Kohlenstofffaser-Werkzeuge für die elektrochemische Mikrobearbeitung
Final Report Abstract
Ziel des Projektes war die Fertigung von Kohlenstofffaser-Werkzeugen für die elektrochemische Bearbeitung. Die Ergebnisse dieses Projektes belegen, dass grundlegende Erkenntnisse hinsichtlich der Faservereinzelung, des Handlings der fragilen Kohlenstoffeinzelfasern sowie der Kontaktierung und Beschichtung dieser Fasern gewonnen werden konnten. Mit Hilfe analytischer Berechnungen wurde die Ausbreitung des elektrischen Feldes, die Elektrolytanströmung sowie die Auslenkung der Kohlenstofffasern für den Einsatz in der elektrochemischen Bearbeitung ermittelt. Die Ergebnisse der Simulationen der auftretenden Feldverteilungen wurden genutzt, um einen Messaufbau/Messsystem zu konzipieren und umzusetzen. Somit war es möglich, eine Selektion der Kohlenstofffasern für die nachfolgende Beschichtung bzw. elektrochemische Prozessierung durchzuführen. Außerdem konnte eine Vorrichtung zur Auftrennung von Endlosfaserbündeln entwickelt werden. Dabei erfolgte die Separation der Faserbündel mit Hilfe einer entgegen der Faserlaufrichtung strömenden Flüssigkeit. Die so erhaltenen kleineren Faserbündel können auf getrennte Spulen aufgewickelt werden und stehen so als Faserbündel für eine erneute Separation zur Verfügung. Durch eine wiederholte Auftrennung der Faserbündel ist prinzipiell die Gewinnung von Kohlenstoffeinzelfasern möglich. Untersuchungen der Fasereigenschaften unterschiedlicher Kohlenstoffeinzelfasern im unbehandelten Zustand sowie nach der Behandlung mit unterschiedlichen Vergleichsmedien (Säure, Elektrolyt, elektrochemischer Prozess) konnten Anhaltspunkte der Eignung der einzelnen Fasertypen für die elektrochemische Mikrobearbeitung liefern. Des Weiteren konnten Methoden zur Faserwerkzeugaufnahme und zur Faserkontaktierung entwickelt werden. Durch galvanisches Abscheiden von Gold auf den Fasermantel- und Stirnflächen wurden eine Homogenisierung der im Einsatz auftretenden Feldverteilung und zudem eine Kontaktierung zur Aufspannung ermöglicht. Mittels Abscheidung von Parylene-C, Si3N4 und SiO2 auf den Fasermantelflächen wurde der Stromfluss während der Bearbeitung auf die Stirnfläche begrenzt, was eine enorme Erhöhung der Präzision der Geometrieübertragung zur Folge hat. Die abgeschiedenen Schichten lagen im Bereich zwischen 1 und 2 µm, was nur zu einer geringen Zunahme des effektiven Faserdurchmessers führte. Durch den Einsatz eines Handlingwafers konnten die Beschichtungsprozesse für einen Batch von 20 bis 60 Fasern realisiert werden. Zudem ermöglichte der Handlingwafer das Vereinzeln der beschichteten Fasern. Diese Chips erlaubten eine simple Kontaktierung der Fasern mit Mikroabmessungen zum elektrochemischen Versuchsstand mit makroskopischen Abmessungen. Bearbeitungsversuche mit Parylene-C beschichteten Kohlenstofffasern auf Kupfer und Stahl wurden erfolgreich durchgeführt, wobei eine 30 µm breite und 7 µm tiefe Bohrung in Kupfer erzeugt werden konnte. Mit Hilfe der Faservereinzelungsanlage können derzeit kleinere Faserbündel jedoch noch keine Einzelfasern gewonnen werden. Der Grund dafür liegt in der großen Anzahl von Separationsdruchläufen, die notwendig sind, um ein größeres Faserbündel in Einzelfasern aufzuspalten, und dem damit verbundenen enormen Zeitaufwand. Deshalb ist in Zukunft eine weitere Optimierung dieses Verfahrens anzustreben, so dass eine Auftrennung von Faserbündeln in endlose Einzelfasern in einer annehmbaren Zeit erreicht werden kann. Die Prozessabfolge nach der Vereinzelung der Kohlenstofffasern sollte im Bereich der Handhabung von Einzelfasern mechanisiert bzw. automatisiert werden, um eine höhere Ausbeute und größere Anzahl an Kohlenstofffasern mit unterschiedlich isolierenden bzw. elektrisch leitenden Materialbeschichtungen zu erhalten. Die anschließende Vereinzelung ermöglicht eine reproduzierbare Fertigung von kontaktierten Einzelfasern auf einem Chip. Diese Fertigung ist die Voraussetzung um weitere Optimierungen in der elektrochemischen Bearbeitung hinsichtlich der Spülung und der Einstellung der Prozessparameter zu ermöglichen. Schlussendlich erlauben beschichtete Kohlenstofffasern die Fertigung von Mikrokavitäten und können zudem in der elektrochemischen Fräsbearbeitung Einsatz finden.
Publications
- Formnestherstellung durch Erodieren und Elektrochemische Bearbeitung, FAM Workshop “Mikrotechniken im Werkzeugbau und in der Kunststofftechnologie”. Freiburg, 04.06 2010
Hösel, T., Müller, C., Reinecke, H.
- Optimised process Combination: Lithography, Micro Milling, EDM, ECM. Themadag “Micro- en precisiebeweringen”. Leuven, 30.09.2010
Hösel, T., Müller, C., Reinecke, H.
- Sidewall isolation of carbon fibres for usage in µECM. 6th International Symposium on Electrochemical Machining Technology. Brüssel, 04.-05.11.2010
Hösel, T., Hoppe, P., Zeller, F., Müller, C., Reinecke, H.
- Characterisation and Handling of Single Carbon Fibres for the Usage as Tools in Electrochemical Machining. In: Wielage, B. (Hrsg.).Tagungsband zum 18. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde in Chemnitz, 2011, Eigenverlag, Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen, (2011) 41, 511-517 – ISBN 978-3-00-033801-4
Nestler, D., Scheffler, S., Wielage, B., Hösel, T., Müller, C., Reinecke, H.
- C-Einzelfasern als formgebende Werkzeuge in der elektrochemischen Mikrobearbeitung. In Wielage, B. (Hrsg.): Tagungsband zum 15. Werkstofftechnischen Kolloquium in Chemnitz, 2012, Eigenverlag, Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen, (2012) 47, 200-206, ISBN 978-3-00-039358-7
Nestler, D., Scheffler, S., Mäder, Th., Wielage, B., Hösel, T., Müller, C., Reinecke, H.
