DE10314373A1

DE10314373A1 - Urfomverfahren für ein Bauteil mit Mikrostruktur-Funktionselement

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Publication number: DE10314373A1
Application number: DE10314373A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl.-Ing. Grohn; Jürgen NOMINIKAT; Georg J. Dr. Schmitz
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date: 2003-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2004-10-07
Also published as: WO2004087350A2; WO2004087350A3; EP1673186A2; JP2006521207A; US20060162896A1; DE112004000620D2; US7681627B2; US20100132847A1

Abstract

Offenbart ist ein Urformverfahren für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels einer Form geformt wird. DOLLAR A Um solchen Urformverfahren neue Anwendungsbereiche zu eröffnen und diese insbesondere mit Blick auf Massenproduktion und großflächigen Einsatz zu vereinfachen, zu beschleunigen und kostengünstig zu gestalten, wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Funktionselement in einem Negativ seiner selbst geformt wird, das in einer Oberfläche der Form ausgebildet ist. Vorgeschlagen wird weiterhin eine Form, ein Kern, ein Kernkasten, ein Modell, eine Urform und ein Urmodell zur Ausführung des Urformverfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft Urformverfahren für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels einer Form geformt wird. Gegenüber einem Bauteil mit rein makroskopischer Funktion weist ein solches Bauteil zusätzlich eine reliefartig mikrostrukturierte und somit funktionalisierte Oberfläche auf.
Formverfahren prägen im Wesentlichen ohne Massenänderung die räumliche Gestalt eines Bauteils. Bekannt sind Urformverfahren, die – aus dem flüssigen oder plastischen oder aus dem körnigen oder pulvrigen Aggregatzustand (in der Einteilung nach DIN 8580) – die räumliche Gestalt erstmals schaffen und Umformverfahren, die – durch Druck-, Zugdruck-, Zug-, Biege- oder Schubbeanspruchung (in der Einteilung nach DIN 8550) – eine im festen Aggregatzustand vorhandene räumliche Gestalt verändern.
Eine Form ist in diesem Zusammenhang das Werkzeug, mittels dessen die räumliche Gestalt des Bauteils vorgegeben wird. Der Werkstoff lagert sich in seinem jeweiligen Aggregatzustand im Rahmen des Formverfahrens an die Oberfläche der Form – beispielsweise einer Formkavität in einem Gießverfahren – an. Ein an der Oberfläche der Form ausgebildetes Negativ eines Funktionselements wird so an der anliegenden Oberfläche des Bauteils unmittelbar in das Funktionselement abgeformt. Aus der Vielzahl bekannter Urformverfahren, die unter Verwendung einer Form die räumliche Gestalt von Bauteilen aus im Wesentlichen metallischem Werkstoff prägen, sind hier insbesondere Gießen, Sintern und Flüssigphasensintern zu nennen.
Eine Mikrostruktur ist eine reliefartige Oberflächengestaltung, die in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich – also im Wesentlichen deutlich unterhalb 1 mm – aufweist. Beispielsweise ist ein solches charakteristisches Maß die Tiefe einer gegenüber einer Oberfläche abgesenkten Kante oder die Breite einer auf eine Oberfläche aufgesetzten Rippe.
Mikrostrukturen erweisen sich in vielfacher Hinsicht als vorteilhaft. Mikrostrukturierte Oberflächen kommen beispielsweise in tribologischen Anwendungen, unter aero- oder fluiddynamischen Gesichtspunkte, wegen spezifischer optischer Eigenschaften, zur Steuerung der Benetzbarkeit beziehungsweise Nicht-Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten und zur Förderung oder Behinderung organischen Bewuchses zum Einsatz.
Ein Funktionselement ist ein Element, dass durch eine definierte Gestalt eine definierte Funktion erfüllen soll. Als Funktionselement wird insbesondere nicht ein Element angesehen, das durch eine zufällige Gestalt oder an einer zufälligen Stelle eines Bauteils die definierte Funktion erfüllt.
Ein Mikrostruktur-Funktionselement ist dementsprechend ein bewusst und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion in der definierten Gestalt an einem definierten Ort der Oberfläche eines Bauteils angeordnetes Element, das ein für die Funktion charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist.
Eine periodische oder quasiperiodische Anordnung von Mikrostruktur-Funktionselementen wird als mikrostrukturierte Oberflächentextur, ein umgrenzter Ausschnitt einer Oberfläche mit Mikrostruktur-Funktionselementen als Funktionsbereich oder auch als (wiederum aus kleineren Funktionselementen zusammengesetztes) Funktionselement angesehen.
