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Werkstoffe in der Fertigung Die Fachzeitschrift f체r technische F체hrungskr채fte

ISSN 0939-2629 / B 25800

www.werkstoffzeitschrift.de

Ausgabe 4/September 2012


Inhaltsverzeichnis Werkstofftrends – Magnetische Kühlung Quo vadis Werkstoff – Forschung: Die Zukunft der Composite Europäische Nachrichten aus Jülich Wissenswertes aus NRW Nachrichten aus dem Steinbeiszentrum IMKK aktuell Nachrichten des Deutschen Kupferinstituts Nachrichten der Initiative Zink Messen und Termine Nachrichten Produkte und Service

IMPRESSUM Fachzeitschrift

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THEMA Fertigung von mechanischen Metamaterialien mittels Dip-in Laserlithographie CO2/DVHUIUGLHHIÀ]LHQWH%HDUEHLWXQJYRQ Nicht-Metallen Magnesium Walzhalbzeuge – mit Leichtigkeit zerspanen Energiesparen mit Titan Der Stoff für Leichtbau und Sicherheitskleidung Stabile Führung – hohe Leistung

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Buchbesprechungen

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WASSERSTRAHLSCHNEIDEN – Neue Schneidkopf-Konstruktion Mit der neuartigen SchneidkopfKonstruktion von STM und Maximator JET kann die Leistung und Wirtschaftlichkeit von AbrasivSchneidsystemen verbessert werden. Maximator JET und STM haben in Zusammenarbeit mit der TU Berlin und dem Fraunhofer Institut eine neue Abrasivschneidkopfkonstruktion entwickelt. Sie zentriert die Wasserdüse über einer Bohrung anstatt wie bisher über einen Konus aus. Das Design Abdichtung ist so gestaltet, dass auch bei der Montage keine schädlichen Verformungen durch ein überhöhtes Anzugsmoment entstehen können. Bei der Montage ist zudem keinerlei Hilfswerkszeug erforderlich. Außerdem wurde der Abrasivschneidkopf so konfiguriert, dass die Wasserdüse wenigstmöglich mit Abrasivpartikeln in Berührung kommt. Auch das schützt die Wasserdüse gegen zerstörerische Einflüsse und macht den Abrasivschneidkopf leistungsfähiger und präziser. Das Entwicklungsteam schätzt, dass sich mit diesem Prototypen Materialverschleiß und Wartungsaufwand um bis zu 60 % Prozent reduzieren und die Qualität des gesamten Produktionsprozesses deutlich steigern lässt. Ab sofort werden deshalb alle Abrasivschneidsysteme von STM und Maximator JET serienmäßig mit dem neuen Schneidkopf ausgerüstet. Er ist mit älteren STM-Wasserstrahlschneidanlagen ebenso kompatibel wie für Systeme anderer Fabrikate. Interessenten können die Innovation auf der Euroblech in Hannover vom 23. – 27.10.2012 am Gemeinschaftsstand von STM und Maximator JET live im Einsatz erleben. Weitere Informationen stehen über www.maximator-jet.de und www.stm.at.

