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Optimierte Werkzeuge treiben die Mikrosystemtechnik voran

18.09.2009
Im Sonderforschungsbereich 516 „Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme“ werden das kontakterosive Konditionieren metallisch gebundener Schleifwerkzeuge, das Mikroschleifen, -bohren und -fräsen weiterentwickelt, um die Mikrosystemtechnik voranzutreiben. Dieser Beitrag stellt einige Ergebnisse vor.

Metallisch gebundene, mehrschichtige Schleifscheiben bieten aufgrund ihres niedrigen Verschleißes und der hohen Profilhaltigkeit in der Mikrobearbeitung ein hohes Potenzial für die Schleifbearbeitung von sprödharten Werkstoffen. Das Abrichten dieser Werkzeuge stellt jedoch aufgrund der hohen Verschleißfestigkeit der Bindungsmatrix und der Diamantschleifkörner eine Herausforderung dar.

Kontakterosives Konditionnieren für Schleifscheiben vielversprechend

Das kontakterosive Konditionieren ist dabei ein vielversprechendes Verfahren. Die für den Konditionierprozess erforderlichen Komponenten können innerhalb der Werkzeugmaschine montiert werden, so dass ein Abrichten der Schleifscheibe ohne Demontage direkt auf der Schleifspindel möglich ist. Der Abtrag des Bindungsmaterials erfolgt thermisch, die dazu benötigte Energie wird dem Prozess aus einem elektrischen Stromkreis zur Verfügung gestellt.

Dazu wird ein Pol des elektrischen Stromkreises über einen Schleifkontakt auf die Schleifscheibe und damit an die metallische Bindung gelegt. Der zweite Pol ist als Graphit- oder Kupferelektrode ausgeführt, die von der Schleifscheibe im Konditionierprozess zerspant wird. Durch die elektrisch nicht leitfähigen Abrasivkörner stellt sich zwischen der Elektrodenoberfläche und der metallischen Bindung ein Spalt ein, der dem Kornüberstand entspricht. Der Bindungsabtrag an der Schleifscheibe kann im Wesentlichen in vier Schritte unterteilt werden.

Kontakterosives Konditionieren für Schärfen und Profilieren geeignet

Zunächst bewirkt ein sich bildender Span eine Feldüberhöhung im Spalt zwischen Elektrode und Bindungsmatrix. Mit wachsender Spanlänge nimmt die Feldüberhöhung zu, gleichzeitig verringert sich der Abstand zwischen Spanspitze und metallischer Bindung.

Sobald eine ausreichende Feldstärke erreicht ist, wird der Spalt durch eine Entladung überwunden. Bei der Entladung kommt es zum Verdampfen des Spans und damit zum lokalen Aufschmelzen der Bindung. Von dem durch den Spalt strömenden Kühlmedium und der Fliehkraft der rotierenden Schleifscheibe wird das geschmolzene Bindungsmaterial entfernt [1].

In Abhängigkeit von der eingestellten Leerlaufspannung Ud kann das kontakterosive Konditionieren sowohl zum Schärfen als auch zum Profilieren eingesetzt werden, was an der Topographie des Schleifbelags nach dem Konditionieren mit unterschiedlichen Prozessparametern deutlich wird.

Bei einer geringen Spannung von Ud0 = 15 V sind freigelegte Diamantkörner im Schleifbelag zu erkennen. In den Untersuchungen durch eine Messung des Schleifscheibendurchmessers vor und nach dem Prozess wurde kein messbarer Materialabtrag nachgewiesen. Weil die Topografie gegenüber dem ursprünglich eingeebneten Profil wesentlich offener ist, kann bei dieser Spannung von einem reinen Schärfprozess ausgegangen werden. Wird die Spannung erhöht, ändert sich die durch den Konditionierprozess erzeugte Schleifbelagstopografie erheblich.

Steigende Elektrodenspannung führt zur Aufschmelzung des Belags

Bei einer Spannung von Ud0 = 25 V sind neben Aufschmelzungen des Bindungsmaterials deutlich die Diamantkörner des Belages zu erkennen, die an der Zerspanung des Elektrodenmaterials beteiligt sind. Der an einigen Körnern klar sichtbare umlaufende Spalt deutet jedoch darauf hin, dass die Körner nicht mehr über einen festen Halt in der Bindung verfügen, so dass sie im Schleifprozess sofort aus der Bindungsmatrix herausgerissen werden. Die Verringerung der Anbindung des Korns an die Bindungsmatrix ist Indiz für die beginnende Profilierwirkung.

