Von der μm-Spalterei zur „flexiblen Keramik"

Der Graveurbetrieb Leonhardt in Hochdorf gehört seit Juni 2009 offiziell zu den 100 innovativsten Unternehmen im deutschen Mittelstand. Das kommt nicht von ungefähr, denn mit Werkzeugen, dem Keramikspritzguss mittels Sub Mikrotechnologie oder auch eigenen Werkstoffformulierungen folgt das Unternehmen mit der Tochtergesellschaft Oximatec konsequent dem Trend der Kleinstbauweise.
Der Begriff der Mikrobearbeitung kursiert zwar seit geraumer Zeit in Fachkrei-sen, dessen exakte Definition dagegen scheint relativ. Theoretisch, bewegt man sich bei der Mikrobearbeitung zwischen Meso und MEMS. Meso bezeichnet die mittlere Größe, die zwischen Strukturgrößen von 0,25 μm und 5 μm liegt. MEMS dagegen ist die Abkürzung für Mikro-Electro-Mechanical Systems 2. Dabei geht es um mechanische und elektrische Bauteile mit Strukturen von 5 μm bis 300 nm. Dr. Wolfgang Leonhardt, Inhaber gleichnamigen Graveurbetriebs dagegen sieht das etwas nüchterner: „In einer allgemein anerkannten Definition spricht man von Mikrotechnologie, wenn die Details innerhalb eines filigranen Bauteils in der Größenordung von kleiner 200 μm bis 5 μm liegen. Unsere Erfahrung hat aber gezeigt, dass bei der Mikrobearbeitung die Teilegrößen irrelevant sind, es entscheiden die Strukturgrößen." Zur Einhaltung dieser engen Toleranzen muss natürlich zunächst die entsprechende Infrastruktur geschaffen werden. Die beginnt bei den Werkzeugmaschinen. Grundvoraussetzungen sind hier eine hohe Steifigkeit und geometrische Genauigkeit. Hinzu kommen eine notwendige Innenkühlung bzw. Kernkühlung der Spindel, eine Rückkühlung des Schmierstoffes oder auch des Dielektrika. Eine Klimatisierung des Arbeitsraumes und Isolation des Maschinengestells gegen Schwingungen sind zu beachten. Ebenso muss eine direkte Sonneneinstrahlung vermieden werden. Sind all diese Voraussetzungen geschaffen, beginnen die Grenzen der Bearbeitung beispielsweise beim Drahterodieren bei 20 μm Drahtdurchmesser, 10 μm Innenradien und 20 μm bei Schlitzen. Beim Senkerodieren sind Bodenradien von 5 μm nicht zu vermeiden. Beim Fräsen liegt der derzeit kleinste erhältliche einschneidige Kugelfräser bei 10 μm. Mit einem 10 μm Bohrer dagegen lässt sich nicht unbegrenzt bohren, denn das Länge/Dicken-Verhältnis liegt bei 10:1. Deshalb sind hier die Frässtrategie, hohe Spindeldrehzahlen und niedrige Vorschübe zwingend erforderlich. Trotz der länge-en Bearbeitungszeiten hält auch aus diesen Gründen immer mehr die 3D-Laser-Technologie in der Mikrobearbeitung Einzug, denn  im Prototypenbereich ist das Verfahren wesentlich kostengünstiger als die herkömmlichen Verfahren. Bei Werkzeugen kann der CAD-Datensatz direkt in den fertigen Kontureinsatz umgesetzt werden. Das heißt, es werden weder Elektroden noch Spezialwerkzeuge benötigt. Dabei ist die Auflösung durch die Fokussierung des Laser-Strahls gegeben und liegt bei 40 μm. Bei der Bearbeitung im Mikrobereich an sich ist aber auch die Wärmeausdehnung von Werkstoffen zu beachten. Während sich Kupfer in Messing bei einer Temperaturschwankung von 5° C kleiner 10 μm ausdehnt, sind es bei Grafit in Stahl nur kleiner 4 μm. Wie weit diese μm-Spalterei im Graveurbetrieb Leonhardt gehen kann, zeigt das Beispiel einer metallischen Trägerplatte für Keramik mit Mikrobohrungen: In die 12 mm starke Platte aus Wolframkupfer mit den Abmes-sungen 164 x 168 mm wurden mittels Senkerodieren in eine Tiefe von 2 mm 7.850 Bohrungen, Durchmesser 0,3 mm mit einer Toleranz von plus/min. 0,012 mm eingebracht. Die Elektrode war dabei ein Kupferröhrchen mit einem Durchmesser von 0,12 mm.

