Mikrofräsen filigraner Strukturen in Formeinsätzen

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Mikron Switzerland AG, Division Tool

TU Dortmund Institut für Spanende Fertigung

Insgesamt stellt das Mikrofräsen ein geeignetes Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Bauteile aus Stahl dar. Die Miniaturisierung des konventionellen Fräsprozesses wirft jedoch zahlreiche, nach wie vor offene Probleme auf, die zu berücksichtigen sind. Beispielsweise können der zunehmende Einfluss des Schneidkantenradius bei einer Verringerung von Werkzeugdurchmesser und Spanungsdicke sowie die abnehmende Werkzeugsteifigkeit nicht vernachlässigt werden.

Bearbeitungsparameter und Werkzeugabdrängung beim Herstellen von Mikro-Formeinsätzen berücksichtigen

Das Ergebnis des Bearbeitungsprozesses wird neben der eingesetzten Maschine, den Werkzeugen und dem Werkstoff vor allem auch durch die Prozessparameter wie Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe und Zahnvorschub beeinflusst. Dieser Artikel fokussiert sich auf zwei wesentliche Aspekte bei der Herstellung von Formwerkzeugen mit filigranen Strukuren, die Bearbeitungsparameter und die Werkzeugabdrängung.

Zur Herstellung mikrostrukturierter Bauteile ist häufig die Verwendung kleiner Werkzeugdurchmesser (d < 1 mm) erforderlich. Herstellungsbedingt kann die Schneidkante dieser Werkzeuge nicht beliebig scharf gestaltet werden.

Sehr dünne Mikrowerkzeuge oft mit geringen Spanungsdicken

Unabhängig vom Werkzeugdurchmesser liegt der Radius der Schneidkante für beschichtete Werkzeuge zwischen 2 und 6 µm. Um eine unzulässig hohe Belastung der Schneide zu verhindern, werden insbesondere für sehr kleine Werkzeugdurchmesser (d < 0,5 mm) oft so geringe Spanungsdicken verwendet, dass diese nur unwesentlich größer als der Schneidkantenradius sind.

Bei einem großen Verhältnis von Schneidkantenradius rβ zur Spanungsdicke h besteht die Gefahr des Auftretens von Ploughing-Effekten, das heißt Teile des Materials werden unter plastischer Verformung zwischen Schneide und Material hindurchgequetscht. Darüber hinaus kann es insbesondere bei der Bearbeitung von gehärtetem Material zu erheblichen verschleißbedingten Veränderungen an der Schneidkante kommen, die ebenfalls das Entstehen von Ploughing-Effekten begünstigen und die Bearbeitungsqualität verringern [3].

Werkzeugwechsel während der Mikrobearbeitung vermeiden

Im Rahmen eines Forschungsprojektes sollen Formwerkzeuge mit filigranen Strukturen für ein neu zu entwickelndes Umformverfahren gefertigt werden. Es ist erforderlich, die Formwerkzeuge aus einem Schnellarbeitsstahl und einem Kaltarbeitsstahl mit hoher Härte (> 60 HRC) herzustellen.

Um eine möglichst hohe Fertigungsgenauigkeit und Oberflächengüte zu erreichen, müssen Werkzeugwechsel während eines Bearbeitungsschrittes vermieden werden, da diese sichtbare Spuren auf der Oberfläche des Bauteils hinterlassen und die Genauigkeit verringern. Daraus leitet sich die Forderung nach einer entsprechend hohen Werkzeugstandzeit ab. In den im Folgenden vorgestellten ersten Untersuchungen wurde die Bearbeitung des Schnellarbeitsstahls HS6-5-2C (63 HRC) analysiert.

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