1. Problemstellung und Ziele des Vorhabens2. Größeneffekte bei der Skalierung von Fertigungsprozessen3.Vorgehensweise
Grundlage dieser Arbeiten ist die Durchführung von Experimenten, die einerseits der phänomenologischen und quantitativen Darstellung der beobachteten
Größeneffekte und zum anderen der Verifikation der FEM-Analysen dienen (vgl. Abbildung 5). Bestandteil des Vorhabens ist der somit Aufbau und die Optimierung der Einrichtungen für die umformtechnischen Versuche. Diese werden auf einer Universalprüfmaschine durchgeführt, die neben der geregelten Kraft-Weg Steuerung auch die Einkopplung der Laserstrahlung in das Saphirwerkzeug erlaubt (vgl. Abbildung 7). Der Werkstoff Saphir zeichnet sich durch eine hohe Härte, gute Strukturierbarkeit durch Excimerlaser (vgl. Abbildung 8) und hohe Durchlässigkeit für Laserstrahlung, in einem für die Erwärmung metallischer Werkstoffe bedeutsamen Bereich, aus. Die Optimierung der Werkzeugfertigung und die Auswahl geeigneter Laser für die Erwärmung sind ebenso Bestandteil dieses Projektes, wie die grundsätzliche Auslegung des Umformprozesse in der Kombination Kraft- und Energieeinkopplung. Hierzu werden geeignete Werkzeuge hergestellt, die den besonderen Anforderungen an die Mikro-Fertigung gerecht werden. Bestandteil des experimentellen Arbeitsprogramms ist die Ermittlung einer optimalen Kraft-Energie-Einkopplung. Zu klären sind dabei auch wechselseitige Abhängigkeiten zwischen der erhöhten Formgebbarkeit durch die Erwärmung und damit verbundener statischer und dynamischer Rekristallisationseffekte, deren Einfluss auf den Umformprozess noch nicht ausreichend bekannt sind (Formfüllung, Festigkeitseigenschaften,...). Im Rahmen der experimentellen Untersuchungen werden Strategien zur gezielten Werkzeugfertigung auf der Basis der gewonnenen Erkenntnisse über Größeneffekte bei der Skalierung von Fertigungsprozessen entwickelt. Exemplarisch sollen dazu Bauteile aus der Medizintechnik (vgl. Abbildung 3) gewählt werden, weil in diesem Bereich , bedingt durch neue medizinische Anwendungen und die Forderung nach einer weiteren Abnahme der Invasivität, ein starker Trend zur Miniaturisierung vorhanden ist. Es erfolgt zunächst eine Dekomposition der betrachteten Werkstücke in Standardgeometrie-Elemente, an welchen die auftretenden Größeneffekte untersucht werden. Gleichzeitig werden die untersuchten Werkzeugformen dergestalt angepasst, dass eine bestmögliche Fertigung der gewünschten Werkstückformen erreicht wird. Hierzu wird die Werkzeugstruktur solange in einem iterativen Prozess angepasst, bis man eine Übereinstimmung mit der gewünschten Form erhält. Die Standardelemente werden sukzessive zu komplexen 3D Formen zusammengesetzt und es wird die Übertragbarkeit der Erkenntnisse über Größeneffekte der Einzelformen auf die Kompositionen geprüft (vgl. Abbildung 9). Dieser Zyklus soll verdeutlichen, dass sich Erkenntnisse aus der Fertigung eines Werkstückes durchaus auch auf andere Verfahren und Werkstückformen übertragen lassen.
Das zentrale Hilfsmittel für die Modellbildung ist die Analyse mit der Finite Element Methode. Zunächst wird ein Schwerpunkt auf die
Bestimmung der Grenzen der heute verfügbaren Simulationsprogramme bei der Abbildung von Größeneffekten gelegt. Diese sollen durch die
Abweichungen zwischen simulatorischer und experimenteller Analyse identifiziert werden. Hierauf basierend wird ein Anforderungskatalog
erstellt, auf dessen Grundlage eine gezielte Weiterentwicklung von FEM-Modulen stattfinden soll.
4. Zusammenfassung und Bewertung |