Bild 1: Prozesskette Mikroumformtechnik mit exemplarischen Maßen

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Metal l-Specia l

Die Mikroumform-technik erfordertneue Lösungsansätze,da eine rein geome-trische Skalierungder bekannten Ver-fahren an physikali-sche Grenzen stößt.Mit zunehmenderMiniaturisierungwird die Reproduzier-barkeit und dieBeherrschung derProzesse erschwert[2], so dass sich dieProzessauslegung zurZeit vielfach auf Er-fahrungswerte stützt.Um zukünftig einewissensbasierte undverlässliche Prozes-sauslegung zu er-

möglichen, sind unter anderem dieAuswirkungen folgender spezifischerAspekte bei der Miniaturisierung vonUmformprozessen zu untersuchen:

Das Verhältnis von Oberflächezu Volumen nimmt zu und führtzu Änderungen im Temperatur-haushalt und im Bezug auf dieBedeutung der Reibung.Hohe Werkzeuggeschwindigkei-ten führen zu einem Anstieg derDehn- bzw. Umformgeschwin-digkeit.Das zunehmende Verhältnis vonKorngrößen zu charakteristi-schen Bauteilabmessungen

Im Rahmen der Mikroumformtech-nik beschäftigt sich das IBF mitder Untersuchung und Umsetzung

einer von Draht oder Band ausgehen-den Prozesskette zur Herstellung vonFormteilen (Bild 1). Diese besteht ausder Halbzeugfertigung von Folienund Bändern mittels Mikrowalzenund deren Weiterverarbeitung durchMikrotiefziehen und Mikroprägen zufunktionalen Strukturen und Bautei-len, wobei die Ermittlung von cha-rakteristischen Prozesskenntnissen,Materialdaten, Gefügestrukturen unddarstellbaren Geometrien von vor-rangigem Interesse ist.

führt zu einem verstärkten Ein-fluss einzelner Körner beimUmformen, wodurch die Repro-duzierbarkeit und die Fließ-spannung beeinflusst werden.

Skalierungseffekte bei derMiniaturisierung des Walzprozesses

Zur Untersuchung von Skalierungsef-fekten beim Walzen von dünnenBändern aus Kupferdraht wurdenVersuche auf einem Präzisionswalz-werk bei der Firma Prymetall in Stol-berg durchgeführt. WeichgeglühteDrähte von 4,0 mm, 2,0 mm, 1,0 mmund 0,5 mm aus Elektrolytkupfer (E-Cu, Werkstoffnummer 2.0065)wurden von rund auf flach gewalzt.Während der Versuchsdurchführungan den Drahtabschnitten wurde dieKraft und nach dem Walzen dieBandgeometrie (Dicke und Breite)gemessen. Mit Hilfe der gemessenenBandgeometrie kann die gedrückteFläche exakt berechnet werden. DieDickenabnahme wurde in Stufen von25, 50 und 75% variiert, wobei ausfünf Versuchen pro Versuchsreihe jeein Mittelwert für die Walzkraft, dieBandbreite und die Banddickebestimmt wurde. Als Vergleichspara-meter für die Versuche wurde derUmformwiderstand kw gewählt [3].Es wird darauf hingewiesen, dass beiden durchgeführten Versuchen dieÄhnlichkeit [4] nicht eingehaltenwerden konnte, da nur die Drähte unddie realisierten Abnahmen maßstäb-lich skaliert wurden. Der Walzrollen-durchmesser musste auf Grund derMaschinenkonstruktion konstantgehalten werden.Um dennoch eine Aussage machen zukönnen, wurden alle Walzfälle mittelsFEM simuliert und auch in der Simu-lation der (rechnerische) Umformwi-derstand ermittelt. Der Vergleich in

Erfahrungen beim Mikroumformen von Kupferund Kupferlegierungen

Hirt, G.; Justinger, H.; Thome, M.; van Putten, K. (1)

In fast allen Bereichen der Technik kann einezunehmende Miniaturisierung von Produktenund Bauteilen beobachtet werden. In diesemZusammenhang ist Kupfer wegen seiner gutenLeitfähigkeit insbesondere für Anwendungen inder Elektronik interessant, während Kupferlegie-rungen aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaf-ten in höher beanspruchten Bauteilen zum Ein-satz kommen. Die in der Mikrofertigung einge-setzten spanenden und abtragenden Verfahren(wie Fräsen) oder generierende Verfahren (wieLIGA) sind zum Teil sehr aufwändig, hinsichtlichder geometrischen Gestaltungsmöglichkeitenstark eingeschränkt oder nur für kleine oder sehrgroße Stückzahlen geeignet [1]. Die Mikroum-formtechnik schließt die Lücken für die Produkti-on mittlerer bis größerer Stückzahlen mit hoherReproduzierbarkeit [2] und kostengünstigerFertigung.

