• Land: Deutschland
  • Autor(en): Michael Walk, Jan C. Aurich
  • Artikel vom: 06 Februar 2014
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Mikrowerkzeuge, Weitere Anwendungen
  • Schlüsselbegriffe: galvanische Beschichtung, Mikroschleifstifte
  • Galvanische Beschichtung von Mikroschleifstiften

    Die Fertigung mikrotechnischer Komponenten und Strukturen, wie Formeinsätze für Replikationsverfahren, erfordert eine sehr hohe Strukturgenauigkeit und Oberflächenqualität. In diesem Beitrag wird die Herstellung, speziell die galvanische Beschichtung für Mikroschleifstifte beschrieben. Anhand einer Schichtanalyse in Voruntersuchungen mit unterschiedlichen Werkzeugdurchmessern werden einsatzrelevante Beschichtungsparameter bestimmt. Diese werden auf die Beschichtung von Mikroschleifstiften mit Durchmessern kleiner 50 µm übertragen. Weiterhin wird eine Methode für die Bestimmung der Korndichte und der Kornverteilung im Schleifbelag gezeigt.

    Die Herstellung komplexer Strukturen durch Schleifen mit Mikroschleifstiften in sprödharten Materialien hat sich in der Mikrotechnik etabliert. Speziell in der Fertigung von Formen für Replikationsverfahren aus Materialien wie z.B. Quarzglas, Hartmetall oder Keramik werden höchste Anforderungen bzgl. Oberflächenqualität und Formgenauigkeit gestellt, da Abweichungen sich direkt auf die zu formenden Komponenten übertragen [1][2]. Um den Aufwand einer Nacharbeit durch z.B. einem dem Schleifprozess nachgeschalteten Polierprozess zu minimieren bzw. vollends zu verhindern, muss der Schleifprozess selbst so angepasst und optimiert werden, dass die erstellten Formen der geforderten Qualität entsprechen [3][4].

    Grundlegender Bestandteil des Schleifprozesses ist das Schleifwerkzeug selbst. Folglich müssen schon in der Herstellung der Mikroschleifstifte die optimalen Voraussetzungen für bestmögliche Resultat gelegt werden. Neben der Gestalt des Werkzeuggrundkörpers hat der Schleifbelag als Werkzeugkomponente einen direkten Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis [5]. Am Lehrstuhl für Fertigungstechnik und Betriebsorganisation (FBK) der TU Kaiserslautern werden Mikroschleifstifte auf einer speziell hierfür entwickelten hochpräzisen Desktop-Werkzeugmaschine, dem Nano Grinding Center, hergestellt. Die Fertigung der Mikroschleifstifte wird dabei in zwei Prozessschritten realisiert: Das Schleifen des Werkzeugrohlings und das galvanische Beschichten [6]. Die Werkzeugrohlinge bestehen aus einem Ultrafeinstkorn-Hartmetall mit einer mittleren Wolframcarbid-Korngröße von 0,2 µm und einem Kobaltanteil von 9 %. Die Vorteile dieses Werkstoffs sind die hohe Zähigkeit und eine Biegefestigkeit von 4800 N/mm². Die Werkzeugrohlinge werden in einer Luftlagerspindel gespannt und mit Hilfe eines Schleifmoduls, strukturiert. Der Schleifprozess wird dabei mit Diamantschleifscheiben unterschiedlicher Körnung (20-30 µm (vorschleifen) und 2-4 µm (feinschleifen)) in einem Außenrund-Einstechschleifprozess realisiert. Damit ist es möglich kleinste Rohlingdurchmesser mit guter Oberflächenqualität zu generieren. Eine hohe Oberflächenqualität ist sehr wichtig, weil sich die Oberflächenstruktur, die aus den Schleifprozess resultiert, direkt in der späteren Werkzeugkontur abbilden kann. Bedingt durch die sehr dünne, einlagige galvanische Schleifschicht, können nur geringste Strukturfehler in der Rohlingsoberfläche durch die Beschichtung ausgeglichen werden. Nach dem Schleifen der Rohlinge wird der Schleifbelag in einem Galvanikmodul aufgebracht. Der Schleifbelag besteht dabei aus Diamant- oder cBN-Schleifkörnern in einer Nickelbindung. Wichtig bei der galvanischen Bindung sind die Beschichtungsparameter mit denen die Schichtcharakteristika beeinflusst werden können. Speziell bei der Beschichtung von kleinsten Schleifstiften unter 50  µm liegen die einsatzrelevanten Parameter in sehr engen Wertebereichen. Um diese für das Beschichten von Mikrowerkzeugen zu bestimmen, werden Werkzeuge mit unterschiedlichen Durchmessern (200 µm, 75 µm und 50 µm) bei verschiedenen Parametern beschichtet und analysiert. Die daraus resultierenden Ergebnisse werden auf das Beschichten der Werkzeuge mit kleineren Durchmessern übertragen und angewandt. In diesem Artikel werden diese Untersuchungen vorgestellt, analysiert und Abhängigkeiten von Beschichtungsdauer zu Schichtqualität oder Beschichtungsdauer zur Kornverteilung und Korndichte beschrieben.

