Gruppenleiterin: Hanna Wielage

Die Gruppe Strukturierung befasst sich mit Fertigungsprozessen zur Herstellung von dreidimensionalen geometrischen Strukturen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf 2 Technologien: Umformtechnik und Laserabtragende Verfahren. Zusätzlich werden Prozessketten mit diesen Verfahren und Fügeprozessen betrachtet. Mit umformenden Verfahren lassen sich vor allem Massenprodukte aus Metall kostengünstig herstellen. Am BIAS werden vor allem die Blechumformung mit den Aspekten Prozessskalierung, Tribologie, Mikroumformen und Laserschockumformen betrachtet. Hinzu kommen noch Maschinen der Umformtechnik insbesondere Mikropressen.

Mikroumformen

Mikroumformen heißt am BIAS vor allem Tiefziehen mit Stempeldurchmessern von 1 und 0,5 mm bei Blechdicken von 20-50 µm. Hierbei werden besondere Anforderungen an die Genauigkeit gestellt, da sie proportional runterskaliert werden muss. Das betrifft sowohl die Probenherstellung als auch die Handhabung und die Werkzeuge. Darüber hinaus muss beachtet werden, dass sich gewisse Eigenschaften bei der Prozessskalierung nicht proportional zur Bauteilgröße ändern: Im Mikrobereich treten Größeneffekte zum Beispiel bei der Reibung auf. Das BIAS ist aber in der Lage die Reibung im Mikrotiefziehwerkzeug anhand der Prozessdaten zu ermitteln und somit die tribologischen Größeneffekte auch in der Simulation zu berücksichtigen. Für eine genaue Prozessführung wurde darüber hinaus eine hochpräzise und hochdynamische Mikroumformpresse entwickelt. Sie verfügt über eine Positionierunsicherheit von < 3 µm und eine Wiederholunsicherheit von < 1 µm bei 1000 Hüben/min. Es können Verfahrgeschwindigkeiten von bis zu 3 m/s erreicht werden.

Tiefgezogener Mikronapf (Durchmesser 1 mm)		Mikroumformmaschine, Genauigkeit < 3 µm

Lasereinsatz in der Umformtechnik

Das BIAS verfügt über eine große Bandbreite verschiedenster Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen, Pulslängen und Leistungen sowohl im Puls- als auch im Dauerbetrieb. Daher können Laser für verschiedene Aufgaben in der Umformtechnik eingesetzt werden, wie z.B. das gezielte Erwärmen von kritischen Umformzonen zur Herabsetzung der Fließspannung oder das thermische Laserumformen. Eine neuere Prozessentwicklung ist das nicht-thermische Laserumformen bzw. das Laserschockumformen. Dabei wird mithilfe des Lasers ein Plasma induziert, der eine Schockwelle erzeugt. Mit der Schockwelle können dann kleine Bauteile tiefgezogen, streckgezogen oder gebogen werden. Die Charakterisierung dieses Hochgeschwindigkeitsumformprozesses kann mit dem speziell für Kleinteile abgestimmten optischen Dehnungsmesssystem ARAMIS erfolgen.

Laserschockgezogener Napf		Auswertung der optischen Dehnungsmessung

Laserablation

Für die direkte Laserablation werden gepulste Lasersysteme mit Pulslängen hauptsächlich im Bereich von Nanosekunden eingesetzt. Dabei erreicht die Intensität Werte, die auch bei hoher Reflektivität des zu bearbeitenden Werkstoffs, die effektive Einkopplung der Strahlung ermöglicht. Der Wechselwirkungsquerschnitt und damit die erzielbare Auflösung sind im Wesentlichen von der Wellenlänge, der Brennweite der fokussierenden Linse, der applizierten Leistung und den thermo-physikalischen Eigenschaften des Werkstoffs abhängig. Daher erfordern verschiedene Anwendungen angepasste Prozessstrategien. Feinstbohrungen werden im sogenannten Perkussionsbohrverfahren hergestellt, bei dem Werkstück und Laserstrahl zueinander feststehend sind. Der Bohrungsquerschnitt kann durch eine angepasste dynamische Strahlformung unter Verwendung eines speziellen optischen Systems eingestellt werden. Für Bohrungen mit Durchmessern definitiv größer als der Fokusdurchmesser wird das Trepanierbohren eingesetzt. Dabei wird der einfallende Laserstrahl in der Regel schnell über das Werkstück durch die Verwendung von Galvanometerscannern zur Strahlablenkung bewegt. Durch mehrfaches Überfahrungen wird das Bauteil sukzessive durchbohrt. In der gleichen Art und Weise können verschiedenste geometrische Schnittmuster oder auch flächige Strukturen durch Laserschneiden bzw. Laserabtragen erzeugt werden.

Trepanierbohrung in W:Ni+Al2O3 (Durchmesser 60 µm)

Laserätzen

Laserätzen von Metallen kann in verschiedenen sauren oder basischen Lösungen unter Einsatz von cw Lasern im sichtbaren oder nahen infraroten Bereich erzielt werden. Dabei wird durch die Wechselwirkung des Laserstrahls mit der Materialoberfläche bei gleichzeitiger koaxialer Einspritzung des Ätzmittels, eine verstärkte thermochemische Ätzreaktion aktiviert, die zum Materialabtrag im bestrahlten Bereich führt. Die Bearbeitung resultiert in einer rückstandslosen Entfernung des Materials im laserbestrahlten Bereich und einer geringen Wärmebeeinflussung des Werkstücks. Das thermochemische Laserätzen findet Anwendung im Bereich der Sensortechnologie, Mikromechanik und Mikroabformtechnik. Dies beinhaltet die Mikrostrukturierung von Dünnschichtsystemen, das Schneiden von Folien oder die Erzeugung von Strukturen mit definierter Geometrie in massiven Werkstücken.

Mikrogreifer aus Nitinol

Prozessketten

Durch die Kombination von laserstrukturierenden, umformtechnischen und fügetechnischen Verfahren können komplexe Geometrien hergestellt und als durchgängige Prozesskette betrachtet werden. Hier zum Beispiel ein durch Laserablation hergestelltes Gitternetz, dass anschließend tiefgezogen wurde.

Netz-Struktur: Laserstrukturierter und anschließend tiefgezogener Napf

Kontakt

Dipl.-Ing. Hanna Wielage
Gruppenleiterin Strukturierung
Tel.: +49-421-218-58089
wielage@bias.de