Mikrobearbeitung: Fortgeschrittene Techniken, Marktchancen und neue Herausforderungen

Mikrobearbeitung ist ein großes Geschäft und wird in den kommenden Jahren weiter wachsen, da die Industrie kleinere und komplexere Teile verlangt. Was bedeutet der Begriff eigentlich, und wie unterscheidet er sich von der „Makrobearbeitung“, die täglich in Werkstätten weltweit durchgeführt wird? Hier ist, was Sie wissen müssen.

Ob für die Medizin-, Luftfahrt-, Elektronik- oder Automobilindustrie – Mikrobearbeitung ist ein großes Geschäft. Und es wird noch viel größer werden, laut einem November-2019-Bericht der Forschungsfirma The Insight Partners.

Mit einem prognostizierten Wert von 5,48 Milliarden Dollar bis 2027 soll der globale Mikrobearbeitungsmarkt in den nächsten Jahren auf fast das Doppelte des Niveaus von 2018 wachsen, so der Bericht.

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 erfordert, die kleiner als 1/8 Zoll oder 3 Millimeter im Durchmesser sind.

Das ist nichts Neues, erklärt er. Die erste Anwendung für Mikrobearbeitung war die Uhrenherstellung, aber da die Technologie im Laufe der Jahre kleinere und präzisere Komponenten geliefert hat, deckt der Begriff nun eine breite Palette von Branchen, Teilen und Materialien ab. Dazu gehören allerlei Sensoren, Herzpumpen und Atemüberwachungsgeräte, Komponenten für die Luftfahrt- und Automobilindustrie, Elektronenmikroskop-Zubehör, mikrofluidische Geräte und sogar viele Teile in Ihrem Smartphone.

Die für diese Komponenten verwendeten Materialien decken ebenfalls ein breites Spektrum ab, wobei Edelstähle und Hochtemperaturlegierungen sehr verbreitet sind, sowie Polymere wie PEEK, PTFE und POM.

„Es gibt eine große Materialüberlappung zwischen den Branchen, weshalb Werkstätten nach mikrobearbeitungsspezifischen Werkzeugen suchen sollten, die materialbezogen sind, statt Werkzeuge, die für einen bestimmten Markt oder eine Anwendung konzipiert sind“, sagt Rutherford.

Faustregeln der Mikrobearbeitung

Unabhängig von der Werkstückgröße bleiben die allgemeinen Prinzipien der Zerspanung gleich. Was anders ist, ist der verstärkte Effekt, den jede suboptimale Anwendungsvariable auf den Erfolg der Mikrobearbeitung hat.

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

Derek Nading stimmt zu. Als Application Engineer bei M.A. Ford Mfg. Co. Inc. gibt er eine Faustregel für Werkzeuge über 1/8 Zoll Durchmesser: Für jeden Zehntel Rundlauf können Zerspaner mit einer 10-prozentigen Reduktion der Standzeit rechnen. „Bei mikrogroßen Schneidwerkzeugen kann der Standzeitverlust noch größer sein. Deshalb empfehlen wir für die meisten Fräs- und Bohranwendungen, aber besonders für Mikrobearbeitung, ein hochwertiges Schrumpf-, Hydraulik- oder Präzisionspresspass-System.“

Das Erreichen der richtigen Schnittgeschwindigkeit ist ebenfalls kritisch. Jeder Zerspaner kann die Mathematik machen, aber ein 1/32-Zoll-Fräser mit 300 sfm (ca. 90 m/min) erfordert knapp 40.000 U/min – weit mehr, als die meisten Bearbeitungszentren und alle Drehmaschinen leisten können. In diesen Situationen empfehlen Nading und andere einen Speeder Head. Elektrische, pneumatische und kühlmittelbetriebene Versionen sind verfügbar, wobei Nading schnell anmerkt, dass die erste Variante elektrische Verkabelung erfordert und damit den Einsatz des automatischen Werkzeugwechslers der Maschine verhindert.

Hohe Spindeldrehzahlen und saubere Kühlmittelzufuhr

Für kühlmittelgeführte Mikrobohranwendungen merkt Nading an, dass ein Hochdruckkühlmittel-System (HPC) mit 500 bis 1.000 PSI (ca. 35–70 bar) verwendet werden sollte, um die ultra-kleinen Kühlmittelbohrungen des Bohrers zu versorgen. Er warnt, dass richtige Filtration entscheidend ist.