Die Oberfläche des Bauteils wird in dem das Funktionselement aufweisenden Bereich durch dessen Reliefstruktur funktionalisiert oder in ihrer Funktion optimiert. So kann beispielsweise die Strömungsführung an der Oberfläche einer Turbinenschaufel durch eine mikrostrukturierte Oberflächentextur signifikant verbessert werden.
Die Erzeugung mikrostrukturierter Oberflächen auf Kunststoffen – zumindest auf ebenen Oberflächen – ist als weitgehend bekannt anzusehen: Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich werden mit den vergleichsweise einfachen Methoden der Softlithographie unter normaler Atmosphäre abgeformt und vervielfältigt. Die in der Softlithographie verwendeten Stempel aus PDMS (Polydimethylsiloxan) bilden hierbei Strukturen mit charakteristischen Maßen unterhalb 100 nm ab (H Schmid, B Michel, Macromolecules 33, 2000, p. 3042). Im Bereich der Kunststoffe stellen darüber hinaus optische Datenträger ein beeindruckendes Beispiel eines Produkts mit mikrostrukturierter Oberfläche dar: Im Spritzgussverfahren in Massenproduktion hergestellten CD-ROM-Scheiben weisen Strukturen mit weniger als 1 μm Größe auf, bei DVD sogar unterhalb 500 nm auf. Auch die Erzeugung einer Vielzahl weiterer Oberflächenstrukturen, unter anderem biomimetischer Strukturen wie „Haifischhaut" auf Polymeren ist bereits bekannt.
Auch auf keramischen Werkstoffen werden Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich sauber abgebildet, wie am Beispiel einer Art Schlickerguss in strukturierte PDMS-Stempel gezeigt wurde (U P Schönholzer et. al. „Micropatterned Ceramics by Casting into Polymer Moulds" J. Amer. Ceram. Soc. 85 7, 2002, p. 1885). Bekannt ist auch die Herstellung von Strukturen mit einer Größe von nur 10 nm durch Eindrücken einer elektronenstrahllithographisch geprägten Quarzglasscheibe in die aufgeschmolzene Oberfläche einer Siliziumscheibe (S Y Chou, Ch Keimel, Jian Gu „Ultrafast and direct imprint of nanostructures in silicon" Nature 417, 2002, p. 835).
Auf metallischen Bauteilen ist es bekannt, Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich durch chemische Verfahren wie Ätzen, physikalische Verfahren wie Laserstrukturierung oder durch mikrospanende Bearbeitung zu erzeugen. Diese Verfahren stellen einerseits einen separaten und kostenträchtigen Arbeitsschritt bei der Herstellung eines metallischen Bauteils dar und sind andererseits in ihrer Ortsauflösung beschränkt. Die Herstellung von Mikrostruktur-Funktionselementen auf in Urformverfahren hergestellten metallischen Bauteilen ist mit den bekannten Nachbearbeitungsverfahren nur für wenige Spezialanwendungen wirtschaftlich sinnvoll.
Andererseits ist im Vergleich zu Kunststoffbauteilen mit mikrostrukturierter Oberfläche die Verwendung metallischer Bauteile vielfach interessant, weil sie einen geringeren Verschleiß und eine höhere Härte aufweisen und zudem regelmäßig bei höheren Temperaturen einsetzbar sind.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahrenswege, Werkzeuge und Hilfsmittel, die Urformverfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Oberflächen auf im wesentlichen metallischen Bauteilen neue Anwendungsbereiche eröffnen und diese insbesondere mit Blick auf Massenproduktion und großflächigen Einsatz vereinfachen, beschleunigen und kostengünstig gestalten.
LÖSUNG DER AUFGABE
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Mikrostrukturen – da sie in Oberflächen einerseits von metallischen Werkstoffen, andererseits von in Urformverfahren üblicherweise verwendeten Materialien abgebildet werden können – grundsätzlich auch in Urformverfahren auf ein Bauteil auf- oder einbringbar sind. Die Vorstellung einer solcherart reliefartig mikrostrukturierten, funktionalisierten Oberfläche widerspricht in erheblichem Maße sowohl unter Laien als auch unter Fachleuten dieses Gebiets dem vermeintlich aus der Erfahrung geprägten Bild von Urformverfahren als vergleichsweise „grobschlächtigen" Fertigungsverfahren und zugleich dem Idealbild einer „fehlerfreien" – nämlich spiegelglatten – Bauteiloberfläche.
