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Werkzeug- und Formenbau Mit High-speed-Fräsen zum hoch legierten Stahleinsatz

| Autor / Redakteur: J. Schmütz, S. Krüger, M. Mallock, D. Schimpf und I. Timke / Peter Königsreuther

Die Zerspanung hochlegierter Stähle gilt unter Experten als nicht trivial. Doch sind diese etwa für robuste Spritzgießwerkzeuge und Formen unerlässlich. Wie man die Bearbeitung in den Griff bekommt und welche Grenzen bestehen untersucht ein Forscher-Team.

Bild 1: Formeinsatz aus hoch legiertem Stahl mit mikroskopisch kleinen Stegen, deren Geometrie mit einer besonderen Frässtrategie gefertigt wurde.
Bild 1: Formeinsatz aus hoch legiertem Stahl mit mikroskopisch kleinen Stegen, deren Geometrie mit einer besonderen Frässtrategie gefertigt wurde.
(Bild: Beuth Hochschule)

Hoch legierte korrosions- und säurebeständige Stähle finden Einsatz in der Medizintechnik, Lebensmittelverarbeitung und zunehmend auch bei der Fertigung von Verschleißteilen im Maschinenbau. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet dieser Stähle ist der Formenbau für das Spritzgießen. Die wirtschaftliche Bearbeitung ermöglicht hier das Hochgeschwindigkeitsfräsen bei großen Schnittgeschwindigkeiten und vergleichsweise kleinen Spanungsquerschnitten.

Eingelagerte Carbide verleihen dieser Werkstoffgruppe nach dem Härten eine große Verschleißfestigkeit. Aufgrund der enthaltenen Legierungselemente und feiner Korngrößen gelten diese Stähle jedoch in der spanenden Bearbeitung als besonders anspruchsvoll. Die Fertigung eines Spritzgießwerkzeugs für einen Mikrofluid-Chip zeigt hier einige technologische Potenziale und Grenzen dieser Fertigungstechnik [1].

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Bearbeitung über drei synchron bewegte translatorische Achsen

Mikrofluidische Reaktoren, sogenannte Lab-on-a-Chip Systeme, ermöglichen in der Medizintechnik die Simulation menschlicher Organsysteme im Labor [2, 3] und die Analytik von Flüssigkeiten. Die wirtschaftliche Massenproduktion dieser Kunststoffteile eröffnet das Spritzgießen mit Olefinpolymeren, die transparent sind und besonders wenig Flüssigkeit aufnehmen [4].

Eine besondere Herausforderung bei der Fertigung der benötigten Spritzgießwerkzeuge ist die exakte Herstellung feinster Stege, deren Negativgeometrie nach der Abformung die mikrofluidischen Kanäle des Kunststoffchips ergibt. Bild 2 zeigt die Geometrie des zu fertigenden Formwerkzeugs im 3D-Volumenmodell. Vier zylindrische Kammern sind hier verbunden durch Kanäle mit rechteckigen Querschnitten. Der größte Kanalquerschnitt beträgt 80 µm × 150 µm und der kleinste 50 µm × 50 µm. Das Werkzeug wird hier aus dem korrosionsbeständigen Stahl Böhler M340 Isoplast im ungehärteten Zustand gefertigt.

Bild 3 zeigt einen Formeinsatz im Arbeitsraum des Mikron HEM 500 U Fräsbearbeitungszentrums. Die Bearbeitung erfolgt unter Nutzung von drei synchron bewegten translatorischen Achsen der Werkzeugmaschine. Die beiden rotatorischen Achsen verfahren intermittierend (3+2-Bearbeitung).

Die Festlegung der Bearbeitungsstrategie wird unterstützt durch die Simulation in einem CAM-System. Aufgrund der feinen zu fertigenden Strukturen steht hier die Reduzierung der Prozesskräfte im Vordergrund, um plastische Deformationen und Gratbildung zu minimieren und die mikroskopischen Schneiden zu schonen.

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