Mikro-Filtrationsmembranen mit Isoporen aus Edelstahl - Grundlegende Untersuchung eines neuartigen Mikro-Fertigungsverfahrens durch Kombination von Laser- und Umformtechnik
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Untersuchung und Entwicklung eines Verfahrens für Mikrofiltrations-Membranen aus Edelstahl durch Kombination von Laser- und Umformtechnik (z.B. Walzen).
Es sollen großflächig gerade durchgängige Poren im Größenbereich von 1 bis 5 µm in eine Metallfolie eingebracht werden. Hierfür werden die Folien (1.4301, Materialstärke < 300 µm) zunächst mit der Hochgeschwindigkeits-Mikroperforation „on-the-fly" unter Verwendung eines 300 Watt-Faserlasers bestmöglicher Strahlqualität (TEM00) perforiert. Dabei werden Bohrungen (Bohrrate bislang max. 5000 Bohrungen/Sekunde) mit einem minimalen Durchmesser von ca. 10 µm erzielt. Anschließend wird zur weiteren Reduzierung des Bohrungsdurchmessers, in einer Dimension, die mikro-perforierte Metallfolie gewalzt (bei gleichzeitiger Vergrößerung der Bohrung senkrecht dazu). Mit dem Kombinationsverfahren werden so minimale Abmessungen der Bohrung von < 5 µm erzielt (Bohrungsweite senkrecht zur Walzrichtung). Abb. 1 zeigt ein repräsentatives Ergebnis dieser Arbeiten.
Der Schwerpunkt dieses DFG-Vorhabens liegt auf der theoretischen Modellierung des Entstehungsprozesses einer einzelnen Bohrung, um das Prozessverständnis und die Wechselwirkung zwischen der Laser-Mikrobearbeitung und der anschließenden plastischen Deformation des laserbeeinflussten Materials (Wärmeeinflusszone, Aufhärtung, Gratbildung) zu erweitern. Hierfür wird sowohl die Laser-Mikroperforation „on-the-fly" als auch der Umformvorgang der Folien mit Hilfe der FE-Simulation erforscht. Neben den oben beschriebenen wechselseitigen Einflüssen, lassen sich so ebenfalls Aussagen über den thermischen Wirkungsgrad der Laser-Mikroperforation „on-the-fly" in Abhängigkeit von Bohrrate, Pulsdauer und den Strahleigenschaften der Laserquelle treffen. Die Ergebnisse werden eine weitere Steigerung der Bohrrate und Reduzierung der Bohrungsgröße ermöglichen. Abb. 2 zeigt die mittels des FEM-Softwarepaketes COMSOL simulierte Temperaturverteilung, die durch die betrachtete Laserquelle und unter Berücksichtigung der Relativbewegung (in x-Richtung, v = 50 mm/s) zwischen Werkstück und Laserstrahl nach 25 µs entsteht („on-the-fly"-Perforation). Einflüsse durch Grenzflächenbewegung werden durch die Anpassung der temperaturabhängigen thermo-physikalischen Größen (z.B. Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität) berücksichtigt. Im Anschluss wird die Bohrungsgeometrie aus der Schmelzisotherme konstruiert.
Anwendungen finden die Edelstahl-Mikrosiebe mit regulärer Anordnung der geradlinig durchgehenden Poren bspw. in den Bio- und Lebensmitteltechnologien.
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