EP1673186A2 - Formverfahren für ein bauteil mit mikrostruktur-funktionselement - Google Patents

Formverfahren für ein bauteil mit mikrostruktur-funktionselement

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Publication number
EP1673186A2
EP1673186A2 EP04723507A EP04723507A EP1673186A2 EP 1673186 A2 EP1673186 A2 EP 1673186A2 EP 04723507 A EP04723507 A EP 04723507A EP 04723507 A EP04723507 A EP 04723507A EP 1673186 A2 EP1673186 A2 EP 1673186A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mold
component
master
model
functional element
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP04723507A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg J. Schmitz
Manfred Grohn
Jürgen NOMINIKAT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Grohno - Guss GmbH
Original Assignee
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH filed Critical Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Publication of EP1673186A2 publication Critical patent/EP1673186A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/02—Lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C7/00—Patterns; Manufacture thereof so far as not provided for in other classes
    • B22C7/06—Core boxes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/02—Sand moulds or like moulds for shaped castings
    • B22C9/04—Use of lost patterns
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22C—FOUNDRY MOULDING
    • B22C9/00—Moulds or cores; Moulding processes
    • B22C9/10—Cores; Manufacture or installation of cores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a master molding process for a component with at least one
  • Microstructure functional element that is deliberately designed in a defined shape and specifically to perform a function at a defined location on the surface of the component and has a characteristic dimension in the micrometer range in at least one spatial direction, the component being made of an essentially metallic material by means of a Mold is molded. Compared to a component with a purely macroscopic function, such a component additionally has a relief-like microstructured and thus functionalized surface.
  • Shape of a component Original molding processes are known which - for the first time - create the spatial shape from the liquid or plastic or from the granular or powdery state of aggregation (in the classification according to DIN 8580) and forming processes which - by pressure, tensile pressure, tensile, bending or Shear stress (in the classification according to DEN 8550) - change a spatial shape in the solid state.
  • a molding tool is the tool by means of which the spatial shape of the component is specified.
  • the material accumulates in its respective state of aggregation as part of the molding process on the surface of the mold - for example a mold cavity in a casting process.
  • a negative of a functional element formed on the surface of the molding tool is thus directly molded into the functional element on the adjacent surface of the component.
  • Casting, sintering and liquid-phase sintering can be mentioned here in particular from the large number of known primary molding processes which shape the spatial shape of components made of essentially metallic material using a molding tool.
  • a microstructure is a relief-like surface design that has a characteristic dimension in the micrometer range in at least one spatial direction - essentially substantially below 1 mm.
  • a characteristic measure is, for example, the depth of an edge lowered relative to a surface or the width of a rib placed on a surface.
  • Microstructures prove to be advantageous in many ways. Microstructured surfaces are used, for example, in tribological applications, from an aerodynamic or fluid dynamic point of view, because of specific optical properties, to control the wettability or non-wettability with liquids and to promote or hinder organic growth Commitment.
  • a functional element is an element that is to perform a defined function through a defined shape.
  • an element that fulfills the defined function by a random shape or at a random location of a component is not considered to be a functional element.
  • a microstructure functional element is accordingly an element which is deliberately and purposefully arranged to fulfill a function in the defined form at a defined location on the surface of a component and which has a characteristic dimension in the micrometer range for the function.
  • a periodic or quasi-periodic arrangement of microstructure functional elements is viewed as a microstructured surface texture, a delimited section of a surface with microstructure functional elements as a functional area or also as a functional element (again composed of smaller functional elements).
  • Area functionalized by its relief structure or optimized in its function For example, the flow guidance on the surface of a turbine blade can be significantly improved by a micro-structured surface texture.
  • the surface determines the properties of a component. Flawlessly smooth surfaces are seen on the one hand as an expression of technical perfection, on the other hand, with the so-called "lotus effect", for example, tiny structures give a surface dirt and water-repellent functions, spectacle lenses can be anti-reflective by an additional coating applied to the surface.
  • the functions of light reflection, flow resistance, heat transfer and friction of a component surface can also be specifically influenced by microscopic surface structures.
  • the function of a metallic surface can be influenced within a narrow range by targeted geometrically defined structuring on a microscopic scale by chemical etching, by micro-machining or by laser structuring.
  • Electron beam lithography can be used to create geometrically defined structures on small areas of a metallic component surface in the nanometer range.
  • the thickness of a coating, the pore diameter, shape and dimensions of the material between the pores and the volume fraction of the pores have to be determined in complex test series using their statistical mean and limit values as well as the standard deviation (US Food and Drug Administration: Guidance Document For Testing Orthopedic Implants With Modified Metallic Surfaces Apposing Bone or Bone Cement. February 2000, http://www.fda.gov/cdrh/ode/827.html).
  • DE 101 54 756 CI discloses a master molding process using a
  • EP 0 838 286 AI discloses an investment casting method using a Wax model, on the surface of which molten wax is sprayed in a finely divided manner, thereby forming a - again statistically distributed - microporous surface structure.
  • DE 3831 129 AI discloses a method for producing a casting mold based on a thermally sensitive model, for example textiles, plastic, wood or leather, the surface structure of the model being depicted in the casting mold. The methods according to these writings create statistically distributed surface structures, but not in a targeted manner to fulfill a function, a defined relief-like micx structure functional element at a defined location on the surface of the component.
  • US Pat. No. 6,511,622 B1 discloses the use of a wax "filled with particles" for producing a wax model, again for an investment casting process, in order to reduce the formation of microscopic defects in the surface of the wax model.
  • DE 43 07 869 AI discloses a master molding process for the production of a microscopic body, such as those used in precision engineering, micromechanics, optics and electronics, but not the formation of a microstructure functional element on a - macroscopic - component. Disclosure of the invention
  • the object of the invention is to provide process routes, tools and aids which open-ended processes for producing microstructured surfaces on essentially metallic components open up new areas of application and simplify, accelerate and make them inexpensive, in particular with a view to mass production and large-scale use.