Die Aufgabe wird ausgehend von den bekannten Urformverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest ein Funktionselement in einem Negativ seiner selbst geformt wird, das in einer Oberfläche der Form ausgebildet ist. Ein erfindungsgemäßes Urformverfahren ermöglicht zugleich mit der Prägung der makroskopischen räumlichen Gestalt eines Bauteils die Herstellung des Mikrostruktur-Funktionselements auf dessen Oberfläche. Gegenüber den bekannten Urformverfahren mit anschließender Bearbeitung der Oberfläche entfällt damit bei der Herstellung eines Bauteils mit Mikrostruktur-Funktionselement ein Arbeitsschritt.
Gegenüber den bekannten Verfahren zur Herstellung von Oberflächenstrukturen im Mikrometerbereich auf einem metallischen Bauteil sind erfindungsgemäße Urformverfahren einerseits erheblich kostengünstiger auszuführen. Andererseits ermöglichen sie erstmals auch die wirtschaftliche Herstellung großer und/oder gekrümmter, mit Mikrostrukturen versehener Flächen.
Das erfindungsgemäße Urformverfahren ist insbesondere vorteilhaft einsetzbar, wenn das Bauteil durch Erstarren eines flüssigen Metalls in einer Kavität der Form geformt wird. Solche Urformverfahren aus der flüssigen Phase ermöglichen in einem Arbeitsschritt die Herstellung nahezu beliebig komplexer Bauteile mit Bauteilabmessungen zwischen wenigen Millimetern und mehreren Metern. In erfindungsgemäßen Urformverfahren können nun in demselben Arbeitsschritt Einzelheiten im Mikrostrukturbereich in der Oberfläche des Bauteils erzeugt werden.
Vorzugsweise wird zur Ausführung eines solchen erfindungsgemäßen Urformverfahrens aus der flüssigen Phase das flüssige Metall durch Gießen in die Form eingebracht. Alternativ kann das Metall auch in Sinter- oder Flüssigphasensinterverfahren auch in körnig oder pulvrig festem Zustand in die Form eingebracht und durch Erhitzen in der Form verflüssigt werden. Im Rahmen von Thixoformingverfahren kann das Metall auch im thixothropen, also plastisch verformbaren Zustand in die Form eingebracht werden.
Gerade mit Blick auf pulvermetallurgische Sinterverfahren wird unter einem „im Wesentlichen metallischen Werkstoff" auch ein Verbundwerkstoff mit metallischer Matrix und beispielsweise keramischen – also anorganisch-nichtmetallischen – Körnern oder Fasern aus Silikaten, Carbiden, Nitriden, beispielsweise Hartstoffen wie Wolframcarbid verstanden.
Die Kavität der Form kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens aus der flüssigen Phase vor dem Befüllen der Form durch gängige Verfahren wie beispielsweise PVD, CVD, MOCVD mit einer dünnen Metallschicht versehen werden, wobei die Schichtdicke zwischen wenigen Atomlagen bis hin zu einigen Mikrometern reichen kann. Auf diese Weise wird eine optimale Benetzung auch sehr feiner Strukturen in der Oberfläche der Kavität durch die metallische Schmelze gewährleistet. Insbesondere kann die Form mit demselben metallischen Werkstoff beschichtet werden, mit dem anschließend das Bauteil in der Form abgegossen wird.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens kann insbesondere die Form in einem Urformverfahren von einem Modell abgeformt werden. Derartige erfindungsgemäße Urformverfahren umfassen insbesondere Verfahren mit sogenannter „verlorener Form" wie Fein- und Sandguss. Das Feingussverfahren ist ein gängiges Verfahren zur Erzeugung filigraner Strukturen in metallischen Bauteilen. Eine metallische Dauerform – eine sogenannte „Kokille" – kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens beispielsweise durch Senkerosion oder auch durch das erfindungsgemäße Feingussverfahren hergestellt werden. Derartige erfindungsgemäße Gießverfahren ermöglichen insbesondere durch die mehrfache Verwendung desselben Modells die wirtschaftliche Serienproduktion von Bauteilen mit Mikrostruktur-Funktionselementen.
Als zweckmäßig zur Erlangung feinster Strukturen im Bauteil erweist sich die Aufbringung einer dünnen Metall- oder Keramikschicht aus der Gasphase auf das Modell. Hier kommen beispielsweise metallorganische CVD-Verfahren zum Einsatz, bei denen sich das Metall bei niedrigen Temperaturen auf dem Modell niederschlägt. Alternativ kann das Material für die Beschichtung auch durch Laserbeschuss aus einem Festkörper verdampft werden (besputtern).
