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EFB-Forschungsbericht Nr. 445

Verfahren zum Prägen von Hologrammen auf Blechbauteile mit gekrümmter Oberfläche

efb445

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Levent Altan, Dr.-Ing. Jan Jocker, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen der Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr. Bernhard Roth, Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Maik Rahlves, M. Sc. Sebastian Schlangen, Hannoversches Zentrum für Optische Technologien der Leibniz Universität Hannover

102 Seiten (sw, 70 teils farbige Abb., 5 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-493-3

Preis (Digital) EUR 55,75

Preis (Print) EUR 70,00

Zusammenfassung

Innerhalb des Projekts wurde ein neuartiger Prozess zur Herstellung von Hologrammen auf einachsig und zweiachsig gekrümmten Blechwerkstoffen entwickelt.

Ein besonderer Fokus lag auf einem flexiblen, kostengünstigen und KMU gerechten Verfahren, das alle Herstellungsschritte von der Hologrammberechnung bis hin zur Umformung enthält. Zunächst wurde ein Prägeverfahren eingesetzt, um holographische Mikro- und Nanostrukturen unter Verwendung von Nickel-Shims als Prägestempel in ebene Bleche abzuformen und anschließend in einem Tiefziehprozess in die finale, gekrümmte Form zu bringen.

Um den Einfluss des Tiefziehprozesses auf die zuvor hergestellten holographischen Strukturen zu untersuchen, wurden umfangreiche Parameterstudien unter Einbeziehung der Presskraft und Stempelgeometrie durchgeführt, die auch mittels FEM Simulationen erforscht wurden. Um KMU gerechte Methoden zur Berechnung und Herstellung von Masterhologrammen bereit zu stellen, wurden Algorithmen zur Berechnung Computer Generierter Hologramme (CGHs) auf gekrümmten Oberflächen basierend auf dem Beugungsintegral in Fresnel'scher Näherung implementiert. Für die Abformung der Hologramme wurde die Verformung des Hologramms während des Tiefziehprozesses basierend auf den FEM Simulationen berechnet und in den ebenen Ausgangszustand der Bleche transformiert.

Diese holografische Masterstruktur wurde mittels eines selbstentwickelten maskenlosen Belichters in Fotoresist auf einem Siliziumsubstrat übertragen, das anschließend zur Stempelherstellung galvanisch abgeformt wurde.
Die Ziele des Projekts wurden erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Verfahren zum Prägen von Hologrammen auf Blechbauteile mit gekrümmter Oberfläche" wurde unter der Fördernummer AiF 500ZN von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 445 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Within this project, a novel method to fabricate large area holographic structures on uniaxially and biaxially curved sheet metal surfaces was developed. Special emphasis was placed on a flexible and low-cost process which includes all fabrication steps ranging from hologram computation to sheet metal forming suitable for small and medium-sized business (SMB). To transfer holographic nano- and microstructure into sheet metals such as alloy, an embossing process was utilized employing a shim-punch made from nickel. Once the holographic structure was created onto the planar sheet material, a subsequent deep drawing process step shapes the holographic sheet into a curved surface yielding its final geometry. To investigate the influence of the deep drawing process on the superficial nano- and microstructure of the hologram, an extensive parameter study was carried out with respect to press force and punch geometry.

In addition, the latter parameter was optimized by means of FEM simulations yielding a uniform force distribution across the punch. To provide an SMB eligible method for master hologram calculation and fabrication which is required for embossing, we implemented algorithms to calculate computer generated holograms (CGH) on curved surfaces solving the diffraction integral through Fresnel propagation. Based on FEM simulations, the software also takes deformation of the hologram during the deep drawing process into account and transforms the curved hologram into the planar shape which is then embossed into the sheet metal prior to deep drawing. The planar master hologram was first transferred to a planar silicon substrate coated with photosensitive resist utilizing an adapted and optimized lab-made maskless lithography setup. Secondly, the master hologramm was replicated by electro plating and used subsequently as embossing stamp.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis und Formelzeichen
Abkürzungsverzeichnis
Formelzeichen
1 Projektbeschreibung
2 Einleitung und Problemstellung
3 Stand der Technik
3.1 Begriffserläuterungen
3.2 Holografie
3.2.1 Experimentelle Aufnahme eines Hologramms
3.2.2 Computergenerierte Hologramme (CGH)
3.2.3 Lithografische Verfahren zur Masterherstellung
3.2.4 Herstellung von Prägeshims zum Prägen von Hologrammen
3.2.5 Prägen von Hologrammen in Kunststofffolien
3.2.6 Prägen von Hologrammen in Blechwerkstoffe
3.2.7 Weitere Fertigungsverfahren zur Erzeugung von Feinstrukturen
3.3 Projektbezogene Vorversuche
4 Forschungsziele und Lösungsweg
4.1 Forschungsziele
5 Verwendete Apparate, Materialien und Methoden
5.1 Fotoresist
5.2 Belichtereinheit
5.2.1 Experimenteller Aufbau
5.2.2 Implementierung des Autofokus
5.3 Blechwerkstoff AlMn1
5.4 Hologrammprägewerkzeug
5.5 Eingesetzte Pressen
5.5.1 Versuchspresse 1: Haulick und Roos RSH 630-1000
5.5.2 Versuchspresse 2: Helmerding KDH 160/1250/2
5.5.3 Versuchspresse 3: Schuler MSC-2000
6 Vorrichtung und Verfahren zur zeit- und kosteneffizienten Herstellung von Masterhologrammen
6.1 Theoretischer Ansatz und Vorversuche
6.2 Experimentelle Ergebnisse
6.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
6.4 Fazit
7 Verfahren zur Berechnung von bauteilangepassten Hologrammen
7.1 Theoretischer Ansatz
7.1.1 Berechnung Computer Generierter Hologramme (CGHs)
7.1.2 Berechnung von Kinegrammen
7.1.3 Evaluierung der CGHs durch optische Rekonstruktion
7.1.4 Anpassen der Hologramme an gekrümmte Oberflächen
7.2 Fazit
8 Gekrümmte Oberflächen mit Hologramm
8.1 Einachsig gekrümmte Oberflächen mit Hologramm
8.1.1 Theoretischer Ansatz
8.1.2 Werkzeugkonfiguration und einachsig gekrümmtes Blechteil
8.1.3 Versuchsergebnisse
8.1.4 Simulationsgestützte Optimierung der Stempelgeometrie
8.1.5 Fazit
8.2 Mehrachsig gekrümmte Oberflächen mit Hologramm
8.2.1 Theoretischer Ansatz
8.2.2 Werkzeugkonfiguration und mehrachsig gekrümmte Blechteile
8.2.3 Halbkugel mit Hologramm
8.2.4 Ermittlung einer Grenze in Bezug auf die Dehnung
8.2.5 Auslegung eines Blechteils mit gekrümmter Oberfläche
8.2.6 Berechnung eines bauteilangepassten Hologramms
8.2.7 Fazit
9 Prägen von großflächigen Hologrammen
9.1 Theoretischer Ansatz
9.2 Realisierung der Werkzeugkonfiguration
9.3 Methode zur Ermittlung der Verteilung der Flächenpressung
9.4 Simulationsgestützte Auslegung einer elastischen Hinterlage für Prägeshims
9.5 Verwendete Elastomere
9.6 Versuchsergebnisse
9.7 Fazit
10 Ergebnisse
11 Projektauswertung
11.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
11.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
11.3 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
12 Literaturverzeichnis