  • the object is achieved in that at least one functional element is formed in a negative of itself, which is formed in a surface of the molding tool.
  • An original molding process according to the invention enables the production of the microstructure functional element on the surface thereof by embossing the macroscopic spatial shape of a component. Compared to the known master molding process with subsequent processing of the surface, one work step is thus eliminated in the production of a component with a microstructured functional element.
  • Micrometer range on a metallic component primary molding processes according to the invention are, on the one hand, much less expensive to carry out. On the other hand, they also make it possible for the first time to economically produce large and / or curved surfaces provided with microstructures.
  • the master molding process according to the invention can be used particularly advantageously if the component is formed by solidifying a liquid metal in a cavity of the molding tool.
  • Such primary molding processes from the liquid phase enable the production of almost any complex components with component dimensions between a few millimeters and several meters in one work step.
  • details in the microstructure area can now be generated in the surface of the component in the same work step.
  • the liquid metal is preferably introduced into the mold by casting from the liquid phase.
  • the metal can also be introduced into the molding tool in a granular or powdery solid state in sintered or liquid phase sintering processes and liquefied by heating in the molding tool.
  • the metal can also be introduced into the mold in the thixothropic, ie plastically deformable, state.
  • An “essentially metallic material” is also understood to mean a composite material with a metallic matrix and, for example, ceramic — that is, inorganic — nonmetallic — grains or fibers composed of silicates, carbides, nitrides, for example hard materials such as tungsten carbide.
  • the cavity of the mold can be provided with a thin metal layer in the course of an original molding process according to the invention from the liquid phase before filling the mold by common methods such as PVD, CVD, MOCVD, the layer thickness ranging from a few atomic layers to a few Micrometers can range. In this way, optimal wetting of even very fine structures in the surface of the cavity is ensured by the metallic melt.
  • the molding tool can be coated with the same metallic material with which the component is subsequently cast in the molding tool.
  • Molding tool can be molded from a model in a master molding process.
  • Such primary molding processes according to the invention include, in particular, processes with so-called “lost mold” such as fine and sand casting.
  • the investment casting process is a common process for producing filigree structures in metallic components Sink erosion or also are produced by the investment casting process according to the invention.
  • Such casting methods according to the invention enable the economical series production of components with microstructure functional elements, in particular through the multiple use of the same model.
  • permanent molds can be assembled from components or produced by machining or eroding processes.
  • special applications for example in the context of rapid prototyping - it is also possible to manufacture a mold by applying or layer-by-layer processes.
  • the functional element is preferably formed on the model and is molded from the model onto the molding tool. If the same model is used several times, the primary molding process is simplified and the economy of the primary molding process is increased, also with regard to the production of the negative of the functional element on molding tools produced in series.
  • an original shaping method according to the invention can also be attached by means of a separately performed shaping step, for example by embossing, by micro-machining or - eroding processing or by application or attachment of prefabricated standard parts
  • the negative of the functional element can be applied to a ceramic molded shell for an investment casting process according to the invention either in the surface of the ceramic produced in the described immersion process or in the surface of a subsequently applied size.
  • the model can be melted out, evaporated, dissolved or otherwise removed from the molded mold.
  • Such primary molding processes according to the invention with the so-called “lost model” used only once, in particular include investment casting processes.
  • a wax or plastic model is repeatedly immersed in a ceramic slip and the ceramic molding shell is thus built up in layers.
  • the model is then melted out of the finished molding tool or
  • "lost foam" sand casting a sand mold is built around a foam model that evaporates when the liquid metal material is poured into the finished mold.
  • Model can be molded from a master mold in a master molding process.
  • a wax model for an investment casting process according to the invention can be molded from a metallic master mold.
  • the model can also be assembled from components as part of an original molding process according to the invention or produced by machining or eroding processes.
  • the negative of the functional element is preferably formed on the original mold and is molded from the original form onto the model. If the same master mold is used several times, the master mold process is simplified and the economy of the master mold process is increased, also with regard to the production of the functional element on series-produced models.
  • the functional element can be attached to the surface of the model as part of an original shaping process according to the invention by means of a separately performed shaping step, for example by embossing, by micro-machining or EDM machining or by applying or attaching prefabricated standard parts.
  • Master form can be molded from a master model in a master molding process.
  • a master mold for an investment casting method according to the invention can be molded from a master model created using rapid prototyping, for example using the stereolithography method.
  • the period up to the start of series production in particular of numerically optimized components with microstructure functional elements, can be significantly shortened even in the case of master molding methods according to the invention with a “lost model”.
  • the master mold can in turn also be composed of components or produced by machining or eroding processes.
  • the functional element is preferably formed on the original model and is molded from the original model onto the original form. If the same master model is used several times, the master process is simplified and the economy of the master process is increased, also with regard to the production of the negative of the functional element on master molds produced in series. [41] Alternatively, the negative of the functional element in the surface of the
  • Master forms can also be attached as part of a master shaping process according to the invention by means of a separately performed shaping step, for example by embossing, by micro-chip end or EDM machining or by applying or attaching prefabricated standard parts.
  • a free-form surface is formed as a functional element, which rises from the surface of the component.
  • a free-form surface can, for example, replicate the shape of a shark's skin scale, so that a plurality of such functional elements impart particularly aerodynamic properties to the surface of a component.
  • the functional element preferably has a characteristic dimension with a length of less than 500 ⁇ m, in particular less than 300 ⁇ m.
  • the length is particularly preferably below 100 ⁇ m or below 10 ⁇ m. Tests show that structures in the submicrometer range, even less than 100 nm, can also be imaged.
