Anwendung der Semi/solid-Technologie für die Mikroformge ... · sität, die auch als Thixotropie...

Anwendung der Semi/solid-Technologie für die Mikroformge-bung – grundlegende Potenziale und erste Prozesskonzepte

Kurt Steinhoff Lehrstuhl für Umformtechnik, Universität Kassel Zusammenfassung Phänomenologie. Phänomenologisch prä-gend für die Verarbeitung von metallischen Werkstoffen auf der Grundlage der Se-mi/solid-Technologie ist ein hybrider Aggre-gatzustand, der von der gleichzeitigen Anwe-senheit von fester und flüssiger Phase ge-kennzeichnet ist. In diesem Zustand lassen sich für eine Vielzahl metallischer Werkstoffe Verhaltensweisen feststellen, die im reinen Fest- oder Flüssigzustand nicht erreichbar sind. Erwärmt man eine Metalllegierung auf eine Verarbeitungstemperatur im Zweipha-sengebiet, so zeichnet sich ihr Verhalten bei einer nachfolgenden Formgebung durch ein besonderes rheologisches Verhalten aus. Die-ses nicht-Newton´sche Fließverhalten ist ge-kennzeichnet durch eine Zeit-, Scherraten- und Schubspannungsabhängigkeit der Visko-sität, die auch als Thixotropie und Strukturvisko-sität bezeichnet wird [1, 2]. Insbesondere letzt-genanntes Phänomen bedeutet nichts anderes, als dass mit zunehmender Scherrate die Vis-kosität drastisch abnimmt und gleichsam einer Verhaltensreversibilität mit abnehmender Scherrate wieder zunimmt. Mikrothixoforming. Betrachtet man nun bekannte Verfahrensvarianten der Mikrour-formtechnik [3 - 6], so erweist sich gerade für Anwendung der Mikroformgebung das rheo-logische Verhalten von Flüssigkeiten, sei es in Form eines fluiden Trägers für Feststoffparti-kel [3 - 8] oder als Schmelze [9] von überaus großem Interesse. Die hierbei in besonderem Maße nutzbaren Vorteile sind: • Dosierbarkeit

• Formfüllungsfähigkeit • Nutzung von grenzflächenchemischen und

physikalischen Sekundäreffekten (Kapil-larwirkung, partikelattraktive Effekte, etc.)

• Ausschaltung bzw. Reduzierung von werk-stoffstrukturbezogenen Größeneffekten

• geringe Werkzeugbelastung • Integrationsfähigkeit von Formgebung und

Fügen. Dabei verbleiben jedoch in jedem Falle die Nachteile der Erstarrungsschrumpfung und des thermischen Ausdehnungsverhaltens mit den daraus resultierenden Restriktionen hin-sichtlich der erreichbaren geometrischen Ge-nauigkeit. Vor allem sind es jedoch die un-vermeidlichen urformtechnischen Strukturde-fekte (Poren, Lunker, etc.), deren mit abneh-menden Bauteildimensionen stets stärker aus-geprägte Folgen für die sich einstellenden statischen und dynamischen Bauteileigen-schaften als überaus nachteilig zu bewerten sind. Eine vollständige Umgehung der gesamten zuvor diskutierten Restriktionen der Mikrour-formtechnik wie auch der für die Verfahrens-varianten Mikroumformtechnik geltenden Restriktionen [10, 11] auf der Grundlage eines ebenfalls thermischen Prozesseingriffs wird dann möglich, wenn man die jeweiligen Ein-phasengebiete in Richtung auf das aus der Semi/solid-Technologie bekannte Zweipha-sengebiet verlässt. Das besondere Lösungspo-tenzial des hieraus entstehenden Mikrothixo-formings als neuartige Prozessvariante der Mik-roformgebungstechnik besteht dabei generell

