• Uni/Hochschule: Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin
  • Land: Deutschland
  • Autor(en): Eckart Uhlmann, Mitchel Polte, Dirk Oberschmidt, Julian Polte, Armin Löwenstein
  • Artikel vom: 03 September 2014
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  • Artikel Nummer: 049-026-d
  • Kategorie(n): Zerspanen, WERKZEUG ANWENDUNGEN
  • Werkzeugkonzept zum Mikrofräsen mit superharten Schneidstoffen

    Der Beitrag gibt einen Überblick über die Entwicklung von Mikrofräswerkzeugen aus Hartmetall und zeigt den Bedarf für neuartige Mikrofräswerkzeuge auf. Das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) und die Mössner GmbH Diamantwerkzeuge haben ein an den aktuellen Herausforderungen im Mikroformenbau orientiertes Werkzeugkonzept für Mikrofräswerkzeuge mit Vollschneiden aus superharten Schneidstoffen entwickelt. Darüber hinaus wird das Verschleißverhalten eines kommerziell erhältlichen Mikrofräswerkzeuges mit einem Mikrofräswerkzeug der neuesten Generation für den Einsatz von Schneiden aus superharten Schneidstoffen verglichen.

    Einleitung

    Der Bedarf an mikrostrukturierten Komponenten nimmt, z. B. in der Mikrosystemtechnik, der Medizintechnik sowie der Biotechnologie, stetig zu. Insbesondere Lab-on-Chip-(LOC)-Anwendungen sind als zukunftsweisende Trends in der Medizintechnik aktuell im Fokus der Forschung.

    Die LOC-Technik ermöglicht eine patientennahe Labordiagnostik zur Bestimmung von medizinisch relevanten Werten aus Körperflüssigkeiten mit minimalem Probenvolumen und Reagenzienbedarf. Derzeit werden eine große Anzahl der LOC-Anwendungen aus Glas hergestellt und durch Ätz- und Fotolitografieprozesse die notwendigen mikrostrukturierten Kanäle aufwendig eingebracht. Neue Ansätze verfolgen das Mikrospritzgießen von LOC-Bauteilen aus Kunststoff, wodurch sich Kosten und Aufwand reduzieren [1]. Insbesondere mikrofluidische Kanäle mit arithmetischen Mittenrauwerten Ra > 1 µm zeigen Zusetzerscheinungen, welche aufgrund von Anlagerungseffekten von DNA- und Proteinbestandteilen aus biologischen Proben an den Wänden der Kanäle auftreten. Diese Effekte können durch eine höhere Qualität der Oberfläche in den Mikrokanälen reduziert werden.

    Das Mikrospritzgießen ist eine Schlüsseltechnologie für die wirtschaftliche Herstellung von mikrostrukturierten Komponenten. Dabei besteht insbesondere in der Entwicklungsphase sowie in der Vor- und Nullserie ein erhöhter Bedarf an Spritzgußformen und Heißprägewerkzeugen aus Nichteisenmetallen (NE-Metallen) wie speziellen Aluminium- und Messinglegierungen. Hergestellt werden diese Abformwerkzeuge zumeist durch Hochpräzisions-Mikrofräsen mit Fräswerkzeugen aus Hartmetall.

    Entwicklung von Mikrofräswerkzeugen

    Die ersten kommerziell erhältlichen Mikrofräswerkzeuge wurden als aus dem Makrobereich herunterskalierte Schaftfräswerkzeuge angeboten und waren aufgrund ihrer geometrischen Merkmale bruchgefährdet. Die Entwicklung von Mikrofräswerkzeugen sollte daher, wie bei jeder anderen Werkzeugentwicklung auch, ein vierstufiger Prozess sein:

    • Applikationsangepasste Analyse bekannter Werkzeuge
    • Entwicklung/Optimierung einer applikationsangepassten WerkzeugMakrogeometrie
    • Entwicklung/Optimierung einer applikationsangepassten Mikrogeometrie
    • Entwicklung/Optimierung von applikationsangepassten Schneidstoffen.

    Die Abbildung 1 zeigt ein typisches, aus dem Makrobereich herunterskaliertes, kommerzielles einschneidiges Mikrofräswerkzeug mit einem Werkzeugdurchmesser DW = 0,8 mm für die Aluminiumbearbeitung. An diesem Beispiel werden die notwendigen Entwicklungsschritte dargestellt.