  • the characteristic dimension of the functional element can lie in the plane of the surface of the component.
  • the functional element can be a 500 ⁇ m wide and 10 mm deep cut in the surface of the component.
  • the characteristic dimension can also be perpendicular to the surface of a component.
  • the functional element can be a cone protruding from the surface of the component by 50 ⁇ m.
  • a (mathematically averaged) surface can be regarded as the characteristic measure as the surface and the distance between individual neighboring functional elements or the local distance between the envelopes of the relief.
  • the functional element can be a step, the characteristic measure being the height of the step relative to the surface of the component.
  • the step - that is to say an essentially linear elevation from the surface of the component - in the nanostructure region represents the elementary shape of a functional element.
  • a plurality of functional elements are preferably formed on the component as part of an original molding process according to the invention.
  • Elementary functional elements can, for example - if necessary in the UV range - be arranged optically effectively in the form of a Fresnel lens or also represent the outlines of a lettering or logo as a manufacturer's proof.
  • a surface-textured functional region is preferably formed from functional elements arranged periodically in the surface of the component.
  • the one in the surface Functional elements arranged in the component can also be designed periodically, in a graded manner, in such a way that at least one characteristic dimension, the height relative to the surface, the position to one another or the distance between adjacent functional elements changes above the surface of the component.
  • a functional area has a biomimetic surface structure.
  • a large number of surface effects are known from nature, the causes of which lie in the microstructure range. Examples include shark skin, sandfish, lotus leaves and garden cress.
  • the object is further achieved according to the invention by a mold for a component with a microstructure functional element, the component being moldable from an essentially metallic material by means of the mold, and a surface of the mold having a negative of the functional element by means of which the Functional element is malleable.
  • the primary molding method described above can be carried out by means of such a molding tool according to the invention.
  • the molding tool according to the invention can be a lost ceramic shape.
  • the molding tool according to the invention can comprise a core which has the negative of the functional element.
  • a microstructure functional element can also be molded in a cavity of the component.
  • the negative of the functional element can in turn be attached to a core according to the invention either in the surface of the core itself or in the surface of a subsequently applied size.
  • a core for a component with a microstructure functional element the component being able to be formed from an essentially metallic material in a cavity of a molding tool which comprises the core, the core being a negative of the functional element has that can be molded from the core onto the component.
  • the primary molding process described above can be carried out by means of such a core according to the invention.
  • a core box for a component with a microstructure functional element the component being able to be formed from an essentially metallic material in a cavity of a molding tool which comprises a core which can be shaped in the core box, and wherein the core box has the functional element which can be molded from the core box onto the core and from the core onto the component.
  • the primary molding process described above can also be carried out by means of such a core according to the invention.
  • a mold can be molded from the model in a master molding process, the component can be molded from an essentially metallic material in a cavity of the mold, and wherein the model has the functional element which can be molded from the model onto the mold and from the mold onto the component.
  • the original molding process described above can be carried out by means of such a model according to the invention.
  • Master form for a component with a microstructure functional element whereby a model can be molded from the master form and a mold from the model using the master molding method, the component can be formed from an essentially metallic material in a cavity of the mold, and the master form is a negative of the functional element, which can be molded from the original shape onto the model, from the model onto the molding tool and from the molding tool onto the component.
  • such an original form according to the invention can be made from an elastomer.
  • the master form in PDMS can be modeled from a master model.
  • a master mold can be molded from the master model, a master model from the master mold and a mold from the model, the component can be molded from an essentially metallic material in a cavity of the mold, and wherein Master model has the functional element, and that the functional element can be molded from the master model to the master form, from the master form to the model, from the model to the mold and from the mold to the component.
  • the primary molding method described above can also be carried out by means of such a primary mold according to the invention.
  • a metallic turbine blade model is glued to the original model with commercially available glass decor foil with a wave-shaped surface structure and molded in PDMS.
  • the glass decorative film has a thickness of 120 ⁇ m.
  • the wax model is produced in the original shape obtained in this way, and the ceramic molded shell is used as a molding tool by immersion and sanding.
  • the turbine blade is cast using the well known Bridgman investment casting process.
  • Illustration of a company logo is printed out on film using a laser printer.
  • the lateral structure size of the toner applied to the film is approximately 200 ⁇ m, the thickness of the toner layer is approximately 10 ⁇ m.
  • the film is glued into a permanent mold for wax models.
  • the wax model is produced in the permanent mold using the full molding process (Shaw process).
  • the aluminum cast part is cast in the well-known differential pressure casting process.
  • a quartz plate is produced as a master model using generally known electron beam Uithographic methods. This has line structures with a width of 4 ⁇ m and a depth of 200 nm at intervals of 4 ⁇ m.
  • the master model is molded in PDMS as the master mold, in the master mold the wax model is made, from which the mold shell can be made.
  • Lithographically produced surfaces can - especially with very fine ones
  • Structures usually only on flat substrates and with areas in the area of a square centimeter.
  • microstructured surfaces are produced by modular combination of either these lithographically produced master models or models or molds replicated according to the invention by these master models.
  • Wax models so-called wax matrices, in investment casting, jewelery casting or prototype casting, which are based on embedding under pressure in hot vulcanizate molds at temperatures of 150 ° C. and require the use of a release agent
  • the master model is depressurized according to the invention for producing the master mold embedded in an elastomer.
  • the master mold is evacuated before filling with wax to avoid the formation of microscopic gas bubbles in the wax model.
  • the wax is pressed into the original mold under pressure to achieve a good mold filling and thus a good image.
  • Ceramic molds with microstructures are manufactured in accordance with known investment casting processes.
  • the investment casting slurries and / or investment materials used are modified by adding ceramic nanopowder to increase the imaging accuracy.