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WERKSTOFFE in der Fertigung Herausgeber und Verlag: HW-Verlag Sonnenblumenring 35 D-86415 Mering Postfach 60 D-86407 Mering Telefon 08233 32761 oder 08233 780205 Telefax 08233 32762 E-Mail: info@werkstoffzeitschrift.de http://www.werkstoffzeitschrift.de Redaktion und verantwortlich für den Inhalt: Manfred Kittel, Anschrift des Verlages Redaktionsassistent: Dipl.-Ing. Werner Schwegler Vertrieb und Anzeigen-Koordination: Dipl. oec. Tea Malik, Anschrift des Verlages Erscheinen: zweimonatlich, jeweils am Monatsende Gestaltung & Satz: Schindler Medienagentur UG Josef-Baumann-Str. 5, 86316 Friedberg Telefon 0821 796362-05 Telefax 0821 796362-06 E-Mail: info@schindler-medienagentur.de www.schindler-medienagentur.de Druck: deVega Medien GmbH Anwaltinger Straße 10, 86165 Augsburg Telefon 0821 50 211-0 Telefax 0821 50 211-33 E-Mail: eitzenberger@devega.de www.devega.de Bezugspreis: Das Jahresabonnement kostet € 45,– zzgl. Versandspesen und MwSt. Bezugsmöglichkeit: Direkt beim Verlag Bezugsbedingungen: Abonnements werden mit Beginn des Bezugszeitraums berechnet, Kündigungen müssen 6 Wochen vor Ende des Bezugszeitraums schriftlich vorliegen, andernfalls wird das Abonnement um ein volles Jahr verlängert. Adressenänderungen sind dem Verlag sofort bekannt zu geben. Störungen, entstanden durch höhere Gewalt, entbinGHQGHQ9HUODJYRQVHLQHQ9HUSÁLFKWXQJHQ Zahlungsmöglichkeit: Stadtsparkasse Augsburg BLZ 720 500 00, Konto-Nr. 5 17 71 Postscheckkonto München BLZ 700 100 80, Konto-Nr. 3 24 21 98 00 Manuskripte: Für unverlangt eingesandte Manuskripte wird keine Gewähr übernommen. Bei Zu schriften an die Redaktion wird das Einverständnis zum Abdruck vorausgesetzt. Bei Anfragen bitte Rückporto beilegen. Bei Annahme eines Beitrages sind wir auch berechtigt, anderweitig darüber zu verfügen.

Werkstoffe 4/2012


Thema Fertigung von mechanischen Metamaterialien mittels Dip-in Laserlithographie Tiemo BĂźckmann1, Muamer Kadic1, Michael Thiel2,3, Martin Wegener1,2

Mechanische Pentamode Metamaterialien

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Institut fĂźr Angewandte Physik und DFG-Center fĂźr funktionale Nanostrukturen (CFN), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131 Karlsruhe

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Institut fĂźr Nanotechnologie (INT), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), 76131 Karlsruhe

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Nanoscribe GmbH, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany

Mechanische Eigenschaften von Materialien werden durch ihre Antwort auf H[WHUQH.UlIWHGHĂ€QLHUW]%DXI=XJRGHU Druckbelastungen. FĂźr lineare elastische Werkstoffe gilt das bekannte Hookesche Gesetz. Im allgemeinen Fall ist die Spannung Ʋ, die Kraft pro Fläche, jedoch mit der Dehnung Ç , der relativen Längen-änderung, Ăźber den unĂźbersichtlichen Elastizitätstensor C 4ter Stufe verknĂźpft: Ʋij = Cijkl Ç kl. Aufgrund von SymmetrieĂźberlegungen reduziert sich die Anzahl der 81 Komponenten von C immerhin auf 21, die noch notwendig sind, die vier charakteristischen mechanischen KenngrĂśĂ&#x;en Kompressionsmodul B, Schermodul G, Poissonsche Zahl ĆŹ und Elastizitätsmodul E zu bestimmen. Bei isotropen Medien bedarf es nur mehr zwei dieser mechanischen KenngrĂśĂ&#x;en, um unabhängig voneinander das mechanische System zu beschreiben. Dementsprechend lässt sich das mechanische Verhalten von Materialien wie Gold oder Wasser z.B. durch Kompressionsmodul B und Schermodul G zusammenfassen. Der Idealzustand der vorgeschlagenen Pentamode Metamaterialien zeichnet sich nun dadurch aus, dass fĂźnf („penta“) der Einträge des diagonalisierten Elastizitätstensor C Null sind, und nur ein Eintrag ist von Null verschieden [3]. In dieser KonĂ€JXUDWLRQNRPPWHV]XHLQHU(QWNRSSOXQJ zwischen Kompressions- und Scherwellen. Der Kompressionsmodul B ist unendlich viel grĂśĂ&#x;er als der Schermodul G. Diese Situation entspricht der einer FlĂźssigkeit (G = 0), weswegen Pentamoden auch MeWDĂ Â VVLJNHLWHQJHQDQQWZHUGHQ

