Mikrobearbeitung:Techniken, Möglichkeiten und Herausforderungen

Die Mikrobearbeitung ist ein großes Geschäft und wird in den kommenden Jahren weiter wachsen, da die Industrie kleinere und komplexere Teile verlangt. Aber was bedeutet der Begriff eigentlich und wie unterscheidet er sich von der „Makrobearbeitung“, die jeden Tag in Maschinenhallen auf der ganzen Welt durchgeführt wird? Hier ist, was Sie wissen müssen.

Ob für die Medizintechnik, die Luft- und Raumfahrtelektronik oder die Automobilindustrie, die Mikrobearbeitung ist ein großes Geschäft. Und laut einem Bericht des Forschungsunternehmens The Insight Partners vom November 2019 wird es noch viel größer.

Mit einem prognostizierten Wert von 5,48 Milliarden US-Dollar bis 2027 soll der weltweite Markt für Mikrobearbeitung laut dem Bericht in den nächsten Jahren auf fast das Doppelte des Niveaus von 2018 wachsen.

Wie die meisten in der Branche definiert Jake Rutherford, Forschungs- und Entwicklungsingenieur bei KYOCERA SGS Precision Tools Inc., Mikrobearbeitung als jedes Teil oder Teilmerkmal, das Werkzeuge mit einem Durchmesser von weniger als 1/8 Zoll oder 3 Millimetern erfordert.
 

Das ist nichts Neues, erklärt er. Die erste Anwendung für die Mikrobearbeitung war die Uhrenherstellung, aber da die Technologie im Laufe der Jahre kleinere und präzisere Komponenten hervorgebracht hat, umfasst der Begriff heute ein breites Spektrum an Branchen, Teilen und Materialien. Dazu gehören alle Arten von Sensoren, Herzpumpen und Atmungsüberwachungsgeräten, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie, Zubehör für Elektronenmikroskope, mikrofluidische Geräte und sogar viele Teile in Ihrem Smartphone.

Die zur Herstellung dieser Komponenten verwendeten Materialien decken ebenfalls ein breites Spektrum ab, wobei Edelstähle und Hochtemperaturlegierungen weit verbreitet sind, sowie Polymere wie PEEK, PTFE und POM.

„Zwischen den Branchen gibt es viele Materialüberschneidungen, weshalb Geschäfte eher nach materialspezifischen Mikrobearbeitungswerkzeugen suchen sollten als nach Werkzeugen, die für einen bestimmten Markt oder eine bestimmte Anwendung entwickelt wurden“, sagt Rutherford.

Faustregeln der Mikrobearbeitung 

Unabhängig von der Werkstückgröße bleiben jedoch die allgemeinen Prinzipien der Bearbeitung gleich. Was anders ist, ist der verstärkte Effekt, den alle nicht optimalen Anwendungsvariablen auf den Erfolg der Mikrobearbeitung haben.

„Alles wird kritischer“, sagt Jacob Rak, Anwendungsingenieur bei KYOCERA SGS. „Nehmen Sie als Beispiel den Auslauf. Wir empfehlen maximal 0,1 % Ihres Schneidwerkzeugdurchmessers. Je kleiner das Werkzeug ist, desto schwieriger ist das zu erreichen und desto größer ist die Auswirkung auf die Standzeit.“

Derek Nading stimmt zu. Als Anwendungsingenieur für M.A. Ford Mfg. Co. Inc. bietet er eine Faustregel für Werkzeuge mit einem Durchmesser von mehr als 1/8 Zoll an:Für jedes Zehntel des Rundlauffehlers können Maschinisten mit einer 10-prozentigen Reduzierung der Werkzeuglebensdauer rechnen. „Wenn Sie es jedoch mit Schneidwerkzeugen in Mikrogröße zu tun haben, kann der Verlust an Standzeit noch größer sein. Deshalb empfehlen wir für die meisten Fräs- und Bohranwendungen, insbesondere aber für die Mikrobearbeitung, ein hochwertiges Schrumpf-, Hydraulik- oder Präzisions-Einpresssystem.“

Das Erreichen der richtigen Oberflächengeschwindigkeit ist ebenfalls kritisch. Jeder Maschinist kann rechnen, aber um einen 1/32-Zoll-Fräser mit 300 sfm zu betreiben, sind fast 40.000 U / min erforderlich, weit mehr als die meisten Bearbeitungszentren und alle Drehmaschinen erreichen können. In diesen Situationen empfehlen Nading und andere einen Speeder Head. Elektrische, pneumatische und kühlmittelbetriebene Versionen sind leicht erhältlich, obwohl Nading schnell darauf hinweist, dass die erste davon eine elektrische Verkabelung erfordert und somit die Verwendung des automatischen Werkzeugwechslers der Maschine verbietet.

Hohe Spindeldrehzahlen und saubere Kühlmittelzufuhr

Für kühlmittelgespeiste Mikrobohranwendungen weist Nading darauf hin, dass ein Hochdruckkühlsystem (HPC) mit 500 bis 1.000 PSI verwendet werden sollte, um die ultrakleinen Kühlmittellöcher des Bohrers aufzunehmen. Er warnt davor, dass eine ordnungsgemäße Filtration entscheidend ist.