  • the directional solidification of the metallic alloy using the Bridgman process ensures continuous feeding and enables the production of grain-free components.
  • Functional elements are manufactured that transfer the surface structure as a forming tool to another component or semi-finished product in a forming process, such as rollers, embossing rollers, pairs of rollers, presses, embossing tools and deep-drawing molds.
  • Aerodynamic applications for example turbine blades for aviation turbines or stationary turbines, turbocharger wheels, valves, exhaust manifolds, intake pipes, nozzles, fans and bullets,
  • Fluid dynamic applications for example propellers, nozzles, pump housings and wheels, screw conveyors, torpedoes and micro-reactors,
  • Medical applications for example heart valves with improved flow properties and reduced limescale, implants or dentures with improved adhesion and surgical cutlery, tribological applications, for example pillow blocks, cylinder-piston pairs, runners for example for ice skates, irons, transport screws and brake discs,
  • Micromechanical applications for example precise positioning of individual fibers of glass fiber bundles
  • Optical applications for example anti-reflective surfaces, anti-reflective coating and moldings for lenses, stiffening effects on thin walls,

Landscapes

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  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
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Abstract

Offenbart ist ein Formverfahren für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, das an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels eines Formwerkzeugs geformt wird. Solche Formverfahren sollen insbesondere mit Blick auf Massenproduktion und großflächigen Einsatz vereinfacht, beschleunigt und kostengünstig gestaltet werden um ihnen neue Anwendungsbereiche zu eröffnen. Vorgeschlagen wird, dass zumindest ein Funktionselement in einem Negativ seiner selbst geformt wird, das in einer Oberfläche des Formwerkzeugs ausgebildet ist. Vorgeschlagen wird weiterhin ein Formwerkzeug, ein Kern, ein Kernkasten, ein Modell, eine Form und ein Modell zur Ausführung des Formverfahrens.

Description

Beschreibung Urformverfahren für ein Bauteil mit Mikrostruktur-Funkti- onselement
Einleitung
[1] Die Erfindung betrifft ein Urformverfahren für ein Bauteil mit zumindest einem
Mikrostruktur-Funktionselement, das bewusst in einer definierten Gestalt und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels eines Formwerkzeugs geformt wird. Gegenü ber einem Bauteil mit rein makroskopischer Funktion weist ein solches Bauteil zusä tzlich eine reliefartig mikrostrakturierte und somit fünktionalisierte Oberfläche auf.
[2] 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-, Zugdrack-, Zug-, Biege- oder Schubbeanspruchung (in der Einteilung nach DEN 8550) - eine im festen Aggregatzustand vorhandene räumliche Gestalt verä ndern.
[3] Ein Formwerkzeug 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 des Formwerkzeugs - beispielsweise einer Formkavität in einem Gießverfahren - an. Ein an der Oberfläche des Formwerkzeugs 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 eines Formwerkzeugs die räumliche Gestalt von Bauteilen aus im Wesentlichen metallischem Werkstoff prägen, sind hier insbesondere Gießen, Sintern und Flüssigphasensintern zu nennen.
[4] 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.
[5] MikroStrukturen erweisen sich in vielfacher Hinsicht als vorteilhaft. Mikrostrukturierte Oberflächen kommen beispielsweise in tribologischen Anwendungen, unter aero- oder fluiddynamischen Gesichtspunkten, wegen spezifischer optischer Eigenschaften, zur Steuerung der Benetzbarkeit beziehungsweise Nicht-Benetzbarkeit mit Flüssigkeiten und zur Förderung oder Behinderung organischen Bewuchses zum Einsatz.
[6] Ein Funktionselement ist ein Element, das 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.
[7] 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.
[8] Eine periodische oder quasiperiodische Anordnung von Mikrostraktur-Funk- tionselementen wird als mikrostrukturierte Oberflächentextur, ein umgrenzter Ausschnitt einer Oberfläche mit Mikrostruktur-Funktionselementen als Funktionsbereich oder auch als (wiederum aus kleineren Funktionselementen zusammengesetztes) Funktionselement angesehen.
[9] 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.
Stand der Technik
[10] Neben dem Werkstoff und dessen MikroStruktur sowie der makroskopischen Form bestimmt die Oberfläche die Eigenschaften eines Bauteils. Makellos glatte Oberflä chen gelten einerseits als Ausdruck technischer Perfektion, andererseits verleihen beispielsweise beim so genannten "Lotos-Effekt" winzige Strukturen einer Oberfläche schmutz- und wasserabweisende Funktionen, Brillengläser können durch eine zusä tzlich auf die Oberfläche aufgebrachte Beschichtung entspiegelt werden. Auch die Funktionen Lichtreflexion, Strömungswiderstand, Wärmeübergang und Reibung einer Bauteiloberfläche lassen sich durch mikroskopische Oberflächenstrukturen gezielt beeinflussen.
[11] Die Erzeugung ausgedehnter mikrostrukturierter Oberflächen auf Kunststoffen - zumindest auf ebenen Oberflächen - ist als weitgehend bekannt anzusehen: Oberflä chenstrukturen im Mikrometerbereich werden mit den vergleichsweise einfachen Methoden der Softlithographie unter normaler Atmosphäre abgeformt und vervielfä ltigt. 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.
[12] 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).
[13] Bekannt sind auch auf metallischen Bauteilen aufgedampfte Beschichtungen mit
Rauhigkeiten im Nanometerbereich, die jedoch keine geometrisch definierte Struktur aufweisen. Andererseits kann die Funktion einer metallischen Oberfläche durch gezielte geometrisch definierte Strukturierung im mikroskopischen Maßstab in engen Grenzen durch chemisches Ätzen, durch mikrospanende Bearbeitung oder mittels La- serstrukturierung beeinflusst werden. Mittels Elektronenstrahllithographie können auf kleinen Flächenstücken einer metallischen Bauteiloberfläche im Nanometerbereich geometrisch definierte Strukturen erzeugt werden.