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in der Fähigkeit, einerseits die für eine plasti-sche Formgebung bekannten Größeneffekte vollständig auszuschalten, andererseits die Vorteile einer urformtechnischen Prozessfüh-rung unter gleichzeitig weitgehender Ab-schwächung der sich nachteilig auf die geo-metrischen und mechanischen Produkteigen-schaften negativ auswirkenden Effekte voll-umfänglich zu nutzen. Während die Abschwächung der zuvor er-wähnten Nachteile einer Formgebung im vollständig schmelzflüssigen Zustand einfach aus der Anwesenheit der festen Phase be-gründet ist, ist die Ausschaltung der im voll-ständig festen Verarbeitungszustand vorhan-denen Größeneffekte auf das besondere rheo-logische Verhalten im Semi/solid-Zustand zurückführbar. Wird doch hier durch die Sus-pensionsbildung jeglicher Zusammenhang der Festphasenstruktur aufgelöst. Die aus dem Skelettverband losgelösten frei beweglichen, im Vergleich zu den Gefügedimensionen typi-scher Erstarrungsstrukturen durch die hier bei der Vormaterialherstellung zur Anwendung kommenden Kornfeinungstechniken [12] sehr kleinen Festphasenkörner sind somit in der Lage, ungehindert der zur Füllung komplexer Mikroformelemente notwendigen über das formgebende Werkzeug von außen aktivierten Schmelzströmung zu folgen. Dabei sind die geometrischen Strukturdimensionen der Fest-phasenbestandteile nicht alleine durch die statische Voreinstellung bestimmt, sondern aufgrund der Tatsache, dass der Übergang in den fest-flüssigen Zustand durch ein Auf-schmelzen von den Korngrenzen her erfolgt, durch das über die Prozesstemperatur be-stimmte Verhältnis von fester und flüssiger Phase. Mit einer gezielten metallurgischen Modifikation gelingt es darüber hinaus, durch die Phlegmatisierung des Kornwachstums mit zunehmender Prozesszeit im Semi/solid-Zustand [13] nicht allein eine wesentliche Vor-aussetzung für den Erhalt des strukturvisko-sen Fließvermögens bei gleichzeitiger Unter-drückung der mit zunehmender Werkstück-miniaturisierung ansteigenden Segregations-neigung zu schaffen, sondern damit zugleich die Zugänglichkeit filigran gestalteter Form-elemente zu gewährleisten. Von zentraler Be-deutung ist hierbei somit insbesondere die

über die metallurgische Modifikation erreichte dynamische Limitierung der Korngröße an sich. Auch auf der prozesstechnischen Seite trägt das besondere Formgebungsverhalten im Semi/solid-Zustand zur Lösungsfindung bei. So eröffnet die im Vergleich zur Formge-bung im festen Zustand drastisch geringere Formgebungskraft neue Variationsmöglich-keiten für die Gestaltung und Dimensionie-rung der zentralen Prozessmodule. Selbst wenn die plastische Formänderung einzelner Festphasenkörner oder -kornkollektive im Prozessverlauf unausweichlich ist, so sind nicht zuletzt aufgrund der Prozesstemperatu-ren oberhalb typischer Warmumformtempe-raturen hierzu im Vergleich zu einer Kaltum-formung deutlich geringere Formgebungs-kräfte notwendig; dieser Effekt wird über den in jedem Falle nicht über das gesamte Werk-stoffvolumen ausgeprägten Festphasenzu-sammenhang verstärkt. Dies eröffnet insbe-sondere bei einer mittels Werkzeugkontakt erfolgenden Formgebung die Möglichkeit einer erweiterten Werkstoffauswahl für die entsprechenden Werkzeugkomponenten. Da-bei erweist sich der so erreichbare Zugang zu keramischen Werkstoffen auch angesichts ihrer verbesserten Kontakteigenschaften (Ad-häsionsverhalten, Verschleiß, etc.) als überaus günstig. Was jedoch noch ein wesentlich grö-ßeres Potenzial darstellt, sind solche Mecha-nismen, die auf einer kontaktlosen Kraftüber-tragung mittels Druckimpulsen beruhen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Laser-basierte Verfahren zur Generierung von Plasma-Schockwellen (engl. plasma-shock-wave) [14 - 16] zu nennen, jedoch auch elektromagne-tisch, piezomechanisch oder pneumatisch basierte Kraftübertragungsmechanismen. Die bekannten Vorteile einer integrierten Prozessführung für die Herstellung von Mak-robauteilen mit Hilfe der Semi/solid-Technologie [17] lassen sich mit noch größe-rem technologischen Nutzen für die Variante des Mikrothixoformings anwenden. Dabei ist die Integration an sich schon ein Schlüssel zur Lösung der für die Herstellung von Miniatur-bauteilen bekannten Handhabungsprobleme [11]. Im Rahmen des Vortrages sollen bei-spielhaft zwei Konzepte für ein integriertes

