Mikrozerspanung Strukturgrößen unter 10 µm wirtschaftlich mikrozerspanen

Untersuchungen zeigen, dass mit Mikrozerspanwerkzeugen mit Durchmessern über 7 µm komplexe Mikrostrukturen mit einer Strukturgröße unter 10 µm in einer Vielzahl von Materialien wie Titan, Silicium, Quarz, Hartmetall und gehärteten Stählen herstellbar sind.

Anbieter zum Thema

Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

OSWALD Elektromotoren GmbH

trivid GmbH

Die Mikrotechnik ist für die Miniaturisierung von mechanischen und elektronischen Bauteilen nicht mehr wegzudenken. Typische Produkte der Mikrotechnik sind Messnormale, Mikro-Abformwerkzeuge, chemische Mikroreaktoren, Mikrooptiken und Mikrofluidsysteme.

Serientaugliche Mikrozerspanung stellt hohe Anforderungen

Die serientaugliche Fertigung von hochpräzisen Mikrostrukturen stellt dabei hohe Anforderungen an die Bearbeitungsmaschine, das Bearbeitungswerkzeug, die Werkzeug- und Werkstückeinspannung sowie das Bearbeitungsverfahren. Am Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation (FBK) werden Maschinensysteme zur Herstellung und Anwendung von Mikrofräs- und Schleifwerkzeugen mit einem Durchmesser unter 20 µm entwickelt und aufgebaut. Mit diesen Anlagen ist es möglich, hochpräzise, ultrafeine Strukturen in schwer zerspanbaren Werkstoffen wie hochfeste Stählen, Titan und Keramiken spanend herzustellen.

Für die spanende Fertigung von Mikrostrukturen wurde eine Hochpräzisions-Bearbeitungsmaschine für den Einsatz von Mikroschaftwerkzeugen entwickelt (Bild 1 – siehe Bildergalerie). Diese Drei-Achs-Maschine ist auf einer schwingungsentkoppelten Granitbasis aufgebaut.

Maschinensystem ermöglicht eine Positioniergenauigkeit unter 0,1 µm

Das Zusammenspiel der hochgenauen Achsen, des installierten optischen Wegmesssystems mit einer Auflösung von unter 10 nm und des sehr kompakten Maschinensystems selbst ermöglicht eine Positioniergenauigkeit von unter 0,1 µm. Einen weiten Drehzahl- und Drehmomentbereich decken zwei verschiedene luftgelagerte Spindeln ab. Die Luftlagerspindel für Standardanwendungen liefert eine Drehzahl von 60000 min—1.

Bei der spanenden Bearbeitung mit Schaftwerkzeugen mit sehr kleinen Durchmessern werden allerdings sehr hohe Drehzahlen benötigt, um eine ausreichende Schnittgeschwindigkeit zu erreichen. Dafür wurde die in Bild 1 gezeigte Hochfrequenz-Luftlagerspindel mit einer maximalen Drehzahl von 450000 min—1 entwickelt. Bei dieser Hochfrequenz-Luftlagerspindel ist der Werkzeugschaft ein funktioneller Bestandteil der Spindellagerung, weil er direkt als Rotor verwendet wird.

Werkzeuge zur Mikrozerspanung ohne Werkzeugaufnahme und Werkzeugträger

Der Schaft fungiert als monolithischer Werkzeugträger für das Mikrowerkzeug, somit entfallen Werkzeugaufnahme und Werkzeugträger. Der Antrieb erfolgt über eine Druckluftturbine. Hohe Drehzahlen werden durch eine kleine Masse und ein damit verbundenes kleines Trägheitsmoment ermöglicht. Auf Wuchten kann aufgrund des geringen Formfehlers des Rotors verzichtet werden.

(ID:341818)