[14] Die FDA normiert detailliert für die Zulassung einer modifizierten metallischen
Oberfläche für orthopädische Implantate notwendige Angaben zur MikiOStruktui- der Oberfläche: Die Dicke einer Beschichtung, der Porendurchmesser, Form und Abmessungen des Materials zwischen den Poren und der Volumenanteil der Poren mü ssen in aufwändigen Testreihen durch ihre statistischen Mittel- und Grenzwerte sowie die Standardabweichung ermittelt werden (U.S. Food and Drug Administration: Guidance Document For Testing Orthopedic Implants With Modified Metallic Surfaces Apposing Bone or Bone Cement. Februar 2000, http://www.fda.gov/cdrh/ode/827.html).
[15] Die Herstellung von metallischen MikiOstruktur-Funktionselementen auf in Urformverfahren hergestellten metallischen Bauteilen ist im Vergleich zu Kunststoffbauteilen mit mikrostrukturierter Oberfläche vielfach interessant, weil sie einen geringeren Verschleiß und eine höhere Härte aufweisen und zudem regelmäßig bei hö heren Temperaturen einsetzbar sind. Die bekannten Verfahren zur Modifikation der Oberflächenstruktur sind aber einerseits wegen ihrer Komplexität und andererseits aufgrund der wegen der statistischen Verteilung der Eigenschaften erforderlichen Test- und Dokumentationsanforderungen nur für wenige Spezialanwendungen wirtschaftlich sinnvoll einsetzbar.
[16] Die DE 101 54 756 CI offenbart ein Urformverfahren unter Verwendung eines
Formwerkzeugs, in dessen Oberfläche durch anodische Oxidation unmittelbar und vorlagenfrei - also statisch verteilt - mikroskopische Hohlräume ausgebildet werden. Die EP 0 838 286 AI offenbart ein Feingussverfahren unter Verwendung eines Wachsmodells, auf dessen Oberfläche geschmolzenes Wachs fein verteilt aufgesprüht und dadurch eine - wiederum statistisch verteilte - mikroporöse Oberflächenstruktur ausgebildet wird. Die DE 3831 129 AI offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Gießform auf Grundlage eines thermisch empfindlichen Modells, beispielsweise Textilien, Kunststoff, Holz oder Leder, wobei die Oberflächenstruktur des Modells in der Gießform abgebildet wird. Die Verfahren nach diesen Schriften schaffen statistisch verteilte Oberflächenstrukturen, nicht aber zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion ein definiertes reliefartiges Mikxostruktur-Funktionselement an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils.
[17] Im weiteren Umfeld der Erfindung ist aus der US 6,511 ,622 B 1 die Verwendung eines mit Partikeln "gefüllten" Wachses zur Herstellung eines Wachsmodells wiederum für ein Feingussverfahren bekannt um die Ausbildung mikroskopischer Fehler in der Oberfläche des Wachsmodells zu vermindern. Die DE 43 07 869 AI offenbart ein Urformverfahren zur Herstellung eines mikroskopischen Körpers, wie sie in der Feinwerktechnik, der Mikromechanik, -optik und -elektronik zum Einsatz kommen, nicht jedoch die Ausbildung eines Mikrostruktur-Funktionselements auf einem - makroskopischen - Bauteil. Offenbarung der Erfindung
Aufgabenstellung
[18] 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
[19] Die Aufgabe wird ausgehend von den bekannten Urformverfahren erfindungsgemä ß dadurch gelöst, dass zumindest ein Funktionselement in einem Negativ seiner selbst geformt wird, das in einer Oberfläche des Formwerkzeugs ausgebildet ist.
Vorteile
[20] 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.
[21 ] 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 Mi- krostrukturen versehener Flächen.
[22] Bauteile mit solcherart definiert strukturierter metallischer Oberfläche zeichnen sich im Vergleich zu Kunststoffoberflächen durch höhere Oberflächenhärte und hierdurch höhere mechanische Belastbarkeit, geringeren Verschleiß und längere Lebensdauer, höhere mögliche Einsatztemperaturen, und verbesserte elektrische Leitfä higkeit und Wärmeleitfähigkeit aus.
Ausgestaltungen
[23] Das erfindungsgemäße Urformverfahren ist insbesondere vorteilhaft einsetzbar, wenn das Bauteil durch Erstarren eines flüssigen Metalls in einer Kavität des Formwerkzeugs 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.
[24] Vorzugsweise wird zur Ausführung eines solchen erfindungsgemäßen Urformverfahrens aus der flüssigen Phase das flüssige Metall durch Gießen in das Formwerkzeug eingebracht. Alternativ kann das Metall auch in Sinter- oder Flü ssig- phasensinterverfahren auch in körnig oder pulvrig festem Zustand in das Formwerkzeug eingebracht und durch Erhitzen in dem Formwerkzeug verflüssigt werden. Im Rahmen von Thixoformingverfahren kann das Metall auch im thi- xothropen, also plastisch verformbaren Zustand in das Formwerkzeug eingebracht werden.
[25] Unter einem „im Wesentlichen metallischen Werkstoff wird auch ein Verbundwerkstoff mit metallischer Matrix und beispielsweise keramischen - also anorganisch- nichtmetallischen - Körnern oder Fasern aus Silikaten, Carbiden, Nitriden, beispielsweise Hartstoffen wie Wolframcarbid verstanden.
[26] Die Kavität des Formwerkzeugs kann im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens aus der flüssigen Phase vor dem Befüllen des Formwerkzeugs durch g ängige 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 das Formwerkzeug mit demselben metallischen Werkstoff beschichtet werden, mit dem anschließend das Bauteil in dem Formwerkzeug abgegossen wird.