Einleitung Metamaterialien werden aus gewĂśhnlichen Werkstoffen wie Metalle oder Polymere hergestellt, bieten jedoch gänzlich neue MĂśglichkeiten die elastische oder elektromagnetische Wellenausbreitung ]XEHHLQĂ XVVHQ'DV(UIROJVUH]HSWLVWGLH kĂźnstliche Anordnung der Grundwerkstoffe in funktionelle Baugruppen, die auf sub-Wellenlängenskala zu effektiven Materialien zusammengesetzt werden. Im Feld der Transformationsoptik konnten photonische Metamaterialien bereits herausragende Forschungsergebnisse, wie z.B. optische Tarnkappen, zu Tage fĂśrdern [1,2]. Ein Transfer solcher Ergebnisse fĂźr Lichtwellen hinzu mechanischen Wellen gelingt im Allgemeinen fĂźr den dreidimensionalen (3D) Raum nur durch die Fertigung einer neuen Materialklasse – der Pentamode Metamaterialien [3]. „Pentamoden“ waren bislang nur ein rein theoretisches Konzept, das 1995 von Graeme Milton und Andrej Cherkaev vorgeschlagen wurde [3] und konnten mittels 3D Direktem Laserschreiben nun erstmals gefertigt werden [4].

Figur 1: (a) Schema eines idealen Pentamode Metamaterials nach Milton und Cherkaev [3] mit LQĂ€QLWHVLPDONOHLQHQ9HUELQGXQJVSXQNWHQ'HULQEODXGDUJHVWHOOWHQ6XSHU]HOOHPLW*LWWHUNRQVWDQWH a liegt eine Diamantsymmetrie zugrunde. (b) illustriert die Designparameter fĂźr das Experiment. Insbesondere ist der Verbindungspunkt d von endlicher GrĂśĂ&#x;e. Der Durchmesser D und die Länge der Doppelkegel h sind weitere Strukturparameter. (c) Das berechnete Verhältnis von Kompressionsmodul B und Schermodul G aufgetragen Ăźber dem Verbindungspunkt d bei festgehaltenem D = 3 Âľm und h = 16.15 Âľm. Der rote Kreis korrespondiert zum kleinsten Verbindungspunkt, der bisher hergestellt wurde. Die durchgezogene Linie wurde mit Hilfe der heuristischen Formel berechnet (mit Genehmigung von Referenz [4] nachgedruckt. Copyright, American Institute of Physics).

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Figur 1 (a) zeigt ein Schema des Pentamode Metamaterials, welches effektiv die mechanischen Eigenschaften einer FlĂźssigkeit aufweisen wĂźrde, obwohl es aus ganz gewĂśhnlichen Werkstoffen aufgebaut sein kann (Metamaterialkonzept). Der in blau dargestellte Baugruppe mit Gitterkonstanten a liegt eine Diamantsymmetrie zugrunde und wird aus winzigen Doppelkegeln mit einem LQĂ€QLWHVLPDO NOHLQHQ %HU KUXQJVSXQNW zusammengesetzt. Ein solches Ideal Z UGH DOOHUGLQJV VRIRUW Ă…ZHJĂ LH‰HQ´ und wäre als Werkstoff fĂźr Applikationen wahrscheinlich schwer einsetzbar. Stabile Strukturen bedĂźrfen eines endlichen Schermoduls G. Die Regeln der Transformationsakustik sind aufgrund dieser Stabilitätseinschränkung nur noch annähernd anwendbar, jedoch sollten sich viele neue Ideen auch mit realistischen Pentamoden Parametern umsetzen lassen, sofern das Verhältnis zwischen Kompressionsmodul und Schermodul B/G Werte annimmt, die wesentlich grĂśĂ&#x;er sind als die von natĂźrlichen Werkstoffen (fĂźr Gold ist B/G = 13). Figur 1 (b) illustriert die Designparameter, die in einer theoretischen Studie herangezogen wurden [4]. Insbesondere ist der Verbindungspunkt d zwischen den Vierbeinen von endlicher GrĂśĂ&#x;e. Der Durchmesser D und die Länge der Doppelkegel h sind weitere Strukturparameter. Das Softwarepaket COMSOL Multiphysics lässt unter Annahme eines typischen Polymers als Grundwerkstoff die Berechnungen der charakteristischen mechanischen KenngrĂśĂ&#x;en B und G des Pentamoden Materials zu. FĂźr festes D = 3 Âľm und h = 16.15 Âľm zeigt Figur 1 (c) das Verhältnis B/G bei Variation des Verbindungspunkt d in einer doppellogarithmischen Darstellung. Wie erwartet steigt das Verhältnis stark an, wenn der Verbindungspunkt verkleinert wird. Experimentell konnte ein Verbindungsbereich mit d = 0.55 Âľm und damit ein B/G Verhältnis von mehr als 1000 erreicht werden. Pentamoden kĂśnnen also auch mit endlichen Verbindungspunkten approximiert werden. Das verwendete Material und die Abmessungen orientieren sich an der AuflĂśsung des Herstellungsprozesses. Die Ergebnisse lassen sich allerdings auf andere Grundwerkstoffe (z.B. auf Diamant) und Dimensionen Ăźbertragen und sind allgemein mit folgender heuristischen Ăźbertragen und sind allgemein mit Formel zusammengefasst: ஻ ீ