    Werkzeugbeschichtung

    In einem ersten Schritt werden Werkzeuge mit einem Durchmesser von 200 µm mit einer Dispersionsschicht, bestehend aus Nickel und Diamantkörnern mit einer Korngröße von 1-3 µm belegt. Die jeweilige Beschichtung wird dabei mit unterschiedlichen Beschichtungszeiten und Stromdichten durchgeführt. Anschließend werden mittels REM-Aufnahmen die Werkzeuge in Bezug auf ihre Schichtdicke vermessen. Zusätzlich wird die Qualität der Schicht optisch beurteilt (Abbildung 1).
    Die Ergebnisse in Abbildung 1 zeigen, dass ein zu schnelles Schichtwachstum zu einer schuppigen und porösen Oberfläche (1,04 mA/mm²) führt. Das geringe Schichtwachstum in den zwei letzten Versuchen ist auf eine starke Blasenbildung zurückzuführen, wodurch der Werkzeugrohling während der Beschichtung vom Nickelelektrolyt isoliert wird, und sich dadurch nur eine sehr dünne Schicht auf dem Rohling bilden kann. Der starke Anstieg der Schichtdicke bei 120 Sekunden (0,52 mA/mm² und 0,78 mA/mm²) sind das Resultat einer zweiten Schicht von Diamantkörnern, die sich über die erste Schicht legt.

    Aufgrund der Erkenntnisse aus den Voruntersuchungen werden die folgenden Beschichtungen bei einer mittleren Stromdichte von 0,52 mA/mm² und 0,78 mA/mm² realisiert. Dafür werden Werkzeugrohlinge mit den Durchmessern 200 µm, 75 µm und 50 µm (beginnend mit 200 µm) dem gesamten Beschichtungsprozess, wie in Abbildung 2 schematisch dargestellt, unterzogen. Die Generierung der Schleifschicht wird durch drei Beschichtungsschritte realisiert. Der Rohling wird mit einer Nickelschicht vorbeschichtet. Im zweiten Schritt, der Hauptbeschichtung, werden die Schleifkörner mit Nickel auf dem Rohling aufgebracht. In einem abschließenden Schritt werden die Schleifkörner mit einer Nickelschicht eingebettet. Zwischen der Hauptbeschichtung und dem Einbetten werden die Werkzeuge gereinigt (Abbildung 2).

    Die Ergebnisse der Beschichtung werden wieder optisch anhand von REM-Aufnahmen analysiert. Neben dem Durchmesser und damit dem Schichtwachstum werden die Korndichte sowie die Kornverteilung bestimmt. Die Versuchsreihen mit dem nächst kleineren Rohlingdurchmesser (75 µm und 50 µm) werden anschließend mit den vielversprechendsten Prozessparametern des jeweils größeren Durchmessers realisiert. Die Schichtdicke in Abhängigkeit von der Beschichtungszeit für die Werkzeugdurchmesser 75 µm und 50 µm sind in Abbildung 3 gezeigt. Der leichte Abfall des Schichtwachstums (flacherer Verlauf) mit wachsender Beschichtungszeit, kann dabei auf das kleiner werdende Verhältnis von beschichteter Oberfläche zu anliegendem Beschichtungsstrom zurückgeführt werden, d.h. die Stromdichte sinkt mit höherer Beschichtungszeit und steigendem Durchmesser.

