Bias Der Einsatz von laserinduzierten Schockwellen spart Werkzeugkosten

Autor / Redakteur: Stefan Veenaas / Dipl.-Ing. Annedore Bose-Munde

Hohe Stückzahlen und kurze Produktzyklen sind die treibenden Kräfte für die Mikrofertigung. Die Herstellung von immer kleineren Bauteilen stellt die Industrie vor neuen Herausforderungen. Hier bietet der Laser ein großes Potenzial für die Großserienfertigung.

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Beispiel für die Laserschockumformung eines Bleches aus AI99.5 mit 50 μm Dicke im offenen (a) und geschlossenen Gesenk (b).
Beispiel für die Laserschockumformung eines Bleches aus AI99.5 mit 50 μm Dicke im offenen (a) und geschlossenen Gesenk (b).
(Bild: Bias)

Mikroumgeformte Bauteile an Lese- und Schreibköpfen von Festplatten, Komponenten von Tintenstrahldruckern, Widerstandsendkappen sowie Gehäuseteile in Airbags und für Drucksensoren, sind nur einige Beispiele, die nach wie vor noch mechanisch gefertigt werden. Mikrobauteile werden häufig in sogenannten Folgewerkzeugen durch Umform- und Scherschneidprozesse hergestellt. Allerdings sind konventionelle Herstellungsprozesse nicht beliebig geometrisch skalierbar. Verursacht wird dies unter anderem durch sogenannte Größeneffekte. Hierbei handelt es sich um Effekte, bei denen bestimmte Größen nicht mitskaliert werden können. Beispiele hierfür sind die Gefügestruktur des Materials oder Fertigungstoleranzen. Dünne Blechwerkstoffe erfordern bei den Herstellungsprozessen sehr kleine Toleranzen. So ist zum Beispiel beim Scherschneiden ein Schneidspalt von 0,5 % der Blechdicke erforderlich. Bei einer Blechdicke von 20 µm resultiert dies in einem Schneidspalt von 0,1 µm.

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Um diese Genauigkeit bei den Werkzeugen zu erreichen, sind sehr kostenintensive Fertigungsprozesse und Qualitätsüberwachungen notwendig. Um immer kleinere Bauteile zu fertigen, müssen daher neue kostengünstigere Herstellungsmethoden entwickelt werden. Aus dem Makrobereich ist das Umformen mittels Wirkmedien als effizientes Fertigungsverfahren mit hoher Bauteilqualität bekannt. Eine Chance für den Mikrobereich bietet hier der Laser. Bei diesem Verfahren wird oberhalb der umzuformenden Oberfläche ein Laser induziertes Plasma gezündet. Durch die explosionsartige Ausdehnung des Plasmas entsteht eine Druckwelle, die das Blech dann umformt. Hierbei wird momentan mit Intensitäten bis 1,5 Gigawatt pro cm2 gearbeitet, was in Schockwellendrücken bis 20 MPa resultiert. Diese Schockwellen können hierbei die Funktion des Stempels übernehmen.

Komplexe Geometrien ohne einen Stempel erzeugen

Setzt man laserinduzierte Schockwellen ein, so werden die erforderlichen Toleranzen für die Positionierung von Stempel und Matrize umgangen. Dadurch kann der Stempel im Folgewerkzeug für Mikroumform- und Schneidprozesse ersetzt werden. Dies spart Kosten für die Herstellung von Werkzeugen. Auch die erforderlichen Toleranzen der Werkzeuge und der Aufwand für eine Positionierung der Werkzeuge zueinander werden gesenkt. Zusätzlich kann so der Werkzeugverschleiß aufgrund verminderter Reibung reduziert werden.

