mikromal – Sonderforschungsbereich 747 „Mikrokaltumformen“ der Universität Bremen

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Mikrokaltumformen?

Erhöhung der Einsatzzeit von Mikroumformwerkzeugen

In meinem Projekt untersuche ich die Abnutzung der Werkzeuge, die für die Herstellung von winzigen Metallbauteilen in Form von offenen „Mikro-Cola-Dosen“, gebraucht werden. Ziel ist es, deren Abnutzung, auch Verschleiß genannt, zu verringern.

Das heißt, dass Werkzeuge wirtschaftlicher eingesetzt werden können und Maschinen so länger arbeiten, ohne gewartet werden zu müssen. Wie werden diese „Mikro-Cola-Dosen“ hergestellt und was können wir tun, damit die Werkzeuge länger halten?

Bevor die Mikro Cola-Dosen entstehen, werden aus einer sehr dünnen Folie, ähnlich wie Aluminiumfolie aus der Küche, Rohlinge ausgestanzt. Das Ausstanzen kann mit einem Papierlocher verglichen werden. Beim Papierlocher kommt es auf die Löcher an. Es wird aber das Gegenstück zu den Löchern benötigt, die „Konfetti“, die als „Ronden“ bezeichnet werden. Diese Ronden werden nun automatisch auf das Werkzeug, den Ziehring, gelegt. Der Ziehring ist eine Bohrung, die am inneren Rand keine scharfe Kante hat, sondern einen Abrundung, wie in Bild 1 zu sehen ist. Mit Hilfe eines sogenannten „Stempels“ wird die Ronde tiefgezogen, das heißt, sie wird von oben durch den Ziehring gedrückt, wie in Bild 1 dargestellt. Als fertiges Bauteil kommen sogenannte Näpfe heraus, die in Bild 2 dargestellt sind.

2013-11-01-B3-AbrundungMikronaepfe-mit-Bleistiftspitze

So lässt sich die Einsatzzeit der Werkzeuge verlängern

In den Versuchen, die ich durchführe, werden etwa 200 dieser Näpfe pro Minute hergestellt. Dabei verschleißt vor allem das eingesetzte Werkzeug, der Ziehring. Nach einer bestimmten Zeit ist es deshalb nicht mehr möglich fehlerfreie Näpfe herzustellen. Aus diesem Grund arbeiten wir an verschiedenen Wegen, um die Lebensdauer von Werkzeugen zu verlängern.

Um die Einsatzzeit, die Werkzeuglebensdauer, zu erhöhen, können unter anderem verschiedene Stahlwerkstoffe eingesetzt werden. Dabei spielt der Einfluss von Materialhärte und -zähigkeit eine wichtige Rolle. Eine Stecknadel aus Stahl kann zum Beispiel nicht so leicht gebogen werden wie eine Büroklammer aus Kupfer. Die Büroklammer hat ein weicheres, dehnbareres Material und die Stecknadel besteht aus einem härteren und spröderen Material. Ein härteres Material hat den Vorteil, dass es sich nicht verbiegen kann. Ein Nachteil ist aber, dass es schneller bricht. Es kommt also auf eine ideale Mischung der Eigenschaften von metallischen Werkstoffen an.

Eine andere Möglichkeit ist, dass eine sehr dünne Schutzschicht auf den Ziehring aufgebracht wird. Diese Schicht ist ca. 0,002 mm dick. Zum Vergleich: Ein durchschnittliches menschliches Haar hat ungefähr einen Durchmesser von 0,1 mm, demnach ist es 50-mal dicker. Der Vorteil dieser Beschichtung ist, dass sie fast so hart ist wie ein Diamant, weshalb sie auch den Namen DLC (diamond like carbone)-Schicht trägt.

Warum Werkzeuge länger halten sollen

In der Industrie soll ein Werkzeug, in diesem Fall der Ziehring, möglichst lange einsatzbereit sein, um Bauteile wie die Näpfe so lang wie möglich mit ein und demselben Werkzeug produzieren zu können. Sobald der Ziehring defekt ist, muss die Maschine angehalten werden, damit der Ziehring ausgetauscht oder repariert werden kann. Durch den Stillstand der Maschine können keine Bauteile produziert werden, dies führt zu einem kurzzeitigen Rückgang der Verkaufszahlen und somit zu einem Verlust.

Mikroumformtechnik

Mikrotiefziehen – Verschleißminimierung bei der Herstellung von 1 Millimeter großen „Napf“. Durch den Einsatz verschiedener Werkzeugmaterialien soll die Einsatzzeit der Mikrotiefziehwerkzeuge erhöht werden. Die geringeren Ausfallzeiten der Werkzeuge und somit der Anlage senken die Bauteilkosten.

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