Anwendung der Semi/solid-Technologie für die Mikroformge ... · sität, die auch als Thixotropie...
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Anwendung der Semi/solid-Technologie für die Mikroformge-bung – grundlegende Potenziale und erste Prozesskonzepte
Kurt Steinhoff Lehrstuhl für Umformtechnik, Universität Kassel Zusammenfassung Phänomenologie. Phänomenologisch prä-gend für die Verarbeitung von metallischen Werkstoffen auf der Grundlage der Se-mi/solid-Technologie ist ein hybrider Aggre-gatzustand, der von der gleichzeitigen Anwe-senheit von fester und flüssiger Phase ge-kennzeichnet ist. In diesem Zustand lassen sich für eine Vielzahl metallischer Werkstoffe Verhaltensweisen feststellen, die im reinen Fest- oder Flüssigzustand nicht erreichbar sind. Erwärmt man eine Metalllegierung auf eine Verarbeitungstemperatur im Zweipha-sengebiet, so zeichnet sich ihr Verhalten bei einer nachfolgenden Formgebung durch ein besonderes rheologisches Verhalten aus. Die-ses nicht-Newton´sche Fließverhalten ist ge-kennzeichnet durch eine Zeit-, Scherraten- und Schubspannungsabhängigkeit der Visko-sität, die auch als Thixotropie und Strukturvisko-sität bezeichnet wird [1, 2]. Insbesondere letzt-genanntes Phänomen bedeutet nichts anderes, als dass mit zunehmender Scherrate die Vis-kosität drastisch abnimmt und gleichsam einer Verhaltensreversibilität mit abnehmender Scherrate wieder zunimmt. Mikrothixoforming. Betrachtet man nun bekannte Verfahrensvarianten der Mikrour-formtechnik [3 - 6], so erweist sich gerade für Anwendung der Mikroformgebung das rheo-logische Verhalten von Flüssigkeiten, sei es in Form eines fluiden Trägers für Feststoffparti-kel [3 - 8] oder als Schmelze [9] von überaus großem Interesse. Die hierbei in besonderem Maße nutzbaren Vorteile sind: • Dosierbarkeit
• Formfüllungsfähigkeit • Nutzung von grenzflächenchemischen und
physikalischen Sekundäreffekten (Kapil-larwirkung, partikelattraktive Effekte, etc.)
• Ausschaltung bzw. Reduzierung von werk-stoffstrukturbezogenen Größeneffekten
• geringe Werkzeugbelastung • Integrationsfähigkeit von Formgebung und
Fügen. Dabei verbleiben jedoch in jedem Falle die Nachteile der Erstarrungsschrumpfung und des thermischen Ausdehnungsverhaltens mit den daraus resultierenden Restriktionen hin-sichtlich der erreichbaren geometrischen Ge-nauigkeit. Vor allem sind es jedoch die un-vermeidlichen urformtechnischen Strukturde-fekte (Poren, Lunker, etc.), deren mit abneh-menden Bauteildimensionen stets stärker aus-geprägte Folgen für die sich einstellenden statischen und dynamischen Bauteileigen-schaften als überaus nachteilig zu bewerten sind. Eine vollständige Umgehung der gesamten zuvor diskutierten Restriktionen der Mikrour-formtechnik wie auch der für die Verfahrens-varianten Mikroumformtechnik geltenden Restriktionen [10, 11] auf der Grundlage eines ebenfalls thermischen Prozesseingriffs wird dann möglich, wenn man die jeweiligen Ein-phasengebiete in Richtung auf das aus der Semi/solid-Technologie bekannte Zweipha-sengebiet verlässt. Das besondere Lösungspo-tenzial des hieraus entstehenden Mikrothixo-formings als neuartige Prozessvariante der Mik-roformgebungstechnik besteht dabei generell