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Mikrothixoforming zur Herstellung von Mik-rogetriebekomponenten vorgestellt werden. Literatur [1] Flemings, M.C.: Behavior of metal alloys in the

semi-solid state. Metallurgical Transactions A, 22 (1991) 5, pp. 957-981

[2] Spencer, S.B.; Mehrabian, R.; Flemings, M.C.:

Rheological behavior of Sn-15 Pct Pb in the cristallization range. Metallurgical Transactions B (1972) 7, pp. 1925-1932

[3] Chan, C.M.; Cao, G.Z.; Stoebe, T.G.: Net shape

ceramic microcomponents by modified sol-gel casting. Microsystem Technologies 6 (2000), pp. 200-204

[4] Liu, Z.Y.; Loh, N.H.; Tor, S.B.; Khor, K.A.; Murakoshi, Y.; Maeda, R.; Shimizu, T.: Micro-powder injection molding. Journal of Materials Processing Technology 127 (2002), pp. 165-168

[5] Piotter, V.; Bauer, W.; Benzler, T.; Emde, A.:

Injection molding of components for microsystems. Microsystem Technologies 7 (2001), pp. 99-102

[6] Shimizu, T.; Murakoshi, Y.; Sano, T.; Maeda, R.;

Sugiyama, S.: Fabrication of microparts by high aspect ratio structuring and metal injection molding using the supercritical debinding method. Microsystem Technologies 5 (1998) 2, pp. 90-92

[7] Barriere, T.; Dutilly, M.; Gelin, J.C.: Analysis of

metal injection molding as a near net shape forming process for microparts. In: Geiger, M. (Edtr.): Advanced Technology of Plasticity 1999, Proc. of the 6th International Conference on Technology of Plasticity, Nuremberg, September 19-24, 1999. Heidelberg: Springer Verlag 1999, pp. 945-950

[8] Rota, A.; Duong, T.-V.; Hartwig, T.: Wear

resistant tools for reproduction technologies produced by micro powder metallurgy. Microsystem Technologies 7 (2002), pp. 225-228

[9] Baumeister, G.; Mueller, K.; Ruprecht, R.;

Hausselt, J.: Production of metallic high aspect ratio microstructures by microcasting. Microsystem Technologies 8 (2002), pp. 105-108

[10] Engel, U.; Eckstein , R.: Microforming – from basic research to its realization. Journal of Materials Processing Technology 125-126 (2002), pp. 35-44

[11] Geiger, M.; Kleiner, M.; Eckstein, R.; Tiesler, N.; Engel, U.: Microforming. Annals of the CIRP 50 (2001) 2, pp. 1-18

[12] Gabathuler, J.-P.; Barras, D.; Krähenbühl, Y.:

Evaluation of various processes for the production of billets with thixotropic properties. Proc. of the 2nd International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Cambridge, Massachusetts (USA) 1992, pp. 33-46

[13] Gullo, G.C.; Steinhoff, K.; Uggowitzer, P.J.:

Microstructural changes during reheating of semi-solid alloy AA 6082, modified with barium. In: Chiarmetta, G.L.; Rosso, M. (Edtr.): 6th International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Turin (I), September 27th-29th, 2000. Brescia: Edimet Spa 2000, pp. 367-372

[14] Berthe, L.; Peyre, P.; Scherpereel, X.; Fabbro, R.;

Jeandin, M.: Laser shock surface processing of materials. In: Dahotre, N.B. (Edtr.): Lasers in Surface Engineering. ASM International 1998, pp. 465-504

[15] Masse, J.-E.; Barreau, G.: Surface modification by

laser induced shock waves. Surface Engineering 11 (1995) 2, pp. 131-133

[16] Semak, V.V.; Dahotre, N.B.: In: Dahotre, N.B.

