Entwicklung einer laserunterstützten Umformvorrichtung zur Kompensation thermischer Größeneffekte beim Halbwarmmikromassivumformen metallischer Werkstücke

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Miniaturisierung des Halbwarmmassivumformverfahrens, wobei das Hauptziel die Entwicklung und Realisierung einer Präzisionshalbwarmmikromassivumformvorrichtung ist. Dieses Ziel wird verfolgt, um die bei einer Skalierung des Halbwarmmassivumformverfahrens auftretenden thermischen Größeneffekte zu kompensieren und das für kleine Werkstücke abgeleitete Verfahren des hybriden laserunterstützten Halbwarmmikromassivumformens zu beherrschen und vorhersagbar zu machen. Zur Erreichung dieses Hauptziels werden zunächst analytische Modelle zur Beschreibung und zur Kompensation thermischer Größeneffekte generiert und mittels FE-Methoden validiert. Aus diesen theoretischen Betrachtungen wird zur Kompensation thermischer Größeneffekte eine Präzisionshalbwarmmikromassivumformvorrichtung zum laserunterstützten Halbwarmmikromassivumformen methodisch entwickelt und konstruiert. Die im Rahmen dieser Arbeit enwickelte Idee einer kraftübertragenden Kontaktoptik ermöglicht dieses hybride Umformverfahren. Bei diesem Umformverfahren findet während des Umformvorgangs eine Kraftübertragung über einen Saphirstempel sowie die gleichzeitige Werkstückerwärmung mittels Laserstrahlung statt, die durch diesen Saphirstempel transmittiert. Hierbei wird Saphir aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften - wie z. B. die hohe Druckfestigkeit und die hohe Temperaturbeständigkeit - sowie seiner optischen Eigenschaften - wie z. B. die Transparenz in einem großen Wellenlängenbereich - als Stempelwerkstoff verwendet. Zur Abschätzung der Einsetzbarkeit kraftübertragender Kontaktoptiken beim laserunterstützten Halbwarmmikromassivumformen wird das Prozessverhalten durch ausgewählte Experimente und Simulationen untersucht, wobei die Laserleistung und die Werkstückgröße variiert werden. Bei diesen Untersuchungen wird das Halbwarmmikromassivumformen im Hinblick auf eine gute Vergleichbarkeit derart skaliert, dass die Werkstückgrößen im gleichen Maße wie die Werkzeugstrukturen skaliert werden. Mit dem laserunterstützten Halbwarmmikromassivumformverfahren konnten skalierte, zylinderförmige Werkstücke teilweise mit eingeprägten, skalierten Werkzeugstrukturen umgeformt werden. Eine Erhöhung der in Werkstücke während des Umformvorgangs eingebrachten Laserleistung zeigt deutliche Verbesserungen der Umformergebnisse und verdeutlicht, dass sich das laserunterstützte Halbwarmmikromassivumformverfahren eignet, thermische Größeneffekte zu kompensieren.