Elektromagnetisches Prägen optischer Mikrostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Ekkard Brinksmeier; Professor Dr.-Ing. Bernd Kuhfuß
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 395821503

Das elektromagnetische Prägen ist ein vielversprechendes Hochgeschwindigkeitsverfahren für die massenhafte Reproduktion funktionaler und optischer Mikrostrukturen. Für das Prägen von Folien bietet es entscheidende Vorteile wie der kontaktlosen Krafteinwirkung und dem Verzicht auf Hilfsstoffe wie Walzöle. Insbesondere für das Prägen optischer Mikrostrukturen ist zudem die erhöhte Plastizität des Werkstoffs günstig, die mit dem elektromagnetischen Formen einhergeht. Die im Prozess auftretenden komplexen Wirkmechanismen, welche das Fließverhalten beeinflussen, sind allerdings noch nicht vollständig verstanden, sodass eine exakte Beschreibung und sichere Prozessführung des elektromagnetischen Prägens in metallische Folien nicht möglich ist. Im geplanten Forschungsvorhaben soll daher in enger Kooperation der Institute bime und LFM das Prägen dünner Bleche respektive Folien wissenschaftlich untersucht und für die Replikation großflächiger funktionaler und optischer Mikrostrukturen befähigt werden. Hierfür wird das Fließverhalten experimentell in Abhängigkeit der elektromagnetischen Prozessparameter untersucht und eine Schar aus Fließkurven gewonnen. Ein Simulationsmodell wird aufgestellt, das die grundlegenden physikalischen Effekte abbildet. Weitere Effekte, wie die Veränderungen der Fließspannungen durch hohe Dehnraten, Temperatureffekte oder hohe elektrische Stromdichten, werden durch die empirisch ermittelten Fließkurven implementiert. Somit lassen sich einzelne Wirkanteile und ihre Überlagerung in Abhängigkeit der Prozessparameter bestimmen. Als Teilergebnis liegt ein tieferes Verständnis über die beteiligten Wirkmechanismen und ihre gegenseitige Beeinflussung vor. Auch zwischen fließendem Blechwerkstoff und dem Formeinsatz und insbesondere der abzuformenden optischen Mikrostruktur kommt es zu Wechselwirkungen. Somit hat der Formeinsatz einen entscheidenden Einfluss auf die Abformgüte. Es werden geeignete Grundwerkstoffe und Beschichtungen der Formeinsätze untersucht, die der elektromagnetischen sowie mechanischen Wirkung des Prozesses standhalten und sich in der erforderlichen Präzision zerspanend bearbeiten lassen. Hierfür wird das Verhalten der abzuprägenden Strukturen unter der Einwirkung der impulsförmigen Belastung auf den Formeinsatz untersucht. Neben der erreichbaren Oberflächenqualität werden auch Formabweichungen des Formeinsatzes und der abgeformten Mikrostrukturen betrachtet. Als Teilergebnis folgt eine Strategie zur prozessangepassten Formeinsatzgestaltung. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wird ein anwendungsorientiertes Prozessmodell entwickelt, validiert und mithilfe von elektromagnetischen Prägeversuchen von optischen Mikrostrukturen um spezielle Eigenschaften ergänzt. Somit wird eine Methode zur systematischen Prozessgestaltung entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen