Einführung
Bei der Mikrobearbeitung handelt es sich um Verfahren wie das Mikrofräsen und Mikrobohren, die die Herstellung extrem kleiner Bauteile mit hoher Präzision ermöglichen. Bei diesen Verfahren kommen CNC-Maschinen (Computer Numerical Control) zum Einsatz, die in der Lage sind, komplexe Bearbeitungen auf sehr kleinen Flächen durchzuführen. Mit der Mikrobearbeitung lassen sich Teile herstellen, die den strengen Anforderungen von Branchen wie Militär, Medizin und Luft- und Raumfahrt entsprechen.
Was ist Mikrofräsen und Mikrobohren?
Unter Mikrofräsen versteht man das Abtragen von Material mithilfe von Mikrofräsern, die viel kleiner sind als Standardfräser. Es ermöglicht die präzise Formgebung und Endbearbeitung der Oberfläche mikroskopisch kleiner Teile, was für die Herstellung von Hochpräzisionsbauteilen entscheidend ist. Typische Mikrofräsmaschinen können Toleranzen von wenigen Mikrometern erreichen, was für Anwendungen, die eine hohe Genauigkeit erfordern, unerlässlich ist.
Beim Mikrobohren werden Löcher mit Mikrobohrern mit sehr kleinen Durchmessern, oft weniger als 0,1 mm, hergestellt. Dieses Verfahren ist unverzichtbar für Anwendungen, die extreme Präzision erfordern, wie z. B. die Herstellung von Löchern in mikroelektronischen Schaltkreisen oder medizinischen Implantaten.
Beide Verfahren gehören zur umfassenderen Kategorie der Mikrobearbeitung, die alle spannenden und formgebenden Bearbeitungen von Werkstoffen im mikroskopischen Maßstab umfasst. Die Mikrobearbeitung ermöglicht es, eine noch nie dagewesene Präzision und Oberflächengüte zu erreichen.
Welche Schneidwerkzeuge werden bei der Mikrobearbeitung eingesetzt? – Beispiele
Hartmetalle
Hartmetalle sind Verbundwerkstoffe, die sich durch außergewöhnliche Härte und Verschleißfestigkeit auszeichnen. Sie werden aus einer Kombination von Wolframcarbid (WC) und metallischem Kobalt (Co) hergestellt, was ihnen hervorragende mechanische Eigenschaften und eine lange Lebensdauer verleiht. Die Härte von Hartmetallen liegt in der Regel bei 1500-2000 HV (Vickers), sodass sie auch sehr harte Werkstoffe effektiv bearbeiten können. Carbide zeichnen sich außerdem durch eine hohe Druckfestigkeit aus, die bis zu 5.000 MPa erreicht, sowie durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Schneide auch bei hohen Temperaturen scharf bleibt.
Verwendung bei der Herstellung von Mikrofräs- und Mikrobohrwerkzeugen
Hartmetalle werden aufgrund ihrer Festigkeit und ihrer Fähigkeit, eine scharfe Schneide zu erhalten, häufig für die Herstellung von Mikrofräsern und Mikrobohrern verwendet. Sie ermöglichen die präzise Herstellung von Mikrobohrungen und Mikrokanälen in harten Materialien wie Edelstahl und Titanlegierungen. Hartmetalle sind auch korrosionsbeständig, was bei der Bearbeitung von Materialien mit aggressiven chemischen Eigenschaften wichtig ist.
Synthetische Diamanten (PCD – Polykristalliner Diamant)
Synthetische Diamanten, auch bekannt als PCD (Polycrystalline Diamond), sind Materialien, die aus vielen kleinen Diamantkristallen bestehen, die zu einem einzigen verbunden sind. Sie zeichnen sich durch eine extreme Härte von etwa 8.000 HV (Vickers) und eine hohe Verschleißfestigkeit aus. PKD hat außerdem eine hohe Wärmeleitfähigkeit von etwa 1.000 W/mK, wodurch die bei der Bearbeitung entstehende Wärme effizient abgeleitet werden kann. Dadurch behalten PKD-Werkzeuge ihre Schneideigenschaften über einen längeren Zeitraum bei.
Anwendung in der Mikrobearbeitung
Dank ihrer Abriebfestigkeit bieten PKD-Werkzeuge eine längere Lebensdauer und die Möglichkeit, eine hohe Oberflächengüte zu erhalten. Der Einsatz von PKD in der Mikrobearbeitung ermöglicht eine bisher unerreichte Präzision. Werkzeuge aus PKD eignen sich besonders gut für die Bearbeitung von Verbundwerkstoffen und Keramik, was sie für viele Anwendungen in der Spitzentechnologie unverzichtbar macht. PKD ist außerdem resistent gegen die chemischen Einflüsse vieler Materialien, sodass sie in einer Vielzahl von Arbeitsumgebungen eingesetzt werden können.
CNC-Maschinen in der Mikrobearbeitung – was ist wichtig?
