiedlichen Faktoren beeinflusst. Um die Zusammenhänge verstehen zu können, werden sehr viele Bauteile hergestellt und gemessen. Es werden entweder immer identische Einstellungen verwendet oder einzelne Werte, wie z.B. die Position eines Bauteils im Umformwerkzeug variiert und die Messergebnisse verglichen. Somit können schließlich Aussagen über die Zuverlässigkeit getroffen werden und Einstellungen für eine optimale Produktion der Teileverbunde festgelegt werden.

Wie die Teileverbundproduktion simulativ untersuchen werden kann...

Bei den praktischen Untersuchungen lässt sich eine Menge an Daten ermitteln, die für die simulativen Untersuchungen verwendet werden können. Wir erhalten Informationen über Fertigungs- und Fördergeschwindigkeiten, über die erreichbare Qualität der Bauteile und Verbunde (z.B. Geometrie), über die erforderlichen Bewegungen der Maschinen, deren Aufbau und vieles mehr. Diese Informationen können wir in Form von virtuellen Modellen in einem Computerprogramm abbilden und Untersuchungen durchführen, die aufgrund teurer oder umständlicher Umbaumaßnahmen in der Realität nur schwer umzusetzen sind. Die große Schwierigkeit besteht darin, das Computermodell so aufzubauen, dass es sich genauso verhält wie die echte Produktionslinie. Daher muss das Modell während seines Aufbaus auch so lange mit dem echten Prozess verglichen werden, bis Wirklichkeit und Computermodell übereinstimmen. Hat man das geschafft, so kann das ursprüngliche Modell mit wenigen Mausklicks und Veränderungen variiert werden und es können verschiedene Anwendungsfälle der Produktion am Computer untersucht werden. Mit den Untersuchungen findet man z.B. heraus, mit welchen Einstellungen die höchste Anzahl an Bauteilen gefertigt werden kann oder wie viele dieser Bauteile nicht der gewünschten Qualität entsprechen. Aus diesen Ergebnissen leitet man wiederum ab, wo in der Produktionslinie Fehler entstehen und wie man diese beheben kann.

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