    Die Analyse des Werkzeuges zeigt, dass im Übergang vom Schaftbereich zum Schneidenbereich Steifigkeitssprünge und scharfe Kanten vorhanden sind, welche zu Spannungsspitzen führen. Dem entgegenwirkend existieren umfangreiche Untersuchungen zur Optimierung der Schaftgeometrie als Bestandteil der Makrogeometrie von Hartmetallfräswerkzeugen für die Mikrozerspanung. Unter anderen führte SCHAUER [2] am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin zu diesem Thema Untersuchungen durch. Ziel seiner Arbeit war es, das Prozessverhalten von Mikrofräswerkzeugen aus Hartmetall zu verbessern. Dabei sind umfangreiche Werkzeuggeometrieoptimierungen mittels der FEM durchgeführt worden. Die daraus entstandene optimierte Fräswerkzeuggeometrie zeigt eine deutlich reduzierte mechanische Belastung im Werkzeug, ein verbessertes Einsatzverhalten und ist kommerziell erhältlich.

    Die verbesserte mechanische Stabilität der Werkzeuge löst jedoch nicht das Problem starken Verschleißes der Hartmetallschneiden und die daraus resultierenden Formabweichungen am Werkstück. Forschungsarbeiten zur Optimierung der Schneidenmikrogeometrie wurden u.a. von UHLMANN und LÖWENSTEIN [3] durchgeführt. Dazu wurden Mikrofräswerkzeuge aus Hartmetall mittels Tauchgleitläppen erfolgreich präpariert. Beim Tauchgleitläppen werden die Haupt- und Nebenschneide gezielt verrundet. Produktionsbedingte Schneidkantenausbrüche und erhöhte Schartigkeiten Rs,z der Haupt- und Nebenschneide werden dabei reduziert. Die technologischen Untersuchungen der Fräswerkzeuge zeigen eine deutliche Reduzierung der Verschleißmarkenbreite VBmax.

    Eine weitere Maßnahme zur Verschleißreduktion ist der Einsatz von Beschichtungen oder Schneidstoffen, die einen erhöhten Verschleißwiderstand aufweisen. SUZUKI [4], CHENG [5] und UHLMANN [6] setzten sich bei der Mikrofräswerkzeugentwicklung mit dem Aufbau von neuartigen Mikrofräswerkzeugkonzepten auseinander, in denen innovative Schneidstoffe für die Mikrofräsbearbeitung verwendet wurden. Ziel dieser Mikrofräswerkzeugkonzepte auf Basis polykristalliner Diamanten (PKD) ist die Verschleißreduzierung und die Bearbeitung neuer Werkstoffe. Aufgrund der größeren Kräfte F, welche bei der Schleifbearbeitung von PKD entstehen und der damit einhergehenden Beschränkungen des Werkzeugdurchmessers DW und Aspektverhältnisses besteht der Bedarf für ein adaptives Mikrofräswerkzeugkonzept mit Schneiden aus superharten Schneidstoffen, welches sich wirtschaftlich herstellen lässt.

    Aus den aufgeführten Gründen haben das Fraunhofer Institut Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK und die Mössner GmbH Diamantwerkzeuge, Pforzheim, Entwicklungsarbeiten für ein adaptives Mikrofräswerkzeugkonzept mit Schneiden aus Superharten Schneidstoffen geleistet.

    Werkzeugkonzept für Mikrofräswerkzeuge mit superharten Schneidstoffen

    Das illustrierte Werkzeugkonzept ist für den adaptiven Einsatz von Diamantschneidstoffen und Schneidstoffen auf Basis von kubisch kristallinem Bornitrid (cBN) geeignet. Darüber hinaus erlaubt das Werkzeugkonzept eine Fräsbearbeitung bei maximalen Aspektverhältnissen und zeigt daraus resultierend ein großes Potential für den Einsatz im Werkzeug- und Formenbau. Die erste Entwicklungsstufe des Mikrofräswerkzeugkonzeptes ist in Abb. 2 dargestellt. Das dargestellte Werkzeug besteht aus einem Hartmetallschaft mit eingelötetem PKD. Der PKD hat eine Kristallgröße D = 2 µm bei einem Schneidkantenradius rβ = 3 µm. Der Werkzeugdurchmesser DW = 3 mm. Die am Fräswerkzeug eingebrachten Winkel sind darüber hinaus Abb. 2 zu entnehmen.