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Kupfer-Symposium

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Bild 2 zeigt im makroskopischenBereich, d.h. bei 4 mm Drahtdurch-messer, eine gute Übereinstimmungzwischen Simulation und Experi-ment. Bei abnehmendem Drahtdurch-messer weichen die Simulationser-gebnisse zunehmend in Richtunghöherer Umformwiderstände ab. Diesgeht bei 25% und 50% Reduktionsogar soweit, dass der Trend falschwiedergegeben wird, d.h. die Simula-tion liefert eine Zunahme desUmformwiderstandes, wohingegendas Experiment eine Abnahme zeigt;sie sind damit nur noch bedingt zurProzessauslegung geeignet.Dieses unterschiedliche Verhaltenkönnte qualitativ mit folgenden ausder Literatur bekannten Skalierungs-effekten erklärt werden:

Mit abnehmender Produktgrößenimmt bei konstanter Korngrößedie Fließspannung infolge deserhöhten Anteils von Randkör-nern ab [5-11].Mit abnehmender Produktgrößenimmt die Wirkflächenreibungzu [8, 11].

Bei 25% und 50% Reduktion domi-niert die infolge des Skalierungsef-fektes abnehmende Fließspannung.Die Reibungseinflüsse sind bei den indiesen Fällen vergleichsweise kleinenKontaktflächen von untergeordneterBedeutung. Bei 75% Reduktion

gewinnt die Reibung an Bedeutung,da das Verhältnis von Kontaktflächezu Volumen in der Umformzone nunwesentlich größer ist und außerdemmit abnehmendem Drahtdurchmesserweiter zunimmt. Hinzu kommt, dassbei abnehmender Probengröße miteiner Zunahme des Reibwertes zurechnen ist [8]. Eine abschließendeBestätigung dieser Erklärungshypo-thesen bedarf allerdings weiterersorgfältiger Untersuchungen.

Untersuchungen zum miniaturisierten Tiefziehenmit CuZn37

Zu den bereits eingesetzten Verfahrender Mikroumformtechnik zählt das

Tiefziehen, bei dem ein ebener Blech-bzw. Folienzuschnitt in einen dreidi-mensionalen Hohlkörper umgeformtwird. Zu den tiefgezogenen Klein- (< 10 mm) und Kleinstteilen (< 1 mm)gehören sowohl Strukturbauteile (z.B.Sockel, Hülsen, Gehäuse) als auchBauteilkomponenten für die Elektro-nikindustrie, die durch besondereAnforderungen an Verschleißfestig-keit, Korrosionsbeständigkeit oderLeitfähigkeit gekennzeichnet sind.Zur Untersuchung der oben genann-ten spezifischen Aspekte bei derMiniaturisierung von Fertigungspro-zessen wurde ein Tiefziehwerkzeugkonzipiert und gebaut, mit dem durchWechsel der skalierten Formteile(Schneidstempel, Stempel und Matri-ze) ein reproduzierbares Tiefziehenvon Näpfen mit einem Durchmesservon 8 mm aus 300 µm-CuZn37-Foli-en bis hin zu 1 mm messenden Näp-fen aus 40 µm-Folie möglich ist. Daszu Grunde gelegte Ziehverhältnisbeträgt jeweils 2 (Bild 3) [12].In allen vier möglichen Größen wur-den Versuche mit Stempelgeschwin-digkeiten von 0,01 mm/s bis 100mm/s mit Folien im geglühten wieauch im Anlieferungszustand durch-geführt.In einer ersten Untersuchung wurdebei den Näpfen an diskreten mitska-lierten Messstellen die Wandstärkevermessen und die relative Wandstär-keänderung ∆trel wie folgt berechnet,um die Geometrie der verschiedengroßen Näpfe vergleichen zu können.

