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Micro-Hydroforming

Micro-Hydroforming

Motivation

Mikrosystemtechnik wird heute von zahlreichen Branchen bei der Entwicklung neuer und verbesserter Produkte eingesetzt, mit steigender Tendenz. Insbesondere Unternehmen aus den Bereichen der Kommunikationstechnik, der Medizintechnik, der Computerindustrie und der Automobilindustrie nutzen diese Technologie und suchen, angesichts der zunehmenden Stückzahlen der hierfür zu produzierenden Mikrobauteile, nach wirtschaftlichen Fertigungsverfahren. Für metallische Mikrokomponenten stehen derzeit allerdings nur sehr zeitaufwendige und damit teure Verfahren zur Verfügung, in der Regel basierend auf mechanischer Zerspanung oder elektrochemischen Wirkprinzipien. Der Einsatz von Umformverfahren, die sich für die wirtschaftliche Fertigung konventioneller Bauteilabmessungen in großen Stückzahlen bewährt haben, steht derzeit aber noch am Anfang.

Hydroforming, heute eine etablierte Umformtechnologie für die Serienfertigung im Makromaßstab, erlaubt die Herstellung komplexer, hohlförmiger Bauteile, die durch Kaltverfestigung sowie geschlossene und fügenahtfreie Querschnitte eine hohe Festigkeit und Steifigkeit besitzen [1]. Die Tatsache, dass diese Produkteigenschaften für eine Vielzahl von Komponenten der Mikrosystemtechnik eine wichtige Rolle spielt, hat die Fachhochschule Köln dazu veranlasst, die Umsetzung dieses Umformverfahrens in die Mikrowelt näher zu untersuchen und die notwendige Werkzeug- und Anlagentechnik für die Serienfertigung von Micro-Hydroforming-Komponenten mit Querschnittsabmessungen unter 1000 µm bei Innendrücken bis zu 4000 bar zu entwickeln. Bild 1 zeigt Beispiele von Demonstratoren im Größenvergleich, die im Rahmen dieses Projektes entwickelt wurden.

Bild 1: Micro-Hydroforming Demonstratoren für eine Chip-Kühlung im Größenvergleich (Ausgangsrohr: Außendurchmesser 800 µm, Wanddicke 40 µm, Material 1.4301)

Grundlagen

Es ist bekannt, dass sich konventionelle Umformverfahren nicht eins zu eins auf die Fertigung von Werkstücken im Mikromaßstab übertragen lassen. Größeneffekte, die beispielsweise aus dem bei Mikrobauteilen größeren Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und dem veränderten Verhältnis der Gefügestruktur zu den äußeren Bauteilabmessungen resultieren, erfordern angepasste Beziehungen für die Prozessparameterbestimmung. Um vor diesem Hintergrund entsprechende Grundlagen für die Gestaltung von Micro-Hydroforming-Prozessen zu erarbeiten, wurden zunächst experimentelle Untersuchungen mit einer speziell für das werkzeugungebundene Aufweiten von Mikrorohren entwickelten Vorrichtung durchgeführt [2], unterstützt von theoretischen Arbeiten mit der Finiten Elemente Methode [3].



Werkzeuggestaltung

Auf die miniaturisierten Werkzeuge für das Micro-Hydroforming wirken durch den Innendruck, die Werkzeugschließkraft und die an den Rohrenden angreifende Dichtkraft vergleichsweise hohe Lasten, die entsprechende elastische Werkzeugverformungen hervorrufen. Insbesondere ist zu berücksichtigen, dass bei der „geometrischen Verkleinerung“ des Hydroforming zum Micro-Hydroforming der zur Umformung erforderliche Innendruck nicht ebenfalls verringert wird. Die notwendigen Drücke bleiben in der Größenordnung der Drücke konventioneller Verfahrensdurchführungen, wenn vergleichbare Verhältnisse von Rohrdurchmesser zu Rohrwanddicke gewählt werden. Die elastische Verzerrung der Werkzeuggravur sowie die Verlagerung der Teilungsebene sind zwei wesentliche aus den Umformlasten entstehende Folgen. Ein wichtiger Schwerpunkt im Rahmen der Verfahrensentwicklung des Micro-Hydroforming behandelte daher Maßnahmen für eine Werkzeuggestaltung, mit denen die Auswirkungen der elastischen Werkzeugverformungen auf die produzierte Bauteilqualität minimiert werden können.

Es konnte gezeigt werden, dass der elastischen Gravurverformung durch eine geeignete Gestaltung der Werkzeugteilungsebene in Verbindung mit einer zielgerichtet geregelten Schließkraft innerhalb gewisser Grenzen entgegengewirkt werden kann [4]. Für die Reduzierung der durch die Verlagerung der Teilungsebene entstehenden Dichtprobleme der Rohrenden und des Dichtstempelverschleißes wurde ein geeignetes Werkzeugkonzept entwickelt [5].