Mit der entsprechenden Rezeptur zu mehr Flexibilität
Dieses Bearbeitungsbeispiel macht gleichzeitig deutlich, dass in der Mikrobearbeitung, speziell in der Fluid-, Analyse- und Medizintechnik immer öfter konventionelle Werkstoffe wegen der Korrosionsanfälligkeit durch temperatur- und korrosionsbeständige Hochleistungskeramiken ersetzt werden. Speziell in der Medizintechnik kommt hinzu, dass Edelstahl über eine schlechte Benetzung verfügt. Mit der Entwicklung einer flexiblen biokompatiblen Keramik, die dennoch alle Eigenschaften herkömmlicher Keramik erzielt, ist es OxiMatec gelungen, der minimal invasiven Chirurgie Instrumente zur Verfügung zu stellen. Bei diesem Werkstoff kommt es zu keinem Metallabrieb im Körper und so zu keinen Fremdreaktionen. Dazu Dr. Wolfgang Burger, Geschäftsführer des Tochterunternehmens von Leonhardt, der OxiMatec GmbH: „Herkömmliche Keramiken weisen ein hohe Sprödigkeit auf und stoßen auch bei der mechanischen Festigkeit schnell an Grenzen. Hier lassen sich aber wie bei den Stahlwerkstoffen, über die chemische Zusammensetzung maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften einstellen." Beispiele hierfür sind unter anderem eine keramische Anschnittdichtung in einem Heißkanalsystem von MoldMasters. Hier konnte der Werkstoff über spezielle mit Platelets verstärkte Gefügestruktur eingestellt und eine hohe Verschleißbeständigkeit der Spitzen erreicht werden. Für ein Mikrobauteil aus der Medizintechnik dagegen wurde ein Werkstoff mit Submikrongefüge für die geforderte Festigkeit entwickelt.

Diese keramischen Werkstoffe lassen sich ähnlich dem Kunststoffspritzguss verarbeiten. Allerdings muss berücksichtigt werden, dass nach der Formgebung unter anderem noch der Sinterprozess folgt. Rechnet man bei Kunststoff mit einem durchschnittlichen Schwund von bis zu 2 Prozent, so sind durch diesen Sinterprozess bei Keramik bis zu 30 Prozent Schwund zu berücksichtigen. Verfügt man allerdings über detaillierte Kenntnisse in dieser Prozesskette und kann die entsprechenden Anpassungen im Werkzeug durchführen, lässt sich der Effekt der 30 prozentigen Schwindung dazu nutzen, Bauteile noch kleiner zu gestalten.

Die Kombination solch innovativer Entwicklungen mit konventionellen Verfahren und neuesten Technologien ermöglichen bei Leonhardt/OxiMatec aber mittlerweile auch die Verbindung mehrerer Komponenten mit Keramik oder auch die Verbindung von Kunststoff und Keramik.

Durchgängig Premium
Die Umsetzung in Form von Prototypen, Werkzeugen bis hin zur Kleinserie erfordert also eine enge Verzahnung von Werkstoff und Technologie sowie maschinenseitig das entsprechendes Equipment. Beim Graveurbetrieb Leonhardt werden die Proto-ypen deshalb zunächst auf einer 5-achsigen Ultrasonic hergestellt. Nach der Qualifizierungsphase kommt neben dem Press-Fräsverfahren jetzt auch aktuell ein endkonturnahes Fertigungsverfahren mittels Spritzgießen zum Einsatz. Das hat den Vorteil, dass sich der Prozess kostengünstig gestaltet und filigranste Bauteile in höchster Präzision herstellen lassen. Außerdem setzt man in Hochdorf auf aktuelle Premium-Maschinen im Bereich Polier-Erodieren und Drahterodieren, die eine Präzision von plus/minus 2 μm sichern. Was bleibt, ist das Vermessen der Bauteile. Mit der Auflösung herkömmlicher Messmaschinen ist das kaum möglich. Deshalb wird bei OxiMatec zusätzlich mit Rasterelektronenmikroskopie, einer 3D-Messmaschine sowie Kontur- und Oberflächenmessgeräten die Dienstleistung Messtechnik und analytischen Aufgaben angeboten.

Originalartikel als PDF-Download:  Von der µm-Spalterei zur flexiblen Keramik (106.04 kB)