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ྎ 0.63 á‰€ŕŻ—á‰ ŕś§ŕŽ˝ . Werkstoffe 4/2012

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Thema Herstellung mittels 3D Dip-in Laserlithographie (DiLL) Die 3D Laserlithographie (oft auch Direktes Laserschreiben genannt) ist eine einzigartige Methode zur Herstellung von komplexen Mikro- und Nanostrukturen [5,6]. Während konventionelle Foto- oder Elektronenstrahllithographie nur eine REHUà lFKOLFKH 6WUXNWXULHUXQJ ]XODVVHQ gelingt eine echte 3D Fertigung nur durch Ausnutzen der sogenannten Zweiphotonen-Absorption. Dazu wird ein nahinfraroter Laserstrahl scharf in das Volumen HLQHV 89HPSÀQGOLFKHQ )RWRSRO\PHUV fokussiert. Die Belichtungsschwelle kann nur im intensiven Laserfokus erreicht werden, in dessen Volumen die Wahrscheinlichkeit zur gleichzeitigen Absorption von zwei oder mehr Photonen gesteigert ist. Alle anderen Bereiche des Fotolackes bleiben unverändert und lÜsen sich später nasschemisch. Folglich erlaubt das Direkte Laserschreiben durch das Scannen des Laserspots im Schreibvolumen eine '%HOLFKWXQJGHUHQ$Xà |VXQJGXUFKGLH verwendeten Optiken und Laserquellen festgelegt wird.

)LJXU9HUJOHLFKGHUNRQYHQWLRQHOOHQ/DVHUVFKUHLENRQĂ€JXUDWLRQ D PLWGHU'LSLQ/DVHUOLWKRJUDSKLH E 

)RNXVXQGGDPLWGLHEHVWH$Xà |VXQJJHlingt bei einem Fotolack mit Brechungsindex n = 1.518 bei der Belichtungswellenlänge von 780 nm. Der speziell entwickelte Fotoresist IP-Dip konnte auf n = 1.515 annähernd ideal eingestellt werden. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist es, dass DiLL nicht mehr durch den Arbeitsabstand des verwendeten Objektivs limitiert ist.

Abgeleitet aus der Mikroskopie wird bei der 3D Laserlithographie meist ein Fotolack auf spezielle Deckgläser aufgebracht. Auf der Gegenseite der transparenten Gläser taucht ein Immersionsobjektiv in passendes brechzahlangepasstes Öl. Effektiv wird also durch das Immersionsmittel und durch das Deckglas in den Fotolack fokussiert (vgl. Figur 2 (a)). Der Schreibprozess wird zumeist durch eine Brechzahländerung bei der Polymerisierung sichtbar (Livevideo: http://www. youtube.com/watch?v=NaTI7OYRqb0/). Leider fßhren solche Brechzahlfehlanpassungen unweigerlich zum Auftreten von Aberrationen, die abhängig von der Schreibtiefe zu starker Inhomogenität der hergestellten Strukturen fßhren kÜnnen. Zudem limitieren die Arbeitsabstände von typischen Immersionsobjektiven die SchreibhÜhe auf ca. 100 ¾m.