    – Versuchsaufbau

    Das entwickelte Mikrofräswerkzeugkonzept wurde bei der Zerspanung des gebräuchlichen Formenbauwerkstoffs für prototypische Mikrospritzgussformen AlMgSi1 mit einem kommerziell erhältlichen einschneidigen Mikrofräswerkzeug aus Hartmetall verglichen. Als Vergleichskriterien wurden die Verschleißmarkenbreite VBmax und der erreichte arithmetische Mittenrauwert Ra ermittelt. Abb. 3 zeigt den Versuchsaufbau in der Hochpräzisions-Fräsmaschine mit eingespanntem PKD-Fräswerkzeug. Für die technologischen Untersuchungen des neu entwickelten Werkzeugkonzepts wurde die Hochpräzisions-Fräsmaschine Wissner Gamma 303 High Performance der Wissner GmbH, Göttingen, genutzt. Zur Aufnahme der Kräfte F im Zerspanprozess kam das 3-Komponenten Dynamometer vom Typ MiniDyn, 9265A der Firma Kistler, Winterthur/ Schweiz, zum Einsatz.

    – Oberflächenausprägung

    Zur Ermittlung optimaler Einsatzbedingungen wurden Fräsversuche mit Schnittgeschwindigkeiten vc in einem Bereich von 50 m/min ≤ vc ≤ 300 m/min durchgeführt und die gefertigten Oberflächen mit einem Weißlichtinterferometer NewView 5010 der Firma Zygolot GMBH, Darmstadt, untersucht. Zusätzlich wurde der für das PKD-Fräswerkzeug untersuchte Bereich der Schnittgeschwindigkeit vc für ein kommerziell erhältliches Mikrofräswerkzeug aus Hartmetall untersucht. Das PKD-Fräswerkzeug zeigt eine von der Schnittgeschwindigkeit vc abhängige Ausprägung der Oberflächenrauheit. Bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 50 m/min bildet sich ein arithmetischer Mittenrauwert Ra = 61 nm aus und steigt bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 100 m/min auf einen arithmetischen Mittenrauwert Ra = 99 nm. Bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 150 m/min erreicht der arithmetische Mittenrauwert Ra = 45 nm, wohingegen es bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 200 m/min zu einem Anstieg der Oberflächenrauheit mit einem arithmetischen Mittenrauwert Ra = 94 nm kommt. Bei weiterer Steigerung der Schnittgeschwindigkeit vc erreicht das entwickelte Fräswerkzeug einen arithmetischen Mittenrauwert Ra = 70 nm bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 250 m/min. Zur Ausprägung eines minimalen arithmetischen Mittenrauwert Ra = 39 nm kommt es bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 300 m/min. Das Mikrofräswerkzeug aus Hartmetall hat den geringsten arithmetischen Mittenrauwert Ra = 115 nm bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 200 m/min erreicht.

    – Werkzeugverschleiß und Kräfte im Zerspanprozess

    Weiterhin wurden vergleichende Fräsversuche zur Bestimmung der Verschleißmarkenbreite VBmax mit einem kommerziell erhältlichen Mikrofräswerkzeug und dem neuartigen Mikrofräswerkzeug durchgeführt. In Abb. 4 sind die Hauptschneiden von einem herkömmlichen Mikrofräswerkzeug und dem in Abb. 2 illustrierten neuartigen Mikrofräswerkzeug nach einem Schnittweg LC = 0 m, LC = 1 m und einem Schnittweg LC = 20 m dargestellt.

