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Mikrofertigung

Mikrokaltumfomung – Winzige Bauteile wirtschaftlich herstellen

| Autor / Redakteur: Annedore Munde / Jürgen Schreier

Die Bremer Stadtmusikanten, hergestellt durch SLM (Selective Laser Melting). Mit diesem Verfahren können Umformwerkzeuge maßgeschneidert endformnah generiert werden.
Die Bremer Stadtmusikanten, hergestellt durch SLM (Selective Laser Melting). Mit diesem Verfahren können Umformwerkzeuge maßgeschneidert endformnah generiert werden. (Bild: BIAS GmbH)

Der Trend zur Miniaturisierung bedeutet für die Bauteilherstellung und die damit verbundenen Produktionsverfahren und -techniken eine große Herausforderung. Die Mikrokaltumformung könnte künftig dort angewandt werden, wo herkömmliche Verfahren für die Fertigung von Mikrobauteilen an ihre Grenzen stoßen.

Mikrobauteile werden durch Mikrofertigung hergestellt, und dies möglichst wirtschaftlich, genau und bei Bedarf auch durch die Integration zusätzlicher Funktionalitäten. Dabei gilt für Mikrobauteile laut Definition, dass ihre Abmessungen unterhalb von 1 mm in mindestens zwei Raumrichtungen sein sollen, um dem Anspruch der Mikrofertigung gerecht zu werden.

Zykluszeiten werden immer kürzer

Die kleinen Bauteile findet man beispielsweise in Elektronikteilen als Mikrostecker, Schalter oder Steckverbinder, in Industriebauteilen als Druckmesser, Mikropumpe oder Mikroventil, in der Konsumelektronik als Handylautsprecher, in der Medizintechnik für Hörgeräte oder Herzschrittmacher sowie in vielen anderen Anwendungen.

Mikrobauteile werden in hohen Stückzahlen produziert und häufig aus mehreren vorgefertigten Einzelteilen zusammengesetzt. Die Modellzyklen für die verschiedenen Anwendungen und Geräte sind jedoch meist sehr kurz und die Stückpreise sowie die Werkstoffausnutzung sind gering. Gleichzeitig wachsen die Ansprüche an die Geometrien der Bauteile.

Und während die Variantenvielfalt zunimmt, werden die Zykluszeiten immer kürzer. Dabei müssen die Ausbringungsmengen größer, die Stückpreise kleiner und das Gewicht reduziert werden. In der Herstellung gilt es also, den Spagat zwischen all diesen Anforderungen und einer wirtschaftlichen Fertigung zu meistern.

Forschungsprojekt hat neue Ansätze zur industriellen Mikrofertigung

Der Sonderforschungsbereich 747 (SFB 747) an der Universität Bremen bietet dafür Perspektiven. Bereits seit 2007 widmen sich Wissenschaftler und Industriepartner der Thematik Mikrokaltumformen – Prozesse, Charakterisierung, Optimierung. Für Prof. Frank Vollertsen, Leiter des Instituts für angewandte Strahltechnik an der Uni Bremen und Sprecher des Projektes, stand von Beginn an fest: „Wir machen da weiter, wo die Produktion heute an ihren Grenzen angekommen ist.“ Und er beschreibt die umformtechnische Herausforderung, die es bei der Herstellung von Mikrobauteilen zu meistern gilt.

Um Mikrobauteile aus Metall herzustellen, gibt es verschiedene Verfahren. Für die Massenproduktion gut geeignet ist das Kaltumformen. Hierbei bleiben die Werkstoffeigenschaften nicht nur erhalten, sondern können durch den Umformprozess sogar verbessert werden. Die Herausforderung ist jedoch die Dimension.

„Es ist nicht möglich, die im Makrobereich beherrschten Umformprozesse einfach in den Mikrobereich zu übertragen, da sogenannte Größeneffekte auftreten. Wird beispielsweise die Blechdicke eines Napfes deutlich reduziert, besteht diese irgendwann nur noch aus einem oder wenigen Körnern.“ Hierdurch ändern sich die Materialeigenschaften und damit auch die Anforderungen an das zu wählende Umformverfahren.

Dies äußert sich dadurch, dass zum Beispiel beim Tiefziehen oder Stauchen das Prozessfenster ungünstig beeinflusst wird und mehr Prozessschritte notwendig werden. „Der Umstieg auf ein komplett neues Verfahren, das auf den Mikrobereich zugeschnitten ist, kann hier die bessere Wahl sein“, sagt Vollertsen.

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