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Forschungsarbeit

"There`s plenty of room at the bottom". Die Umformung von Metallen im Nanometerbereich

von Severin Hofmann

Der Trend zur immer stärkeren Miniaturisierung in den Bereichen Elektronik, Medizintechnik und im Automobilbau hat eine große Nachfrage an metallischen Mikrobauteilen mit kleinen Dimensionen und engen Toleranzen zur Folge. Diese Bauteile werden verstärkt auch durch Umformen hergestellt. Im Rahmen meiner Diplomarbeit „Influence of grain size on the microextrusion behaviour of metallic materials – experiments and finite element modelling“ im Elitestudiengang Advanced Materials and Processes an der Universität Erlangen-Nürnberg habe ich mich vertieft mit dem Thema Mikroumformen beschäftigt.

Um das Umformverhalten von Metallen zu verstehen muss man wissen, dass Metalle kristalline Werkstoffe sind. Sie bestehen aber in den allermeisten Fällen nicht aus einem, sondern aus vielen kleinen unterschiedlich orientierten Kristallen. Diese Kristalle mit unterschiedlicher Orientierung bezeichnet man als Körner. Vorhergegange Arbeiten haben bereits gezeigt, dass die Korngröße einen wesentlichen Einfluss auf das Mikroumformverhalten hat. Um das Umformverhalten für Bauteile und Korngrößen im Nanometer-Bereich zu untersuchen, wurde aus Nickel mit Korngrößen von 50 nm bis 2 mm ein Ring mit 350 nm Wandstärke und 5 µm Durchmesser geprägt.
Die dafür notwendige Umform-Gesenk wurde mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls (FIB) in das Diamant-Grundmaterial geschnitten (Abbildung 1 a).

[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 1: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der Diamant-Kavität (a), Rasterkraft- Mikroskop-Abbildung eines in nano-Nickel gepressten Rings (b), FEM-Simulation eines geometrisch ähnlichen Rings (c).

Begleitend zu den Mikroprägeversuchen wurden Finite Elemente Simulationen (Abbildung 1 c) durchgeführt. Die Finite Elemente Methode ist ein mathematisches Verfahren, in dem das Material mit Hilfe eines Netzes, aus z.B. dreieckigen Elementen, diskretisiert wird. Um diese Berechnungen und somit den Umformprozess von verschiedenen Materialien simulieren zu können, benötigt man die Werkstoffeigenschaften des untersuchten Materials. Diese werden in makroskopischen Versuchen, z.B. Zug- oder Druckversuchen, ermittelt. Makroskopisch heißt, dass das Material in seinem Verhalten mit Zug- und Druckproben in der Größenordnung von einigen Zentimetern untersucht wird. Das Ergebnis dieser Zug- und Druckversuche ist das makroskopische Verhalten der Metalle, also das Werkstoffverhalten, wenn sich alle Körner im Material zusammen verformen. Dieses Werkstoffverhalten wird in der Finiten Elemente Methode genutzt und damit das Fließen  in die Ringgeometrie berechnet. Verformungen der einzelnen Körner und Grenzflächeneffekte werden in der Finiten Elemente Methode nicht berücksichtigt.
Die experimentell aus den verschiedenen Korngrößen gepressten Ringe wurden mit einem Rasterkraftmikroskop abgebildet (Abbildung 1 b) und vermessen.
Der Vergleich der in die ausreichend tiefe Kavität/Ringform geflossenen Ringhöhe macht es möglich, die verschiedenen Korngrößen in ihrem Formfüllungsverhalten zu beurteilen.
Die Mikroumformversuche und die FE-Simulationen lieferten das gleiche Ergebnis:
Die beste Formfüllung wurde mit nano- und ultrafeinkörnigem Nickel erzielt, da diese Materialien auf Grund ihrer geringen Korngröße kaum verfestigen. Auch bei zunehmender Verformung reißt es nicht, sondern kann bei konstanter Kraft immer weiter verformt werden.

Die Übereinstimmung von Experiment und Simulation zeigt, dass der wesentliche Einfluss auf das Formfüllungsverhalten bei einem Korngrößenvergleich von einigen nm bis wenigen mm das makroskopische Verhalten ist.

Zusammenfassend heißt das für die Mikroumformtechnik, dass nano- und ultrafeinkörnige Werkstoffe zwei große Vorteile haben:
Erstens, wie geschildert, sorgt die geringe Verfestigung für eine sehr gute Formfüllung und zweitens werden Kornorientierungseffekte minimiert, da die Körner immer noch wesentlich kleiner als die Formweite oder die Wandstärke der Bauteile sind.
Schließlich zeigt Abbildung 2 a einen Nano-Ring mit nur 30 nm Wandstärke. Dieser wurde wie der größere mit 350 nm Wandstärke durch Umformen mit einer Diamant-Form hergestellt. Grob geschätzt bedeutet eine Wandstärke von 30 nm, dass nur  ca. 300 Atome in Richtung der Wandstärke verschoben wurden.

Dieses Beispiel zeigt, dass auch für die Umformtechnik gilt: „….There`s plenty of room at the bottom“ (Richard P. Feynman, 1959)

Abb. 2.:  Rasterkraftmikroskop-Aufnahme eines aus Nano-Nickel gepressten Rings mit ca. 30 nm Wandstärke (a)[Bildunterschrift / Subline]: Abb. 2.: Rasterkraftmikroskop-Aufnahme eines aus Nano-Nickel gepressten Rings mit ca. 30 nm Wandstärke (a)
Richard P. Feynman (b), gilt als Begründer der Nanotechnologie.[Bildunterschrift / Subline]: Richard P. Feynman (b), gilt als Begründer der Nanotechnologie.

Dipl.-Ing. Severin Hofmann

Stationen
  • Okt. 2002 - Sept. 2005
  • Studium der Werkstoffwissenschaften an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg
  • Okt. 2005 - Dez. 2007
  • Elitemasterstudiengang Advanced Materials and Processses an der FAU Erlangen-Nürnberg
  • seit Juni 2008
  • Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Institut für Bauweisen- und Konstruktionsforschung

Stipendien und Preise
  • 2004-2007
  • Stipendium der Rheinstahl-Stiftung, Essen
  • Juli 2008
  • Verleihung des VDI-Diplompreises