Maschinentechnologie

Eine Micro-Hydroforming-Maschine unterscheidet sich von der konventionellen Maschinenbauform insbesondere durch die Antriebsarten der zur Umformung eingesetzten Achsen. Für die Dichtstempelantriebe sind Systeme mit hoher Regelgenauigkeit erforderlich. Gleiches gilt für den Druckübersetzer zur Erzeugung des Innendrucks für die Umformung, um die geringen zur Umformung notwendigen Wirkmedienvolumina bei hohen Drücken mit guter Genauigkeit zu regeln. Lediglich für die Aufbringung der Werkzeugschließkraft ist der im konventionellen Hydroforming-Maschinenbau ebenfalls verwendete hydraulische Antrieb sinnvoll.

Bild 2 zeigt den an der Fachhochschule Köln auf Basis der Forschungsarbeiten zu Verfahrensgrundlagen und Werkzeuggestaltung entwickelten Prototyp einer Micro-Hydroforming Maschine mit seriennahen Eigenschaften zur Umformung von Mikrorohren zwischen 200 und 1000 µm. Der auf dem Maschinentisch aufgestellte Pressenrahmen trägt den vertikal wirkenden Stößelantrieb mit dem Umformwerkzeug und den Systemen für die Rohrendenabdichtung. Im Inneren des Tisches sind die Aggregate für Hydraulik, Pneumatik und Hochdruck untergebracht. Die Steuerung der insgesamt 4 zur Umformung eingesetzten Achsen erfolgt über eine zentrale, seitlich aufgestellte Steuereinheit mit flexibler Eingabemöglichkeit der Umformparameter. Die mechanischen Komponenten sind für eine Taktzeit von rd. 6 Sekunden ausgelegt, für Umformungen mit Innendrücken bis zu 4000 bar.
Bild 2: Micro-Hydroforming Maschine, ausgestellt auf der Hannover Messe Industrie 2008

Ausblick

Von der Entwicklung des Micro-Hydroforming profitieren Technologiefelder, die sich auf dem wachsenden Markt von Produkten mit integrierter Mikrosystemtechnik bewegen. Kürzlich durchgeführte Marktstudien zeigen dies insbesondere für die Medizintechnik, Mikrofluidik und Mikromechatronik. Für diese Bereiche bietet das Micro-Hydroforming die wirtschaftliche Möglichkeit zur Fertigung neuer, bisher nicht oder nur mit großem Aufwand herstellbarer Mikro-Produkte. Bauteilbeispiele sind Komponenten für chirurgische Werkzeuge und Implantate, hochpräzise Wellen für Mikroaktuatoren oder komplexe Leitungs- und Düsenelemente.





Projektförderung

Die unter der Leitung von Professor Christoph Hartl durchgeführten Arbeiten zu dieser zum Patent angemeldeten Verfahrensentwicklung waren Teil des von der Europäischen Union im 6ten Rahmenprogramm geförderten Projektes MASMICRO. Übergeordnete Zielsetzung dieses Projektes war die Entwicklung und Integration von Fertigungssystemen für die Massenfertigung von Kleinst- und Mikrokomponenten. Das Konsortium von MASMICRO bestand aus 36 Partnern aus 13 EU-Staaten, davon 18 Partner aus der Industrie. Zur Verfügung stand ein Projektbudget von mehr als 21 Millionen Euro. Hauptkoordinator des Projekts war die University of Strathclyde in Glasgow. Wichtige Unterstützung erhielt die Fachhochschule Köln von Projektpartnern in der Steuerungsprogrammierung und dem Bau der Formwerkzeuge.



Literatur

[1] Hartl, Ch.: Research and Advances in Fundamentals and Industrial Application of Hydroforming. J. Mat. Proc. Tech. 167 (2005), 383-392

[2] Hartl, Ch.; Eguia, J.; Uriarte, G.; Lopez Garcia, F.: Micro Hydroforming Process and Machine System for Miniature/Micro Products. euspen 7th Int. Conf., Bremen, May 20-24, 2007, Vol. 2, 69-72

[3] Zhuang, W.; Wang, S.; Cao, J. Lin, J.; Hartl, Ch.: Modelling of Localised Thinning Features in Hydroforming of Micro-Tubes using Crystal Plasticity FE Method. Int. J. Adv. Manuf. Technol., May 2009, DOI 10.1007/s00170-009-2134-4

[4] Hartl Ch.; Anyasodor, G.; Ptaschlik, T.; Lungershausen, J.; Lippert, S.: Investigation into Reduction of Die-Cavity Deflection in Micro-Hydroforming Processes using FEA. Int. J. Adv. Manuf. Technol., June 2009, DOI 10.1007/s00170-009-2141-5

[5] Hartl, Ch. Anyasodor, G.: Experimental and Numerical Investigations into Micro-Hydroforming Processes and Machine Design. Metal Forming 2010 Int. Conf., Toyohashi, September 19-22, 2010 (erscheint demnächst)



Kontakt

Prof. Dr. Christoph Hartl
Fakultät für Fahrzeugsysteme Und Produktion
Institut für Produktion
Fachhochschule Köln
Betzdorfer Str. 2
50679 Köln

Hydroforming-Know-How von AP&T nach China