Spanende Fertigung Winzlinge auf dem Vormarsch

Fortschritte beim Senk- und Drahterodieren von mikrostrukturierten Bauteilen. Innovative Produktentwicklungen im Bereich der Mikrosystemtechnik erfordern zunehmend die Miniaturisierung und...

Anbieter zum Thema

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

Renishaw GmbH

AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

Innovative Produktentwicklungen im Bereich der Mikrosystemtechnik erfordern zunehmend die Miniaturisierung und Integration herkömmlicher mikromechanischer, mikrooptischer und mikroelektronischer Bauteile. Ein Beispiel dafür ist die Miniaturisierung der digitalen Fototechnik. Der stetig wachsende Bedarf an mikrosystemtechnischen Produkten trägt deshalb exponentiell zum Wachstum des Bedarfes an mikromechanischen Bauteilen bei. Dadurch steigen auch die Anforderungen an die Fertigungstechniken stetig an. Verstärkt besteht die Notwendigkeit, Verfahren und Techniken zur Herstellung von Mikrostrukturen und -bauteilen zu entwickeln.Die Mikrobearbeitung von Werkstücken aus funktionalen hochharten Werkstoffen verbindet die Schwierigkeit der begrenzten Zerspanbarkeit mit den Herausforderungen einer hohen Genauigkeit und engen Bauteiltoleranzen bei der Fertigung von Mikrostrukturen. In der industriellen Fertigung werden mikromechanische Bearbeitungsverfahren hauptsächlich für die Herstellung von mikrostrukturierten Abformwerkzeugen in Form von Walzen, Mikrospritzgießformeinsätzen oder Heißformprägewerkzeugen benötigt. Für die Strukturierung hochverschleißfester Werkstücke ist außer der Schleifbearbeitung und der Bearbeitung mit Laserstrahlverfahren die funkenerosive Bearbeitung eine mögliche Alternative. Verfahrensvarianten der Funkenerosion, insbesondere die Senkerosion mit Mikroformelektrode und die Mikrodrahterosion, sind aufgrund ihrer Verfahrenscharakteristik für die Mikrobearbeitung von mechanischen Komponenten eines Mikrosystems oder eines mikrostrukturierten Abformwerkzeugs prädestiniert. Sie operieren unabhängig von den mechanischen Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials und sind nahezu prozesskräftefrei, wodurch sehr kleine Strukturen erzeugbar sind [1 und 2].Der Begriff Mikrofunkenerosion (Micro Electrical Discharge Machining, kurz µ-EDM) leitet sich aus dem Einsatz der Funkenerosion für die Fertigung von Mikrobauteilen und -strukturen ab und umschreibt die technische und maschinentechnische Modifizierung funkenerosiver Verfahrensvarianten für die Mikrobearbeitung. Die Größenordnung der bearbeiteten Konturelemente bei der Mikrofunkenerosion liegt deutlich unter einem Millimeter. Die Mikrofunkenerosion unterscheidet sich von der traditionellen Funkenerosion außer dem Einsatz miniaturisierter Werkzeugelektroden in erster Linie durch die Generator- und Prozessparameter, die an die Anforderungen der Mikrostrukturierung angepasst sind. Weil Mikrobauteile durch sehr kleine Bauteilvolumina charakterisiert sind, müssen die Bearbeitungsparameter der thermischen Belastungsgrenze der Bauteilstrukturen angepasst werden. Dies bedeutet in erster Linie die Reduzierung der elektrischen Entladeenergie und der Stromdichte.Moderne Funkenerosionsmaschinen verfügen neben den stromgeregelten Standardgeneratoren für die Hochleistungsbearbeitung zusätzlich über Relaxationsgeneratoren für die Mikro- und Oberflächenfeinbearbeitung. Diese auf Kondensatoren basierenden Mikrogeneratoren können in Abhängigkeit von den Entladungskapazitäten und Streukapazitäten der elektrischen Übertragungsstrecke minimale Entladeenergien bis 0,1 µJ pro Einzelentladung bei minimalen Arbeitsströmen von 0,1 A, Entladedauern bis 50 ns und Impulsfrequenzen bis 10 MHz erzeugen. Daraus resultieren extrem kleine Funkenspaltweiten bis minimal 1,5 µm. Die minimal erreichbaren Strukturabmessungen liegen derzeit unter Anforderung reproduzierbarer Herstellbarkeit bei etwa 20 µm. Japanischen Forschern ist es sogar gelungen, Mikrolöcher mit einem Durchmesser von nur 5 µm in 10 µm-dünne Stahlfolien funkenerosiv zu erzeugen [3]. Sie nutzen dabei ausschließlich