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in der Fähigkeit, einerseits die für eine plasti-sche Formgebung bekannten Größeneffekte vollständig auszuschalten, andererseits die Vorteile einer urformtechnischen Prozessfüh-rung unter gleichzeitig weitgehender Ab-schwächung der sich nachteilig auf die geo-metrischen und mechanischen Produkteigen-schaften negativ auswirkenden Effekte voll-umfänglich zu nutzen. Während die Abschwächung der zuvor er-wähnten Nachteile einer Formgebung im vollständig schmelzflüssigen Zustand einfach aus der Anwesenheit der festen Phase be-gründet ist, ist die Ausschaltung der im voll-ständig festen Verarbeitungszustand vorhan-denen Größeneffekte auf das besondere rheo-logische Verhalten im Semi/solid-Zustand zurückführbar. Wird doch hier durch die Sus-pensionsbildung jeglicher Zusammenhang der Festphasenstruktur aufgelöst. Die aus dem Skelettverband losgelösten frei beweglichen, im Vergleich zu den Gefügedimensionen typi-scher Erstarrungsstrukturen durch die hier bei der Vormaterialherstellung zur Anwendung kommenden Kornfeinungstechniken [12] sehr kleinen Festphasenkörner sind somit in der Lage, ungehindert der zur Füllung komplexer Mikroformelemente notwendigen über das formgebende Werkzeug von außen aktivierten Schmelzströmung zu folgen. Dabei sind die geometrischen Strukturdimensionen der Fest-phasenbestandteile nicht alleine durch die statische Voreinstellung bestimmt, sondern aufgrund der Tatsache, dass der Übergang in den fest-flüssigen Zustand durch ein Auf-schmelzen von den Korngrenzen her erfolgt, durch das über die Prozesstemperatur be-stimmte Verhältnis von fester und flüssiger Phase. Mit einer gezielten metallurgischen Modifikation gelingt es darüber hinaus, durch die Phlegmatisierung des Kornwachstums mit zunehmender Prozesszeit im Semi/solid-Zustand [13] nicht allein eine wesentliche Vor-aussetzung für den Erhalt des strukturvisko-sen Fließvermögens bei gleichzeitiger Unter-drückung der mit zunehmender Werkstück-miniaturisierung ansteigenden Segregations-neigung zu schaffen, sondern damit zugleich die Zugänglichkeit filigran gestalteter Form-elemente zu gewährleisten. Von zentraler Be-deutung ist hierbei somit insbesondere die
über die metallurgische Modifikation erreichte dynamische Limitierung der Korngröße an sich. Auch auf der prozesstechnischen Seite trägt das besondere Formgebungsverhalten im Semi/solid-Zustand zur Lösungsfindung bei. So eröffnet die im Vergleich zur Formge-bung im festen Zustand drastisch geringere Formgebungskraft neue Variationsmöglich-keiten für die Gestaltung und Dimensionie-rung der zentralen Prozessmodule. Selbst wenn die plastische Formänderung einzelner Festphasenkörner oder -kornkollektive im Prozessverlauf unausweichlich ist, so sind nicht zuletzt aufgrund der Prozesstemperatu-ren oberhalb typischer Warmumformtempe-raturen hierzu im Vergleich zu einer Kaltum-formung deutlich geringere Formgebungs-kräfte notwendig; dieser Effekt wird über den in jedem Falle nicht über das gesamte Werk-stoffvolumen ausgeprägten Festphasenzu-sammenhang verstärkt. Dies eröffnet insbe-sondere bei einer mittels Werkzeugkontakt erfolgenden Formgebung die Möglichkeit einer erweiterten Werkstoffauswahl für die entsprechenden Werkzeugkomponenten. Da-bei erweist sich der so erreichbare Zugang zu keramischen Werkstoffen auch angesichts ihrer verbesserten Kontakteigenschaften (Ad-häsionsverhalten, Verschleiß, etc.) als überaus günstig. Was jedoch noch ein wesentlich grö-ßeres Potenzial darstellt, sind solche Mecha-nismen, die auf einer kontaktlosen Kraftüber-tragung mittels Druckimpulsen beruhen. In diesem Zusammenhang sind insbesondere Laser-basierte Verfahren zur Generierung von Plasma-Schockwellen (engl. plasma-shock-wave) [14 - 16] zu nennen, jedoch auch elektromagne-tisch, piezomechanisch oder pneumatisch basierte Kraftübertragungsmechanismen. Die bekannten Vorteile einer integrierten Prozessführung für die Herstellung von Mak-robauteilen mit Hilfe der Semi/solid-Technologie [17] lassen sich mit noch größe-rem technologischen Nutzen für die Variante des Mikrothixoformings anwenden. Dabei ist die Integration an sich schon ein Schlüssel zur Lösung der für die Herstellung von Miniatur-bauteilen bekannten Handhabungsprobleme [11]. Im Rahmen des Vortrages sollen bei-spielhaft zwei Konzepte für ein integriertes
