Mikrobearbeitung Mechanische Entkopplung ermöglicht Hochgeschwindigkeit für Kleinstformate

Die Mikrofertigung ist ein stark wachsender Markt. Um die Produktivität in der Mikrozerspanung zu erhöhen, sind neue Lösungen gefragt, weil klassische Maschinen durch ihr Schwingverhalten an ihre Grenzen stoßen. Eine Möglichkeit bietet die sogenannte Impulsentkopplung, bei der die Schwingungen zwischen Antrieb und Spindel mittels eines Schlittens gedämpft werden.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Charakteristisch für Bauteile der Mikrofertigung sind filigrane Strukturen auf komplexen Freiformoberflächen mit einer hohen Präzision der geometrischen Elemente (Bild 1). Individualisierte Produktionslösungen liefern den Schlüssel für eine effiziente und flexible Fertigung und stärken damit den Hochlohnstandort Deutschland.

Herkömmliche Systeme mit zu wenig Achsdynamik für Mikrofräser

Am Markt erhältliche hochpräzise Maschinensysteme für die Mikrofräsbearbeitung verfügen bei großem Bauraum und entsprechender Aufstellfläche nicht über die erforderliche Achsdynamik für die Mikrofräsbearbeitung. Um die Mindestspanungsdicke beim Einsatz filigraner Fräswerkzeuge mit 300 µm Durchmesser und weniger einhalten zu können, verlangt die mehrachsige Fräsbearbeitung nicht nur eine hohe Achsbeschleunigung, sondern vor allem einen hohen Achsruck, der die Änderung der Beschleunigung beschreibt.

Hohe Achsrucke über 250 m/s³ lassen sich mit konventionellen hochpräzisen Maschinen und ihren Antriebssystemen bisher nicht erreichen – eine Bearbeitung bei optimalen Prozessparametern ist damit nicht möglich und die Wirtschaftlichkeit der Fertigung leidet.

Massives Granitbett sorgt für eine hohe Steifigkeit der Fräsmaschine

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) hat vor diesem Hintergrund mit Unterstützung durch die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) (Förderkennzeichen: 13868N) eine kompakte, hochdynamische und ultrapräzise Fräsmaschine entwickelt, die bei einer Aufstellfläche von nur 1 m2 über lineare Direktantriebe in allen Maschinenachsen verfügt (Bild 2).

Grundlage für hohe Präzision am Bauteil ist eine optimierte Konstruktion, die auch beim Einsatz von Standardkomponenten Genauigkeiten im einstelligen Mikrometerbereich ermöglicht. Eine hohe thermische Stabilität erzielt das Fraunhofer-IPT bei der Maschine mit dem Namen Mini-Mill durch wassergekühlte Antriebe und durch ein Maschinenbett aus Granit.

Dieses weist sowohl einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 6,5 µm/K als auch besonders gute Dämpfungseigenschaften auf. Weil Granit außerdem fast keine Eigenspannungen besitzt, können Referenzflächen zur Aufnahme von Lagerungen bis hin zu höchsten Genauigkeiten von 1 µm/m langzeitstabil geläppt werden. Auf diese Weise lässt sich eine extrem hohe Grundgenauigkeit erzielen.

Hochgenaue Wälzlager tragen zur Präzision in der Mikrobearbeitung bei

In Kombination mit kompakten und hochgenauen Nadel-Wälzlagern konnte das Institut bei geringem Bauraum der Maschine auch den Einfluss von Abbéfehlern, einer Vergrößerung der Linearabweichung von der Verstellachse aufgrund der Ungenauigkeit der Führungsachse, minimieren. So gelang beispielsweise der Kompaktaufbau des Kreuztischs mit einem vertikalen Lagerabstand unter 100 mm trotz integrierter Entkopplungssysteme.

Dies verringert Stapelfehler und erhöht gleichzeitig die Systemsteifigkeit. Die Maschine verfügt über hochauflösende offene Linearmaßstäbe und wird über eine Siemens-840D-sl-Steuerung angesprochen.