Alternativ können im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens Dauerformen aus Bauelementen zusammengesetzt oder durch spanabhebende oder erodierende Verfahren hergestellt werden. In speziellen Anwendungsfällen – beispielsweise im Rahmen eines Rapid-Prototyping – ist auch die Herstellung einer Form durch auftragende oder schichtweise aufbauende Verfahren möglich.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens ist bevorzugt das Funktionselement an dem Modell ausgebildet und wird von dem Modell auf die Form abgeformt. Bei mehrfacher Verwendung desselben Modells ist so auch in Bezug auf die Herstellung des Negativs des Funktionselements an serienmäßig hergestellten Formen das Urformverfahren vereinfacht und die Wirtschaftlichkeit des Urformverfahrens erhöht.
Alternativ kann das Funktionselement in der Oberfläche der Form im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens auch durch einen separat ausgeführten Umformschritt, beispielsweise durch Prägen, durch mikrospanende oder -erodierende Bearbeitung oder durch Auftragen oder Anbauen von vorgefertigten Normteilen angebracht werden An einer keramischen Formschale für ein erfindungsgemäßes Feingussverfahren kann das Negativ des Funktionselements entweder in der Oberfläche der in dem beschriebenen Tauchverfahren erzeugten Keramik oder in der Oberfläche einer nachträglich aufgetragenen Schlichte angebracht werden.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens kann das Modell aus der abgeformten Form ausgeschmolzen, verdampft, aufgelöst oder anderweitig entfernt werden. Derartige erfindungsgemäße Urformverfahren mit nur einmal verwendetem, sogenanntem „verlorenen Modell" umfassen insbesondere wiederum Feingussverfahren. Hierbei wird ein Wachs- oder Kunststoffmodell wiederholt in einen keramischen Schlicker getaucht und so die keramische Formschale schichtweise aufgebaut. Aus der fertigen Form wird anschließend das Modell ausgeschmolzen oder ausgebrannt. Im „lost foam"-Sandguss wird eine Sandform um ein Schaumstoffmodell gebaut, das beim Eingießen des flüssigen Metallwerkstoffs in die fertige Form verdampft.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens kann insbesondere das Modell in einem Urformverfahren von einer Urform abgeformt werden. Beispielsweise kann ein Wachsmodell für ein erfindungsgemäßes Feingussverfahren von einer metallischen Urform abgeformt werden. So ist auch in einem erfindungsgemäßen Urformverfahren mit „verlorenem Modell" die wirtschaftliche Serienproduktion von Bauteilen mit Mikrostruktur-Funktionselementen ermöglicht.
Alternativ kann das Modell im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens auch aus Bauelementen zusammengesetzt oder durch spanabhebende oder erodierende Verfahren hergestellt werden. In speziellen Anwendungsfällen – wiederum beispielsweise im Rahmen eines Rapid-Prototyping -ist auch die Herstellung eines Modells durch auftragende oder schichtweise aufbauende Verfahren möglich.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens ist bevorzugt das Negativ des Funktionselements an der Urform ausgebildet und wird von der Urform auf das Modell abgeformt. Bei mehrfacher Verwendung derselben Urform ist so auch in Bezug auf die Herstellung des Funktionselements an serienmäßig hergestellten Modellen das Urformverfahren vereinfacht und die Wirtschaftlichkeit des Urformverfahrens erhöht.
Alternativ kann das Funktionselement in der Oberfläche des Modells im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens auch durch einen separat ausgeführten Umform schritt, beispielsweise durch Prägen, durch mikrospanende oder -erodierende Bearbeitung oder durch Auftragen oder Anbauen von vorgefertigten Normteilen angebracht werden.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens kann insbesondere die Urform in einem Urformverfahren von einem Urmodell abgeformt werden. Beispielsweise kann eine Urform für ein erfindungsgemäßes Feingussverfahren von einem mit Rapid-Prototyping, beispielsweise im Stereolithografie-Verfahren erstellten Urmodell abgeformt werden. So kann der Zeitraum bis zum Beginn der Serienproduktion insbesondere von numerisch optimierten Bauteilen mit Mikrostruktur-Funktionselementen auch bei erfindungsgemäßen Urformverfahren mit „verlorenem Modell" signifikant verkürzt werden.