(Edtr.): Lasers in Surface Engineering. ASM International 1998, pp. 35-67

[17] Steinhoff, K.; Gullo, G.C.; Kopp, R.; Uggowitzer,

P.J.: A new integrated production concept for semi-solid processing of high quality Al-products. In: Chiarmetta, G.L.; Rosso, M. (Edtr.): 6th International Conference „Semi-Solid Processing of Alloys and Composites“, Turin (I), September 27th-29th, 2000. Brescia (I): Edimet Spa 2000, pp. 121-126

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff Universität Kassel Institut für Produktionstechnik und Logistik - Lehrstuhl für Umformtechnik - Kurt-Wolters-Str. 3 D - 34125 Kassel Tel.: +49 561 804-2705 Fax: +49 561 804-2045 e-mail: [email protected]

1

Lehrstuhl für UmformtechnikProf. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff

Anwendung der Semi/solid-Technologiefür die Mikroformgebung

–grundlegende Potenziale und

erste Prozesskonzepte

Kurt Steinhoff

2. Erlanger Workshop "Mikroumformtechnik" 25. November 2003


Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

Gliederung

2


50350

10 15 20 25

450

500

550

600

650

700

750

400

Siliziumanteil [Gew.-%]

Tem

pera

tur

[°C

]

α+(Si)+Mg Si2

S+ +(Si)α

S+α

α+Mg Si2

α+(Si)

α

S

S+(Si)

pseudo-binärer Ausschnitt aus dem ternären Zustandsdiagrammfür das System Al-Mg-Si

Arbeitsbereich

fest-flüssiger Hybridzustand von Metalllegierungen

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte


ThixotropieStrukturviskosität

nicht-Newton´sches Fließverhaltennicht-Newton´sches Fließverhalten

Visk

ositä

t η

Scherrate ζ

Schu

bspa

nnun

g τ

τ0

Scherrate ζ Zeit t

Scherbeanspruchung( =const.)ζ

ohneBeanspruchung

Visk

ositä

t η

Kontinuumsverhalten

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

Rheologie

Zeit-, Scherraten und Schubspannungsabhängigkeit der Viskositäteiner Metalllegierung im Semi/solid-Zustand

3


Vis

kosi

tät η

1 2 3

Scherrate ζ

100 mµ

AlMgSi1AlMgSi1

100 mµ

scherentfestigendes Verhalten metallischer Werkstoffe im Semi/solid-Zustand

dreidimensionaler Festenphasen-zusammenhang

Suspension frei beweglicher

Festphasenpartikel in einer schmelzflüssigen

Umgebung

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

Mikrostrukturverhalten

Rheologie


Funktions-integration

Miniaturi-sierung

Leicht-bau

Kosten-senkung

Nach-haltigkeit

Semi/solid-Technologie

Teilekon-solidierung

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

Innovationspotenzialeder Semi/solid-Technologie

4


• Formfüllungsfähigkeit• geometrische Komplexität• Werkzeugbelastung• Integrationsfähigkeit

(z.B. Formgebung + Fügen)• Dosierbarkeit• Nutzbarkeit von Sekundär-

effekten (Kapillarität, etc.)• keine strukturbezogenen

Größeneffekte

umform-technischer

Ansatz

• geometrische Präzision• mechanisch-technologischeEigenschaften

• Oberflächeneigenschaften• Handhabbarkeit

Vormaterial-herstellung

thermischeVorbehandlung

Semi/solid-Formgebung

NachbehandlungHandhabung

Thixoforming

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

urform-technischer

Ansatz

Technologiepotenzialeder Semi/solid-Formgebung

nutzbare Prozessvorteile der Ur- und Umformtechnik; grundlegende Prozessmodule der Semi/solid-Formgebung


Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

Mikrostruktureinstellungfür die Semi/solid-Formgebung

1Fs >1Fs =

kugelförmigeFestphasen-

gestalt

komplex ge-formte Fest-

phasengestalt

0Cs =1Cs =

vollständigeAgglomerationder Festphase

vollständigeDispersion

der Festphase

2Fs ≤ m150D µ≤ 3.0C1.0 s << cmdyn700≤γ

Formfaktor mittlere Korngröße Kontiguität Oberflächen-

spannung

5


200 µm 200 µm

AlMgSi1

1 min1 min 5 min5 min 30 min30 min

200 µm200 µm200 µm200 µm

AlMgSi1Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

0.230.42< 0.01< 0.010.230.190.210.310.470.86BaCuZnTiZrCrFeMnMgSi

Maßnahme 1(Mikrolegierungseffekt)

