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Erodieren Mikrofunkenerosion ergänzt Verfahren zur Mikrostrukturierung von Formen

| Autor / Redakteur: Eckart Uhlmann und Markus Röhner / Bernhard Kuttkat

Die Mikrofunkenerosion ist eine wirtschaftlich und technisch sinnvolle Ergänzung zu den heutigen Verfahren zur Mikrostrukturierung. Insbesondere beim Herstellen von Abformwerkzeugen aus verschleißfesten Werkstoffen erschließen die neuartigen Verfahren neue Anwendungsfelder. Mit der Entwicklung und Integration der Verfahrensvarianten wird das Anwendungsspektrum der Mikrofunkenerosion wachsen.

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Für die Mikro- strukturierung hochverschleißfester Werkstücke ist außer der Schleifbearbeitung und der Bearbeitung mit Laserstrahl die funkenerosive Bearbeitung eine mögliche Alter- native. Bild: IWF
Für die Mikro- strukturierung hochverschleißfester Werkstücke ist außer der Schleifbearbeitung und der Bearbeitung mit Laserstrahl die funkenerosive Bearbeitung eine mögliche Alter- native. Bild: IWF
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Mikrobearbeitung von Werkstücken aus funktionalen hochharten Materialien verbindet die Schwierigkeit der begrenzten Bearbeitbarkeit durch spanende Fertigungsverfahren mit den Herausforderungen einer hohen Genauigkeit und engen Bauteiltoleranzen bei der Fertigung von Mikrostrukturen. Industrielle Anwendung finden mikromechanische Bearbeitungsverfahren hauptsächlich für die Herstellung von mikrostrukturierten Abformwerkzeugen in Form von Walzen, Heißformprägewerkzeugen und Mikrospritzgießformeinsätzen.

Für die Mikrostrukturierung hochverschleißfester Werkstücke ist außer der Schleifbearbeitung und der Bearbeitung mit Laserstrahl die funkenerosive Bearbeitung eine mögliche Alternative. Ihre Einsetzbarkeit leitet sich aus dem thermischen Wirkprinzip ab, das eine annähernd prozesskräftefreie Bearbeitung unabhängig von den mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes ermöglicht.

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Verfahrensvarianten der Mikrofunkenerosion sind aufgrund der großen geometrischen Gestaltungsfreiheit und der hohen Bearbeitungsgenauigkeit für die Mikrobearbeitung von funktionalen Werkstoffen wie hochlegiertem Stahl, Hartmetall und leitfähiger Keramik prädestiniert.

Feinschlichtgeneratoren für die Mikrobearbeitung

Der Begriff Mikrofunkenerosion leitet sich aus der Anwendung der Funkenerosion für die Fertigung von Mikrobauteilen und -strukturen ab und umschreibt die technologische und maschinentechnische Modifizierung funkenerosiver Verfahrensvarianten für die Mikrofertigung [1]. Die Größenordung der zu bearbeitenden Strukturen bei der Mikrofunkenerosion liegt deutlich unter einem Millimeter.

Weil Mikrobauteile und -strukturen durch sehr kleine Bauteilvolumina charakterisiert sind, müssen die Bearbeitungsparameter der thermischen Belastungsgrenze der Bauteilstrukturen angepasst werden. Deshalb ist ein Hauptmerkmal der Mikrofunkenerosion neben dem Einsatz von miniaturisierten Elektroden die gegenüber der konventionellen Funkenerosion geringere Entladeenergie unterhalb von We = 100 µJ pro Einzelentladung.

Generatoren können minimale Entladeenergien für das Erodieren erzeugen

Moderne Funkenerosionsmaschinen verfügen außer den stromgeregelten Standardgeneratoren für die Hochleistungsbearbeitung über Feinstschlichtgeneratoren, so genannten Relaxationsgeneratoren, für die Mikro- und Oberflächenfeinbearbeitung. Diese auf Kondensatoren basierenden Mikrogeneratoren können mit minimalen Arbeitsströmen von Ie = 0,1 A, bei Entladedauern von te = 50 ns, minimale Entladeenergien bis We = 0,1 µJ pro Einzelentladung erzeugen [2 und 3].

Die daraus resultierenden minimalen Funkenspaltweiten liegen bei s = 1,5 µm. Die minimal erzeugbaren Strukturabmessungen liegen derzeit unter Anforderung reproduzierbarer Herstellbarkeit bei etwa 15 µm. Japanischen Forschern ist es gelungen, in 10 µm-dünnen Stahlfolien Mikrolöcher mit einem Durchmesser von d = 5 µm zu erzeugen [4]. In Abhängigkeit der zu fertigenden Struktur sind für die Mikrofunkenerosion Verfahrensvarianten entwickelt wurden, deren Möglichkeiten und Grenzen im Folgenden näher erläutert werden.