Alternativ kann wiederum die Urform im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens auch aus Bauelementen zusammengesetzt oder durch spanabhebende oder erodierende Verfahren hergestellt werden. Auch die Herstellung einer Urform durch auftragende oder schichtweise aufbauende Verfahren ist prinzipiell möglich.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens ist bevorzugt das Funktionselement an dem Urmodell ausgebildet und wird von dem Urmodell auf die Urform abgeformt. Bei mehrfacher Verwendung desselben Urmodells ist so auch in Bezug auf die Herstellung des Negativs des Funktionselements an serienmäßig hergestellten Urformen das Urformverfahren vereinfacht und die Wirtschaftlichkeit des Urformverfahrens erhöht.
Alternativ kann wiederum das Negativ des Funktionselements in der Oberfläche der Urform im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens auch durch einen separat ausgeführten Umformschritt, beispielsweise durch Prägen, durch Mikrospanende oder – erodierende Bearbeitung oder durch Auftragen oder Anbauen von vorgefertigten Normteilen angebracht werden.
Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens wird als Funktionselement insbesondere eine Freiformfläche geformt, die sich aus der Oberfläche des Bauteils erhebt. Eine Freiformfläche kann beispielsweise die Form einer Hautschuppe eines Hais nachbilden, so dass eine Mehrzahl von derartigen Funktionselementen der Oberfläche eines Bauteils besonders strömungsgünstige Eigenschaften verleihen.
Das Funktionselement weist vorzugsweise ein charakteristisches Maß mit einer Länge kleiner als 500 μm, insbesondere kleiner als 300 μm auf. Besonders bevorzugt liegt die Länge unterhalb von 100 μm beziehungsweise unterhalb von 10 μm. Versuche zeigen, dass auch Strukturen im Submikrometerbereich, sogar kleiner 100 nm abgebildet werden können.
Das charakteristische Maß des Funktionselements kann in der Ebene der Oberfläche des Bauteils liegen. Beispielsweise kann das Funktionselement ein 500 μm breiter und 10 mm tiefer Einschnitt in die Oberfläche des Bauteils sein. Das charakteristische Maß kann auch senkrecht zur Oberfläche eines Bauteils liegen. Beispielsweise kann das Funktionselement ein um 50 μm aus der Oberfläche des Bauteils hervorstehender Kegel sein. Insbesondere bei mikrostrukturierten Oberflächentexturen kann eine (mathematisch gemittelte) Fläche als die Oberfläche und der Abstand einzelner benachbarter Funktionselemente oder der lokale Abstand der Einhüllenden des Reliefs als charakteristisches Maß angesehen werden.
Insbesondere kann das Funktionselement eine Stufe sein, wobei das charakteristische Maß die Höhe der Stufe gegenüber der Oberfläche des Bauteils ist. Die Stufe – also eine im Wesentlichen linienförmige Erhebung aus der Oberfläche des Bauteils – stellt im Nanostrukturbereich quasi die Elementarform eines Funktionselements dar. Eindimensionale, also tatsächlich punktförmige Erhebungen sind real nicht herstellbar.
Weiterhin wird bevorzugt im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens eine Mehrzahl von Funktionselementen an dem Bauteil geformt. Elementare Funktionselemente können beispielsweise – gegebenen Falls im UV-Bereich – optisch wirksam in Form einer Fresnel-Linse angeordnet sein oder auch die Umrisse eines Schriftzuges oder Logos als Herstellernachweis darstellen. Durch Kombination von Funktionselementen im Mikrostrukturbereich können oberflächige – gegebenen Falls richtungsabhängige – Materialversteifungen ebenso erzielt werden wie tribologische oder strömungsdynamische Effekte.
Weiterhin wird im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens vorzugsweise aus periodisch in der Oberfläche des Bauteils angeordneten Funktionselementen ein oberflächentexturierter Funktionsbereich geformt. Die in der Oberfläche des Bauteils angeordneten Funktionselemente können auch gradiert periodisch, also dergestalt ähnlich ausgebil det werden, dass mindestens eine charakteristische Abmessung, die Höhe gegenüber der Oberfläche, die Lage zueinander oder der Abstand benachbarter Funktionselemente sich über der Oberfläche des Bauteils ändert.
Besonders bevorzugt weist im Rahmen eines solchen erfindungsgemäßen Urformverfahrens ein Funktionsbereich eine biomimetische Oberflächenstruktur auf. Aus der Natur ist eine Vielzahl von Oberflächeneffekten bekannt, deren Ursachen im Mikrostrukturbereich liegen. Beispielhaft seien genannt Haifischhaut, Sandfisch, Lotosblätter und Gartenkresse.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Form für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels der Form formbar ist, und eine Oberfläche der Form ein Negativ des Funktionselements aufweist, mittels dessen das Funktionselement formbar ist. Mittels einer solchen erfindungsgemäßen Form ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Form eine verlorene Keramikform sein.