    Nach einem Schnittweg LC = 1 m zeigt das kommerziell erhältliche Mikrofräswerkzeug bereits eine erhebliche Schädigung der Schneidecke und eine Verschleißmarkenbreite VBmax = 58,5 µm. Das neuartige Fräswerkzeug mit einer Schneide aus PKD zeigt dahingegen keine Verschleißerscheinungen auf. Eine Verschleißmarkenbreite VBmax = 109 µm ist für das Mikrofräswerkzeug aus Hartmetall bereits nach einem Schnittweg LC = 20 m zu erfassen. Das neuartige Mikrofräswerkzeug hat nach einem Schnittweg LC = 20 m eine Verschleißmarkenbreite VBmax = 0,88 µm. Darüber hinaus zeigt das Mikrofräswerkzeug aus Hartmetall ein erhebliches Ausblühen der Kobaltbindephase und eine damit einhergehende Instabilität des Schneidstoffkomplexes aus Hartmetall, worauf der erhebliche Verschleiß des Werkzeuges zurückzuführen ist. Da in den Arbeiten von SCHAUER und OBERSCHMIDT [7] bestätigt wird, dass die Vorschubnormalkraft FfN den größten Betrag der Kraftwerte annimmt, wird im Weiteren die Vorschubnormalkraft FfN als Vergleichskriterium herangezogen. Die Vorschubnormalkraft FfN nimmt bei dem neuartigen Mikrofräswerkzeug mit Vollschneiden aus PKD während des gesamten Schnittwegs LC = 20 m Kraftwerte FfN ≤ 1 N an. Wohingegen die Vorschubnormalkraft FfN vom Mikrofräswerkzeug aus Hartmetall nach einem Schnittweg LC = 20 m Kraftwerte FfN ≥ 10 N annimmt.

    Zusammenfassung und Ausblick

    Das im Artikel dargestellte Werkzeugkonzept für Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus Superharten Schneidstoffen zeigt erhebliches Potenzial für die Bearbeitung von prototypischen Formeinsätzen für den Mikrospritzguss. Das Werkzeugkonzept ermöglicht eine wirtschaftliche Herstellung von Mikrofräswerkzeugen mit Schneiden aus Superharten Schneidstoffen sowie ein zusätzliches Polieren der Spanfläche, wodurch die Schneidkantenqualität gesteigert werden kann. Zusätzlich ist bei dem entwickelten Werkzeugkonzept eine ideale Spanabfuhr durch ein radiales Fügen des Schneidstoffes gewährleistet. In den nächsten Entwicklungsschritten werden weitere Superharte sowie keramische Schneidstoffe für den Einsatz beim Mikrofräsen untersucht und der minimal herstellbare Werkzeugdurchmesser DW ermittelt.

    Info

    Univ.-Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann leitet das Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK in Berlin und das Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik des Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen Universität Berlin. Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt leitet die Abteilung Mikroproduktionstechnik am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK. Dr.-Ing. Armin Löwenstein leitet die Gruppe Mikrozerspanung am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK. Mitchel Polte, M.Sc. arbeitet als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb im Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität Berlin. Julian Polte, M.Sc. leitet die Gruppe Maschinen und Messtechnik am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb im Fachgebiet Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik der Technischen Universität Berlin.

    Quellenangaben

    [1] Deiter, F.: Mikrofluidik in der Medizintechnik. Mikroproduktion 0612 (2012), S. 12.
    [2] Schauer, K.: Entwicklung von Hartmetallwerkzeugen für die Mikrozerspanung mit definierter Schneide. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Hrsg.: Uhlmann, E. Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2006.
    [3] Uhlmann, E. et al.: Schneidkantenpräparation von Mikrofräsern. wt Werkstattstechnik online 101 (2011), S. 73 – 80.
    [4] Suzuki, H. et al.: Precision Cutting of Structured Ceramic Molds with Micro PCD Milling Tool. International Journal of Automation Technology Vol.5 No.3 (2011), S. 277 – 282.
    [5] Cheng, X. et al.: Design and development of PCD micro straight edge end mills for micro/nano machining of hard and brittle materials. Journal of Mechanical Science and Technology 24 (2010), S. 2261 – 2268.
    [6] Uhlmann, E. et al.: New PCD tools for micro machining. Proceedings of the 12th euspen International Conference (2012) S. 412 – 415.
    [7] Oberschmidt, D.: Mikrofräsen mit zylindrischen Diamant-Schaftfräswerkzeugen. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Hrsg.: Uhlmann, E. Stuttgart: Fraunhofer Verlag, 2009.

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