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Mikrothixoforming zur Herstellung von Mik-rogetriebekomponenten vorgestellt werden. Literatur [1] Flemings, M.C.: Behavior of metal alloys in the
semi-solid state. Metallurgical Transactions A, 22 (1991) 5, pp. 957-981
[2] Spencer, S.B.; Mehrabian, R.; Flemings, M.C.:
Rheological behavior of Sn-15 Pct Pb in the cristallization range. Metallurgical Transactions B (1972) 7, pp. 1925-1932
[3] Chan, C.M.; Cao, G.Z.; Stoebe, T.G.: Net shape
ceramic microcomponents by modified sol-gel casting. Microsystem Technologies 6 (2000), pp. 200-204
[4] Liu, Z.Y.; Loh, N.H.; Tor, S.B.; Khor, K.A.; Murakoshi, Y.; Maeda, R.; Shimizu, T.: Micro-powder injection molding. Journal of Materials Processing Technology 127 (2002), pp. 165-168
[5] Piotter, V.; Bauer, W.; Benzler, T.; Emde, A.:
Injection molding of components for microsystems. Microsystem Technologies 7 (2001), pp. 99-102
[6] Shimizu, T.; Murakoshi, Y.; Sano, T.; Maeda, R.;
Sugiyama, S.: Fabrication of microparts by high aspect ratio structuring and metal injection molding using the supercritical debinding method. Microsystem Technologies 5 (1998) 2, pp. 90-92
[7] Barriere, T.; Dutilly, M.; Gelin, J.C.: Analysis of
metal injection molding as a near net shape forming process for microparts. In: Geiger, M. (Edtr.): Advanced Technology of Plasticity 1999, Proc. of the 6th International Conference on Technology of Plasticity, Nuremberg, September 19-24, 1999. Heidelberg: Springer Verlag 1999, pp. 945-950
[8] Rota, A.; Duong, T.-V.; Hartwig, T.: Wear
resistant tools for reproduction technologies produced by micro powder metallurgy. Microsystem Technologies 7 (2002), pp. 225-228
[9] Baumeister, G.; Mueller, K.; Ruprecht, R.;
Hausselt, J.: Production of metallic high aspect ratio microstructures by microcasting. Microsystem Technologies 8 (2002), pp. 105-108
[10] Engel, U.; Eckstein , R.: Microforming – from basic research to its realization. Journal of Materials Processing Technology 125-126 (2002), pp. 35-44
[11] Geiger, M.; Kleiner, M.; Eckstein, R.; Tiesler, N.; Engel, U.: Microforming. Annals of the CIRP 50 (2001) 2, pp. 1-18
[12] Gabathuler, J.-P.; Barras, D.; Krähenbühl, Y.:
Evaluation of various processes for the production of billets with thixotropic properties. Proc. of the 2nd International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Cambridge, Massachusetts (USA) 1992, pp. 33-46
[13] Gullo, G.C.; Steinhoff, K.; Uggowitzer, P.J.:
Microstructural changes during reheating of semi-solid alloy AA 6082, modified with barium. In: Chiarmetta, G.L.; Rosso, M. (Edtr.): 6th International Conference Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Turin (I), September 27th-29th, 2000. Brescia: Edimet Spa 2000, pp. 367-372
[14] Berthe, L.; Peyre, P.; Scherpereel, X.; Fabbro, R.;
Jeandin, M.: Laser shock surface processing of materials. In: Dahotre, N.B. (Edtr.): Lasers in Surface Engineering. ASM International 1998, pp. 465-504
[15] Masse, J.-E.; Barreau, G.: Surface modification by
laser induced shock waves. Surface Engineering 11 (1995) 2, pp. 131-133
[16] Semak, V.V.; Dahotre, N.B.: In: Dahotre, N.B.
