Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Verbesserte Elektropoliertechnologien zur formtreuen Oberflächenbehandlung

The AdEPT project will focus on the investigation and evaluation of advanced electropolishing technologies and strategies to meet the increasingly stringent requirements of recent applications, such as high frequency, optical and other high-end applications, in terms of surface quality, accuracy and process control. Applicability for both 2D (thin metallic films) and 3D components (for instance tool inserts for injection molding) is being investigated.

Technology improvements, emerging from recent R&D works, could help tackling demanding applications. Such improvements are found in advanced bath chemistries, which allow for better polishing homogeneity, advanced electrical parameters, which would facilitate the treatment of micrometric cavities, or advanced cell geometries offering better control of the material removal rate on parts with given geometry. However, most of these improvements are not yet applied by electropolishers owing to a lack of validation.

The development and validation of AdEPT will open the way to improved and more efficient manufacturing routes. Indeed, the project outcomes should allow combining high surface quality with highly precise dimensional accuracy on 2D and 3D parts. For instance, micro laser-machined molding cavities could be polished without damaging the microstructures. Molding cavities for polymer optics could be produced with the required optical surface quality without the need diamond milling as provided by ultra-precision machining.

AdEPT project aims at developing in-depth understanding of electropolishing mechanisms in order to achieve very high control of the polishing process in terms of material removal rate and localisation. As a first step, recent technology improvements regarding bath chemistry, electrical parameters and cell configuration will be assessed on reference cases with simple geometry. As a second step, validation will be performed on real parts requiring high-accuracy. Within this framework, demonstrators for both 2D and 3D components shall be selected based on the industrial needs, built and evaluated.

Ergebniszusammenfassung:

Innerhalb des Teilprojektes bei ZFM wurde der Prozess zum Elektropolieren von galvanisch abgeschiedenen Al-Schichten auf Halbleitersubstraten untersucht. Die Proben wurden in der Forschungsstelle selbst hergestellt. Der Prozess für die Beschichtung von 150 mm Siliziumwafer wurde etabliert. Die Abscheidung erfolgte aus einer ionischen Flüssigkeit ohne Additive. Für das Elektropolieren der Schichten wurden verschiedene Elektrolytsysteme untersucht. Die Umwälzung ist ein wichtiger Faktor beim optischen Erscheinungsbild der polierten Al-Schicht. Eine ausreichende Umwälzung konnte mit einem porösen Stein erreicht werden, so dass homogene und glänzende Schichten entstanden sind. Dieser Aufbau ist von der exakten Positionierung abhängig. Die Oberflächenrauheit Sa konnte von >1 µm auf < 0,2 µm reduziert werden. Die Elektropolitur konnte im Projekt nicht 100% für das Polieren von Mikrostrukturen optimiert werden, aber die grundsätzliche Einebnung der Schichten zeigt das Potential des Prozesses.

In dem Teilprojekt beim HS wurde das Elektropolieren (EP) von Werkzeugstählen, die im Spritzguss Einsatz finden, untersucht. Für diese Versuche wurde die vom CRM Group dafür gebaute Elektropolierzelle mit dem kommerziell verfügbaren Elektrolyten E520 von Poligrat benutzt. Für die untersuchte Stahlsorte 1.2343 ESU konnte eine Reduzierung der Oberflächenrauheit Ra von ca. 1,2 µm auf 0,4 µm festgestellt werden. Für die gehärtete Variante von 1.2379 ESU war eine Verbesserung von ca. 0,6 µm auf 0,2 µm zu beobachten. Neben einer verbesserten Oberflächengüte ist die Formgenauigkeit beim Spritzguss genauso wichtig. Dafür wurden EP Versuche an verschiedenen Mikrostrukturen durchgeführt. Bei allen Versuchen wurde eine Verbesserung der Oberflächenrauheit festgestellt. Spritzgegossene Bauteile, die mit diesen elektropolierten Einsätzen hergestellt wurden, weisen eine signifikant bessere optische Güte auf. Dies ist auf die um 60-75% verbesserte Oberflächenrauheit auf den Einsätzen zurückzuführen.