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Ziele
Im SFB 499 Mikrourformen aus Karlsruhe wird die Prozesskette vom Prototyp bis zur Großserienfertigung von mechanisch hoch beanspruchbaren Mikrobauteilen aus Keramik und Metalllegierungen auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten entwickelt. Zentrale Fertigungsverfahren sind dabei die Mikro-Urformverfahren basierend auf dem Pulverspritzgießen und dem Feingießen. Um die geplante Umsetzung der Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung gewährleisten zu können, wird die gesamte Prozesskette von der Konstruktion und Simulation über die Prozessvorbereitung (Ausgangswerkstoffe, mikrostrukturierte Werkzeuge) und die Fertigungsverfahren bis hin zur Ermittlung der geometrischen, mechanischen und tribologischen Bauteileigenschaften durchdrungen.
Motivation
Der Trend zur Miniaturisierung lässt sich besonders gut an Produkten des täglichen Lebens nachvollziehen: Mobiltelefone und Laptops werden bei ständig steigenden Leistungsdaten immer kleiner, Airbag- und Navigationssysteme im Automobil sorgen für mehr Sicherheit und Komfort und einfach zu bedienende Blutdruckmessgeräte für den Hausgebrauch ermöglichen eine kontinuierliche Überwachung des Gesundheitszustands durch den Patienten selbst.
Der Markterfolg dieser Produkte ist sehr eng mit der extremen Miniaturisierung mikroelektronischer Funktionselemente verknüpft. Seit ca. zehn Jahren wird versucht, durch mikrosystemtechnische Ansätze diese Entwicklung auch in anderen Anwendungsfeldern und Branchen weiter voranzutreiben. Davon verspricht man sich
- die Verwirklichung neuer Produktideen durch steigende Funktionalität auf kleinstem Raum
- die Erschließung neuer und Rückeroberung bestehender Marktsegmente,
- den Ausbau der technologischen Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Industrie.
Derzeit ist das Einsatzgebiet von belastbaren Mikrokomponenten aufgrund der verfügbaren, meist zweidimensionalen Fertigungstechnologien jedoch stark eingeschränkt, da als Werkstoffe nur Silizium, ungefüllte Kunststoffe und einige Nichteisenmetalle mikrostrukturierbar sind. Zur Erfüllung eines breiten Aufgabenspektrums werden aber
- mechanisch und chemisch hochbelastbare,
- anwendungsspezifische,
- hochpräzise, dreidimensionale
Mikrobauteile aus den verschiedensten Materialien in unterschiedlichen Stückzahlen benötigt
Vision
Die Technologieführerschaft im mikromechanischen Umfeld kann einen wesentlichen Beitrag zur Stärkung der Wettbewerbsposition deutscher Unternehmen liefern. Um die Anforderungen verschiedener Einsatzgebiete bedienen und neue Produkte bzw. Funktionalitäten bereitstellen zu können, ist es notwendig,
- Mikrobauteile aus anforderungsgerechten Materialien herzustellen und das Materialspektrum um Metall-Legierungen und Keramiken zu erweitern,
- die geometrischen Abmessungen mechanischer Bauteile bis zu ein Zehntel des zu Beginn der Laufzeit Machbaren zu verringern,
- Fertigungstechniken bereitzustellen, die sowohl für die Prototypen als auch für die Mittel- bis Großserienfertigung wirtschaftlich sind,
- eine modellhafte Mikrofabrik zu schaffen, die alle Service-, Entwicklungs- und Umsetzungsfunktionen integriert und für den Industrietransfer zur Verfügung stellt.
Zur Erfüllung dieser Anforderungen eignen sich insbesondere urformende Fertigungsverfahren wie das Pulverspritzgießen und das Feingießen. Um weiterhin eine schnelle Umsetzung von grundlegenden Forschungsergebnissen in die industrielle Anwendung gewährleisten zu können,
- muss die Produktentstehungskette als Ganzes betrachtet werden, angefangen von der Konstruktion und Entwicklung über die Produktion bis hin zur Ermittlung der Bauteileigenschaften,
- wird auf in der Industrie etablierten Fertigungsprozessen aufgebaut, um erarbeitetes Know-how besser zu transferieren zu können und den industriellen Rahmenbedingungen gerecht zu werden.
Um an dieser Vision zu arbeiten, haben sich sechs Karlsruher Forschungsinstitute sowie ein Freiburger Lehrstuhl zusammengefunden, die ihre unterschiedlichen Kompetenzen zur Erzielung eines optimalen Projektergebnisses vereinen.
Projekt
Das Projekt wird in Rahmen eines Sonderforschungsbereichs Mikrourformen mit einer Laufzeit von bis zu zwölf Jahren durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft gefördert. Die aktuelle vierte Phase wurde für den Zeitraum 2009 bis 2011 bewilligt.
Das Projekt SFB 499 gliedert sich in drei, maximal vier Phasen. In der ersten Phase wurden mikrospezifische Konstruktionstools erarbeitet, mit Hilfe einer angepassten Prozessvorbereitung für Werkstoffe und Werkzeuge einzelne Mikrobauteile mit zunächst einfachen Geometrien aus verfügbaren keramischen und metallischen Materialien gefertigt und erste Materialkennwerte für Mikrodimensionen ermittelt.
Phase zwei beschäftigte sich mit der Miniaturisierung urgeformter Bauteile, einer erweiterten Werkstoffpalette, der Integration einzelner Mikrobauteile in ein übergeordnetes System (am Beispiel Mikro-Planetengetriebe), der Verkettung der Prozessschritte und der intensiveren Untersuchung des Bauteilverhaltens.
Der dritte Abschnitt des Sonderforschungsbereichs sah eine Erhöhung der geometrischen Bauteilkomplexität und eine weitere Miniaturisierung der Bauteile vor. Durch die Fertigbarkeit echt dreidimensionaler Geometrien bis hin zu Freiformflächen sollten neue Lösungsansätze für technische Aufgabenstellungen auffindbar sein. In dieser Phase stand die automatisierte Verkettung der einzelnen Prozessschritte sowie die operative Qualitätssicherung für das Urformen (Mikro-Pulverspritzgießen und Mikro-Feinguss) von Mikrobauteilen und deren geometrischen, mechanischen und tribologischen Eigenschaften im Mittelpunkt der Forschungsarbeiten.
Aktuell befindet sich der SFB 499 in der Integrationsphase, die die bisherigen Arbeiten und Ansätze in einem völlig neuen transferfähigen Konzept zusammenführt, ohne dabei auf wissenschaftliche Herausforderungen auf Projektebene zu verzichten. Außerdem wird ein integriertes Graduiertenkolleg eingerichtet.
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