Miniaturisiertes flexibles Walzen für die Herstellung flexibel gewalzter Mikroprofile
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Alltag kann eine stetige Entwicklung zu immer kleiner werdenden Produkten beobachtet werden. Dies erhöht die Nachfrage nach Rohstoffen und Halbzeugen, die hohe Qualitätsstandards erfüllen müssen und für eine weitere Verarbeitung zu Miniaturprodukten geeignet sind. Ein Beispiel für miniaturisierte Halbzeuge sind schmale, sehr dünne Bänder, so genannte Mikrobänder, die durch einen Drahtflachwalzprozess hergestellt werden, der aus dem makroskopischen Bereich in den meso- oder mikroskopischen Bereich herab skaliert ist. Allerdings können jetzige Herstellungsverfahren für Mikrobänder die hohen Qualitätsstandards nur teilweise erfüllen. Dies ist durch Effekte begründet, die durch das Miniaturisieren des Walzprozesses entstehen. Die drei Hauptziele des Projektes sind: 1. Auslegung und Beschaffung einer geeigneten Versuchsanlage zur Durchführung der experimentellen Untersuchungen. 2. Identifikation und Quantifizierung von Größeneffekten während des Flachwalzens von Runddrähten. Erkenntnisse über die auftretenden Größeneffekte werden zukünftig die Optimierung von Drahtflachwalzprozessen für Mikrobänder ermöglichen. 3. Untersuchung, ob die Möglichkeit besteht, den erfolgreich umgesetzten flexiblen Walzprozess aus dem makroskopischen Bereich in den meso/mikroskopischen Bereich zu überführen. Mit Hilfe des beschafften Tandemwalzwerks (1.) konnten die folgenden wesentlichen Ergebnisse zu den Projektzielen (2.) und (3.) erarbeitet werden: 2a. Der Umformwiderstand nimmt beim Flachwalzen von Drähten und Mikrobändern mit steigender Korngröße dk und abnehmender Probengröße (dDraht für Drähte) ab. In anderen Worten, wenn das Verhältnis dk/dDraht zunimmt, sinkt der Umformwiderstand. Das Ausmaß des Absinkens des Umformwiderstands ist sowohl davon abhängig, wie weit das dk/dDraht Verhältnis steigt, als auch welche Dickenreduktion erzielt und welcher Werkstoff verarbeitet wird. 2b. Die normierte Breitung, die als das Verhältnis von Δb/dDraht mit Δb =b1-b0 definiert ist, nimmt zu, wenn das Verhältnis aus Korngröße und Drahtdurchmesser dk/dDraht steigt. Bei einer Dickenreduzierung εh = 75% des Walzguts (Drahtdurchmesser 0.5 – 4 mm) erhöht sich die normierte Breitung um einen Faktor von 1,3 – 1,8. Desweiteren können bei den herabskalierten Versuchen Unregelmäßigkeiten im Kantenbereich des Walzguts beobachtet werden, die mit steigendem dk/dDraht Verhältnis zunehmen. 2c. Mit steigendem dk/dDraht Verhältnis nimmt die Reibung zu. Verringert sich die Größe der Probe, bei gleichbleibender Oberflächenrauigkeit, so ist ersichtlich, dass die Anzahl der Schmiertaschen abnimmt. Folglich erhöht sich die Reibung. Während der Experimente konnte eine maximale Änderung von 0.175 nach 0.190 (Coulomb) beobachtet werden. Im Gegensatz dazu ist kein Effekt auf die Reibung zu beobachten, wenn kein Schmiermittel verwendet wird. 2d. Die erstellten FE-Modelle (sowohl mit, als auch ohne größenabhängiges Materialverhalten) können genutzt werden, um die Walzkraft, den Umformwiderstand, die Reibung und die Breitung zu vergleichen. Der Unterschied zwischen perfekt miniaturisierten und teilweise herabskalierten Experimenten kann durch numerische Simulationen abgebildet werden. 3a. Mit Hilfe des Tandemwalzwerks können Drähte und Mikrobänder flexibel gewalzt werden. Die so hergestellten Zwischenprodukte besitzen eine Dickenverteilung mit einem maximalen Höhe/Länge Verhältnis von 1/50. Dies wird durch ein im Rahmen des Projektes entwickeltes Steuerungsprogramm ermöglicht, welches das Simotion Control System und die Servomotoren des Tandenwalzwerks nutzt. Für Drähte konnte eine Dickengenauigkeit von ± 5% erreicht werden. 3b. Flexibel gewalzte Mikrobänder mit den Maßen b/h > 10 zeigen nur eine geringe Breitung, während es bei Mikrobändern mit den Maßen 1 < b/h < 10 zu einer größeren Breitung kommt. 