Insbesondere kann die erfindungsgemäße Form einen Kern umfassen, der das Negativ des Funktionselements aufweist. Mittels einer solchen erfindungsgemäßen Form kann ein Mikrostruktur-Funktionselement auch in einem Hohlraum des Bauteils geformt werden. An einem erfindungsgemäßen Kern kann das Negativ des Funktionselements wiederum entweder in der Oberfläche des Kerns selber oder in der Oberfläche einer nachträglich aufgetragenen Schlichte angebracht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß auch gelöst durch einen Kern für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität einer Form formbar ist, die den Kern umfasst, wobei der Kern ein Negativ des Funktionselements aufweist, das von dem Kern auf das Bauteil abformbar ist. Mittels eines solchen erfindungsgemäßen Kerns ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
Weiterhin wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch einen Kernkasten für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität einer Form formbar ist, die einen Kern umfasst, der in dem Kernkasten formbar ist, und wobei der Kernkasten das Funktionselement aufweist, das von dem Kernkasten auf den Kern und von dem Kern auf das Bauteil abformbar ist. Mittels eines solchen erfindungsgemäßen Kerns ist gleichfalls das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gleichfalls gelöst durch ein Modell für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei von dem Modell in einem Urformverfahren eine Form abformbar ist, das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität der Form formbar ist, und wobei das Modell das Funktionselement aufweist, das von dem Modell auf die Form und von der Form auf das Bauteil abformbar ist. Mittels eines solchen erfindungsgemäßen Modells ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
Darüber hinaus wird die Aufgabe gleichfalls erfindungsgemäß gelöst durch eine Urform für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei jeweils in Urformverfahren von der Urform ein Modell und von dem Modell eine Form abformbar ist, das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität der Form formbar ist, und wobei die Urform ein Negativ des Funktionselements aufweist, das von der Urform auf das Modell, von dem Modell auf die Form und von der Form auf das Bauteil abformbar ist. Mittels einer solchen erfindungsgemäßen Urform ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
Insbesondere kann eine solche erfindungsgemäße Urform aus einem Elastomer gefertigt sein. Beispielsweise kann die Urform in PDMS von einem Urmodell abgeformt sein.
Die Aufgabe wird zuletzt auch erfindungsgemäß gelöst durch ein Urmodell für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei jeweils in Urformverfahren von dem Urmodell eine Urform, von der Urform ein Modell und von dem Modell eine Form abformbar ist, das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität der Form formbar ist, und wobei das Urmodell das Funktionselement aufweist, und dass das Funktionselement von dem Urmodell auf die Urform, von der Urform auf das Modell, von dem Modell auf die Form und von der Form auf das Bauteil abformbar ist. Auch mittels einer solchen erfindungsgemäßen Urform ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Zur Herstellung einer Turbinenschaufel aus gerichtet erstarrter Nickelbasis Superlegierung SC 16 mit wellenförmiger Oberflächenstruktur wird ein metallisches Turbinenschaufelmodell als Urmodell mit handelsüblicher Glasdekorfolie mit wellenförmiger Oberflächenstruktur beklebt und in PDMS abgeformt. Die Glasdekorfolie weist eine Dicke von 120 μm auf. In der so erzielten Urform wird das Wachsmodell und hiermit durch Tauchen und Besanden die keramische Formschale hergestellt. Die Turbinenschaufel wird im allgemein bekannten Bridgman-Feingussverfahren gegossen.
Zur Herstellung eines Gussteil aus einer Aluminiumlegierung mit sichtbarer Abbildung eines Firmenlogos wird dieses mittels eines Laserdruckers auf Folie ausgedruckt. Die laterale Strukturgröße des auf die Folie aufgebrachten Toners liegt bei etwa 200 μm, die Dicke der Tonerschicht bei etwa 10 μm. Die Folie wird in eine Dauerform für Wachsmodelle eingeklebt. In der Dauerform wird das Wachsmodell im Vollformverfahren (Shaw-Verfahren) hergestellt. Das Aluminiumgussteil wird im allgemein bekannten Differenzdruckgussverfahren gegossen.
