Please use this persistent identifier to cite or link to this item: doi:10.24405/9314
Title: Prozess- und Maschinenentwicklung für einen Warmpressprozess zur Herstellung von Mikrobauteilen aus amorphen Metallen
Other Titles: Process and machine development for a hot pressing process to manufacture micro parts from amorphous metals
Authors: Montag, Tobias 
Affiliation: Helmut-Schmidt-University / University of the Federal Armed Forces Hamburg, Laboratorium Fertigungstechnik
Language: de
Keywords: Amorphes Metall;Pulvermetallurgie;Lasermaterialbearbeitung;Mikrofertigung;Mikrostruktur;Dichte;Anlagenengineering;Metallisches Glas
Subject (DDC): DDC - Dewey Decimal Classification::600 Technik::620 Ingenieurwissenschaften
Issue Date: Jul-2020
Document Type: Thesis
Abstract: 
Die Skalierbarkeit klassischer Fertigungsverfahren kommt durch auftretende Größeneffekte an ihre Grenzen. Der Korngrößeneffekt limitiert die Formfüllung vor allem bei Umform- und Pulverpressprozessen aufgrund anisotroper Materialeigenschaften. Amorphe Metalle unterliegen diesem Effekt nicht, jedoch mangelt es aufgrund einer bisher fehlenden genauen und robusten Temperaturregelung an geeigneten Verarbeitungsprozessen. Daher wird in dieser Arbeit ein Warmpressprozess zur Verarbeitung metallischer Gläser anhand des Zirkon-basierten metallischen Glases AMZ4 entwickelt und qualifiziert. Basis ist das Prinzips des strahlungsgestützten Ur- und Umformens. Hauptmerkmal ist die transparente Kontaktoptik, durch die zum einen Strahlungsenergie direkt in das Werkstück eingebracht, und zum anderen gleichzeitig der nötige Pressdruck aufgebracht wird.

Grundlage der Prozessentwicklung ist zunächst die Auslegung einer geeigneten Versuchsanlage durch die Analyse der Einstell-, Prozess- und Ergebnisgrößen sowie die Durchführung einer Funktionen-FMEA. Innerhalb der Vorentwicklung wird daraufhin eine allgemein gültige Methode der Qualifizierung amorpher Materialsysteme für die Analyse der optimalen Parametereinstellung entwickelt. Das Resultat der durch das Design of Experiments unterstützen, detaillierten Prozessentwicklung ist ein geeigneter Prozess zur Herstellung von Mikrobauteilen aus amorphen Metallen. Die Laserintensität wird als sensitiver Parameter für die Erreichung der zur Formgebung wichtigen Glasübergangstemperatur und Vermeidung der Überschreitung der Kristallisationstemperatur identifiziert. Die geeignete Kombination aus Bestrahlungszeit und Pressdruck stellt das Schließen der Poren und somit eine hohe Dichte sicher, die mit vergleichbaren Prozessen konkurriert. Zudem werden verschiedene Maßnahmen zur weiteren Optimierung der Anlagentechnik und der
Prozessführung aufgezeigt.

Zusammenfassend leisten die Ergebnisse dieser Arbeit einen Beitrag zur verstärkten Anwendung von metallischen Gläsern in der Fertigung.

The scalability of manufacturing processes is restricted by occurring size effects. The microstructure / geometry effect affects forming and primary shaping processes most as it limits the accurate mold filling through anisotropic material properties. Amorphous metals are not influenced by this effect. However, there is a lack of adequate manufacturing processes due to insufficient temperature regulation technology. The aim of this work is, therefore, to develop and qualify a warm pressing process with respect to the zircon-based amorphous metal named AMZ4. Basis for the development is the principle of beam assisted primary shaping and forming. The main feature is a transparent optic element that ensures direct beam transmission and force application within one part.

The first step for process development is the dimensioning and construction of the manufacturing equipment by analysing the inupt, process and output parameters as well as performing a FMEA relating to the functions of the process. Within the pre process development, a general method of qualifying amorphous material systems and its optimal parameter combination is presented. Supported by the design of experiments method, the result of the detailed process develompent is a suitable process for manufacturing micro parts from amorphous metals. Within this, the laser beam intensity is identified as the most significant parameter for reaching the glass transition temperature and to avoid crystallisation. Accordingly, the ideal combination of pressure and time of beam application closes the pores and achieves a high density of parts, to compete with existing comparable processes. In addition, actions to optimize the manufacturing equipment and process control are shown.

In conclusion, the results of this work contribute to an increased use of amorphous metals within manufacturing processes.
Organization Units (connected with the publication): Fertigungstechnik 
DOI: https://doi.org/10.24405/9314
Advisor: Wulfsberg, Jens Peter 
Referee: Klassen, Thomas
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: Doctoral Thesis
Exam date: 2020-06-24
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