3c. FE-Modelle (größenunabhängiges Materialverhalten), die den flexiblen Walzprozess beschreiben, wurden genutzt, um den Effekt von Längszügen auf die Breitung zu untersuchen. Wird ein Längszug von 25 MPa aufgebracht, ist die Breite des Walzguts nach dem Walzen um ± 10% reduziert. Ausblick auf künftige Arbeiten: Als Grundlagenforschung könnten die Einflüsse von unterschiedlichen Schmiermitteln während des Hochgeschwindigkeitswalzens untersucht werden. Desweiteren ist der Einsatz von Kaliberwalzen im Bereich des Mikrowalzens ein spannendes neues Feld, welches zusätzliche Anwendungen erlauben wird. Was das eigentliche Thema dieses Berichts betrifft, so würde das Motion Control Program, welches den Walzspalt während des Walzens einstellt, sehr von einer direkten Messung der Bandgeschwindigkeit nach dem Walzen profitieren. Der Einbau einer Einrichtung (Laser), die diesen Parameter misst, würde die Abweichungen zwischen gewünschten und dem tatsächlich hergestellten Dickenprofil weiter verringern und so die Genauigkeit des Prozesses weiter steigern. Letztendlich basieren die bisher gesammelten Erkenntnisse nur auf dem Kaltwalzen. Die Einbeziehung von thermischen Effekten, die während des Warmwalzens auftreten, wäre ein nächster Schritt. Die bisher beobachteten Größeneffekte für das Kaltwalzen könnten während des Warmwalzens reduziert werden, ausbleiben oder sich anderweitig ändern. Mögliche Anwendungen: Ein klassisches Beispiel für das seit langer Zeit bereits verkleinerte Bauteile, z.B. Mikrobänder, benötigt werden, ist die Herstellung von Uhren. Außerdem können Mikrobänder, die bspw. aus Titan, Nitinol, Tantal und 316L bestehen, für zahlreiche Anwendungen im medizinischen Bereich genutzt werden. Einige Beispiele sind verstärkte, dünne und flexible Röhren für die minimal invasive Chirurgie, sowie Cuff Elektroden für periphere Nervenstimulation. Zusätzliche Anwendungen finden sich in der Elektronikindustrie. Beispielsweise flexible Leiterplatinen (FPC) für mobile Elektronikgeräte. Ein weiteres Beispiel sind flexible Flachkabel (FFC), welche aus mehreren parallel angeordneten flachen Leitern bestehen, welche in ein synthetisches Material einlaminiert sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Erfahrungen beim Mikroumformen von Kupfer und Kupferlegierungen. Metall, Vol. 59, No. 11, (2005), ISSN: 0036-0746, pp. 706- 709
Hirt, G., Justinger, H., Thome, M., van Putten, K.
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Measurement technology in metal forming – results of the multi laboratory experiments (in German: Skalierungseffekte beim Walzverfahren zur Mikrobandherstellung). Proceedings of the 2nd colloquium of DFG Priority Program Process Scaling, editor: Vollertsen, F., Bremen - Germany, (Nov. 2005), ISBN: 3-933762-17-0, pp. 309-320
Meyer, L.W., Herzig, N., Gahlert, C., van Putten, K., Hirt, G., et al.
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Besser Simulieren. Mikroproduktion, Vol. 1, (2006), pp. 38-39
Hirt, G., Thome, M., van Putten, K.
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Size effects in the production of micro strip by the flat rolling of wire. Proceedings of the 2nd international conference on multi-material micro manufacture 4M 2006, editors: Menz, W., Fillon, B., Dimov, S., Grenoble - France, (Sep. 2006), ISBN: 0-08-045263-0, pp. 277 – 280
van Putten, K., Kopp, R., Hirt, G.
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Größeneffekte bei der Miniaturisierung des Drahtflachwalzens und Tiefziehen von Cu-Werkstoffen. Proceedings of the 22th ASK Umformtechnik, Aachener Stahlkolloquium 2007, (Mär. 2007), ISBN: 3861309246, pp. 175- 188
Justinger, H., van Putten, K., Hirt, G.
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Influences of sizes effects on the rolling of micro strip. Proceedings of the 10th Esaform conference on material forming, editors: Cueto, E., Chinesta, F., Zaragoza - Spain, (Apr. 2007), ISBN: 978-0-7354-0414-4, pp. 629-634
van Putten, K., Kopp, R., Hirt, G.
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Size effects in micro deep drawing and rolling of flat wire. Proceedings of the 27th Senafor, editors: Schaeffer, L., Kopp, R., Martins, P., Cetlin, P.R., Balancin, O., Rocha, A., Oliveira, C., Batalga, G., Button, S., Porto Alegre - Brasil, (Oct. 2007), ISBN: 978-8940160-9, pp. 153-172
van Putten, K., Justinger, H., Hirt, G., Hofmann, O.
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Size effects on friction and yielding in wire flat rolling. Proceedings of the 2nd International Conference on New Forming Technology, editors: Vollertsen, F., Yuan, S., Bremen - Germany, (Sep. 2007), ISBN: 978-3-933762-22-1, pp. 583-592
van Putten, K., Franzke, M., Hirt, G.
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Experimental and numerical investigations of the deformation of a polycrystal copper specimen in plane strain compression. Proceedings of the Workshop Materials, Simulation and Production technology 2008, editor Meyer, L.W. Chemnitz – Germany (May 2008), ISSN: 1860-8698
van Putten, K., Kopp, R., Hirt, G.
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Size effects on miniaturised rolling processes. Ironmaking and Steelmaking, Vol. 37, No. 4, (May 2010) ISSN: 0301-9233, pp. 283-289
van Putten, K., Hirt, G.
