SFB 747: Mikrokaltumformen - Prozesse, Charakterisierung, Optimierung
Informatik, System- und Elektrotechnik
Maschinenbau und Produktionstechnik
Mathematik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das zentrale Anliegen des Sonderforschungsbereichs „Mikrokaltumformen“ (SFB 747) der Universität Bremen ist die Bereitstellung von Prozessen und Methoden für die umformtechnische Herstellung metallischer Mikrokomponenten. Hierbei stehen Losgrößen von über 1 Mio. Stück im Vordergrund. Die entwickelten Prozesse und Methoden berücksichtigen die aus den Größeneffekten resultierenden besonderen Erfordernisse im Mikrobereich bzw. nutzen diese für innovative Ansätze. Hierbei waren nicht nur die Umformverfahren selbst, sondern die komplette Prozesskette von der Materialentwicklung, den vor- und nachgeschalteten Prozessschritten bis hin zu planerischen Aspekten der mikroumformtechnischen Fertigung, Gegenstand der Forschung. Am gemeinsamen Ziel forschten von 2007 bis 2018 über 60 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in 17 Grundlagenprojekten und 4 Transferprojekten, letztere wurden gemeinsam mit Industriepartnern aus dem begleitenden Industriearbeitskreis umgesetzt. Mit dem so erarbeiteten Wissen um die Mechanismen und Zusammenhänge konnte eine zielgerichtete Prozessauslegung und -verknüpfung für die prozesssichere umformtechnische Fertigung von metallischen Bauteilen mit einer Größe unter 1 mm und der dazu benötigten Werkzeuge ermöglicht werden. Um eine hohe Innovationsgeschwindigkeit in der Massenproduktion zu befähigen, sind die im SFB entwickelten Verfahren simulativ unterstützt, so dass schnelle Produktwechsel möglich sind. Unter Nutzung von simulativ ermittelten Prozessparametern können durch das im SFB entwickelte thermische Stoffanhäufen in nur zwei Schritten umgeformte Mikrobauteile hergestellt werden. Das Rundkneten wurde für die Massenproduktion im Mikrobereich qualifiziert, indem die technischen und werkstoffkundlichen Aspekte untersucht und beherrschbar gemacht wurden. Der Einfluss der einzelnen Tiefziehoperationen aufeinander in einem zweistufigen Tiefziehprozess konnte mittels Tolerance Engineering identifiziert werden und eine Vorhersage der erforderlichen Toleranzen in jedem Prozessschritt erfolgen. Eine synchronisierte Produktion, z. B. Montage mit Taktraten von bis zu 300 Teilbaugruppen/Minute, wurde durch Fertigung in Teileverbunden und eine darauf zugeschnittene Fördertechnik ermöglicht. Zur integrierten Planung und Evaluation der gesamten Prozesskette für die Mikrofertigung wurde das Programm µ-ProPlAn entwickelt und statistische Methoden zur Analyse von Wirkzusammenhängen zwischen fertigungsrelevanten Prozessparametern und Materialeigenschaften integriert. Umformwerkzeuge in der Massenproduktion müssen eine hohe Standzeit aufweisen sowie wegen der kleinen Abmessungen hochgenau gefertigt sein. Hierfür wurden geeignete Werkzeugwerkstoffe mit günstigen tribologischen Eigenschaften qualifiziert. Zur Werkzeugherstellung wurden im SFB folgende Verfahren entwickelt: Das laserchemische Abtragsverfahren (LCM) erlaubt eine qualitätsgeregelte, flexible Bearbeitung ohne signifikante thermische und mikrostrukturelle Auswirkungen bei Kavitätsgrößen kleiner als 200 µm. Durch Optimierung des Mikrofräsens ist die Herstellung von Umformwerkzeugen sowie tribologisch aktiven Oberflächen in einem einzigen Bearbeitungsschritt möglich. Die Prozesssteuerung wurde durch neue mathematische Ansätze optimiert, wodurch der erhöhten Innovationsgeschwindigkeit Rechnung getragen wird. Diamant ist speziell im Mikrobereich aufgrund seiner Härte und seiner tribologischen Eigenschaften ein gefragter Werkzeugwerkstoff. Durch Einführung des Ultraschallreibens konnte eine komplexe Mikrostrukturierung monokristalliner Diamanten erfolgreich umgesetzt werden. Fortschritte konnten außerdem bei der Herstellung und Standzeit von Werkzeugen aus gradierten Werkzeugwerkstoffen (SLM Verfahren und Co-Sprühkompaktieren) erzielt werden. Dank der Entwicklung eines PVD Prozesses sind härtbare 20 bis 30 µm dünne Folien aus Al-Legierungen und Al-Stahl Bimetallen mit guten Umformeigenschaften herstellbar, letztere auch kontinuierlich und damit auch für die Massenproduktion tauglich. Speziell für die Wärmebehandlung im Mikrobereich wurde ein Fallrohrofen entwickelt. Auf Basis der digitalen Holografie konnte grundlagenorientiert sowie in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner eine schnelle und genaue Qualitätsprüfung für Mikrobauteile zur Verfügung gestellt werden. Für die Werkstoffprüfung wurden Charakterisierungsmethoden für den Mikrobereich entwickelt. Um Messungen vergleichbar durchführen zu können wurden außerdem im Makrobereich geltende Normen an den Mikrobereich angepasst.
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