die Streukapazitäten, die aus den elektrischen Leitungen und dem Werkstückspannsystem resultieren und weniger als 10 pF betragen. In Mikroerosionsmaschinen dürfen nur sehr kleine Streukapazitäten auftreten, die zum Beispiel durch keramische Spannsysteme, elektrisch abgeschirmte Übertragungsleitungen und Generatorkarten, die räumlich dicht bei der Werkzeugelektrode angeordnet sind, erreicht werden. Mikroerodiermaschine im TischformatEine weitere Anforderung an die Mikrofertigung ist die Einhaltung engster Bauteiltoleranzen im Bereich weniger Mikrometer. Daraus leitet sich der Bedarf nach Werkzeugmaschinen ab, die eine hohe Positioniergenauigkeit der Antriebssysteme, hochauflösende Wegmesssensoren, schwingungsarme Gestellkomponenten sowie eine hohe thermische Langzeitstabilität aufweisen. Moderne Draht- und Senkerodiermaschinen können Positioniergenauigkeiten von ±2 µm und besser in den Achsen erreichen. Der Schweizer Erodiermaschinenhersteller Agie hat eine zukunftsweisende Mikroerodiermaschine im Tischformat auf der Basis von parallel gekoppelten Festkörpergelenken und Voice-Coil-Motoren entwickelt (Bild 2), mit der sich Positioniergenauigkeiten im Bereich von wenigen Nanometern erreichen lässt [4].Ein anderer Trend verfolgt das Ziel, möglichst viele funkenerosive Verfahrensvarianten in einer Werkzeugmaschine zu integrieren. Daraus resultiert der Vorteil, aufwän-dige Umspannvorgänge von Werkstück oder Werkzeugelektrode zu vermeiden. Dies führt nicht nur zu weniger Einrichtaufwand für den Maschinenbediener, sondern verhindert insbesondere Positionsabweichungen durch Spannoperationen. Begünstigt wird die Integrationsstrategie durch den Aspekt, dass die technischen Randbedingungen in Bezug auf Auswahl eines Dielektrikums und Einstellung der Generatorparameter für alle Verfahrensvarianten im Fall der Mikrobearbeitung nahezu identisch sind. Forschungsarbeiten haben beispielsweise gezeigt, dass deionisiertes Wasser mit einer elektrischen Leitfähigkeit von 1 µS/cm aufgrund der niedrigen Viskosität und der im Vergleich zu Öl geringeren elektrischen Durchschlagfestigkeit für den Einsatz bei extrem kleinen Spaltweiten bevorzugt einsetzbar ist. Eine zweite technologische Übereinstimmung ist die kathodische Polung der Werkzeugelektrode zur Verschleißminderung aufgrund der sehr kleinen Entladedauern. Ein Beispiel für die Integration von mikrofunkenerosiven Verfahrensvarianten in einer Werkzeugmaschine ist die Kombination des funkenerosiven Bohrens mit der Drahterosion rotierender Werkstücke. Bei der Fertigung von sehr kleinen Bohrungsdurchmessern kleiner 100 µm können in der Regel keine Stiftelektroden „von der Stange“ eingesetzt werden. Stattdessen müssen die erforderlichen Stiftdurchmesser durch funkenerosives Abrichten erzeugt werden. Außer dem Abrichten an einer Opferelektrode aus Hartmetall kann die Drahterosion (Wire Electrical Discharge Dressing, WEDD) angewendet werden, wobei die Stiftelektrode die Rolle des Werkstücks übernimmt. Dazu wird in die Senkerodiermaschine eine zusätzliche Drahtabzugseinheit integriert. Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, auf einen zusätzlichen Spannvorgang verzichten zu können, wodurch eine sehr hohe Positioniergenauigkeit erreicht wird. Es können sowohl rotationssymmetrische und prismatische Elektroden hergestellt als auch mikromechanische Bauteile, beispielsweise Sonderbauformen von Mikrofräswerkzeugen, primärstrukturiert werden.Die Herstellung von Elektroden ist sehr aufwändigFür die Fertigung von Mikrokavitäten, die zum Beispiel als Formnester für Präge- oder Spritzgießwerkzeuge eingesetzt werden, wird bislang hauptsächlich die Mikrosenkerosion eingesetzt. Der Einsatz dieser Verfahrensvariante wirft jedoch bei zunehmender Miniaturisierung der Werkzeugelektroden auf Grund wirtschaftlicher und technischer Defizite Probleme auf, weil die Herstellung von Formelektroden durch Mikrofräsen oder LIGA-Technik technisch sehr aufwändig, werkstoffabhängig und in der Regel sehr kostenintensiv ist. Darüber hinaus ist die Handhabung und Positionierung der Formelektroden