    Schichtcharakterisierung

    Wichtige Eigenschaften neben der Schichtdicke, die zu der jeweils eingesetzten Korngröße angepasst werden muss, sind die Verteilung der Körner im Schleifbelag (Kornverteilung) und deren Anzahl pro Fläche (Korndichte). Die Korndichte wird durch Bestimmung der Kornanzahl in der Schleifschicht analysiert. Dafür werden in den REM-Aufnahmen der Schleifschicht festgelegte Messfelder untersucht und die Kornanzahl bestimmt. Dies kann durch spezielle Software automatisiert oder durch einfaches Zählen manuell realisiert werden, wobei die Kornverteilung direkt aus der Korndichte zu bestimmen ist. Um Schwankungen der Korndichte zwischen Bereichen mit hoher Korndichte und Bereichen mit niedrigen Korndichte zu berücksichtigen, werden drei Messfelder mit einer Eckenlänge von 15 µm stochastisch im Messbereich verteilt. Für Werkzeuge mit Durchmessern kleiner 50 µm muss die Messfeldgröße angepasst werden. Der Messbereich erstreckt sich dabei immer über das gesamte mittlere Drittel des auszuwertenden Schleifstifts in der jeweiligen REM-Aufnahme, siehe hierzu Abbildung 4. In den zwei äußeren Dritteln des Schleifstiftes kann aufgrund der Krümmung des Schleifstiftumfangs und der fehlenden Tiefenschärfe der Aufnahmen keine exakte Auswertung vorgenommen werden. In den drei Quadraten wurde die Anzahl der Schleifkörner gezählt und der Mittelwert gebildet. Die Korndichte wird in der Regel bei Mikrowerkzeugen in Körnern pro mm² angegeben [7]. Aufgrund der geringen Dimension der untersuchten Werkzeuge werden die errechneten Mittelwerte jedoch auf einen Wert von 1000 µm² extrapoliert. Die Erfahrung im Einsatz von Mikroschleifstiften am FBK zeigt, dass Korndichten in einem Bereich von 400-550 Körnern pro 1000 µm² als geeignet einzustufen sind. Dieser Bereich bezieht sich aber nur auf Schleifkorngrößen zwischen 1 µm und 3 µm. Allgemein wird die Korndichte kleiner mit größeren Korndurchmessern und umgekehrt.

    Die Variation der Korndichte unter den einzelnen Quadraten in einem Messfeld ist ein Indikator für die Kornverteilung in der Schleifschicht. Wichtig ist hier die maximale Variation, d.h. die maximale Abweichung der Korndichte in den drei ausgewerteten Quadraten zueinander. In der Anwendung der Mikroschleifstifte hat sich gezeigt, dass Mikroschleifstifte, deren Korndichtevariation weniger als 15 % beträgt, eine gleichmäßige Kornverteilung im Schleifbelag haben und ein gutes Einsatzverhalten aufweisen. In Abbildung 5 sind zwei Beispiele mit niedriger und hoher Korndichtevariation dargestellt.

    Validierung und Ergebnisse

    Zur Validierung der Ergebnisse werden die aus den Versuchsreihen bestimmten Prozessparameter auf die Beschichtung der Werkzeugrohlinge mit kleineren Durchmessern übertragen und angewendet. Ziel ist es Mikroschleifstifte mit einem Werkzeugdurchmesser von 30±1 µm reproduzierbar herzustellen. Als Korngröße wird 1-3 µm Diamantschleifkorn gewählt. Grundlage der 30 µm-Werkzeuge ist ein Werkzeugrohling mit 26 µm Durchmesser. Durch die Anpassung der Parameter konnten Werkzeuge mit Schichtdicken von 1,5 – 2 µm reproduzierbar hergestellt werden. Die Korndichte liegt dabei im Mittel bei 440/1000 µm² bei einer gleichmäßigen Kornverteilung (Variation von < 10 %). Exemplarisch ist in Abbildung 6 ein Mikroschleifstift mit 30 µm Durchmesser gezeigt.

    Zusammenfassung und Ausblick

    Es wurden Einflüsse von Prozessparametern bei der galvanischen Beschichtung von Mikroschleifstiften auf die Schichtausbildung gezeigt. Dabei können kleinste Parameteränderungen im Prozess zu Änderungen in der galvanischen Schicht führen, die den Einsatz der Werkzeuge erschweren bzw. unmöglich machen. Hohe Ströme führen z.B. zu einem schnellen Schichtwachstum (poröse und schuppige Schicht) oder zu Blasenbildung im Galvanikbad (sehr dünne Schicht mit geringer Korneinbindung). Weiterhin wurde eine Methode zur Beschreibung des Schleifbelags anhand der Korndichte und der Kornverteilung erarbeitet und Wertebereiche gezeigt in denen Mikroschleifstifte aus Erfahrung ein gutes Einsatzverhalten aufzeigen. In Zukunft sollen die Beschichtungsparameter weiter spezifiziert und auf Werkzeuge mit Durchmessern kleiner 10 µm übertragen werden, um eine reproduzierbare Herstellung von ultrakleinen Mikroschleifstiften zu gewährleisten.


    Danksagung

    Die hier vorgestellten Arbeiten wurden aus den Mitteln des Reinhart Koselleck-Projekt: „Schleifbearbeitung komplexer Strukturen in Nanometerbereich“ (DFG AU 185/19-1) gefördert.

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