Zerspanung im Sog der Mikrotechnik

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„In der Mikrobearbeitung kommen generell gepulste Festkörperlaser mit Pulsdauern im Nano-, Piko- und Femtosekundenbereich zum Einsatz“, erläutert Voß. So werden gütegeschaltete Laser mit Pulsdauern von 2 bis 200 ns und typischen Wiederholraten im Bereich von 1 bis 200 kHz bevorzugt für Prozesse verwendet, die eine hohe Produktivität erfordern. „Dies liegt nicht nur an der relativ einfachen, kostengünstigen und erprobten Technik der Laser“, weiß Voß, „sondern vor allem an der hohen erzielbaren Abtragtiefe von mehreren 10 µm pro Laserpuls.“ Nachteilig sei der recht hohe Schmelzeanteil, der die Präzision der Bearbeitung begrenze.

Pikosekundenlaser erzeugen hochpräzise Strukturen

Pikosekundenlaser kommen dann zum Einsatz, wenn höchste Präzision, feinste Strukturen und Laserbearbeitung ohne Nachbearbeitung gefordert werden. Allerdings bewegt sich die Abtragtiefe typischerweise im Bereich von rund 1 µm pro Puls.

Noch nicht sehr verbreitet im industriellen Einsatz sind Femtosekundenlaser, weil sie erst seit wenigen Jahren in geeigneter Form verfügbar und immer noch sehr teuer sind. Diese Laser können bei nichtmetallischen Werkstoffen wie Glas, Keramik, Halbleitern einen praktisch schmelzefreien, ultrapräzisen und extrem schädigungsarmen Abtrag erzielen.

Qualität beim Mikrolasern hängt stark vom Werkstoff ab

Welche Fertigungsqualität beim Mikrolasern erreicht wird, ist unter anderem vom Werkstoff, der Tiefe und Form der Kavität, der Abtragsleistung und der Laserquelle abhängig und kann deshalb nicht verallgemeinert werden. Eine mögliche Größenordnung beim Laserbohren, die allerdings nur bei einem bestimmten Werkstoff, nämlich Titan, und einer Dicke von 30 µm erreicht worden ist, nennt Robby Ebert, Projektleiter an der Hochschule Mittweida: „Wir haben schon Bohrungen mit einem Durchmesser von 27 ± 1 µm für einen Kunden hergestellt.“

Wenn es um die Herstellung kleinster Bohrungen, Nute oder Stege geht, haben die etablierten Mikrobearbeitungsverfahren mittlerweile einen Konkurrenten bekommen: das so genannte elektrochemische Fräsen. Dieses neue Fertigungsverfahren, im Jahr 2001 am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin entwickelt, hat den Schritt aus dem Labor in die industrielle Fertigung vollzogen. Im Herbst des vergangenen Jahres stellte die ECMTEC GmbH, Holzgerlingen, die serienreife elektrochemische Fräsmaschine Mikro vor.

„Die Vorteile des elektrochemischen Mikrofräsens liegen im werkzeugverschleißfreien, berührungslosen, gratfreien und thermisch stressfreien Abtrag grundsätzlich aller metallischen Werkstoffe“, erklärt Geschäftsführer Thomas Gmelin und schränkt gleich ein: „Allerdings benötigt nahezu jeder Werkstoff einen angepassten Elektrolyten.“ Die Maschine, sie arbeitet mit Werkzeugdurchmessern von 2 bis 500 µm bei einer Zustellgeschwindigkeit von etwa 1 µm/s, kann derzeit CrNi-Stähle, einige Werkzeugstähle sowie Reinmetalle wie Kupfer, Nickel, Gold und Wolfram bearbeiten.

Elektrochemisches Fräsen im Werkzeugbau

Auch für den Spritzgießwerkzeugbau ist dieses Verfahren interessant. „Dort werden Kavitäten mit Erodieren oder Fräsen vorbearbeitet“, so Gmelin, „und nur die Bereiche elektrochemisch gefräst, die wegen der erforderlichen Genauigkeit oder Strukturfeinheit nicht anders bearbeitet werden können.“

Als weiteren wichtigen Anwendungsfall nennt er die Bearbeitung von Bauelementen, bei denen eine thermische Belastung durch die Bearbeitung wegen drohender Gefügeveränderungen oder entstehender Spannungen zu einem verfrühten Verschleiß führen kann.

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