Eine weitere Steigerung der Elektrodenspannung auf Ud0 = 35 V führt zu einem gänzlich geänderten Phänomen. Der Belag wird stark aufgeschmolzen. In den sich ausbildenden Poren sind noch einzelne Diamantkörner zu erkennen, die jedoch nicht mehr aktiv an der Zerspanung des Elektrodenmaterials teilhaben.

In diesem Stadium wird die Elektrode nicht mehr nur durch die einzelnen Diamantkörner, sondern durch die Bindung der Schleifscheibe zerspant. Gleichzeitig werden hohe Abtragsraten gemessen, die die hohe Profilierwirkung des Konditionierprozesses bei einer Spannung von 35 V verdeutlichen.

Außer der beschriebenen Leerlaufspannung beeinflussen auch die Begrenzung des Kurzschlussstroms und die Elektrodenvorschubgeschwindigkeit die Abtragsrate beim Konditionieren. Bis zum Erreichen eines Grenzwertes nimmt die Abtragsrate dabei jeweils mit steigenden Prozessstellgrößen zu [2].

Scheibenprofil wird bahngesteuert generiert

Das Profil wird beim kontakterosiven Konditionieren bahngesteuert generiert und nicht, wie bei anderen auf der elektrischen Energie beruhenden Abrichtverfahren, durch die Elektrodenform auf der Schleifscheibe abgebildet. Um den Zusammenhang zwischen dem Winkel der Elektrodenvorschubbahn und dem an der Schleifscheibe erzeugten Profil zu untersuchen, wurden durch Variation des Elektrodenbahnwinkels Dachprofile mit unterschiedlichem Flankenwinkel profiliert.

Die Untersuchungen ergaben dabei einen linearen Zusammenhang zwischen dem Verfahrweg der Elektrode und dem erzeugten Profil. Dabei entspricht der erzeugte Winkel jedoch nicht exakt dem Elektrodenbahnwinkel, so dass eine entsprechende Anpassung des Elektrodenbahnwinkels erforderlich ist, um das Zielprofil zu erreichen.

Für die Einbringung und Bearbeitung von Bohrungen in sprödharten Werkstoffen waren bisher nur galvanisch belegte Diamant-Hohlschleifstifte mit minimalem Durchmesser von 0,9 mm verfügbar. Deshalb wurden CVD-Diamantwerkzeuge entwickelt, die zu einer Verbesserung der Bohrungsqualität und einer Minimierung der Kantenausbrüche führen.

Die Kopfform des Schleifstiftes ist eine wesentliche Einflussgröße auf den Bohrschleifprozess und das Bearbeitungsergebnis. Sowohl beim Bohrschleifen ins Volle als auch beim Aufbohren zeigt sich, dass eine schonende Aufweitung auf das Endmaß zu geringeren Kantenausbrüchen führt.

Schleifstift mit spitzer, konischer Form erzeugt hohe Bohrungsqualität

Eine sehr spitze, konische Form mit einem Winkel von 15°, die den Schleifstift beim Eintauchen in den Werkstoff gut zentriert und gleichzeitig langsam die Bohrung auf das gewünschte Maß aufschleift, ist die beste der untersuchten Geometrien bezüglich der Bohrungsqualität und der Werkzeugstandzeit. Schleifstifte mit einem minimalen Durchmesser von 250 µm bei einem Aspektverhältnis von 1:40 ermöglichen das erfolgreiche Einbringen von Bohrungen.

Das Mikrobohren erlaubt die Herstellung von hochwertigen Bohrungen in unterschiedlichen Werkstoffen. Die Untersuchungen wurden mit Zwei-Schneiden-Mikrobohrern aus Ultrafeinstkornhartmetall im Durchmesserbereich D von 0,05 bis 0,5 mm durchgeführt. Außer unbeschichteten Werkzeugen wurden ebenfalls Bohrer mit einer TiN- sowie TiAlN-Beschichtung verwendet.

Das Ziel der Untersuchungen war es, die Bohrertypen bezüglich ihres Standzeitverhaltens und ihrer Schnittkräfte zu vergleichen sowie die erzielbaren Aspektverhältnisse und Oberflächenqualitäten zu ermitteln. In diesem Kapitel werden insbesondere die beim Bearbeitungsprozess entstehenden Kräfte dargestellt.

Große Schneidkantenradien führen zu schlechter Spanbildung

Die Untersuchungen verdeutlichen, dass abhängig von der gewählten Beschichtung die Prozesskräfte unterschiedlich hoch sind. Eine wesentliche Ursache ist die unterschiedliche Größe des Schneidkantenradius.