Zur Herstellung eines Testkörpers mit feinsten Strukturen wird als Urmodell mit allgemein bekannten elektronenstrahllithographischen Methoden als Urmodell ein Quarzplättchen hergestellt. Dieses weist in Abständen von 4 μm Linienstrukturen mit einer Breite von gleichfalls 4 μm und einer Tiefe von 200 nm auf. Das Urmodell wird in PDMS als Urform abgeformt, in der Urform wird das Wachsmodell hergestellt, aus welchem die Formschale hergestellt werden kann.
Zur Herstellung einfacher strukturierter Oberflächen ist die Verwendung kommerziell verfügbarer Urformen möglich, die beispielsweise mit konventioneller Fotolithographie hergestellt werden. Die mit einfacher Fotolithographie zugängliche Längenskala reicht bis zu Strukturen im Bereich weniger Mikrometer. Für kleinere Strukturen können Urformen verwendet werden, welche beispielsweise mittels Nanoimprintlithographie hergestellt werden.
Mit dieser Technik darstellbare Strukturen sind nur etwa 10 nm groß und stellen nahezu die Grenze der derzeitigen Lithographiemöglichkeiten dar.
Lithographisch hergestellte Oberflächen können – insbesondere bei sehr feinen Strukturen – in der Regel nur auf ebenen Substraten und mit Flächen im Bereich eines Quadratzentimeters hergestellt werden.
Größere mikrostrukturierte Oberflächen werden durch modulare Kombination entweder dieser lithographisch hergestellten Urmodelle oder erfindungsgemäß von diesen Urmodellen replizierten Modellen oder -formen erzeugt. Zur Abbildung planarer Mikrostrukturen auf dreidimensional gekrümmte einfache Formkörper wie Halbschalen, Rohren, Zylindern, Kegeln und Quadern oder auf komplexe Gussbauteilen wie Turbinenschaufeln werden Wachsmodelle oder die zu ihrer Herstellung verwendeten Urformen verformt.
Abweichend von Standardverfahren zur Herstellung von Urformen für Wachsmodelle, sog. Wachsmatrizen, im Feinguss, Schmuckguss, bzw. Prototypenguss, welche auf einem Einbetten unter Druck in Heißvulkanisatformen bei Temperaturen von 150°C basieren und die Verwendung eines Trennmittels erfordern, wird zur Herstellung der Urform das Urmodell erfindungsgemäß drucklos in einen Elastomer eingebettet. Zum Abformen der Wachsmodelle wird die Urform vor der Füllung mit Wachs evakuiert, um die Bildung mikroskopischer Gasblasen im Wachsmodell zu vermeiden. Das Wachs wird unter Druck in die Urform gepresst um eine gute Formfüllung und damit eine gute Abbildung zu erzielen.
Die Herstellung der keramischen Formen mit Mikrostrukturen erfolgt gemäß bekannten Feingussverfahren. Die verwendeten Feingussschlicker und Einbettmassen werden zur Steigerung der Abbildungsgenauigkeit durch Zugabe keramischer Nanopulver modifiziert. Durch die gerichtete Erstarrung der metallischen Legierung im Bridgman-Verfahren wird eine kontinuierliche Speisung gewährleistet und die Erzeugung korngrenzenfreier Bauteile ermöglicht.
Mit erfindungsgemäßen Verfahren können auch Bauteile mit Mikrostruktur-Funktionselementen gefertigt werden, die als Umformwerkzeuge die Oberflächenstruktur in einem Umformvorgang auf ein weiteres Bauteil oder Halbzeug übertragen, wie beispielsweise Walzen, Prägewalzen, Walzenpaare, Pressen, Prägewerkzeuge und Tiefziehformen.