Mit der erstmaligen Fertigung von Pentamode Metamaterialien Ăśffnet sich die TĂźr zur 3D Transformationsakustik. Diese

Die Realisierung des Karlsruher Pentamoden Prototyps gelang durch eine Weiterentwicklung der Technik: Der 3D DipIn Laserlithographie. Hierzu wurde ein spezieller Fotolack entwickelt, der gleichzeitig als Immersionsmittel und photosensitives Material fungiert. Das Dip-in Objektiv wird direkt in dieses Material eingetaucht, wodurch die Brechzahländerung durch den Belichtungsprozess keine Abbildungsfehler mehr induziert (Figur 2 (b)). Die Struktur kann vom Substrat startend aufgebaut werden, ohne dass tiefenabhängige Aberrationen die Homogenität der Struktur stĂśren. Der Absolutwert des Brechungsindex des Lacks lässt eine Einstellung der FokusgrĂśĂ&#x;e zu. Der kleinste

Figur 3: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von hergestellten Pentamode Metamaterialien. Während die gesamte Struktur in etwa 200 Âľm x 200 Âľm misst, kĂśnnen die Verbindungspunkte zwischen den Doppelkegeln bis hinunter zu 550 nm reduziert werden. Dadurch lässt sich das Verhältnis B/G Ăźber viele GrĂśĂ&#x;enordnungen experimentell einstellen.

Werkstoffe 4/2012

Mit Hilfe der beschriebenen Technologien konnten nun erstmals Strukturen hergestellt werden, deren Volumen und Abmessungen eine mechanische Prßfung zulassen [7]. Figur 3 zeigt Aufnahmen der ÀOLJUDQHQ 3HQWDPRGH 0HWDPDWHULDOLHQ die mittels Rasterelektronenmikroskopie aufgenommen wurden. Bisher konnten Verbindungspunkte bis hinunter auf d = 0.55 ¾m hergestellt werden, was einem berechneten Verhältnis von B/G > 1000 entspricht. Das Material selbst nimmt nur etwas mehr als 1% des KÜrpervolumens ein, so dass das resultierende Komposit auch ein extrem leichtes ist.

Ausblick und Anwendungen

mathematische Methode gewßnschte mechanische Eigenschaften von (Meta-)maWHULDOLHQ]XGHVLJQHQÀQGHWLQGHUà H[LEOHQ 3D Lithographie eine ideale Fertigungstechnologie. Experimente zur Charakterisierung der dynamischen Eigenschaften dieser Materialien sind in Planung. Der nächste Schritt wird es aber sein, die phononische Bandstruktur der Pentamoden zu berechnen, um die Wellenausbreitung in den Strukturen besser beschreiben und vorhersagen zu kÜnnen. Applikationen wie optische Tarnkappen [2], die mit der Transformationsoptik ausgearbeitet wurden, kÜnnten mit den Pentamoden auch auf akustische Wellen ßbertragen werden. Die Entkopplung von Kompressions- und Scherwellen durch die Pentamoden kÜnnte aber auch weniger exotische Anwendungen in Wissenschaft XQG 7HFKQLN ÀQGHQ ZLH ]% DNXVWLVFKH Prismen, die fßr verschiedene Audiofrequenzen unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen vorgeben oder auch Linsen, die akustische Wellen fokussieren. [1] C. M. Soukoulis und M. Wegener, Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials, Nature Photon. 5, 523 (2011). [2] T. Ergin und M. Wegener, Transformieren und Tarnen, Physik Journal 5, 31 (2012). [3] G. W. Milton und A. Cherkaev, Which elasticity tensors are realizable?, J. Eng. Mater. Technol. 117, 483 (1995). [4] M. Kadic, T. Bßckmann, N. Stenger, M. Thiel und M. Wegener, On the practicability of pentamode mechanical metamaterials, Appl. Phys. Lett. 100, 191901 (2012). [5] G. von Freymann, A. Ledermann, M. Thiel, I. Staude, S. Essig, K. Busch und M. Wegener, Three-Dimensional Nanostructures for Photonics, Adv. Funct. Mater. 20, 1038 (2010). [6] www.nanoscribe.de [7] T. Bßckmann, N. Stenger, M. Kadic, J. Kaschke, A. FrÜlich, T. Kennerknecht, C. Eberl, M. Thiel und M. Wegener, Tailored 3D mechanical metamaterials made by dip-in direct-laser-writing optical lithography, Adv. Mater. 24, 2710 (2012).

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Die Fachzeitschrift für technische Führungskräfte  
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