[27] Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens kann insbesondere das
Formwerkzeug 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-Funlctionselementen.
[28] Als zweckmäßig zur Abbildung feinster Strukturen erweist sich die Aufbringung einer dünnen Metall- oder Keramikschicht aus der Gasphase auf das strukturierte Modell oder die strukturierte Form. 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).
[29] Alternativ können im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens Dauerformwerkzeuge aus Bauelementen zusammengesetzt oder durch spanabhebende oder erodierende Verfahren hergestellt werden. In speziellen Anwendungsfällen - beispielsweise im Rahmen eines Rapid-Prototyping - ist auch die Herstellung eines Formwerkzeugs durch auftragende oder schichtweise aufbauende Verfahren möglich.
[30] Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens ist bevorzugt das Funktionselement an dem Modell ausgebildet und wird von dem Modell auf das Formwerkzeug abgeformt. Bei mehrfacher Verwendung desselben Modells ist so auch in Bezug auf die Herstellung des Negativs des Funktionselements an serienmäßig hergestellten Formwerkzeugen das Urformverfahren vereinfacht und die Wirtschaftlichkeit des Urformverfahrens erhöht.
[31] Alternativ kann das Funktionselement in der Oberfläche des Formwerkzeugs im
Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens auch durch einen separat ausgefü hrten Umformschritt, beispielsweise durch Prägen, durch mikrospanende oder - erodierende Bearbeitung oder durch Auftragen oder Anbauen von vorgefertigten Normteilen angebracht werden
[32] An einer keramischen Formschale für ein erfϊndungsgemäßes Feingussverfahren kann das Negativ des Funktionselements entweder in der Oberfläche der in dem beschriebenen Tauchverfahren erzeugten Keramik oder in der Oberfläche einer nachträ glich aufgetragenen Schlichte angebracht werden.
[33] Im Rahmen eines erfindungsgemäßen Urformverfahrens kann das Modell aus dem abgeformten Formwerkzeug ausgeschmolzen, verdampft, aufgelöst oder anderweitig entfernt werden. Derartige erfindungsgemäße Urformverfahren mit nur einmal verwendetem, sogenanntem „verlorenen Modell" umfassen insbesondere wiederum Feingussverfahren. Hierbei wird beispielsweise ein Wachs- oder Kunststoffmodell wiederholt in einen keramischen Schlicker getaucht und so die keramische Formschale schichtweise aufgebaut. Aus dem fertigen Formwerkzeug wird anschließend das Modell ausgeschmolzen oder ausgebrannt. Im „lost foam"-Sandguss wird eine Sandform um ein Schaumstoffmodell gebaut, das beim Eingießen des flüssigen Me- tallwerkstoffs in das fertige Formwerkzeug verdampft. [34] 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 erfϊndungsgemäßen Urformverfahren mit „verlorenem Modell" die wirtschaftliche Serienproduktion von Bauteilen mit Mikrostruktur-Funktionselementen ermöglicht.
[35] 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.
[36] Im Rahmen eines erfϊndungsgemäßen Urformverfahrens ist bevorzugt das Negativ des Funktionselements an der Urfonn 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.
[37] Alternativ kann das Funktionselement in der Oberfläche des Modells 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.
[38] 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.
[39] 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.
[40] 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. [41] 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.
[42] 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 Oberfl äche eines Bauteils besonders strömungsgünstige Eigenschaften verleihen.
[43] Das Funktionselement weist vorzugsweise ein charakteristisches Maß mit einer La nge 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.
[44] Das charakteristische Maß des Funktionselements kann in der Ebene der Oberflä ehe 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.
[45] 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 linienformige Erhebung aus der Oberfläche des Bauteils - stellt im Nanostrukturbereich quasi die Elementarform eines Funktionselements dar. Eindimensionale, also tatsächlich punktfδrmige Erhebungen sind real nicht herstellbar.
[46] 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 - Materialversteiftmgen ebenso erzielt werden wie tribologische oder strömungsdynamische Effekte.
[47] 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 ausgebildet 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.
[48] 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 Mi- krostrukturbereich liegen. Beispielhaft seien genannt Haifisclihaut, Sandfisch, Lotosblä tter und Gartenkresse.
[49] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Formwerkzeug für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels des Formwerkzeugs formbar ist, und eine Oberfläche des Formwerkzeugs ein Negativ des Funktionselements aufweist, mittels dessen das Funktionselement formbar ist. Mittels eines solchen erfindungsgemä ßen Formwerkzeugs ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
[50] Insbesondere kann das erfϊndungsgemäße Formwerkzeug eine verlorene Ke- ramikform sein. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Formwerkzeug einen Kern umfassen, der das Negativ des Funktionselements aufweist. Mittels eines solchen erfindungsgemäßen Formwerkzeugs 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.
[51] 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 eines Formwerkzeugs 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 erfindungsgemä ßen Kerns ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
[52] Weiterhin wird die Aufgabe erfϊndungsgemäß gelöst durch einen Kernkasten für ein Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität eines Formwerkzeugs 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 Kems ist gleichfalls das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
[53] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gleichfalls gelöst durch ein Modell für ein
Bauteil mit einem Mikrostruktur-Funktionselement, wobei von dem Modell in einem Urformverfahren ein Formwerkzeug abformbar ist, das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität des Formwerkzeugs formbar ist, und wobei das Modell das Funktionselement aufweist, das von dem Modell auf das Formwerkzeug und von dem Formwerkzeug auf das Bauteil abformbar ist. Mittels eines solchen erfϊndungsgemäßen Modells ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
[54] 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 ein Formwerkzeug abformbar ist, das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität des Formwerkzeugs formbar ist, und wobei die Urform ein Negativ des Funktionselements aufweist, das von der Urform auf das Modell, von dem Modell auf das Formwerkzeug und von dem Formwerkzeug auf das Bauteil abformbar ist. Mittels einer solchen erfindungsgemäßen Urform ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
[55] Insbesondere kann eine solche erfindungsgemäße Urform aus einem Elastomer gefertigt sein. Beispielsweise kann die Urform in PDMS von einem Urmodell abgeformt sein.