in Bezug zum Werkstück schwierig und zeitaufwändig, wobei die Gefahr von Lageabweichungen und Beschädigung der Mikrostrukturen an der Formelektrode besteht.Eine alternative Verfahrensvariante zur Fertigung von Mikrokavitäten durch Senkerosion besteht in der Mikrobahnerosion mit rotierender Stiftelektrode (ED-Milling). Kennzeichnend für diese Verfahrensvariante ist der Einsatz einer Stiftelektrode, mit der durch eine dem Stirn-Umfangs-Fräsen vergleichbare Kinematik eine dreidimensionale Struktur erzeugt werden kann (Bild 4). Im Vergleich zur Mikrosenkerosion weist das ED-Milling spezifische Verfahrensvorteile auf, die diese Verfahrensvariante insbesondere für den Einsatz im Bereich der Mikrotechnik prädestinieren. Mit einer geeigneten 5-Achsen-Steuerung, die sowohl adaptive Vorschubregelstrategien als auch Verschleißkompensationsalgorithmen enthält, kann eine sehr hohe Geometriekomplexität erreicht werden. Durch die Relativbewegung der Werkzeugelektrode sowie durch die „offene“ Kontur sind im Vergleich zur Senkerosion gute Spülbedingungen im Arbeitsspalt gewährleistet, die sich wiederum auf den Wirkungsgrad, den Elektrodenverschleiß und die erreichbare Oberflächengüte positiv auswirken. Außerdem werden durch den Einsatz von Stiftelektroden die Kosten für die Elektrodenvorbereitung erheblich gesenkt. Obwohl aufgrund der fehlenden technischen Erfahrungen bislang kaum industrielle Einsätze des ED-Millings bekannt sind, wird an vielen Forschungseinrichtungen intensiv an der Qualifizierung dieser Verfahrensvariante gearbeitet, beispielsweise durch Bereitstellung von prozessspezifischen CAM-Systemen [5 und 6]. Schnittspaltbreiten von 40 µm sind erreichbarIm Vergleich zur Bahn- oder Senkerosion ist das drahterosive Schneiden ein etabliertes Verfahren in der Mikrotechnik. Durch den Einsatz von Feinstdrahtelektroden mit einem minimalen Durchmesser bis 20 µm können sehr kleine Schnittspaltweiten bis etwa 40 µm erreicht werden. Bei Anwendung von Mehrfachschnittstrategien vergrößert sich zwar der Schnittspalt um wenige Mikrometer, die Oberflächenrauheit kann aber auf Werte unter Ra = 0,1 µm reduziert werden. Der Anwendungsbereich der Mikrodrahterosion umfasst neben der direkten Fertigung mikrotechnischer Produkte wie beispielsweise Mikrozahnrädern oder Komponenten der minimal-invasiven Chirurgie insbesondere die Bearbeitung von mikrostrukturierten Abformwerkzeugen und Mikrostanzwerkzeugen. Dagegen wird die Senkerosion mit Mikroformelektroden hauptsächlich zur Herstellung von Formeinsätzen von Mikrospritzgusswerkzeugen sowie zur Fertigung von Mikrobohrungen, wie bei Common-Rail-Einspritzdüsen, eingesetzt. Mit der zunehmenden Entwicklung und Bereitstellung von hochpräzisen Werkzeugmaschinen sowie einer für die Mikrotechnik angepassten Peripherie und Fertigungsumgebung wird das Anwendungsspektrum funkenerosiver Verfahrensvarianten für die Herstellung von mikromechanischen Komponenten stetig weiter wachsen.Literatur:[1]Uhlmann, E., U. Doll, und S. Piltz: Anwendung funkenerosiver Verfahrensvarianten für die Herstellung feinst- und mikrostrukturierter Formwerkzeuge. EDM-Funkey 1/2001.[2] Michel, F., W. Ehrfeld, O. Koch, und H.-P. Gruber: EDM for micro fabrication - technology and applications. In: Proceedings International Seminar on Precision Engineering and Micro Technology. Aachen, July 2000.[3]Masaki, T., und andere: Micro Electro-Discharge Machining. Proceeding of 9th International Symposion on Electromachining (ISEM IX). Nagoya/Japan 1989, pp. 26-30.[4]Beltrami, I., und andere: Micro and Nano Electric-Discharge Machining. Proceeding of 14th International Symposion on Electromachining (ISEM XIV). Edinburgh/Großbritannien, 30. März bis 1. April 2004. [5]Yu, Z., T. Masuzawa, M. Fujino: 3D Micro-EDM with Simply Shape Electrode. International Journal of Electrical Machining. 3/1998, pp. 7]12 u. 71]78.[6]Zhao, W., und andere: Researching of ED-Milling in the Process of Small Cavity. Proceeding of 14th International Symposion on Electromachining (ISEM XIV), Edinburgh/Großbritannien, 30. März bis 1. April 2004.