„Natürlich sind die Löcher in diesen Bohrern ziemlich klein, sodass selbst der kleinste Splitter oder die kleinste Verschmutzung ausreicht, um die Arbeiten zu verstopfen, was oft zu einem nahezu sofortigen Werkzeugausfall führt“, sagt er. „Deshalb wünsche ich mir für eine optimale Leistung Filtrationsgrade von 10 Mikron oder besser.“

Noch mehr als hohe Spindeldrehzahlen und sauberes Kühlmittel sieht Nading gut ausgerichtete, hochpräzise Werkzeugmaschinen, die für Mikroarbeiten ausgelegt sind. Das gilt auch für Rak von KYOCERA SGS:„Wenn Sie versuchen, einen Mikrobohrer oder Schaftfräser auf einer zu großen Maschine zu betreiben, ist die Achsenauflösung oft nicht fein genug, wodurch Bewegungen erzeugt werden, die für das Werkzeug zu abrupt sein können“, sagt er .

Evan Duncanson, Spezialist für Fräsanwendungen bei EMUGE Corp., bemerkte einen weiteren häufigen Fehler bei der Mikrobearbeitung:die Unterversorgung des Werkzeugs.

„Leute, die neu in dieser Art von Arbeit sind, neigen zu Baby-Mikrowerkzeugen, aber wenn Sie die Vorschubgeschwindigkeit auf über 30.000 U/min reduzieren, schieben Sie am Ende nur das Material und das Werkzeug bricht“, sagt er. „Sie müssen die empfohlene Vorschubgeschwindigkeit verwenden, damit ein Werkzeug unabhängig von seiner Größe richtig schneidet.“

Die Werkzeugwege selbst müssen möglicherweise ebenfalls angepasst werden. Duncanson schlug vor, dass das trochoidale Schneiden immer noch seinen Platz hat, aber da Mikroschaftfräser oft auf zwei Schneiden beschränkt sind und eine relativ große Reichweite haben, könnte eine andere Frässtrategie erforderlich sein.

„Viele Mikro-Schaftfräser haben eine sehr kurze Schnittlänge – oft nur das Ein- bis Zweifache des Durchmessers – mit einem reduzierten Hals, der 10- oder sogar 20-mal so lang ist“, sagt er. „Mit diesen Werkzeugen nehmen Sie einen sehr flachen axialen Schnitt und verwenden eine relativ große Schrittweite.“

Schließlich sollten angehende Mikromechaniker über ein angemessenes Werkzeugbudget verfügen. Genauso wie das Fräsen und Bohren mit bleistiftminengroßen Werkzeugen nichts für schwache Nerven ist, ist auch das Schleifen solcher Werkzeuge nichts für schwache Nerven. Duncanson und die anderen hier sagen, dass High-End-Schleifmaschinen und spezielle feinkörnige Scheiben erforderlich sind, um die äußerst glatten Oberflächen und scharfen Kanten ihrer Produkte zu erzielen. Trotzdem steigen die Ausschussraten – manchmal sogar weit nach oben – wenn die Werkzeuggröße kleiner wird. Das Ergebnis sind höhere Werkzeugkosten.

„Schauen Sie sich die Schneidkante eines Standard-1/2-Zoll-Schaftfräsers unter einem Mikroskop an“, sagt er. „Egal wie gut das Werkzeug ist, Sie werden zwei bis drei Mikrometer Mikrochips und Kantenbrüche sehen. Aus diesem Grund wenden die meisten Hersteller ein leichtes Honen an ihren Werkzeugen an, um diese Brüche zu glätten und das Werkzeug im Grunde vorab zu verschleißen. Sie können dies jedoch nicht tun, wenn das Werkzeug nur ein Zehntel dieser Größe hat, ebenso wie Sie nicht die gleichen fünf bis 10 Mikrometer dicken Beschichtungen auftragen können. Alles muss so scharf wie möglich sein.“

Mikrobearbeitungstechniken

Trotz all des Geredes über scharfe Werkzeuge und spezielle Schleifgeräte ist ein Großteil der heutigen „Mikrobearbeitung“ nicht wie hier beschrieben. Ja, ein beträchtlicher Teil wird mit konventionellen Schneidwerkzeugen auf CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren ausgeführt, wie gerade erwähnt. Aber es gibt auch Laser-Mikrobearbeitung (siehe Seitenleiste), Mikro-EDM und eine Art der Mikrobearbeitung, die genauer als Mikrofabrikation bezeichnet werden würde.

Es gibt zwei solche Herstellungsverfahren. Die erste davon – Massenmikrobearbeitung – wird typischerweise verwendet, um MEMS (mikroelektromechanische Systeme) durch selektives Ätzen eines Siliziumsubstrats herzustellen. Wenn ein MEMS-Gerät die Größe eines Hauses hätte, wäre das meiste davon unterirdisch und würde mit einer Reihe ätzender Chemikalien ausgegraben, bis die gewünschte Struktur und die gewünschten mechanischen Eigenschaften erreicht sind.

Die Oberflächenmikrobearbeitung hingegen baut das „Haus“ innerhalb einer Oberflächenschicht, die auf einem Siliziumwafer abgeschieden wurde. Teile dieser etwa 25 Mikrometer dicken Kristallschicht werden durch einen ähnlichen chemischen Ätzprozess selektiv entfernt. Beide Verfahren haben ihre Vor- und Nachteile, und beide werden verwendet, um eine breite Palette äußerst kleiner Geräte herzustellen. Dazu gehören MEMS, Trägheitssensoren, Gyroskope und Drucksensorgeräte, die alle in Smartphones, Automobilen, Flugzeugen und verschiedenen hochwertigen Industrieprodukten zu finden sind.

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