Funkenerosives Schneiden hat sich etabliert

Das funkenerosive Schneiden (WEDM = Wire Electrical Discharge Machining) ist ein etabliertes Verfahren in der Mikrotechnik. Durch den Einsatz von Feinstdrahtelektroden mit einem minimalen Durchmesser bis d = 20 µm können kleinste Innenradien und Schnittspaltweiten unter s = 40 µm erzeugt werden. Durch den Einsatz von Mehrschnittstrategien kann, unter Berücksichtigung eines sich vergrößernden Schnittspaltes, die Oberflächenrauheit auf Werte unter Ra = 0,1 µm reduziert werden.

Um eine ausreichende mechanische und thermische Stabilität zu gewährleisten, werden üblicherweise Wolframdrähte oder beschichtete Stahldrähte mit einer Zugfestigkeit oberhalb Rm = 2000 N/mm² eingesetzt. Dabei begrenzt die thermische und mechanische Stabilität der Drahtelektroden die maximale Höhe der zu strukturierenden Bauteile.

Keine koaxiale Spülung des Arbeitsspaltes

Darüber hinaus wird bei der Mikrodrahterosion die koaxiale Spülung des Arbeitsspaltes reduziert oder vollständig darauf verzichtet. Diese Maßnahmen sollen Schwingungen der Drahtelektrode und die damit verbundene Verminderung der Fertigungsgenauigkeit und Verschlechterung der Oberflächengüte verhindern. Der Anwendungsbereich der Mikrodrahterosion umfasst außer der Primärstrukturierung mikrotechnischer Produkte, wie Zahnräder für Mikrogetriebe oder Bauteilen der minimal-invasiven Chirurgie, besonders die Strukturierung von Abformwerkzeugen, Mikrostanzwerkzeugen und Ziehdüsen. Bild 1 zeigt ein drahterosiv gefertigtes Stanzwerkzeug für die Massenfertigung von Mikrozahnrädern.

Für die Fertigung von Mikrospritzguss- und Prägewerkzeugen (Bild 2) zur Serienfertigung mikrotechnischer Bauteile wird bislang hauptsächlich die Mikrosenkerosion mit strukturierten Formelektroden eingesetzt. Limitierend für die herstellbaren Strukturgrößen ist dabei oftmals nicht der Prozess der Senkerosion, sondern die Herstellung der Formelektroden, weil diese durch Drahterosion, Mikrofräsen oder LIGA-Technik technologisch sehr aufwendig, werkstoffabhängig und kostenintensiv ist. Darüber hinaus ist die Handhabung und Positionierung der Formelektroden in Bezug zum Werkstück um Lageabweichungen oder Beschädigungen am Werkstück zu vermeiden schwierig und zeitaufwendig.

Möglichst viele Erodier-Varianten in einer Werkzeugmaschine

Ein Ansatz, um die genannten Hindernisse bezüglich Handhabung und Positionierung der Formelektroden zu umgehen, ist die Integration möglichst vieler funkenerosiver Verfahrensvarianten in einer Werkzeugmaschine. Zusätzlich zur Reduzierung von Nebenzeiten werden dadurch Positionsabweichungen infolge von Umspannvorgängen vermieden.

Ein Beispiel für eine solche Integration verschiedener Verfahrenvarianten ist die Kombination des funkenerosiven Bohrens mit der Drahterosion rotierender Werkstücke. Das funkenerosive Feinbohren ist ein Spezialfall der Senkerosion mit rotierenden Stiftelektroden zur Erzeugung rotationssymmetrischer Bohrungen und Durchbrüche und wird industriell für die Herstellung von Einspritzdüsen und Kühlbohrungen in Turbinenschaufeln eingesetzt.

Bei der Fertigung von sehr kleinen Bohrungen mit Durchmessern unter d = 50 µm können in der Regel keine konventionellen Stiftelektroden eingesetzt werden. Stattdessen müssen die erforderlichen Stiftelektroden durch funkenerosives Abrichten hergestellt werden.

Drahterodieren als Alternative zum Abrichten

Außer dem Abrichten an einer Blockelektrode kann die Drahterosion (WEDD = Wire Electrical Discharge Dressing) angewendet werden, wobei die Stiftelektrode als Werkstück an einer, in der Senkerodieranlage integrierten, Drahtabzugseinheit abgerichtet wird. Zusätzlich zum Abrichten von Stiftelektroden können auch Scheibenelektroden für das Strukturieren von rotationssymmetrischen Mikrobauteilen und Abformwerkzeugen abgerichtet werden.

Diese neuartige Verfahrensvariante ist die bahnerosive Bearbeitung eines rotierenden Werkstückes mit einer rotierenden Scheibe als Werkzeugelektrode (Bild 3) in Anlehnung an die Kinematik des Rundschleifens (CEDG = Cylindrical Electrical Discharge Grinding). Aufgrund der mit dieser Verfahrensvariante erreichbaren hohen Relativgeschwindigkeit zwischen den beiden rotierenden Elektroden lassen sich hohe Oberflächengüten erzeugen sowie insbesondere großvolumige Bauteile gut mikrostrukturieren.

