Ultraschallbearbeitung erklärt: Funktionsweise & Hauptanwendungen

Was ist Ultraschallbearbeitung?

Ultraschallbearbeitung (auch Ultraschallschwingungsbearbeitung) ist ein subtraktiver Fertigungsprozess, der Material von der Oberfläche eines Teils durch hochfrequente, niedrigamplitudige Schwingungen eines Werkzeugs gegen die Materialoberfläche in Gegenwart feiner Abrasivpartikel entfernt. Das Werkzeug bewegt sich vertikal oder orthogonal zur Teileoberfläche mit Amplituden von 0,05 bis 0,125 mm (0,002 bis 0,005 Zoll).

Die feinen Abrasivkörner werden mit Wasser zu einer Suspension (Schlämme) vermischt, die über das Teil und die Werkzeugspitze verteilt wird. Typische Korngrößen reichen von 100 bis 1000, wobei kleinere Körner (höhere Kornzahl) glattere Oberflächen erzeugen.

Ultraschallschwingungsbearbeitung wird typischerweise für spröde Materialien sowie Materialien mit hoher Härte aufgrund der Mikrorissmechanik eingesetzt.

Bei der Ultraschallbearbeitung erzeugt ein Werkzeug Schwingungen, die mikroskopische Partikel auf das Werkstück projizieren. Die Partikel werden meist mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten zu einer Suspension vermischt. Bei Aktivierung des Ultraschallwerkzeugs werden diese Partikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Werkstückoberfläche geschleudert. Die abrasive Natur der Partikel schleift Material von der Oberfläche ab.

Ultraschallbearbeitungsprozess

Das in der Maschine zum Schneiden verwendete Werkzeug besteht aus einem weicheren Material als das Werkstück, meist weicher Stahl oder Nickel. Beim Vibrieren des Werkzeugs wird abrasive Suspension (Flüssigkeit) zugegeben, die abrasive Körner und Partikel enthält.

Die abrasive Suspension wird so lange zugegeben, bis das Werkstück mit den Körnern interagiert. Durch die Partikel in der Flüssigkeit wird die Sprödigkeit des Werkstücks an der Oberfläche abgetragen, während sich das Werkzeug allmählich verformt.

Arbeitsprinzip der Ultraschallbearbeitung

Die Bearbeitungszeit hängt vollständig von der Frequenz des schwingenden Werkzeugs ab. Ebenfalls entscheidend sind Korngröße der abrasiven Suspension, Steifigkeit und Viskosität.

Als Abrasivkörner werden meist Borkarbid oder Siliciumkarbid verwendet, da sie härter sind als andere. Das verwendete Abrasiv kann leicht abgetragen werden, wenn die Viskosität der Suspensionsflüssigkeit gering ist.

Arten der Ultraschallbearbeitung

1. Rotierende Ultraschallschwingungsbearbeitung

Bei der rotierenden Ultraschallschwingungsbearbeitung (RUM) kann das vertikal schwingende Werkzeug sich um die vertikale Mittellinie drehen. Statt einer abrasiven Suspension ist die Werkzeugoberfläche mit Diamanten imprägniert, die die Teileoberfläche abschleifen.

Rotierende Ultraschallmaschinen sind spezialisiert auf die Bearbeitung fortschrittlicher Keramiken und Legierungen wie Glas, Quarz, Strukturkeramik, Ti-Legierungen, Aluminiumoxid und Siliciumkarbid. Sie werden zur Herstellung tiefer Bohrungen mit hoher Präzision eingesetzt.

RUM ist ein relativ neues Fertigungsverfahren, das noch intensiv erforscht wird. Aktuell versuchen Forscher, den Prozess auf Mikroebene anzupassen und die Maschine ähnlich wie eine Fräsmaschine arbeiten zu lassen.

2. Chemisch unterstützte Ultraschallschwingungsbearbeitung

Bei der chemisch unterstützten Ultraschallbearbeitung (CUSM) wird eine chemisch reaktive abrasive Flüssigkeit verwendet, um die Bearbeitung von Glas und Keramik zu verbessern. Durch saure Lösungen wie Flusssäure können Bearbeitungseigenschaften wie Materialabtragsrate und Oberflächenqualität im Vergleich zur herkömmlichen Ultraschallbearbeitung deutlich gesteigert werden.

Während Bearbeitungszeit und Oberflächenrauheit mit CUSM abnehmen, ist der Eingangsprofildurchmesser aufgrund der zusätzlichen chemischen Reaktivität der neuen Suspension leicht größer als normal. Um das Ausmaß dieser Vergrößerung zu begrenzen, muss der Säuregehalt der Suspension sorgfältig ausgewählt werden, um Anwendersicherheit und ein Qualitätsprodukt zu gewährleisten.

Anwendungen der Ultraschallbearbeitung

• Bearbeiten sehr präziser und komplex geformter Artikel.
• Bohren runder Löcher beliebiger Form.
• Schleifen spröder Materialien.
• Profilieren von Löchern.
• Gravieren.
• Ausbohren und Prägen.
• Gewindeschneiden.
• Schneiden und Nutstoßen harter Materialien.
• Bearbeiten von Gläsern, Keramiken.
• Bearbeiten präziser Mineralsteine, Wolfram.
• Durchstechen von Matrizen und Abtrennoperationen.
• Präzise genug für die Herstellung von Mikro-Elektro-Mechanischen Systemkomponenten wie mikrostrukturierten Glaswafern.
• Diamanten werden in gewünschte Formen geschnitten.

Vorteile der Ultraschallbearbeitung

Es gibt Dutzende anderer Fertigungsprozesse, die Material von Werkstücken entfernen können, ihre Anwendungen sind jedoch typischerweise auf Werkstücke aus starken und langlebigen Materialien beschränkt. Ultraschallbearbeitung ist einzigartig, da sie Material von fast allen Werkstücktypen entfernen kann, einschließlich harter und spröder Materialien.

Ob ein Werkstück aus Glas, Keramik oder sogar Quarz besteht – seine physischen Abmessungen können mittels Ultraschallbearbeitung verändert werden.

Ultraschallbearbeitung erfordert kein Erhitzen der Werkstücke. Wenn ein Werkstück empfindlich auf thermische Schwankungen reagiert, kann es sicher mit diesem Verfahren bearbeitet werden. Während der Ultraschallbearbeitung bleibt die Werkstücktemperatur konstant. Der Prozess erfordert weder Erhitzen noch Kühlen des Werkstücks.

Zudem bietet Ultraschallbearbeitung höhere Toleranzen als viele andere Bearbeitungsverfahren. Sie kann Werkstücke mit hohen Toleranzen modifizieren, die mit anderen Verfahren nicht möglich sind.

Nachteile der Ultraschallbearbeitung

Ein Nachteil ist die langsamer als durchschnittlich Materialabtragsrate. Es ist keine besonders schnelle Methode, Material von Werkstücken zu entfernen – im Gegenteil, sie ist langsamer als die meisten anderen Bearbeitungsverfahren. Für Unternehmen, die Massenproduktionsprozesse suchen, kann Ultraschallbearbeitung eine schlechte Wahl sein.

Zusätzlich zur langsamen Abtragsrate unterstützt Ultraschallbearbeitung keine tiefen Bohrungen. Es ist nicht unüblich, dass Unternehmen Bohrungen in Werkstücke vor der Ultraschallbearbeitung einbringen. Ist eine Bohrung zu tief, kann die Suspension sie nicht füllen.