Entwicklung einer Fertigungstechnik für Metall-Kapillardruckgießprozesse

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1 Entwicklung einer Fertigungstechnik für Metall-Kapillardruckgießprozesse Fr.-W. Bach, K. Möhwald, C. Roxlau, J. Prehm Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover (LUH) Industriekolloquium der Forschergruppe 702 Karlsruhe, den 24. Juni 2010

2 Gliederung und Inhalte des Vortrags Einleitung und Motivation Grundlagen des Metall-Kapillardruckgießens Gusswerkstoffe Gießformen Mikrogießanlage Zusammenfassung und Ausblick Bild 2

3 Motivation Ausgangspunkt: bei zunehmender Miniaturisierung von Bauteildimensionen werden physikalische Phänomene dominant, welche bei größeren Dimensionen keinen signifikanten Einfluss haben: z. B. Oberflächenspannung sowie elektrostatische und Kapillarkräfte Gezielte Nutzung der Phänomene zur Formgebung Entwicklung des Metall-Kapillardruckgießens Realisieren i einer Mikrogießanlagei Charakterisieren der Wirkzusammenhänge zur Optimierung der Prozessparameter Qualifizieren von Gusslegierungen und Gießformwerkstoffen Bild 3

4 Grundlagen des Metall-Kapillardruckgießens Eigenschaften metallische Bauteile im Mikrometermaßstab alle Vorzüge des Makrogießens: - große Formenvielfalt - große Auswahl an Gusswerkstoffen vielfältige Anwendungsmöglichkeiten in einer Gießform können viele Mikrokavitäten eingebracht werden Fertigung im Nutzen Bild 4

5 Grundlagen des Metall-Kapillardruckgießens Ansaugprinzip Schmelze, die beim Gießvorgang g entsteht, muss Mikrokavitäten der Form benetzen, um sie füllen zu können Am Ende des Gießprozesses muss ein Entnetzungsvorgang stattfinden, damit das fertige Gussteil später entnommen werden kann Kapillarkraft durch Benetzung keramische Gießform Meniskus Schmelzedepot Anguss metallischer Überzug (Arc-PVD), vollständige Schichtauflösung bzw. -ablösung im Moment des Erstarrens Bild 5

6 Grundlagen des Metall-Kapillardruckgießens Geschwindigkeit der Schichtauflösung für Ag72Cu28/Cu [µm/min] Auflösu ungsgeschw windigkeit Streuung experimenteller Werte Prognose Cu (PVD) Ag72Cu Temperatur T [K] 5 µm Bild 6

7 Grundlagen des Metall-Kapillardruckgießens Modell zur Auflösungskinetik von Metallisierungen Stoffmengenübergang g g aus der Metallisierung in die Schmelze I0 I,0 I I,0 I n B na nb I,0 LFRnA t lna exp B t I I,0 I I,0 n A nb na nb nb 1 Geschwindigkeit der Schichtdickenabnahme LM Rln a B II B B L : kinetischer Koeffizient F : Grenzfläche zwischen Benetzungsschicht und Schmelze R : ideale Gaskonstante a I,00 B : Aktivität des Stoffes B in der Schmelze im Ausgangszustand I n A I,0 n B : Stoffmenge des Stoffes A in der Schmelze : Stoffmenge des Stoffes B in der Schmelze im Ausgangszustand des Prozesses t : Zeit : Molmasse des Stoffes B : Dichte von B in der Benetzungsschicht M B II ρ B Bild 7

8 Grundlagen des Metall-Kapillardruckgießens Verdrängerprinzip Kraft F(t) verdrängte Schmelze metallischer Überzug (PVD, Galvanik), vollständige Schichtauflösung Oberflächenspannungen/Benetzbarkeit/Kapillareffekte sind für den gesamten Gießprozess maßgebend. Beeinflussung durch Wahl des metallischen Überzugs. Schmelze wird durch Zusammenpressen der Gießformhälften in die Form gedrückt und aus dem Trennspalt verdrängt. Bild 8