Im Vordergrund bei der Entwicklung der Mini-Mill stand vor allem die Optimierung der dynamischen Maschineneigenschaften. Um hohe Bahngeschwindigkeiten auch beim Fräsen komplexer und filigraner Oberflächen aufrechtzuerhalten, sind höchste Achsrucke erforderlich. Dies lässt sich jedoch erst durch den Einsatz von Linearmotoren in Kombination mit einer neuen mechanischen Entkopplung der Antriebseinflüsse von der Maschinenstruktur erreichen.

In konventionellen Werkzeugmaschinen ist die theoretisch verfügbare Leistung der Antriebe durch die Ruckbegrenzung der Steuerung stark limitiert, um die geforderten Toleranzen einzuhalten. Das Potenzial hochdynamischer Direktantriebe wird aus diesem Grund bisher noch nicht ausgeschöpft.

Schlitten entkoppelt Impulse des Antriebs auf den Mikrofräser

Für die neue kompakte Fräsmaschine Mini-Mill entwickelt und integriert das Fraunhofer-IPT in einem ebenfalls von der AiF finanzierten Anschlussprojekt („Optimierung der dynamischen Bahngenauigkeit“, Förderkennzeichen: 237ZN) Impulsentkopplungssysteme für alle Maschinenachsen, die zur mechanischen Entkopplung der Antriebseinflüsse eingesetzt werden. Praktisch wird das durch den Einsatz von kleinen Schlitten erreicht, die den Impuls von Schlägen aufnehmen. Der Achsruck kann so deutlich auf mehr als 1000 m/s³ erhöht werden.

Anhand einachsiger Prüfstände wies das Fraunhofer-IPT in verschiedenen Projekten nach, dass sich der Achsruck bei gleicher Gestellanregung um den Faktor fünf steigern lässt. Neben dem Fraunhofer-IPT arbeiten Wissenschaftler des Friedrich-Wilhelm-Bessel-Instituts an einer Erfassung und Auswertung der Werkzeugbahn im Raum. Auf dieser Grundlage sollen später Werkzeugmaschinen ganzheitlich dynamisch optimiert werden.

Hochpräzise Achsinterpolation bei allen drei Antriebsachsen

Eine hochpräzise Achsinterpolation in allen drei Achsrichtungen erfordert gleiche dynamische Randbedingungen in allen drei Maschinenachsen. Die Beschleunigung ist dabei größer als die der Erdanziehung, um Schleppfehler bei hohen Bahngeschwindigkeiten zu reduzieren. Da im Achsverbund die langsamste Achse „den Ton angibt“, ist die vertikale Z-Achse nicht nur mit Direktantrieben und einem Entkopplungssystem ausgestattet, sondern nutzt zusätzlich einen Gewichtsausgleich, um den Einfluss der Gewichtskraft auf die Achsdynamik aufzuheben.

Um Störkräfte in allen Achsen zu minimieren, verfügen die Entkopplungssysteme über eine bewegliche Aufnahme des Sekundärteils der Linearmotoren auf einem eigenen Schlitten. Der Schlitten selbst wird durch speziell abgestimmte Feder-Dämpfer-Systeme an das Maschinenbett angekoppelt.

Dadurch unterscheidet sich das neue Maschinensystem deutlich von den heute verfügbaren Werkzeugmaschinen, bei denen die Sekundärteile starr mit dem Maschinenbett verbunden sind. Die Kommutierung der Linearmotoren wird normalerweise über das Positionsmesssystem der Achse aufrecht erhalten. Bei der Mini-Mill-Maschine wertet dagegen ein weiteres Messsystem in jeder Achse die Lage des Magnetteils zur Motorposition aus.

Entwicklungsziel bei der Fräsmaschine Mini-Mill waren nicht nur höchste Präzision am Bauteil und geringe Außenabmessungen der Maschine, sondern vor allem auch bis zu 20% reduzierte Bearbeitungshauptzeiten und damit höhere Produktivität. Weitere Nebeneffekte der höheren Bahngeschwindigkeit sind längere Werkzeugstandzeiten in Verbindung mit besseren Oberflächengüten am Werkstück.MM

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