[%]

Bild 2: Umformwiderstand kw für verschiedene Dickenreduktionenbeim Flachwalzen von Drähten aus Elektrolytkupfer (E-Cu)

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Bild 4: Lokale Abhängigkeit der Prägeergebnisse

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Metal l-Specia l

mit s = gemessene Wandstärke unds0 = ursprüngliche Blechdicke.Es konnte festgestellt werden, dassder Einfluss der Stempelgeschwindig-keit auf die maximale Ausdünnungim betrachteten Geschwindigkeitsbe-reich vernachlässigt werden kann.Hingegen nimmt die maximale Aus-dünnung mit abnehmender Napf-größe zu. Dieser Effekt ist beimgeglühten, d.h. grobkörnigen Materi-al (Korngröße ~ 20 – 40 µm) deutli-cher ausgeprägt als bei dem im Anlie-ferungszustand belassenen, d.h. fein-körnigen Werkstoff (Korngröße ~ 5µm). Eine Erklärung hierfür kann dasVerhältnis von Korngröße zu Blech-dicke sein. Bei dem 8 mm-Napf liegenin beiden Zuständen noch ausrei-chend viele Körner über die Blech-dicke vor, so dass das Gefüge einendeutlich geringeren Einfluss auf dieReduktion der Wandstärke nimmt.Mit zunehmendem Verhältnis vonKorngröße zu Foliendicke führt dieabnehmende Anzahl der Körner überder Blechdicke zu einer stärkerenLokalisierung der Dehnung, so dassinsbesondere bei den kleinen Näpfenaus geglühtem Material die Ausdün-nung stärker ist.Zur Verifikation dieser Ergebnissewerden zur Zeit weitere Versucheausgewertet und unterschiedlicheKorngrößen bzw. weitere Werkstoffe(Fe-3%Si, Cu99,99) betrachtet.

Prägen flächiger Kupferbauteile mit Mikrokanalstrukturen

Als funktionelle Bauelemente mikro-fluidischer Systeme werden heutevielfach flächige Bauteile mit Mikro-kanalstrukturen verwendet, wobeidiese Baugruppen im Bereich vonMikrowärmetauschern aufgrund dergünstigen Wärmeleitfähigkeit vor-zugsweise aus Kupfer gefertigt wer-den. Die benötigten Strukturen kön-nen durch Mikroprägen hergestelltwerden.In einem von der DFG gefördertenProjekt untersucht das Institut fürBildsame Formgebung die beimMikroprägen auftretenden Verfah-rensgrenzen [13]. Die Realisierunggroßer Aspektverhältnisse für Rippen

und Kanäle erfordert hohe Umform-spannungen und Formänderungen[14]. Der elastischen Deformation derWerkzeuge, die sowohl experimentellals auch in numerischen Simulatio-nen untersucht wird, kommt dahererhebliche Bedeutung zu.Bild 4 zeigt experimentelle Ergebnis-se beim Prägen von SF-Cu-Platinen(Werkstoffnummer 2.0090) mit unter-schiedlichen Ausgangsblechdicken.Es ist deutlich zu erkennen, dass diemittleren Bereiche (1) und (2) allge-mein eine bessere Formfüllung auf-weisen als die Randbereiche (3) und(4).Die bislang mit konventionell herge-stellten Prägewerkzeugen erreichtenminimalen Rippen- und Kanalbreitenliegen bei Kupferbauteilen in derGrößenordnung von 200 µm beimaximalen Aspektverhältnissen (Ver-hältnis von Rippenhöhe zu Rippen-breite) von 1,3. Darüber hinaus konn-ten komplexere Bauteile hergestellt

werden, die im direkten Anschluss andie feinen Lamellen im mittlerenBereich deutlich größerflächigeSammler- bzw. Verteilerstrukturenaufweisen. Diese Bauteile stellen eineÜbertragung der Grundlagenuntersu-chungen im Bereich des Mikroprä-gens auf prototypische Geometrienfür mikrofluidische Anwendungendar.