(Edtr.): Lasers in Surface Engineering. ASM International 1998, pp. 35-67
[17] Steinhoff, K.; Gullo, G.C.; Kopp, R.; Uggowitzer,
P.J.: A new integrated production concept for semi-solid processing of high quality Al-products. In: Chiarmetta, G.L.; Rosso, M. (Edtr.): 6th International Conference „Semi-Solid Processing of Alloys and Composites“, Turin (I), September 27th-29th, 2000. Brescia (I): Edimet Spa 2000, pp. 121-126
Kontakt:
Prof. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff Universität Kassel Institut für Produktionstechnik und Logistik - Lehrstuhl für Umformtechnik - Kurt-Wolters-Str. 3 D - 34125 Kassel Tel.: +49 561 804-2705 Fax: +49 561 804-2045 e-mail: [email protected]
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Lehrstuhl für UmformtechnikProf. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff
Anwendung der Semi/solid-Technologiefür die Mikroformgebung
–grundlegende Potenziale und
erste Prozesskonzepte
Kurt Steinhoff
2. Erlanger Workshop "Mikroumformtechnik" 25. November 2003
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Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
Gliederung
2
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50350
10 15 20 25
450
500
550
600
650
700
750
400
Siliziumanteil [Gew.-%]
Tem
pera
tur
[°C
]
α+(Si)+Mg Si2
S+ +(Si)α
S+α
α+Mg Si2
α+(Si)
α
S
S+(Si)
pseudo-binärer Ausschnitt aus dem ternären Zustandsdiagrammfür das System Al-Mg-Si
Arbeitsbereich
fest-flüssiger Hybridzustand von Metalllegierungen
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
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ThixotropieStrukturviskosität
nicht-Newton´sches Fließverhaltennicht-Newton´sches Fließverhalten
Visk
ositä
t η
Scherrate ζ
Schu
bspa
nnun
g τ
τ0
Scherrate ζ Zeit t
Scherbeanspruchung( =const.)ζ
ohneBeanspruchung
Visk
ositä
t η
Kontinuumsverhalten
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
Rheologie
Zeit-, Scherraten und Schubspannungsabhängigkeit der Viskositäteiner Metalllegierung im Semi/solid-Zustand
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Vis
kosi
tät η
1 2 3
Scherrate ζ
100 mµ
AlMgSi1AlMgSi1
100 mµ
scherentfestigendes Verhalten metallischer Werkstoffe im Semi/solid-Zustand
dreidimensionaler Festenphasen-zusammenhang
Suspension frei beweglicher
Festphasenpartikel in einer schmelzflüssigen
Umgebung
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
Mikrostrukturverhalten
Rheologie
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Funktions-integration
Miniaturi-sierung
Leicht-bau
Kosten-senkung
Nach-haltigkeit
Semi/solid-Technologie
Teilekon-solidierung
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
Innovationspotenzialeder Semi/solid-Technologie
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• Formfüllungsfähigkeit• geometrische Komplexität• Werkzeugbelastung• Integrationsfähigkeit
(z.B. Formgebung + Fügen)• Dosierbarkeit• Nutzbarkeit von Sekundär-
effekten (Kapillarität, etc.)• keine strukturbezogenen
Größeneffekte
umform-technischer
Ansatz
• geometrische Präzision• mechanisch-technologischeEigenschaften
• Oberflächeneigenschaften• Handhabbarkeit
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
Thixoforming
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
urform-technischer
Ansatz
Technologiepotenzialeder Semi/solid-Formgebung
nutzbare Prozessvorteile der Ur- und Umformtechnik; grundlegende Prozessmodule der Semi/solid-Formgebung
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Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
Mikrostruktureinstellungfür die Semi/solid-Formgebung
1Fs >1Fs =
kugelförmigeFestphasen-
gestalt
komplex ge-formte Fest-
phasengestalt
0Cs =1Cs =
vollständigeAgglomerationder Festphase
vollständigeDispersion
der Festphase
2Fs ≤ m150D µ≤ 3.0C1.0 s << cmdyn700≤γ
Formfaktor mittlere Korngröße Kontiguität Oberflächen-
spannung
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200 µm 200 µm
AlMgSi1
1 min1 min 5 min5 min 30 min30 min
200 µm200 µm200 µm200 µm
AlMgSi1Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
0.230.42< 0.01< 0.010.230.190.210.310.470.86BaCuZnTiZrCrFeMnMgSi
Maßnahme 1(Mikrolegierungseffekt)
Maßnahme 2(Benetzungsverhalten)Basis: AlMgSi1 (AA 6082)
statisch
dynamisch
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Mehrkammer-Vakuumschmelzofen
Rohlingstransfer zurUmformanlage
Transfer derVorformen
konv. Schmiedeprozesskombiniert mit
Zwischenwärmebehandlung
isothermesThixoschmiedenund drucklose
Erstarrung
End-wärme-
behandlung
Endprodukt
Drehschleuse
Rohmaterial
Vakuum
Schutzgas
Umgebung
Strangguss mitelektro-