[56] 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 ein Formwerkzeug abformbar ist, das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität des Formwerkzeugs 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 das Formwerkzeug und von dem Formwerkzeug auf das Bauteil abformbar ist. Auch mittels einer solchen erfindungsgemäßen Urform ist das oben beschriebene Urformverfahren ausführbar.
Ausführungsbeispiele
[57] Zur Herstellung einer Turbinenschaufel aus gerichtet erstarrter Nickelbasis-Su- perlegierung SCI 6 mit wellenförmiger Oberflächenstruktur wird ein metallisches Tur- binenschaufelmodell als Urmodell mit handelsüblicher Glasdekorfolie mit wellenfö rmiger 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 als Formwerkzeug hergestellt. Die Turbinenschaufel wird im allgemein bekannten Bridgman- Feingussverfahren gegossen.
[58] Zur Herstellung eines Gussteil aus einer Aluminiumlegierung mit sichtbarer
Abbildung eines Firmenlogos wird dieses mittels eines Laserdruckers auf Folie ausgedruckt. Die laterale Strukrurgröße des auf die Folie aufgebrachten Toners liegt bei etwa 200 μm, die Dicke der Tonerschicht bei etwa 10 μm. Die Folie wird in ein Dauerformwerkzeug für Wachsmodelle eingeklebt. In dem Dauerformwerkzeug wird das Wachsmodell im Vollformverfahren (Shaw- Verfahren) hergestellt. Das Alumini- umgussteil wird im allgemein bekannten Differenzdruckgussverfahren gegossen.
[59] Zur Herstellung eines Testkörpers mit feinsten Strukturen wird als Urmodell mit allgemein bekannten elektronenstrahUithographischen 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.
[60] Zur Herstellung einfacher strukturierter Oberflächen ist die Verwendung kommerziell verfügbarer Urformen möglich, die beispielsweise mit konventioneller Fotolithographie hergestellt werden. Die mit einfacher Fotolithographie zugängliche L ängenskala reicht bis zu Strukturen im Bereich weniger Mikrometer. Für kleinere Strukturen können Urformen verwendet werden, welche beispielsweise mittels Na- noimprintlithographie hergestellt werden. Mit dieser Technik darstellbare Strukturen sind nur etwa 10 nm groß und stellen nahezu die Grenze der derzeitigen Lithographiemöglichkeiten dar.
[61] 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.
[62] Größere mikrostrukturierte Oberflächen werden durch modulare Kombination entweder dieser lithographisch hergestellten Urmodelle oder erfindungsgemäß von diesen Urmodellen replizierten Modellen oder Formwerkzeugen erzeugt. Zur Abbildung planarer Mikrostrakturen auf dreidimensional gekrümmte einfache Formkö rper wie Halbschalen, Rohren, Zylindern, Kegeln und Quadern oder auf komplexe Gussbauteilen wie Turbinenschaufeln werden Wachsmodelle oder die zu ihrer Herstellung verwendeten Urformen verformt.
[63] Abweichend von Standardverfahren zur Herstellung von Urformen für
Wachsmodelle , sog. Wachsmatrizen, im Feinguss, Schmuckguss, bzw. Proto- typenguss, welche auf einem Einbetten unter Druck in Heißvulkanisat-Formwerkzeuge 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 Abfonnen 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.
[64] Die Herstellung der keramischen Formwerkzeuge mit Mikrostrakturen erfolgt gemä ß bekannten Feingussverfahren. Die verwendeten Feingussschlicker und/oder 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. [65] Mit erfindungsgemäßen Verfahren können auch Bauteile mit MikroStruktur-
Funktionselementen gefertigt werden, die als Umformwerkzeuge die Oberflä chenstruktur in einem Umformvorgang auf ein weiteres Bauteil oder Halbzeug ü bertragen, wie beispielsweise Walzen, Prägewalzen, Walzenpaare, Pressen, Prä gewerkzeuge und Tiefziehformen.
[66] Mit erfindungsgemäßen Verfahren können weiterhin Bauteile mit Mikrostraktur-
Funktionselementen gefertigt werden mit
• aerodynamischen Anwendungen, beispielsweise Turbinenschaufeln für Flugturbinen oder stationäre Turbinen, Turboladerräder, Ventile, Auspuffkrü mmer, Ansaugrohre, Düsen, Ventilatoren und Gewehrkugeln,
• fluiddynamischen Anwendungen, beispielsweise Schiffsschrauben, Düsen, Pumpengehäuse und -räder, Transportschnecken, Torpedos und Mikro- reaktoren,
• 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-Paarangen, Kufen beispielsweise für Schlittschuhe, Bügeleisen, Transportschnecken und Bremsscheiben,
° Anwendung der abrasiven Wirkung der Oberflächenstruktur des Gussteils, beispielsweise Feilen und Fräsen,
• oberflächenspezifischen Anwendungen, beispielsweise Katalysatoren, Wä rmetauscher, Kühlkörper und mikrofluidische Komponenten, benetzungsspezifischen Anwendungen, beispielsweise Felgen für Autos und Fahrräder, Kokillen für Gießtechnik, Bratpfannen, Kochtöpfe und Mikro- reaktoren,
• mikromechanischen Anwendungen, beispielsweise präzise Positionierung einzelner Fasern von Glasfaserbündeln,
• optischen Anwendungen, beispielsweise Antireflexoberflächen, Ent- spiegelung und Formkörper für Linsen, Versteifungseffekten an dünnen Wänden,
• Anwendungen ästhetischer Natur, beispielsweise Schmuck wie strukturierte Metallbänder und allgemein optisches Oberflächendesign.

