Fertigen von Mikrostrukturen erfordert spezielle Prozessführung

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Die thermischen Einflüsse aus dem Prozess ergeben sich vorwiegend aus der Minimalmengenschmierung. Über eine Sprühdüse wird der Prozess geschmiert und ein sicherer Späneabtransport gewährleistet. Eine zusätzliche Kühlung durch Verdunstung der Medien wird durch die Verwendung von Stoffen mit hohen Verdampfungstemperaturen, wie beispielsweise Isoparafinen, verhindert.

Sprühnebel kann Ultrapräzisionsdrehen deutlich beeinflussen

Nichtsdestotrotz kann Sprühnebel den Prozess über die Drucklufttemperatur deutlich beeinflussen, weil der komplette Bearbeitungsraum (Werkstück, Spannvorrichtungen und Werkzeug) kontaminiert wird. Messungen über längere Zeiträume haben ergeben, dass die Drucklufttemperatur an Werktagen deutlich im Tag-Nacht-Rhythmus zusammen mit der Raumtemperatur schwankt (1 bis 1,5 K).

Ein bessere Konstanz wird an Tagen mit geringerem Betrieb erreicht. Darin zeigt sich auch der Faktor Mensch, der über seine Körperwärme auch die Umgebung und die Maschine beeinflusst.

Als Maßnahmen aus den Erkenntnissen der Untersuchungen ergeben sich vorwiegend Warmlaufphasen kritischer Komponenten (Spindel und Fast-Tool-Servosystem), bevorzugt über Nacht vor der Fertigung. Zusätzlich muss vor der Definition der Werkzeugposition in Bezug auf die Werkstückoberfläche die Minimalmengenschmierung eingeschaltet sein, damit Bauteil und Werkzeughalterung entsprechend temperiert sind.

Bearbeitungszeit konnte um 50% reduziert werden

Zum Nachweis der Wirkung der Maßnahmen wurden entsprechende Langzeitbearbeitungsversuche durchgeführt, bei denen verschiedene Temperaturen aufgezeichnet und anschließend mit den resultierenden Nuttiefen auf dem Werkstück ins Verhältnis gesetzt wurden.

Bild 3 zeigt ein strukturiertes Bauteil mit zwei gleich strukturierten Bereichen, die jeweils als Mastergeometrie für die Replikation verwendet werden. Die Abmessungen betragen etwa 30 mm × 30 mm. Die Bearbeitungszeit umfasste rund 23 h und wurde durch Optimierungen am Fast-Tool-Servosystem deutlich reduziert. Das bessere Folgeverhalten des Fast-Tool-Servosystems wurde durch Optimierungen in der Reglergestaltung sowie durch die Integration einer Dämpfungseinheit bewirkt. Somit konnte die Drehzahl von 20 mit herkömmlichen Systemen auf 40 min^–1 verdoppelt werden. Dieses reduzierte die Bearbeitungszeit um 50%.

Nuttiefen beim Ultrapräzisionsdrehen nach der ersten Phase sehr konstant

Die Versuchsauswertung hat ergeben, dass die Nuttiefen und Temperaturen nach einer ersten Phase sehr konstant sind. Die Nuttiefen variieren bis auf den Start in einem Bereich von ±0,2 µm (Messungen in Aufsicht mit Lichtmikroskop).

Die Abweichungen zu Beginn der Fertigung sind in den Temperaturschwankungen in der Klimakammer zu suchen. Nach Abschluss der Warmlaufphase erfolgt das Definieren der Werkzeugnullposition durch den Werker, der wiederum Wärme in das bereits beruhigte System einbringt.

Die Temperaturverläufe zeigen auch den Einfluss der Minimalmengenschmierung, deren Temperatur um 1 K geringer ist als die der Maschinenumgebung. Dies bedeutet, dass zunächst ein starkes Abkühlen des Werkstücks erfolgt, wenn keine Temperierung vor der Fertigung erfolgt.

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Mitglied des Direktoriums des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie in Aachen; Dr.-Ing. Christian Wenzel ist Oberingenieur im Bereich Produktionsmaschinen; Dipl.-Ing. Arne Matrose und Dipl.-Ing. Frank Niehaus sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut. Die Autoren danken dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Forschungszentrum Karlsruhe, Bereich Produktion und Fertigungstechnologien (PTKA-PFT) für die Förderung und Betreuung des Forschungsvorhabens Eranet-Opticalstruct.

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