Werkzeuge aus unbeschichtetem Hartmetall haben einen Schneidkantenradius von etwa 1 µm. Mit einer TiN-Beschichtung versehene Werkzeuge weisen dagegen einen Schneidkantenradius von etwa 5 µm, bei einer TiAlN-Beschichtung sogar von 8 µm auf. Diese großen Schneidkantenradien stellen somit die Ursache für eine schlechter ablaufende Spanbildung im Vergleich zu einem Werkzeug mit einem sehr kleinen Schneidkantenradius dar.

TiAl6V4 und Inconel 718 erlauben prozesssicheres Mikrobohren

Über die vorgesehen Arbeiten zum Mikrobohren von NE-Metallen hinaus wurden die Untersuchungen auf die Werkstoffe TiAl6V4 sowie die Nickelbasislegierung Inconel 718 ausgedehnt, um das Materialspektrum und das Prozesswissen zum Mikrobohren zu erweitern. Es zeigt sich, dass in diese Werkstoffe mit ihren besonderen mechanischen Eigenschaften ebenfalls durch das Verfahren Mikrobohren prozesssicher kleinste Bohrungen im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm eingebracht werden können [3].

Der Fokus bei den Untersuchungen zum Mikrofräsen lag auf der Bearbeitung von duktilen Nichteisen-Metallen. Zur Ermittlung von Prozessgrundlagen und zur Bestimmung der technologischen Möglichkeiten beim Mikrofräsen wurden Hartmetallwerkzeuge sowie Fräswerkzeuge aus monokristallinem Diamant eingesetzt. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass es bei den Hartmetallwerkzeugen bei Vorschüben kleiner als fz = 1 µm nicht mehr zu einer korrekten Spanbildung kommt. Grund dafür ist der vorhandene Schneidkantenradius von etwa 1 µm.

Stege mit einer Wanddicke von 8 µm können gefertigt werden

Die Wahl von optimierten Einstellgrößen ermöglicht es, mit unbeschichteten Hartmetallfräsern ohne Zuhilfenahme von Stützwerkstoffen Stege mit einer minimalen Wandstärke von 18 µm ohne Beschädigung zu fertigen. Bei der Verwendung von Diamantwerkzeugen können Stege mit Wandstärken bis hinunter zu 8 µm gefertigt werden.

Aufgrund der sehr hohen Schneidkantenschärfe des Diamantwerkzeuges ergibt sich auch für sehr kleine Vorschübe von nur fz = 0,5 µm eine korrekte Zerspanung des Werkstoffes. Die geringen Festigkeiten der duktilen Werkstoffe Messing und Aluminium erlauben die problemlose Herstellung von Nuten bis minimal 100 µm durch den Einsatz von Hartmetallschaftfräsern.

Das Mikrofräsen wurde weiterhin um das Prozesswissen zur Bearbeitung neuer Materialien erweitert. Über die derzeit in der Mikrosystemtechnik durch Mikrofräsen bearbeitbaren Werkstoffe hinaus wurden Untersuchungen zur Strukturierung von Titan- und Nickelbasislegierungen [4] sowie zur Strukturierung von weichmagnetischen Schichten (NiFe) durchgeführt.

Literatur:

[1] Falkenberg, Y.: Elektroerosives Schärfen von Bornitridschleifscheiben. Dissertation Universität Hannover 1998.

[2] Reichstein, M.: Schleifbearbeitung miniaturisierter Bauteile. Dissertation Leibniz-Universität Hannover 2008

[3] Hoffmeister, H.-W., und M. Hlavac: New Drilling Tools for the Manufacturing of Micro-Holes in hard and brittle Materials. In: Proceedings of the 6th Euspen International Conference. Baden/Austria: Euspen, 28. Mai bis 1. Juni 2006, S. 256-259.

[4] Hoffmeister, H.-W., und M. Hlavac: Micro-Milling of Titanium and Nickel-Base Alloys. In: Proceedings of the 6th euspen International Conference. Baden/Austria: Euspen, 28. Mai bis 1. Juni 2006, S. 124-127.

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz-Universität Hannover; Dipl.-Ing. Jens Koehler ist Leiter der Abteilung Schleiftechnologie und Dipl.-Ing. Dennis Hahmann ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut; Dr.-Ing. Hans-Werner Hoffmeister ist Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig; Dipl.-Ing. Ronald Wittmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut. Diese Arbeiten wurden im Sonderforschungsbereich 516 „Konstruktion und Fertigung aktiver Mikrosysteme“ im Teilprojekt B 3 „Spanende Mikrofertigung“ durchgeführt.

Berend Denkena und andere | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/articles/230478/

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