Fertigen von Mikrostrukturen erfordert spezielle Prozessführung

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Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

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Diese erzeugen thermisch bedingtes Positionsdriften zwischen Werkstück und Werkzeug, die sich bei der Mikrostrukturierung oft in variierenden Nuttiefen widerspiegeln. In Untersuchungen zur Langzeitstabilität von Ultrapräzisions-Zerspanungsprozessen sind verschiedene Einflüsse auf das Bearbeitungsergebnis identifiziert worden. Diese können in die Kategorien Umgebung, Maschine und Prozess eingeteilt werden.

Konstante Umgebungstemperatur für Ultrapräzisions-Drehmaschinen entscheidend

Grundsätzlich müssen Ultrapräzisions-Maschinen in einer klimatisierten Umgebung aufgestellt sein. Hierbei steigen die Anforderungen hinsichtlich der Temperaturstabilität mit der Dauer der Bearbeitungszeit. Dabei ist die absolute Temperatur weniger entscheidend als die Konstanz der Temperatur.

Maschinenseitig sind Wärmequellen wie Motoren, hydrostatische Führungen und Spindelsysteme zu berücksichtigen. Weiterhin produzieren Maschinensteuerungen und Schaltschränke Wärme und sollten an ein Kühlsystem angeschlossen oder außerhalb des klimatisierten Bereichs aufgestellt werden. Durch die Kontrolle der Öltemperatur in der Zufuhr für die hydrostatischen Schlittenführungen wird eine gleichmäßige Temperierung des Maschinenaufbaus und der Achsen erreicht.

Werkstückspindeln sind vorwiegend aerostatisch gelagert

Aufgrund der hohen Drehzahlen besitzen die Werkstückspindeln in Ultrapräzisions-Drehmaschinen vorwiegend aerostatische Lagerungen, die somit nicht von der Temperierung der hydrostatischen Achsen profitieren. In Versuchen ist gezeigt worden, dass eine derartige Spindel im ungekühlten Betrieb bis zum Erreichen einer Beharrungstemperatur (je nach Spindelaufbau) die axiale Position des Spannfutters (in Z-Richtung) ändert.

Dies bedeutet für den Mikrozerspanungsprozess, dass durch das sogenannte Wachsen der Spindel die Tiefen der zu fertigenden V-Nuten zunehmen. Entsprechend sind Warmlaufphasen mit der im Strukturierungsprozess notwendigen Drehzahl erforderlich, um eine Variation der Nuttiefe zu vermeiden.

Wärmequelle im Fast-Tool-Servosystem berücksichtigen

Bei der Fertigung von nicht rotationssymmetrischen Geometrien wird auch das Fast-Tool-Servosystem der Maschine zugerechnet. Als Wärmequelle im beschriebenen Fast-Tool-Servosystem ist vorwiegend der Piezoaktor zu berücksichtigen. Anhand von Temperaturmessungen ist nachgewiesen worden, dass das integrierte Dämpfungssystem nicht maßgeblich die Temperatur an der Werkzeugschneide beeinflusst.

Untersuchungen haben gezeigt, dass sich im Fast-Tool-Servosystem in Abhängigkeit von der Strukturierungsaufgabe rasch eine konstante Temperatur (maximal 10 K über Umgebungstemperatur) einstellt. Bei stärkeren Schwankungen der Belastung des Fast-Tool-Servosystems während einer Strukturierungsaufgabe kann der Fast-Tool-Servosystem über Kühlluftanschlüsse temperiert werden.

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