Zusammenfassung

Die separaten Untersuchungen zu deneinzelnen Umformverfahren der Pro-zesskette „Mikrowalzen – Mikrotief-ziehen – Mikroprägen“ konnten derenprinzipielle Eignung zur Herstellungvon Halbzeugen sowie von funktio-nellen Mikrostrukturbauteilen unterBeweis stellen. Außerdem wurdenSkalierungseffekte beobachtet, die imHinblick auf Auslegungsmethodenfür eine geschlossene Prozesskettegenauer untersucht werden sollen.

Bild 3: Reihe skalierter Näpfe aus CuZn37 und maximale relativeWandstärkeänderung in Abhängigkeit vom Skalierungsfaktor

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Kupfer-Symposium

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Danksagung

Die Autoren danken der DFG für diefinanzielle Unterstützung in den Pro-jekten „Bedeutung von Größeneffek-ten für die Mikroblechumformung“und „Auslegung und Herstellung vonschmalen Mikrobändern - Miniaturi-sierung des Walzprozesses bezüglichDicke und Breite“ (beide im DFG-SPP1138) sowie im Projekt „Ermittlungvon Verfahrensgrenzen für das Prä-gen dünner metallischer Platinen mitMikrostrukturen“. Darüber hinaus seider Firma Prymetall in Stolberggedankt, die ihr Präzisionswalzwerkzur Durchführung der Walzversuchezur Verfügung stellte.

Literatur[1] A. Gillner,; D. Hellrung, A. Bayer, F.

Schepp: Miniaturisierung von Bauteilenund Komponenten; In: Anforderungen –

Innovationen – Perspektiven: Tagung-band 7. Umformtechnisches KolloquiumDarmstadt, 2000, S. 107-116

[2] M. Geiger,; M. Kleiner, N. Tiesler; U. En-gel: Microforming; Annals of the CIRPVol.50/2/2001, 2001, S. 445-462

[3] R. Kopp, H. Wiegels, Einführung in dieUmformtechnik, Verlag der AugustinusBuchhandlung (1998), 1. Auflage, ISBN3-86073-665-5

[4] E. Buckingham, On physically similarsystems; illustrations of the use of di-mensional equations, Phys. Rev. Vol. 4No. 4 (1914) 345-376

[5] S. Miyazaki, H. Fujita, K. Hiraoka, Effectof specimen size on the flowstress of po-lycrystalline Cu-Al alloy, Scripta Metall-urgica, Vol. 13 (1979) 447-449

[6] L.V. Raulea, A.M. Goijaerts, L.E. Gova-ert, F.P.T. Baaijens, Size effects in the pro-cessing of thin metal sheets, Proc. She-Met (1999), 521-528

[7] R.T.A. Kals, Fundamentals on the minia-turisation of sheet metal working proces-ses, Meisenbach Verlag Bamberg (1999),ISBN 3-87525-115-6

[8] A. Messner, Kaltmassivumformung me-tallischer Kleinstteile – Werk-stoff-ver-halten, Wirkflächenreibung, Prozessaus-legung, Meisenbach Verlag Bamberg(1997), ISBN 3-87525-100-8

[9] A. Tseng, Material characterisation and

finite element simulation for forming mi-niature metal parts, Finite Elements inAnalysis and Design, Vol. 6 (1990) 251-256

[10]A.B. Richelsen, E. van der Giessen, Si-ze Effects in Sheet Drawing, 9th Inter-national Conference on Sheet Metal,Leuven (2001), pp 263-270

[11] N. Tiesler, Grundlegende Untersuchun-gen zum Fließpressen metallischerKleinstteile, Meisenbach Verlag Bam-berg (2001), ISBN 3-87525-175-X

[12]G. Hirt, H. Justinger, N. Witulski: Expe-rimental and Numerical Investigation ofMiniaturization in Deep Drawing; SteelGrips 2 (2004) Suppl. Metal Forming2004 (ISSN 1611-4442), 2004, S. 693-698

[13]M. Thome, G. Hirt, B. Rattay: MetalFlow and Die Filling in Coining ofMicrostructures with and without Flash;Advanced Materials Research Vols. 6-8(2005), 2005, S. 631-638

[14]A. Schubert, J. Böhm, T. Burkhardt:Mikroprägen; Werkstattstechnik onlineJahrgang 90 (2000) Heft 11/12, 2000, S.479-483

(1) G. Hirt; H. Justinger; M. Thome;K. van Putten, Institut für Bildsa-me Formgebung,RWTH Aachen

Neue Fachbücher

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