Beim Laserschockumformen wird eine Blechronde auf der Matrize positioniert und anschließend mit dem Niederhalter in Position gehalten. Durch das Zünden des Plasmas oberhalb der Ronde wird diese durch die Schockwelle in die Matrize geformt. Da hierbei die Kräfte nicht nur in einer Richtung wirken und keine Reibung auftritt wie beim Einsatz von Stempeln, wird das Metall gleichmäßig umgeformt und die Ergebnisse sind Bauteile höchster Belastbarkeit und Qualität. Des Weiteren entsteht bei diesen Prozessen keine thermische Schädigung des Materials, da es sich hier um eine mechanische Umformung durch die Schockwelle handelt. Dazu kommt die Möglichkeit, komplexe Geometrien zu erzeugen ohne eine aufwändige Herstellung des Stempels. Hierbei wird mit geschlossen Gesenken gearbeitet. Dabei wird das Material mit mehreren Schockwellen in die benötigte Form gebracht.

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Eine weitere Möglichkeit die Schockwellen zu nutzen, ist das Scherschneiden. Hierbei wird das Werkzeug angepasst. Durch den Einsatz der Schockwelle wird das Material an der Schneidkante der Matrize getrennt. Durch einen Gegenstempel kann verhindert werden, dass das Material in die Kavität geformt wird und die Schockwelle das Material nicht mehr an der Kante trennt. Durch eine Anpassung der Matrize können so unterschiedlichste Materialien und Geometrien geschnitten werden. Besonders bei diesem Prozess wird keine aufwändige Positionierung vom Schneidstempel zur Matrize benötigt, was sich positiv auf die Fertigungskosten auswirkt. Hierbei wurden bereits kreisrunde und rechteckige Ausschnitte in Aluminium und Kupfer erfolgreich hergestellt. Auch das Ausschneiden von Aluminium Ronden als Bauteil wurde bereits erfolgreich durchgeführt.

Darüber hinaus kann bei Verwendung von laserinduzierten Schockwellen ein mechanischer Fügeprozess für den Mikrobereich durchgeführt werden. Dabei werden die Fügepartner Formblech und Matrizenblech übereinander positioniert. Das Matrizenblech besitzt dabei eine Bohrung, welche zum Beispiel durch Laserschockschneiden hergestellt werden kann. Die Fügepartner werden zwischen dem Werkzeugboden und dem Niederhalter gespannt, wobei der Abstandshalter zwischen dem Matrizenblech und dem Werkzeugboden einen definierten Spalt einstellt. Durch das Zünden von laserinduzierten Schockwellen oberhalb des Formbleches wird dieses durch das Loch im Matrizenblech geformt. Durch die dreidimensionale Ausbreitung der Schockwelle wird das Material des Formbleches in den Spalt zwischen Matrizenblech und Werkzeugboden geformt, sodass es zur Ausbildung einer Hinterschneidung kommt. Diese Hinterschneidung bildet somit einen Formschluss zwischen Formblech und Matrizenblech.

Mechanischer Fügeprozess für den Mikrobereich

Mit dem Verfahren lassen sich Verbindungen aus unterschiedlichen Materialien mit hoher Festigkeit für den Mikrobereich herstellen. Zugversuche zeigen, dass der Versagensmechanismus dieser Verbindung ein Scherbruch in der Fügezone ist. Dies zeigt das Potential der Verbindung, da hierbei das Material im Fügebereich optimal ausgenutzt wird.

Die hier vorgestellten Verfahren befinden sich momentan in der Grundlagenforschung. Mit Förderung der Deutschen Forschungs-Gesellschaft DFG im Projekt VO530/65-2 "Fügen durch Hochgeschwindigkeitsumformen durch laserinduzierte Schockwellen" wird am Bremer Institut für angewandte Strahltechnik BIAS die Verwendung von laserinduzierten Schockwellen im Mikrobereich genauer untersucht. Hierbei bietet der Laser, welcher in seiner Wirkung optimal und reproduzierbar gesteuert werden kann und ein hohes Maß an Flexibilität bietet, ein großserientaugliches Potenzial für die unterschiedlichen Anwendungen.

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