Danske videncentre og virksomheder har nu fået godt gang i udviklingen af værktøjer til formgivning af metalliske mikrokomponenter.

Det har til dato været særdeles svært at formgive metalemner i mikrostørrelse, fordi den koncentrerede belastning af de små værktøjer kan være ødelæggende høj. Mange gange har opgaven været umulig. Løsningen har så været at fremstille emnerne i plast med de mekaniske, elektrisk og magnetiske begrænsninger, det har medført.

Men nu er der håb om, at det vil ændre sig ved at udnytte en udvikling, der har stået på i et halvthundrede år. Det er udviklingen af de amorfe metaller eller metalliske glasser. I amorfe metaller sidder atomerne ikke i noget ordnet mønster, som det er tilfældet i de dagligdags forekommende krystallinske metaller, og amorfe metaller har ingen kornstruktur. Fremstillingen af de tidligste typer metalliske glasser krævede en ekstrem hurtig afkøling af den smeltede legering for at opnå den amorfe struktur.

»Men for 15 år siden blev nye legeringer opdaget, og de krystalliserer ikke selv ved meget langsom afkøling,« siger Cormac Byrne, ph.d., som har arbejdet med amorfe metaller i en del år, og er post doc ved Afdelingen for Materialeforskning på Risø DTU.

Det satte gang i de tekniske udnyttelsesmuligheder. Disse legeringer kendes ved deres engelske betegnelse "Bulk Metallic Glasses" (BMG). De kan besidde specielle egenskaber så som stor korrosionsmodstand, elasticitet selv under høje belastninger, høj styrke og hårdhed, fremragende magnetiske egenskaber og høj formbarhed sammenlignet med tilsvarende krystallinske materialer.

Metal-glasser er elektrisk- og termisk ledende, og af udseende ligner de almindelige metaller, så det er næsten umuligt med det blotte øje at skelne en BMG fra et krystallinsk metal. Men de mekaniske egenskaber er forskellige.

»Den mekaniske egenskab, der indtil videre udnyttes mest i praksis, er deres evne til at opsamle store mængder elastisk energi. For eksempel bruger man BMG materialet Vitreloy (en Zr-Be-Ti-Cu-Ni legering) til golfkøller, tennisketsjere og baseballkøller. Materialet kan også bruges til cover til mobiltelefoner, USB "memory sticks" og som "coating" til hovederne på oliebor,« siger Cormac Byrne.

Plasticitet med glas-metaller
»En mere eksotisk anvendelse er til opsamling af prøver af solvinden om bord på Nasas Genesis rumfartøj, og senest har Risø DTU patentanmeldt en teknik med relation til fremstilling af nåle i BMG materiale til subkutane sprøjter,« siger Cormac Byrne.

Amorfe metallers største ulempe er, at de er skøre, og normalt vil gå i stykker under træk, inden der sker nogen plastisk deformation. Det gør dem selvfølgelig uegnede til mange anvendelser. Hertil siger Cormac Byrne, at en spændende del af den forskning der foregår, drejer sig om mulighederne for at designe metalliske glasser, hvori også nano-krystaller indlejres. Formålet er indbygge en vis plasticitet i materialet, samtidig med, at man bibeholder metal-glassens væsentligste egenskaber.

I Danmark foregår arbejdet med metal-glasser i det væsentlige inden for Innovationskonsortiet Mikrometal, der er et samarbejde mellem forskningsinstitutionerne IPU, Risø DTU og DTU-Mekanik og industrivirksomhederne Elos-Pinol, Novo Nordisk, Sonion og Oticon. Her er interessen samlet om fremstilling af mikroskala-komponenter, hovedsagelig til brug inden for medikoteknologi. Man fokuserer på udvikling af fremstillingsmetoder for mikrokomponenter af krystallinske metaller og BMG ved anvendelse af nye værktøjsteknologier. Konsortiet har været i gang siden slutningen af 2005 og projektet løber i fire år. Risø DTU har ansvaret for udviklingen af BMG materialerne. Resultaterne af konsortiets arbejde offentliggøres løbende og de første artikler er offentliggjort.

»Med de egenskaber BMG-mate­rialer har, kan de bane vej for nye produktionsmetoder, nye komponenttyper og løsninger på udfordringer inden for vores produktion,« vurderer Henrik Andersen, udviklingschef i Elos-Pinol:

»Vi kan se et forretningspotentiale i at arbejde med og udforske egenskaberne af disse nye legeringer«.

BMG (Bulk Metallic Glasses) fremstilles ved først at præparere en masterlegering af de enkelte metaller, der skal indgå. Bånd eller tråde af metal-glassen produceres ved hurtig afkøling af den smeltede legering på et roterende kobberhjul, mens massive komponenter støbes til net shape i en form. I Mikrometal konsortiet har interessen især været koncentreret om Zr- og Mg-baserede metalliske glasser. De værktøjer der anvendes til at presse komponenterne skal kunne fungere ved 1508C-5008C. Til gengæld er der kun behov for meget moderate kræfter for at presse en komponent - typisk 1 kN.

Sådan formes BMG
Når en BMG (Bulk Metallic Glasses) opvarmes fra stuetemperatur, er der to vigtige temperaturer at tage i betragtning. Den første er glasovergangs-temperaturen (Tg). Under Tg er metallet et amorft fast stof (glas), som er vanskelig at deformere permanent. Over Tg bliver BMG i stigende grad blødere, indtil det begynder at krystallisere ved den højere temperatur Tx. I temperaturområdet mellem Tg og Tx kan BMG let deformeres og formes helt ned til nanometerskala med anvendelse af kun en moderat kraft. Efter formningen kan BMG?en igen afkøles til stuetemperatur og med stor præcision bibeholde det mønster, der er formet.