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

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Innerhalb des Projektes wurde die Prozessführung des elektromagnetischen Prägens mit dem Ziel der Replikation optischer Funktionsstrukturen erforscht. Es konnte dabei gezeigt werden, dass durch Anpassungen am Prozess eine Veränderung bezüglich der plastischen Werkstoffeigenschaften und der Prozesskräfte erfolgt. In diesem Zusammenhang wurde eine Methode etabliert, welche prozessnah die plastischen Werkstoffeigenschaften beschreibt und deren Veränderung durch Prozessänderungen sichtbar macht. Innerhalb des Projektes wurde identifiziert, dass ein maßgeblicher Eingriff in den Prozess durch die Matrizenwerkstoffeigenschaften und die Prozesskinematik ermöglicht wird. So kann über den Matrizenwerkstoff, welcher das elektromagnetische Feld der Werkzeugspule beeinflusst, die Stromdichte und die Kraft innerhalb des Werkstücks eingestellt werden. Weiterhin wurden die Prozesskinematik und der Prozessablauf untersucht. Als Ergebnis im Hinblick auf den Prozessablauf konnte eine der Umformung nachgeschaltete Temperatursteigerung durch den Stromfluss im Werkstück identifiziert werden. Weiterhin konnte durch die Analyse der Prozesskinematik eine Veränderung der Umformzustände durch eine Werkstückflugphase ermittelt werden, welche sich in einer Steigerung der Kontaktnormalspannung zeigt. Im Hinblick auf die Replikation von optischen Funktionsstrukturen konnte der positive Einfluss der Werkstückflugphase auf das Prägeergebnis dargestellt werden. Abhängig von der Prozessführung konnten unterschiedliche Prozessfehler beobachtet werden. So wurde ein vermehrtes Auftreten von Adhäsion zwischen Matrize und Werkstück identifiziert. Diese Fehlergröße kann mit DLC-Beschichtungen, sofern keine optischen Flächen gefordert sind, unterbunden werden. Ein weiterer innerhalb des Projekts identifizierter Prozessfehler ist das Auftreten von Formabweichungen und Mehrfachprägungen. Formabweichungen beim elektromagnetischen Prägen wurden durch die dynamischen Eigenschaften der Matrize hervorgerufen, wie bereits bei der Umformung von dicken Blechen bekannt. Darüber hinaus konnte eine Verschlechterung der Abformung der Mikrostruktur in Abhängigkeit des Matrizenwerkstoffs ermittelt werden. In diesem Zusammenhang sind Mehrfachprägungen beobachtet worden, welche auf die sinusförmige Prozesskraft und das dynamische Verhalten des Systems zurückgeführt wurde. Insbesondere das Auftreten von Schwingungen, welche durch das Auftreffen des Werkstücks induziert werden, stellt ein weiteres Forschungsfeld dar. Dieses Feld umfasst dabei neben den Prozessfehlern, welche durch Schwingungen verursacht werden, das Werkstoffverhalten, welches sich durch die dynamische Wechselbelastung einstellt (Bauschinger-Effekt). In diesem Kontext ist es weiter nötig, die messtechnische Zugänglichkeit trotz hoher Anforderungen im Hinblick auf zeitliche und örtliche Auflösung der Werkstückposition und elektromagnetischer Verträglichkeit zu verbessern. Weiterhin gilt es die simulativ ermittelte Ursache durch Experimente zu verifizieren, wobei abseits des Einsatzes neuartiger Messtechnik die Anpassung der Entladecharakteristik der Impulsstromanlage eine Möglichkeit darstellt. In dieser Hinsicht stellt ebenfalls der Zusammenhang aus Werkzeugspulenform bzw. der Kraftverteilung und der Werkstückflugphase zur Optimierung der Prozesskinematik ein weiterführendes Forschungsfeld dar. Die Untersuchung weiterer Beschichtungen, welche den Anforderungen optischer Bearbeitung genügen, und ihre Reaktion auf die prozessspezifische Belastung stellen darüber hinaus eine Folgearbeit aus den Ergebnissen nach Projektende dar.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Flexible tooling for impulse forming. In Procedia Manufacturing, 27, pp. 130–137, 2019
  Langstädtler, L.; Pegel, H.; Beckschwarte, B.; Herrmann, M.; Schenck, C.; Kuhfuss, B.
  
• Diamond-Like-Carbon Coated Dies for Electromagnetic Embossing. In Materials (Basel, Switzerland), 13, 21, 2020
  Herrmann, M.; Beckschwarte, B.; Hasselbruch, H.; Heidhoff, J.; Schenck, C.; Riemer, O.; Mehner, A.; Kuhfuss, B.
  
• Elektromagnetisches und elektrohydraulisches Umformen in der Mikroproduktion, Dr.-Ing. Dissertation Universität Bremen 2020
  Langstädtler, L.
  
• Determination of Plastic Material Properties of Thin Metal Sheets under Electromagnetic Forming Conditions. In 24th International Conference on Material Forming (ESAFORM 2021), ULiège 14-16 April 2021
  Beckschwarte, B.; Herrmann, M.; Schenck, C.; Kuhfuss, B.
  
• Electromagnetic Embossing of Optical Microstructures with High Aspect Ratios in Thin Aluminum Sheets. In 24th International Conference on Material Forming (ESAFORM 2021), ULiège 14-16 April 2021
  Heidhoff, J.; Beckschwarte, B.; Riemer, O.; Schönemann, L.; Herrmann, M.; Schenck, C.; Kuhfuss, B.
  
• Numerical and Experimental Investigation of the Impact of the Electromagnetic Properties of the Die Materials in Electromagnetic Forming of Thin Sheet Metal. In Journal of Manufacturing and Materials Processing, 5, 1, p. 18, 2021
  Beckschwarte, B.; Langstädtler, L.; Schenck, C.; Herrmann, M.; Kuhfuss, B.