Kapillardruck-Gießen: Winzige Teile in hoher Präzision

Metall fließt wie von selbst

Der Laser hat die Hohlform in die Kapillare aus Keramik geschnitten, die Metallschmelze füllt den Hohlraum aus – und in der Kapillare entsteht ein Zahnrad im Mikroformat Bild: IW, Uni Hannover
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Für alle Metalle und Legierungen eignet sich ein Gießverfahren, das auf der Kapillarkraft basiert. 0,1 mm Durchmesser und höchste Präzision sind dabei kein Widerspruch.

Am Institut für Werkstoffkunde (IW), in der Außenstelle Witten der Universität Hannover, hat die Arbeitsgruppe von Dr.-Ing. Kai Möhwald ein Verfahren entwickelt, mit dem Zahnräder und andere Bauteile gegossen werden können, die nur 0,1 mm Durchmesser haben. Solche Mikro-Komponenten sind in der Medizin interessant, beispielsweise wenn es um winzige Instrumente geht.

Entscheidend für den Erfolg der Mikrotechnik ist die Qualität der Bauteile. Material, Form und Oberflächen müssen äußerst belastbar und präzise sein. Herkömmliche Fertigungsverfahren, wie das Feingießen von Metall, stoßen in diesen Dimensionen an physikalische Grenzen. Daher sehen die IW-Wissenschaftler in ihren Ergebnissen ein entscheidenden Schritt nach vorn: Die Ingenieure nutzen zum Gießen den Kapillareffekt. Die Gussformen aus Keramik haben sehr feine Kanäle, die das geschmolzene Metall wie von selbst einsaugen. Dadurch werden Hohlformen, die zuvor mit Laserstrahlen in die Keramik eingeschnitten wurden, gleichmäßig und vollständig ausgefüllt. Auf diese Weise erhalten die Teile, obwohl sie winzig sind, eine sehr hohe Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität. Der Gießvorgang findet unter einer Glasglocke im Vakuum statt, und die komplette Gießanlage hat auf einem Schreibtisch Platz.
Zwar lassen sich Mikro-Bauteile schon länger – ähnlich wie Computerchips – mit Hilfe von Beschichtungs- und Ätzverfahren produzieren. Dafür eignen sich aber nur bestimmte Metalle wie Kupfer oder Nickel. Das Gießverfahren des IW hingegen ist prinzipiell für alle Metalle und Legierungen geeignet. Mit ihm lassen sich deshalb auch magnetisierbare Komponenten fertigen, die für mikromechanische Antriebe und Sensoren gebraucht werden. „Wir arbeiten zurzeit daran, das Kapillardruck-Gießen für die Massenfertigung einsetzbar zu machen. Die Labor-Ergebnisse zeigen eindeutig das große wirtschaftliche Potenzial dieses Verfahrens“, so Dr.-Ing. Kai Möhwald. Neben den Zahnrädern ist derzeit eine Mikrozange mit ähnlichen Abmessungen in Arbeit. op
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