Auf der Suche nach Zerspanungsmethoden für die Mikrowelt
Die Hersteller von Mikrobauteilen, die immer noch auf der Suche nach effizienten Zerspanungsmethoden sind, sehen sich stetig wachsenden Anforderungen an diese Bauteile ausgesetzt. Die biomedizinische Industrie beispielsweise profitiert in hohem Maße von der Entwicklung minimalintensiver Geräte für chirurgische Anwendungen. Andere Industriezweige, die so unterschiedlich sind wie die Mikroelektronik oder die Luft- und Raumfahrtindustrie, verlangen komplexe und kleinere Komponenten aus seltenen und schwierig zu zerspanenden Werkstoffen. Die Hersteller sind bestrebt, die immer engeren Toleranzen der immer kleiner werdenden Bauteile einzuhalten. Die Verwendung von herkömmlichen Umformprozessen führt aber zur Schädigung der speziellen Werkstoffe, die bei der Herstellung von Mikrobauteilen verwendet werden. Im Rahmen des MACHMINI-Projekts wurden neue Definitionen der plastischen Verformung von Werkstoffen für die Herstellung von Mikrobauteilen aufgestellt, um die Modellierung von Umformprozessen zu unterstützen. Es wurde ein mikrostrukturelles Modell eines Einkristalls unter Berücksichtigung sowohl der Korngröße wie auch der Oberflächeneffekte, die hier ausgeprägter sind als bei herkömmlichen Werkstoffen, verwendet, um das Verhalten eines Elementarvolumens vorherzusagen. Das Modell wurde von Projektpartnern an der Société Lorraine de Services Informatiques (Frankreich) entwickelt und in ABAQUS®, einem Programm zur Finiten-Elemente-Simulation, implementiert. Speziell die Mechanismen des plastischen Gleitens, die bei Gleitsystemen klar definierter Geometrien im Labor beobachtet werden konnten, bildeten die Basis der User Material Subroutine (UMAT), die in die Modelldefinition eingeht. Von den verschiedenen internen Variablen des Modells wurde die Versetzungsdichte für jedes Gleitsystem berechnet. Simulationen von einfachen Zugversuchen eines dünnen Metallblechs ermöglichten zudem ein besseres Verständnis der beobachteten Versetzungen. Der Einfluss der relativen Korngröße und der Position der Körner in Bezug auf die freie Oberfläche konnte durch Untersuchungen des Verhaltens von Metallblechen unter Zugbelastung ermittelt werden. Diese theoretischen Ergebnisse haben es ermöglicht, dass sich im Rahmen des MACHMINI-Projekts die Forschung auf eine verbesserte Entwicklung der Umformwerkzeuge konzentrierte. Hierzu gehörte auch die Piezo-Aktivierung, um eine kontrollierte Umformung von speziellen Materialien, die bei der Herstellung von Mikrobauteilen verwendet werden, zu erreichen.
