Mechanische Eigenschaften urgeformter Mikroproben aus CuAl10Ni5Fe4, ZrO2 und Si3N4

Durch die Miniaturisierung von Bauteilen, Komponenten und kompletter Systeme sollen Rohstoffe, Kosten und Bauraum eingespart sowie die Effektivität gesteigert werden. Aus mehreren Gründen ist eine mechanisch optimierte Konstruktion für ein Mikrobauteil anders als für ein Makrobauteil: Größeneffekte, eine in der Mikrotechnik begrenzte Anzahl an geeigneten Werkstoffen und eine dort begrenzte Anzahl an Produktionsprozessen. Um die Einsatzmöglichkeit von mikromechanischen Komponenten auch in Zukunft weiter zu verbessern, muss die Werkstoffpalette um hochbelastbare Werkstoffe wie z. B. Metalle und Keramiken erweitert werden. Um insbesondere die Vielzahl von Mikrokomponenten und deren Anwendungsmöglichkeiten voranzutreiben, müssen Mikrokomponenten als echte dreidimensionale Strukturen hergestellt werden können. Hierbei bedarf es neuer Fertigungsstrategien und -techniken. Aus diesem Grunde wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) der Sonderforschungsbereich (SFB) 499 „Entwicklung, Produktion und Qualitätssicherung urgeformter Mikrobauteile aus metallischen und keramischen Werkstoffen“ eingerichtet. Ein Ziel des SFB ist, das erforderliche Wissen zu erarbeiten, um wirtschaftlich hochbelastbare, echte 3D-Mikrobauteile zu produzieren. Für die Produktion werden die urformenden Verfahren Vakuumdruckguss (VDG) und Schleuderguss (SO) als Mikrogießverfahren für metallische Werkstoffe und druckloses Heißgießen (HM = hot moulding) sowie Niederdruck-Spritzgießen (LPIM = low pressure injection moulding) für keramische Werkstoffe eingesetzt. Da auf Grund von Größeneffekten, wie z. B. dem bei Mikrobauteilen stark geänderte Verhältnis von Oberfläche zu Volumen, die makroskopisch bekannten Werkstoffkennwerte nicht direkt auf den Dimensionierungsprozess in der Mikrotechnik übertragen werden können, wurden an unterschiedlichen Mikroprobengeometrien (Abmessungen typischerweise 100 bis 300 um) unterschiedliche Versuche durchgeführt. An vakuumdruckgegossenen Mikrozugproben, Mikrokerbzugproben und Mikrotorsionsproben sowie an schleudergegossenen Mikrozugproben aus der Aluminiumbronze CuAI10Ni5Fe4 wurden die mechanischen Eigenschaften bei quasistatischer Belastung sowie an den VDO Mikrozugproben und VDO-Mikrokerbzugproben auch unter zyklischer Belastung ermittelt. An Mikrobiegeproben aus tetragonal stabilisiertem Zirkoniumdioxid (3Y-TZP; sowohl drucklos heißgegossen als auch niederdruckspritzgegossen) und nachgestintertem, reaktionsgebundenem Siliziumnitrid (SRBSN; drucklos heißgegossen) wurde die Dreipunktbiegefestigkeit sowie an angekerbten (mittels fokussiertem Ionenstrahl) das Rissausbreitungsverhalten untersucht. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen werden in dieser Arbeit vorgestellt und die mikrospezifischen Effekte mit Hinblick auf die jeweiligen Herstellungsprozesse und die damit verbundenen Einflüsse auf die Mikrostruktur diskutiert.