Claims

Ansprüche
[I] Urformverfahren für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, das bewusst in einer definierten Gestalt und zielgerichtet zur Erfü llung einer Funktion an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels eines Formwerkzeugs geformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Funktionselement in einem Negativ seiner selbst geformt wird, das in einer Oberfläche des Formwerkzeugs ausgebildet ist.
[2] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch Erstarren eines flüssigen Metalls in einer Kavität des Formwerkzeugs geformt wird.
[3] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Metall durch Gießen in das Formwerkzeug eingebracht wird.
[4] Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Formwerkzeugs vor dem Befüllen des Formwerkzeugs mit einer dünnen Metallschicht versehen wird.
[5] Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug in einem Urformverfahren von einem Modell abgeformt wird.
[6] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement an dem Modell ausgebildet ist und von dem Modell auf das Formwerkzeug abgeformt wird.
[7] Urformverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell aus dem abgeformten Formwerkzeug durch Ausschmelzen, Verdampfen, Verbrennen oder Auflösen entfernt wird.
[8] Urformverfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell in einem Urformverfahren von einer Urform abgeformt wird.
[9] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass das Negativ des Funktionselements an der Urform ausgebildet ist und von der Urform auf das Modell abgeformt wird.
[10] Urformverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Urform in einem Urformverfahren von einem Urmodell abgeformt wird.
[I I] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement an dem Urmodell ausgebildet ist und von dem Urmodell auf die Urform abgeformt wird.
[12] Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement eine Freiformfläche ist.
[13] Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Funktionselement zumindest ein charakteristisches Maß aufweist, wobei das charakteristische Maß eine Länge kleiner als 500 μm ist.
[14] Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Maß kleiner als 300 μm ist.
[15] Urformverfahren nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Maß kleiner als 100 μm ist.
[ 16] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Maß kleiner als 10 μm ist.
[17] Urformverfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Funktionselementen an dem Bauteil geformt wird.
[18] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass aus periodisch in der Oberfläche des Bauteils angeordneten Funktionselementen zumindest ein Funktionsbereich geformt wird.
[19] Urformverfahren nach dem vorgenannten Ansprach, dadurch gekennzeichnet, dass der Funktionsbereich eine biomimetische Oberflächenstruktur aufweist.
[20] Formwerkzeug für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, das bewusst und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion in einer definierten Gestalt an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils rel iefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff mittels des Formwerkzeugs formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Formwerkzeugs zu zumindest einem Funktionselement ein Negativ aufweist, mittels dessen das Funktionselement formbar ist.
[21] Formwerkzeug nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug eine verlorene Keramikform ist.
[22] Formwerkzeug nach Ansprach 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das
Formwerkzeug einen Kern umfasst, der das Negativ des Funktionselements au fweist.
[23] Kern für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, das bewusst und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion in einer definierten Gestalt an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität eines Formwerkzeugs formbar ist, die den Kern umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern zu zumindest einem Funktionselement ein Negativ aufweist, mittels dessen das Funktionselement formbar ist.
[24] Kernkasten für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funkti- onselement, das bewusst und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion in einer definierten Gestalt an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität eines Formwerkzeugs 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.
[25] Modell für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, das bewusst und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion in einer definierten Gestalt an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei von dem Modell in einem Urformverfahren ein Formwerkzeug abformbar ist und wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität dieses Formwerkzeugs formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell zumindest ein Funktionselement aufweist, das von dem Modell auf das Formwerkzeug und von dem Formwerkzeug auf das Bauteil abformbar ist.
[26] Urform für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostraktur-Funktionselement, das bewusst und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion in einer definierten Gestalt an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei jeweils in Urformverfahren von der Urform ein Modell und von dem Modell ein Formwerkzeug abformbar ist und wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität des Formwerkzeugs formbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Urform ein Negativ zumindest eines Funktionselements aufweist, das von der Urform auf das Modell, von dem Modell auf das Formwerkzeug und von dem Formwerkzeug auf das Bauteil abformbar ist.
[27] Urform nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die
Urfonn aus einem Elastomer gefertigt ist.
[28] Urmodell für ein Bauteil mit zumindest einem Mikrostruktur-Funktionselement, das bewusst und zielgerichtet zur Erfüllung einer Funktion in einer definierten Gestalt an einem definierten Ort der Oberfläche des Bauteils reliefartig ausgebildet ist und in mindestens einer Raumrichtung ein charakteristisches Maß im Mikrometerbereich aufweist, wobei jeweils in Urformverfahren von dem Urmodell eine Urform, von der Urform ein Modell und von dem Modell ein Formwerkzeug abformbar ist und wobei das Bauteil aus einem im Wesentlichen metallischen Werkstoff in einer Kavität des Formwerkzeugs 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 das Formwerkzeug und von dem Formwerkzeug auf das Bauteil abformbar ist.
EP04723507A 2003-03-28 2004-03-26 Formverfahren für ein bauteil mit mikrostruktur-funktionselement Withdrawn EP1673186A2 (de)

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DE10314373A DE10314373A1 (de) 2003-03-28 2003-03-28 Urfomverfahren für ein Bauteil mit Mikrostruktur-Funktionselement
PCT/DE2004/000638 WO2004087350A2 (de) 2003-03-28 2004-03-26 Formverfahren für ein bauteil mit mikrostruktur-funktionselement

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