magnetischerRührvorrichtung Durchlaufofen
Ablängeinheit
Aus-schuss-material
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
integriertes Prozesskonzeptfür das Thixoforming
process-tailored material design ermöglicht vollständige Prozessintegration vom Rohmaterial bis zum Endprodukt
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Werkzeugsystem
Laser-Erwärmungssystem
rotierende Gesenkscheiben mit Matrizeneinsätzen
Vorgesenk
Ausgangs-material Ausgangs
-material
„Micro-Droplet“-Generator
„Gesenkscheibenkonzept“
Vormaterialdosierung und –positionierung mittels Liquid-Metal-Jet-Technologie; Temperaturfeinjustierung mittels Laser
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
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Schutzgas-zufuhr
Tropfen-austrittsdüse
Thermo-element
Piezo-aktuator
VerbindungErwärmungs-
system
VerbindungErwärmungs-
system
Aktuator-kolben
Schmelz-tiegel
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Micro-Droplet-Generator“
Vormaterialaufbereitung, -dosierung und –positionierung
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
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Werkzeug-system
Stempel Vormaterial Vorgesenk
rotierende Gesenkscheiben mit Matrizeneinsätzen
Laser-Erwärmungs-system
Einpressen des im Semi/solid-Zustand befindlichen Werkstoffes aus dem Vorgesenk in eine Folge vertikal untereinander angeordneter Formgesenke
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Gesenkscheibenkonzept“
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
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Vakuumgreiferthixogeformte Mikrobauteile
rotierende Gesenkscheiben mit Matrizeneinsätzen integriertes System
Trennung der Einzelkomponenten durch gegenläufige rotatorische Bewegung der Wechselgesenkscheiben; Handhabung und Montage mittels Vakuumgreifer
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Gesenkscheibenkonzept“
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
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Widerstands-erwärmung
Werkzeug-wechselarm
„Micro-Droplet“-Generator
Werkzeug-system
Schritt-motor
Werkzeugaufnahme(schwingungsangeregt)
Druckimpuls-beaufschlagung
vertikale Spindel-
verstellung
Fertigteil-magazin
Werkzeug-system
Servo-motor
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Karussellkonzept“
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
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Spannstift
Formgesenk
Spannschraube
vertikale Spindel-
verstellung
Servo-motor
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Karussellkonzept“
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
Gehäuse (fest)Piezoaktuator
Werkzeug-aufnahme
Spannzange
Werkzeugsystem
Werkzeugsystem: form- und kraftschlüssige Aufnahme des Formgesenkes in eine Spannzange
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Schrittmotor
Schwenkarme
Kupferelektrode
Spiralfeder-spannelemente
Werkzeug-system
Formgesenk
direkte Widerstandserwärmung des Formgesenkes zur Einstellung isothermerBedingungen während der Formgebung im Semi/solid-Intervall
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Karussellkonzept“
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
Lehrstuhl für UmformtechnikProf. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff
Werkzeug-wechselarm
Servomotor
vertikale Spindel-
verstellungPhänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Karussellkonzept“
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
Befestigungs-flansch
Rotations-magazin
Schrittmotor
Werkzeugaufnahme
Prozessverkettung durch integrierte Handhabungseinrichtungen
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Port zur Bauteilentnahme
Zugang für Druckmedium
Schutzgas-atmosphäre
Zugang zur Rohmaterialchargierung
Integration in ein schutzgasgeflutetes Gehäuse; Zugänge zur Bauteilentnahme, zur Zuführung des Druckmediums, zur Chargierung des
Micro-Droplet-Generators
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte
„Karussellkonzept“
Vormaterial-herstellung
thermischeVorbehandlung
Semi/solid-Formgebung
NachbehandlungHandhabung
Lehrstuhl für UmformtechnikProf. Dr.-Ing. habil. K. Steinhoff
Semi/solid-Ansatz ermöglicht eine weitgehende Ausschaltung der Nachteile ur- und umformtechnischer Mikroformgebungsverfahren
Zusammenfassung
Gestaltungsansatz
Schlüsselelemente
Aufgaben
Micro-Jet-Technologie und kontaktlose Kraftübertragung stellen die Schlüsselelemente der ersten Prozesskonzepte dar
prozesstechnische Realisierung und Verfahrensverifikation
Phänomenologie
Potenziale
Werkstoffdesign
Prozesskonzepte