Von kleinsten Strukturen und flexibler Keramik

Mikrobearbeitung: Der Graveurbetrieb Leonhardt in Hochdorf gilt als hochinnovatives Unternehmen. Mit Werkzeugen, dem Keramikspritzguss mittels Sub-Mikrotechnologie oder eigenen Werkstoffformulierungen folgt das Unternehmen mit der Tochtergesellschaft Oximatec konsequent dem Trend der Kleinstbauweise.

Nach einer allgemein anerkannten Definition spricht man von Mikrotechnologie, wenn die Details innerhalb eines filigranen Bauteils in der Größenordung von < 200 μm bis 5 μm liegen. „Unsere Erfahrung hat aber gezeigt, dass bei der Mikrobearbeitung die Teilegrößen irrelevant sind", erklärt Wolfgang Leonhardt, Inhaber des gleichnamigen Graveurbetriebs. „Es entscheiden die Strukturgrößen." Zur Einhaltung der engen Toleranzen muss eine entsprechende Infrastruktur geschaffen werden. Die beginnt bei den Werkzeugmaschinen. Grundvoraussetzungen sind hohe Steifigkeit und geometrische Genauigkeit. Hinzu kommen die notwendige Innenkühlung und Kernkühlung der Spindel, eine Rückkühlung des Schmierstoffes oder des Dielektrikums. Eine Klimatisierung des Arbeitsraumes und Isolation des Maschinengestells gegen Schwingungen sind zu beachten. Ebenso muss 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 längeren Bearbeitungszeiten hält auch deshalb immer mehr die 3D-Laser-Technologie in der Mikrobearbeitung Einzug, denn im Prototypenbereich ist das Verfahren weit kostengünstiger als herkömmliche Verfahren. Bei Werkzeugen kann der CAD-Datensatz direkt in den fertigen Kontureinsatzumgesetzt werden. Das heißt, eswerden weder Elektroden noch Spezialwerkzeuge benötigt. Dabei ist die Auflösung über die Fokussierung des Laser- Strahls gegeben und liegt bei 40 μm.

Herausforderung Mikrobearbeitung
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 < 10 μm ausdehnt, sind es bei Grafit in Stahl nur < 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 Abmessungen 164 x 168 mm wurden mittels 2 mm 7850 Bohrungen, Durchmesser 0,3 mm mit einer Toleranz von ±0,012 mm eingebracht. Die Elektrode war dabei ein Kupferröhrchen mit einem Durchmesser von 0,12 mm. Dieses Beispiel macht deutlich, dass in der Mikrobearbeitung, speziell in der Fluid-, Analyse- und Medizintechnik, immer öfter konventionelle Werkstoffe wegen der Korrosionsanfälligkeit mit temperatur- und korrosionsbeständigen Hochleistungskeramiken ersetzt werden. Speziell in der Medizintechnik kommt hinzu, dass Edelstahl über eine schlechte Benetzung verfügt. Biokompatible Keramik 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. „Herkömmliche Keramiken weisen hohe Sprödigkeit auf und stoßen bei der mechanischen Festigkeit schnell an Grenzen", erklärt Wolfgang Burger, Geschäftführer des Tochterunternehmens Oximatec. „Hier lassen sich aber über die chemische Zusammensetzung maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften einstellen." Beispiele sind etwa 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. Die Kombination solch innovativer Entwicklungen mit konventionellen Verfahren und neuesten Technologien ermöglichen bei Leonhardt/ Oximatec mittlerweile auch die Verbindung mehrerer Komponenten mit Keramik oder die Verbindung von Kunststoff und Keramik. Enge Verzahnung erforderlich Die Umsetzung in Form von Prototypen, Werkzeugen bis hin zur Kleinserie erfordert die enge Verzahnung von Werkstoff und Technologie sowie maschinenseitig das entsprechende Equipment. Beim Graveurbetrieb Leonhardt werden die Prototypen zunächst auf einer fünfachsigen Ultrasonic hergestellt. Nach der Qualifizierung kommt neben dem Press-Fräsverfahren auch ein endkonturnahes Fertigungsverfahren per Spritzgießen zum Einsatz. Das hat den Vorteil, dass sich der Prozess kostengünstig gestaltet und filigranste Bauteile präzise herstellen lassen. Zudem setzt man auf aktuelle Premium-Maschinen zum Polier-Erodieren und Drahterodieren, die eine Präzision von ± 2 μm sichern. Was bleibt, ist das Messen der Teile. Bei Oximatec wird zusätzlich mit Rasterelektronenmikroskopie, 3D-Messmaschinen sowie Kontur- und Oberflächenmessgeräten die Dienstleistung Messtechnik angeboten.

Trends μ-genauKeramische Werkstoffe, wie sie bei Leonhardt und Oximatec genutzt werden, 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 zwei Prozent, so sind beim Sinterprozess von Keramik bis zu 30 Prozent Schwund zu berücksichtigen. Verfügt man allerdings über detaillierte Kenntnisse in dieser Prozesskette und kann die entsprechenden Anpassungen im Werkzeug ausführen, lässt sich dieser Effekt dazu nutzen, Bauteile noch kleiner zu gestalten. 

Originalartikel als PDF-Download:  Artikel werkzeug&formenbau • November 2009 (141.87 kB)
Quelle: werkzeug&formenbau · November 2009