Mit erfindungsgemäßen Verfahren können weiterhin Bauteile mit Mikrostruktur-Funktionselementen gefertigt werden mit

– aerodynamischen Anwendungen, beispielsweise Turbinenschaufeln für Flugturbinen oder stationäre Turbinen, Turboladerräder, Ventile, Auspuffkrümmer, Ansaugrohre, Düsen, Ventilatoren und Gewehrkugeln,
– fluiddynamischen Anwendungen, beispielsweise Schiffsschrauben, Düsen, Pumpengehäuse und -räder, Transportschnecken, Torpedos und Mikroreaktoren,
– medizinischen Anwendungen, beispielsweise Herzklappen mit verbesserten Strömungseigenschaften und vermindertem Kalkbesatz, Implantate oder Zahnersatz mit verbesserter Haftung und chirurgische Bestecke,
– tribologischen Anwendungen, beispielsweise Lagerböcke, Zylinder-Kolben-Paarungen, Kufen beispielsweise für Schlittschuhe, Bügeleisen, Transportschnecken und Bremsscheiben,
– Anwendung der abrasiven Wirkung der Oberflächenstruktur des Gussteils, beispielsweise Feilen und Fräsen,
– oberflächenspezifischen Anwendungen, beispielsweise Katalysatoren, Wärmetauscher, Kühlkörper und mikrofluidische Komponenten,
– benetzungsspezifischen Anwendungen, beispielsweise Felgen für Autos und Fahrräder, Kokillen für Gießtechnik, Bratpfannen, Kochtöpfe und Mikroreaktoren,
– mikromechanischen Anwendungen, beispielsweise präzise Positionierung einzelner Fasern von Glasfaserbündeln,
– optischen Anwendungen, beispielsweise Antireflexoberflächen, Entspiegelung und Formkörper für Linsen,
– Versteifungseffekten an dünnen Wänden,
– Anwendungen ästhetischer Natur, beispielsweise Schmuck wie strukturierte Metallbänder und allgemein optisches Oberflächendesign

Claims

Urformverfahren für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels einer Form geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Funktionselement in einem Negativ seiner selbst geformt wird, das in einer Oberfläche der Form ausgebildet ist.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch Erstarren eines flüssigen Metalls in einer Kavität der Form geformt wird.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Metall durch Gießen in die Form eingebracht wird.
Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Form vor dem Befüllen der Form mit einer dünnen Metallschicht versehen wird.
Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Form in einem Urformverfahren von einem Modell abgeformt wird.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement an dem Modell ausgebildet ist und von dem Modell auf die Form abgeformt wird.
Urformverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell aus der abgeformten Form durch Ausschmelzen, Verdampfen, Verbrennen oder Auflösen entfernt wird.
Urformverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell in einem Urformverfahren von einer Urform abgeformt wird.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Negativ des Funktionselements an der Urform ausgebildet ist und von der Urform auf das Modell abgeformt wird.
Urformverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Urform in einem Urformverfahren von einem Urmodell abgeformt wird.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement an dem Urmodell ausgebildet ist und von dem Urmodell auf die Urform abgeformt wird.
Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement eine Freiformfläche ist.
Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement zumindest ein charakteristisches Maß aufweist, wobei das charakteristische Maß eine Länge kleiner als 500 μm ist.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Maß kleiner als 300 μm ist.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Maß kleiner als 100 μm ist.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Maß kleiner als 10 μm ist.
Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Funktionselementen an dem Bauteil geformt wird.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass aus periodisch in der Oberfläche des Bauteils angeordneten Funktionselementen zumindest ein Funktionsbereich geformt wird.
Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich eine biomimetische Oberflächenstruktur aufweist.
Form für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels der Form formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche der Form zu zumindest einem Funktionselement ein Negativ aufweist, mittels dessen das Funktionselement formbar ist.
Form nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Form eine verlorene Keramikform ist.
Form nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Form einen Kern umfasst, der das Negativ des Funktionselements aufweist.
Kern für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität einer Form formbar ist, die den Kern umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern zu zumindest einem Funktionselement ein Negativ aufweist, mittels dessen das Funktionselement formbar ist.
Kernkasten für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität einer Form formbar ist, die einen Kern umfasst, der in dem Kernkasten formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernkasten zumindest ein Funktionselement aufweist, das von dem Kernkasten auf den Kern und von dem Kern auf das Bauteil abformbar ist.
Modell für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei von dem Modell in einem Urformverfahren eine Form abformbar ist und wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität dieser Form formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zumindest ein Funktionselement aufweist, das von dem Modell auf die Form und von der Form auf das Bauteil abformbar ist.
Urform für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei jeweils in Urformverfahren von der Urform ein Modell und von dem Modell eine Form abformbar ist und wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität der Form formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Urform ein Negativ zumindest eines Funktionselements aufweist, das von der Urform auf das Modell, von dem Modell auf die Form und von der Form auf das Bauteil abformbar ist.
Urform nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Urform aus einem Elastomer gefertigt ist.
Urmodell für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei jeweils in Urformverfahren von dem Urmodell eine Urform, von der Urform ein Modell und von dem Modell eine Form abformbar ist und wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität der Form formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Urmodell zumindest ein Funktionselement aufweist, das von dem Urmodell auf die Urform, von der Urform auf das Modell, von dem Modell auf die Form und von der Form auf das Bauteil abformbar ist.