Mehrere Verfahrensvarianten stehen zur Verfügung

Eine weitere Verfahrensvariante zur Strukturierung rotationssymmetrischer Bauteile ist die Mikrodrahterosion mit rotierendem Werkstück (WEDG = Wire Electrical Discharge Grinding). Diese Verfahrensvariante (Bild 4) kann entweder in einer Drahterodieranlage mit integrierter Rotationsspindel oder in einer Senkerodieranlage mit integrierter Drahtabzugseinheit (Bild 3), ähnlich dem WEDD, ausgeführt werden. Die dritte Verfahrensvariante ist die Senkerosion mit rotierendem Werkstück und stationärer Formelektrode (EDT = Electrical Discharge Turning).

Im Vergleich zum CEDG lassen sich die Werkzeugelektroden für den EDT-Prozess wesentlich einfacher strukturieren, so dass mit dieser Verfahrensvariante geometrisch komplexere Mikrostrukturen erzeugt werden können. Typische Bauteilbeispiele sind miniaturisierte Auswerferstifte für Mikrospritzgießwerkzeuge, Mikrostanzwerkzeuge, taktile Mikrotaster oder Wellen von mikromechanischen Antriebssystemen. Darüber hinaus können ebenfalls rotationssymmetrische Stift- und Scheibenelektroden für die Mikrobahnerosion mit den genannten Verfahren abgerichtet oder strukturiert werden (Bild 5).

Erodieren mit Stiftelektroden im Kommen

Die Mikrobahnerosion mit rotierenden Stiftelektroden (ED-Milling) stellt eine alternative Verfahrensvariante zur Mikrosenkerosion dar. Sie ist gekennzeichnet durch den Einsatz einer Stiftelektrode, mit der entsprechend dem Stirn-Umfangs-Fräsen nahezu beliebige dreidimensionale Konturen erzeugt werden können. Derzeit können Stiftelektroden mit einem minimalen Durchmesser von d = 50 µm eingesetzt werden. Die Mikrobahnerosion weist im Vergleich zur Mikrosenkerosion spezifische Verfahrensvorteile auf, die diese Verfahrensvariante insbesondere für den Einsatz in der Mikrobearbeitung prädestinieren.

Durch den Einsatz von geeigneten Bahnsteuerungsalgorithmen, adaptiven Vorschubregelstrategien und Verschleißkompensationstechniken kann eine sehr hohe Geometriekomplexität erreicht werden. Die Relativbewegung der Werkzeugelektrode führt zu vergleichsweise guten Spülbedingungen, die sich wiederum positiv auf den Wirkungsgrad und die erreichbaren Oberflächengüten auswirken [5 und 6]. Industrielle Anwendungsfelder der Mikrobahnerosion sind die Herstellung von Spinndüsen und das Strukturieren von großflächigen Abformwerkzeugen, bei denen die Draht- und Senkerosion aufgrund der maschinellen und technologischen Anforderungen, die sich aus den Strukturgrößen und den Elektrodenabmessungen ergeben, an ihre Verfahrensgrenzen stoßen.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Eckart Uhlmann ist Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin; Dipl.-Ing. Markus Röhner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut. Weitere Informationen: Markus Röhner, 12489 Berlin, Tel. (0 30) 63 92-51 05, roehner@iwf.tu-berlin.de

Literatur:

[1] Gruber, H. P., u.a.: Komponenten für µSysteme durch die µEDM? In: MicroEngineering ‚97, Stuttgart: Stuttgarter Messe- und Kongressgesellschaft mbH 1997.

[2] Uhlmann, E., U. Doll, und S. Piltz: Anwendung funkenerosiver Verfahrensvarianten für die Herstellung feinst- und mikrostrukturierter Formwerkzeuge. EDM-Funkey,1/2001.

[3] Michel, F., und andere: EDM for micro fabrication - technology and applications. In: Proceedings International Seminar on Precision Engineering and Micro Technology: Aachen: RWTH Aachen 2000.

[4] Masaki, T., und andere: Micro Electro-Discharge Machining. Proceedings of 9th International Symposium on Electromachining (ISEM IX), Nagoya/Japan. München: Elsevier-Verlag 1989.

[5] Yu, Z., T. Masuzawa, und M. Fujino: 3D Micro-EDM with Simply Shape Electrode. International Journal of Electrical Machining 3/1998, S. 7-12 und 71-78.

[6] Zhao, W., und andere: Researching of ED-Milling in the Process of Small Cavity. Proc. of 14th International Symposium on Electromachining (ISEM XIV), Edinburgh/Großbritannien. München: Elsevier-Verlag 2004.

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