Maßnahme 2(Benetzungsverhalten)Basis: AlMgSi1 (AA 6082)

statisch

dynamisch


Mehrkammer-Vakuumschmelzofen

Rohlingstransfer zurUmformanlage

Transfer derVorformen

konv. Schmiedeprozesskombiniert mit

Zwischenwärmebehandlung

isothermesThixoschmiedenund drucklose

Erstarrung

End-wärme-

behandlung

Endprodukt

Drehschleuse

Rohmaterial

Vakuum

Schutzgas

Umgebung

Strangguss mitelektro-

magnetischerRührvorrichtung Durchlaufofen

Ablängeinheit

Aus-schuss-material

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte





integriertes Prozesskonzeptfür das Thixoforming

process-tailored material design ermöglicht vollständige Prozessintegration vom Rohmaterial bis zum Endprodukt

6


Werkzeugsystem

Laser-Erwärmungssystem

rotierende Gesenkscheiben mit Matrizeneinsätzen

Vorgesenk

Ausgangs-material Ausgangs

-material

„Micro-Droplet“-Generator

„Gesenkscheibenkonzept“

Vormaterialdosierung und –positionierung mittels Liquid-Metal-Jet-Technologie; Temperaturfeinjustierung mittels Laser

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte






Schutzgas-zufuhr

Tropfen-austrittsdüse

Thermo-element

Piezo-aktuator

VerbindungErwärmungs-

system

VerbindungErwärmungs-

system

Aktuator-kolben

Schmelz-tiegel

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

„Micro-Droplet-Generator“

Vormaterialaufbereitung, -dosierung und –positionierung





7


Werkzeug-system

Stempel Vormaterial Vorgesenk

rotierende Gesenkscheiben mit Matrizeneinsätzen

Laser-Erwärmungs-system

Einpressen des im Semi/solid-Zustand befindlichen Werkstoffes aus dem Vorgesenk in eine Folge vertikal untereinander angeordneter Formgesenke

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte







Vakuumgreiferthixogeformte Mikrobauteile

rotierende Gesenkscheiben mit Matrizeneinsätzen integriertes System

Trennung der Einzelkomponenten durch gegenläufige rotatorische Bewegung der Wechselgesenkscheiben; Handhabung und Montage mittels Vakuumgreifer

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte






8


Widerstands-erwärmung

Werkzeug-wechselarm

„Micro-Droplet“-Generator

Werkzeug-system

Schritt-motor

Werkzeugaufnahme(schwingungsangeregt)

Druckimpuls-beaufschlagung

vertikale Spindel-

verstellung

Fertigteil-magazin

Werkzeug-system

Servo-motor

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

„Karussellkonzept“






Spannstift

Formgesenk

Spannschraube

vertikale Spindel-

verstellung

Servo-motor

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte






Gehäuse (fest)Piezoaktuator

Werkzeug-aufnahme

Spannzange

Werkzeugsystem

Werkzeugsystem: form- und kraftschlüssige Aufnahme des Formgesenkes in eine Spannzange

9


Schrittmotor

Schwenkarme

Kupferelektrode

Spiralfeder-spannelemente

Werkzeug-system

Formgesenk

direkte Widerstandserwärmung des Formgesenkes zur Einstellung isothermerBedingungen während der Formgebung im Semi/solid-Intervall

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte







Werkzeug-wechselarm

Servomotor

vertikale Spindel-

verstellungPhänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte






Befestigungs-flansch

Rotations-magazin

Schrittmotor

Werkzeugaufnahme

Prozessverkettung durch integrierte Handhabungseinrichtungen

10


Port zur Bauteilentnahme

Zugang für Druckmedium

Schutzgas-atmosphäre

Zugang zur Rohmaterialchargierung

Integration in ein schutzgasgeflutetes Gehäuse; Zugänge zur Bauteilentnahme, zur Zuführung des Druckmediums, zur Chargierung des

Micro-Droplet-Generators

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte







Semi/solid-Ansatz ermöglicht eine weitgehende Ausschaltung der Nachteile ur- und umformtechnischer Mikroformgebungsverfahren

Zusammenfassung

Gestaltungsansatz

Schlüsselelemente

Aufgaben

Micro-Jet-Technologie und kontaktlose Kraftübertragung stellen die Schlüsselelemente der ersten Prozesskonzepte dar

prozesstechnische Realisierung und Verfahrensverifikation

Phänomenologie

Potenziale

Werkstoffdesign

Prozesskonzepte

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