Hochleistungs-Komponenten von Galvanik

Was passiert, wenn etwas kleiner immer hält und kleiner? Dies ist die Art der Frage Empa-Forscher Johann Michler und sein Team untersuchen. Als Nebenprodukt ihrer Forschung völlig neuartige Uhr könnte bald Federn in Schweizer Uhren verwendet werden.

Angewandter Forschung ist nicht immer von der Industrie – initiiert, aber es ergibt oft Ergebnisse, die von Unternehmen rasch umgesetzt werden können. Ein Paradebeispiel kann man auf dem Campus der Empa in Thun: winzige Uhr Federn sind auf dem Display an das Labor für Mechanik der Werkstoffe und Nanostrukturen. Diese Federn – das Herzstück jeder mechanischen Uhr – sind nicht die üblichen Komponenten. Sie sind nicht der berühmte Nivarox Drähte gemacht, aber elektrisch – oder vielmehr eher hinterlegt, elektrochemisch – in die gewünschte Form aus einer kalten, wässrigen Salzlösung.

Inzwischen hat die Produktion in der Empa-Labor die erste Pilotversuche entwachsen. In regelmäßigen Abständen die galvanisierten Federn liefern wir an die R&D-Abteilung bei einem großen Schweizer Uhrmacher, wo sind sie im Prototyp Uhrwerke ausgestattet. Die Uhren laufen. Allerdings gibt es noch Arbeit zu tun, auf ihre Genauigkeit und Langzeitstabilität.

Vor ein paar Jahren hatte die Empa auf Partner, kümmern uns um bestimmte Verfahrensschritte verlassen. Unterdessen wird das Know-how für den gesamten Produktionsprozess in Michler Lab gebündelt. Laetitia Philippe, der für die Herstellung der Federn verantwortlich, erklärt die Produktionsschritte. Das Grundmaterial ist eine Silizium-Wafer wie die, die zur Herstellung von Computerchips und Solarzellen. Diese Wafer wird zunächst mit einer leitfähigen Goldschicht und später auf eine dünne Schicht lichtempfindlicher Lack beschichtet. Die Form der Feder ist dann projiziert und die beleuchteten Teile der Farbe heraus geätzt werden. Jetzt kann die gewünschten metallische Legierung auf die leitfähige Gold base galvanisiert werden.

Wie Philippe nur zu gut weiß, ist diesen entscheidende Schritt im Prozess schwierig. „Wir brauchen einen gute Wirbel in das galvanische Bad, die richtige Temperatur, einige organische Zusätze und einen Strom auf genau die richtige Stärke und – wenn es aktuelle – in der richtigen Form abwechselnd ist.“ Schließlich ist das Ziel, die Federn aus der galvanische Form aufzulösen. Zunächst verwenden die Forscher ein Lichtmikroskop um zu prüfen, ob die Feder Formen mit Metall korrekt ausgefüllt sind. Dann ist die Oberseite der Form fein poliert werden, um sicherzustellen, dass alle Federn mit einer definierten Stärke; Das Ergebnis wird per Röntgenfluoreszenzanalyse überprüft. Zu guter Letzt wird die Farbe mit einem Sauerstoffplasma, die Silizium-Wafer geätzt, mit einer stark alkalischen Lösung und die Goldbeschichtung aufgelöst entfernt. Die restlichen Federn dann müssen in einer speziellen Waschmaschine für ein paar Stunden um Kanten und hervorstehende Metall Reste zu entfernen gehen. Diese makellosen Federn dann gehen in den Uhr-Editor für die Herstellung von Prototypen.

Ein Nebenprodukt der Forschung

Für die Forscher an der Empa ist diese Art der Herstellung von Prototypen jedoch nur ein Aspekt ihrer wissenschaftlichen Arbeit. „Unser Ziel ist es sicherlich nicht, mit Lieferanten in der Uhrenindustrie zu konkurrieren“, sagt Michler. „An der Empa interessieren uns vor allem bei der Miniaturisierung selbst.“ Michler Team untersucht die mechanischen Eigenschaften der die winzigen Teile mit winzigen Stempeln und Nadeln. Die Eigenschaften von Materialien ändern Wenn wir winzige Teile bauen: duktile Metallen schwieriger; spröde Keramik, auf der anderen Seite werden mit sehr kleinen Bauteilgrössen duktil.

„Die Voraussetzung für jede Prüfung ist jedoch, dass wir sind in der Lage, die Objekte, die wir anhand von definierten Kriterien interessiert sind“, erklärt der Empa-Forscher. So Michler Team nicht nur bestrebt, einen einzigen Prozess Hauptschritt, sondern Griff auch auf die Qualität der gesamten Prozesskette. „Einige Prozessschritte eng miteinander verflochten sind,“ sagt Michler. „Wenn wir einen Parameter, wie die Geometrie der Galvanik Formen oder die Zusammensetzung der Legierung, ändern wir müssen in der Regel zu die vorhergehenden und nachfolgenden Schritten anpassen. „Wir wollen diese Zusammenhänge und die Auswirkungen der Miniaturisierung in jeder Hinsicht zu verstehen.“

Additive Fertigung in 3-d

Neben zweidimensionalen Strukturen haben die Forscher in Thun schon bei der Herstellung von 3-d-Strukturen – auch mit Hilfe der Galvanik Fortschritte. Die erforderlichen Formen entstehen nicht durch leuchtende Farbschichten auf Silizium-Wafer, sondern über sogenannte zwei-Photonen-Polymerisation. Dabei emittieren einen Laserstrahl in einem Behälter mit einer speziellen flüssigen Kunststoff Vorläufer. Im Brennpunkt des Strahls die Flüssigkeit polymerisiert und erstarrt. Das Empa-Team gelungen, Herstellung von feinen Strukturen und Galvanisieren sie mit einer Nickel-Bor-Beschichtung. Diese metallisierte Strukturen ausgestellt Festigkeitsprüfungen viel mehr Stabilität als die rohpolymer Gerüst. Auch konnten die Forscher fertigen Brücken und Säulen aus Reinnickel, die nur wenige Mikrometer groß sind. Stress-Tests zeigen wie die Nickellegierungen in diesen Dimensionen Verhalten. „Wir sind bereits in der Lage, solche Strukturen mit schöner Regelmäßigkeit und reproduzierbar zu machen“, sagt Laetitia Philippe. „Wir haben einen großen Fortschritt auf dem Weg zur Mikromechanik gemacht galvanisierte Bauteile genommen.“ In nicht allzu ferner Zukunft könnte diese Komponenten Uhr Mechanismen mit besonders feinen mechanischen Komplikationen ermöglichen.

Weitere Informationen:
Patrik Schürch Et Al. Additive Fertigung durch Galvanoforming 3D Nickel Mikroarchitekturen: Simulation unterstützt Synthese, Advanced Materials Technologies (2018). DOI: 10.1002/admt.201800274

Teilen Ist Liebe! ❤❤❤ 22 shares ❤❤❤

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

shares