Mehrachsige Maschinen (5-Achsen-CNC)
5-Achsen-CNC-Maschinen ermöglichen die gleichzeitige Bewegung von Werkzeugen in fünf verschiedenen Achsen. Zusätzlich zu den drei linearen Standardachsen (X, Y, Z) verfügen sie über zwei zusätzliche Drehachsen, die eine komplexe räumliche Bearbeitung ermöglichen. Dies ermöglicht die präzise Bearbeitung komplexer Oberflächen, ohne dass das Werkstück immer wieder neu positioniert werden muss. Auf diese Weise werden „menschliche“ Fehler eliminiert.
Maschinen mit hoher Steifigkeit und Vibrationsdämpfung
Die Bedeutung der Minimierung von Vibrationen
Vibrationen können zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität, einer verkürzten Werkzeugstandzeit und einer geringeren Bearbeitungsgenauigkeit führen. Sie sind ein unerwünschter Effekt, der durch unzureichende Maschinensteifigkeit, unsachgemäße Werkstückspannung oder suboptimale Schnittparameter entstehen kann. Maschinen mit hoher struktureller Steifigkeit und wirksamer Schwingungsdämpfung gewährleisten Stabilität im Bearbeitungsprozess, was sich in einer höheren Qualität und Wiederholbarkeit der Ergebnisse niederschlägt.
Beispiele für Maschinen mit hoher Steifigkeit
Beispiele für Maschinen mit hohen Steifigkeits- und Schwingungsdämpfungseigenschaften sind moderne Bearbeitungszentren von Herstellern wie Makino, Okuma und Mori Seiki. Diese Maschinen sind auf maximale Stabilität und Präzisionsbearbeitung ausgelegt und verwenden Materialien und Strukturen mit hoher Masse und Steifigkeit. Darüber hinaus sind sie mit fortschrittlichen Schwingungsdämpfungssystemen ausgestattet, die Vibrationen während des Zerspanungsprozesses aktiv überwachen und kompensieren.
Die Bearbeitungszentren der T-Serie von Makino beispielsweise, die für ihre Präzision und Stabilität bekannt sind, verfügen über das Schwingungsdämpfungssystem Vibration Control System (VCS), das die Bearbeitungsparameter automatisch in Echtzeit anpasst, um optimale Arbeitsbedingungen zu gewährleisten.
Was sind digitale Zwillinge und welchen Einfluss haben sie auf die Genauigkeit der CNC-Mikrobearbeitung?
Digitale Zwillinge sind virtuelle Modelle von physischen Maschinen und Fertigungsprozessen. Dank fortschrittlicher digitaler Technologien wie dem Internet der Dinge (IoT), künstlicher Intelligenz (KI) und Datenanalyse ermöglichen digitale Zwillinge die Simulation, Überwachung und Analyse realer Prozesse in Echtzeit. Diese virtuellen Repräsentationen können das Verhalten realer Systeme genau nachbilden und so vorhersagen, wie diese auf unterschiedliche Betriebsbedingungen reagieren werden.
Digitale Zwillinge verwenden Daten, die von an realen Maschinen angebrachten Sensoren erfasst und anschließend verarbeitet und analysiert werden, um ein genaues virtuelles Modell zu erstellen. Auf diese Weise lässt sich der Zustand von Maschinen überwachen, Anomalien erkennen und potenzielle Ausfälle vorhersagen, bevor sie auftreten. Digitale Zwillinge können auch zur Optimierung von Produktionsprozessen eingesetzt werden, indem verschiedene Betriebsszenarien simuliert werden und das effizienteste ausgewählt wird.
Kühlmittel und Schmierung in der Mikrobearbeitung
Minimalmengenschmierung (MQL)
Die Minimalmengenschmierung (MMS) ist eine Schmierungstechnik, bei der minimale Mengen an Kühlmittel direkt auf das Werkzeug und den Schneidbereich aufgebracht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kühlmethoden, die große Mengen an Flüssigkeit benötigen, werden bei MMS nur wenige Milliliter pro Stunde verbraucht. Die Schmierung erfolgt durch einen Ölnebel, der die Reibung und die Temperatur wirksam reduziert und gleichzeitig den Kühlmittelverbrauch minimiert.
Ökologische und wirtschaftliche Vorteile von MMS
Die MMS-Technologie bietet zahlreiche ökologische und wirtschaftliche Vorteile. Ein geringerer Kühlmittelverbrauch bedeutet einen kleineren ökologischen Fußabdruck, weniger Abfall und weniger Verbrauch von natürlichen Ressourcen. Darüber hinaus bedeutet ein geringerer Kühlmittelverbrauch niedrigere Betriebs- und Wartungskosten, was den Unternehmen zugutekommt. Darüber hinaus verbessert MMS die Arbeitsbedingungen, indem es die mit Kühlmittelleckaugen und Verunreinigungen verbundenen Risiken verringert. Durch die Verwendung von MMS entfällt die Notwendigkeit, große Mengen von Kühlmitteln zu entsorgen.
Zusammenfassung
Die CNC-Mikrobearbeitungstechnologien ermöglichen die Herstellung komplexer, hochpräziser Bauteile, die in der Luft- und Raumfahrt, in der Medizin und im militärischen Bereich eingesetzt werden. Die besprochenen Werkzeuge, wie Carbide und synthetische Diamanten (PCD), und die Vorteile der 5-Achsen-CNC-Maschinen revolutionieren den heutigen Markt für die Herstellung mechanischer Komponenten.
