Simulationsgestützte Entwicklung von Mikrofräswerkzeugen erhöht Prozessstabilität

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wbk Institut für Produktionstechnik Universität Karlsruhe (TH)

Die simulationsgestützte Entwicklungsarbeit wurde begleitet durch die prototypische Fertigung der Werkzeuge, um diese in anschließenden Fräsversuchen zu validieren und somit die Ergebnisse aus der Simulation zu belegen. Die Fertigung der Fräser wurde mittels Erodieren realisiert.

Erodieren bietet für die Mikrofräser-Herstellung deutliche Vorteile

Das Verfahren besitzt wesentliche Vorteile, die es für diese Bearbeitung prädestinieren. Das Verfahren ist nicht durch die Härte des Werkstückmaterials beschränkt. Dies ermöglicht die Bearbeitung von beispielsweise Hartmetall, aus dem die Fräser gefertigt wurden. Darüber hinaus gilt das Erodieren als ein nahezu prozesskraftfreies Verfahren, was die Erzeugung von äußerst exakten Strukturdetails und hohen Aspektverhältnissen ermöglicht [5].

Weil es sich bei der Fräserherstellung um die Erzeugung einer Außenkontur, ausgehend von einem zylinderförmigen Fräserrohling, handelt, wurde die Verfahrensvariante Drahterodieren ausgewählt [6 und 7]. Die Erosion findet dabei an einer ablaufenden Drahtelektrode statt.

Durch die stetige Erneuerung des Drahtes wird gewährleistet, dass der während der Erosion prozessbedingt auftretende Elektrodenverschleiß kompensiert wird. Dies ist von zentraler Bedeutung, da eine hohe Maßhaltigkeit und Wiederholgenauigkeit eine Grundvoraussetzung für das Gelingen des Fertigungsprozesses ist [8].

Mikrofräser für Versuchsreihe auf Erodiermaschine Sarix SX100 produziert

Die Werkzeuge wurden auf einer Erodiermaschine Sarix SX100 hergestellt, die speziell für hochpräzise Anforderungen entwickelt wurde. Zur Gewährleistung eines stabilen Erosionsprozesses wurde ein Drahtdurchmesser von 100 µm verwendet. Begleitend zu dieser Entwicklungsarbeit wurden trapezförmige Stichelgeometrien hergestellt, um Kraftmessungen bei unterschiedlichen Spanwinkeln durchführen zu können.

Eine wesentlich größere Fertigungsaufgabe war an dieser Stelle die Erzeugung der spiralisierten Geometrie des entwickelten Mikrofräswerkzeuges. Zu deren Herstellung wurden zylinderförmige Hartmetallrohlinge (EMT 100) verwendet, die einen Schaftdurchmesser von 3 mm aufwiesen. Diese Vorgabe resultierte aus der verwendeten SK-10-Spannzange an der Mikrofräsmaschine.

Drahterodier-Bearbeitung der Mikrofräser in drei Prozessschritten

Die Drahterodier-Bearbeitung der Mikrofräser gliederte sich in drei Prozessschritte. In einem ersten Schritt wurde die spiralförmige Geometrie der Schneide durch Senkerodieren an einer extra angefertigten Formelektrode hergestellt, weil Hinterschnitte nicht durch das Drahterodieren erzeugt werden können. Dieser Vorgang beinhaltete eine gleichzeitige Rotations- und Translationsbewegung während der Erosion. Danach folgte die Herstellung der Nebenfreifläche mittels einer zweiachsigen Bearbeitung am Draht. Im letzten Bearbeitungszyklus wurde die schneckenförmige Grundgeometrie erzeugt (Bild 3).

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