9 Gusswerkstoffe Oberflächenspannungen AgCu28 NiP11 Bild 9

10 Gusswerkstoffe Viskositäten NiP11 AgCu28 Bild 10

11 Gusswerkstoffe Es wurde ein Modell entwickelt und experimentell überprüft, mit dem das durch die Kapillarkraft bedingte Fließen von metallischen Schmelzen beschrieben b werden kann. Für das Fließen in rechteckigen Kanälen ergibt sich beispielsweise: l A exp At A 2 B B B 2 t Bt l0 2 mit A 4 cos 2 P H 12, B 2 H H und l(t): zurückgelegter Weg, Oberflächenspannung Dichte, Benetzungswinkel dynamische Viskosität, H: Kanalbreite und P: Druckunterschied Bild 11

12 Gießformen -Keramikdominantes Aspektverhältnis und Formschluss erschwerte Bauteilentnahme Keramikform Aspektverhältnis ca. 1:4 Aufschrumpfung auf Kern Gussteile (AgCu28) Laserstrahl Maske Formschluss Excimer-Laserbearbeitung fertigungsbedingte Welligkeiten und Ungänzen Formschluss Bild 12

13 Gießformen -Keramik- Formfüllung, Konturentreue und Oberflächengüte einfache Bauteilentnahme Keramikform 1mm Gussteil (NiP11) + 5% Cu Keramikform steigendes Aspektverhältnis (Tiefe zu Breite) Gussteil (NiP11) Bild 13

14 Gießformen -Keramik- Beispiele Mikrokavitäten in Siliziumnitrid Mikrozahnrad aus Ag72Cu28 (links Gießform aus Siliziumnitrid, rechts Bauteil) Die Durchführbarkeit des Kapillardruckgießens (Verdrängerprinzip) von kernlosen Kavitäten ist nachgewiesen Bild 14

15 Gießformen -metallisch- Übergang zu metallischen Gussformen: Motivation Keramische Gussformen sind kostenintensiv und schwer zu bearbeiten Die Bauteilentnahme ist oftmals erschwert Herausforderung Metallische Gussformen müssen passiviert werden, damit die Form nicht mit dem Gusswerkstoff verlötet Lösung Passivieren der Oberfläche durch eine geeignete oxidische Beschichtung Bild 15

16 Gießformen -metallisch- Aluminium-PVD-Beschichtung auf Stahlgießform, anschließendes Oxidieren bei 700 C Gusswerkstoff : Ag72Cu Beschichtete Probe vor der Wärmebehandlung Benetzungsversuch Kein Benetzen des Gusswerkstoffs mit der Gießform Bild 16

17 Gießanlagenentwicklung Aufgrund der Studien an einem ersten Prototypen wurde ein zweiter Prototyp mit Messwerterfassung entwickelt: Pneumatikzylinder Vakuumrezipient aus Edelstahl elek. Kraftaufnehmer keramische Heizröhre Grundplatte keramischer Stab Bodenplatte Bild 17

18 Gießanlagenentwicklung Zweiter Prototyp Spindelantrieb Schließkraft bis 600 N mittels Pneumatikzylinder automatische Handhabung des Gießprozesses durch Steuerung Schnellkühlung durch Flutung adaptierbar Kraftaufnehmer Vakuumrezipient einfaches Chargieren durch Hauben-Konstruktion Vakuumpumpe Bild 18

19 Gießanlagenentwicklung Zweiter Prototyp Schließkraft bis 600 N mittels Pneumatikzylinder automatische Handhabung des Gießprozesses durch Steuerung Schnellkühlung durch Flutung adaptierbar Heizelement einfaches Chargieren durch Hauben-Konstruktion Bild 19

20 Gießanlagenentwicklung Zweiter Prototyp Schließkraft bis 600 N mittels Pneumatikzylinder automatische Handhabung des Gießprozesses durch Steuerung Schnellkühlung durch Flutung adaptierbar Charge im Keramiktiegel einfaches Chargieren durch Hauben-Konstruktion Bild 20

21 Zusammenfassung und Ausblick Ein Verfahren für das Herstellen metallischer Mikrobauteile, das sogenannte Metall-Kapillardruckgießen, wurde vorgestellt. Eigenschaften: - Bauteile im Mikrometermaßstab - große Auswahl an Gusswerkstoffen Verfahren ist an der Schwelle zur industriellen Fertigungstechnik Aktueller Stand: Entwicklung und Umsetzung industrieller Gießmaschinenkonzepte Ziele für die Zukunft: - Entwicklung von Konzepten für die Entnahme komplexer Bauteile - Bau einer vollständigen Gießanlage Bild 21