„Offensichtlich sind die Bohrungen in diesen Bohrern winzig, sodass selbst der kleinste Span oder Verunreinigung ausreicht, um die Kühlung zu verstopfen, was oft zu fast sofortigem Werkzeugversagen führt“, sagt er. „Deshalb bevorzuge ich Filtrationsgrade von 10 Mikrometer oder besser für optimale Leistung.“

Noch mehr als hohe Spindeldrehzahlen und sauberes Kühlmittel bevorzugt Nading gut ausgerichtete, hochpräzise Werkzeugmaschinen, die für Mikroarbeiten ausgelegt sind. Auch KYOCERA SGS’s Rak: „Wenn man versucht, einen Mikrobohrer oder Schaftfräser auf einer zu großen Maschine zu laufen, ist die Achsauflösung oft nicht fein genug, was Bewegungen erzeugt, die für das Werkzeug zu abrupt sein können.“

Evan Duncanson, Fräsapplikationsexperte bei EMUGE Corp., nannte einen weiteren häufigen Mikrobearbeitungsfehler: das Unterfüttern des Werkzeugs.

„Leute, die neu in dieser Art von Arbeit sind, neigen dazu, Mikrowerkzeuge zu schonen, aber wenn man den Vorschub bei 30.000+ U/min reduziert, schiebt man nur das Material und das Werkzeug bricht“, sagt er. „Man muss den empfohlenen Vorschub für ein Werkzeug nutzen, damit es richtig schneidet, unabhängig von seiner Größe.“

Auch die Werkzeugwege müssen möglicherweise angepasst werden. Duncanson schlug vor, dass trochoidales Fräsen seinen Platz hat, aber weil Mikroschaftfräser oft auf zwei Schneiden begrenzt sind und eine relativ lange Auskragung haben, könnte eine andere Frässtrategie notwendig sein.

„Viele Mikroschaftfräser haben eine sehr kurze Schneidenlänge – oft nur ein- bis zweimal den Durchmesser – mit einem reduzierten Hals, der 10- oder sogar 20-mal so lang ist“, sagt er. „Mit diesen Werkzeugen nimmt man einen sehr flachen Axialschnitt und verwendet einen relativ großen Radialversatz.“

Schließlich sollten angehende Mikrobearbeiter ein angemessenes Werkzeugbudget haben. Genau wie das Fräsen und Bohren mit werkzeugen in Bleistiftminengröße nichts für schwache Nerven ist, gilt das auch für das Schleifen solcher Werkzeuge. Duncanson und die anderen hier sagen, dass hochwertige Schleifmaschinen und spezielle Feinkornscheiben nötig sind, um die extrem glatten Oberflächen und scharfen Kanten ihrer Produkte zu erreichen. Dennoch steigen die Ausschussraten – manchmal massiv – je kleiner das Werkzeug. Das Ergebnis: höhere Werkzeugkosten.

„Sehen Sie sich die Schneide eines Standard-1/2-Zoll-Schaftfräsers unter dem Mikroskop an“, sagt er. „Egal wie gut das Werkzeug, Sie werden 2 bis 3 Mikrometer Mikroausbrüche und Kantensprödigkeit sehen. Deshalb wenden die meisten Hersteller eine leichte Schneidenverrundung an, um diese Sprödigkeit zu glätten und das Werkzeug quasi vorzuverschleißen. Das kann man nicht, wenn das Werkzeug ein Zehntel so groß ist, genauso wenig wie man die gleichen 5- bis 10-Mikrometer-Beschichtungen auftragen kann. Alles muss so scharf wie möglich sein.“

Mikrobearbeitungstechniken

Trotz all dieser Rede von scharfen Werkzeugen und spezieller Schleifausrüstung ist vieles von dem, was heute als „Mikrobearbeitung“ bezeichnet wird, nicht so, wie hier beschrieben. Ja, ein guter Teil wird mit konventionellen Schneidwerkzeugen auf CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren durchgeführt, wie gerade besprochen. Aber es gibt auch Lasermikrobearbeitung (siehe Sidebar), Mikro-EDM und eine Art Mikrobearbeitung, die treffender als Mikrofertigung bezeichnet würde.

Zwei solche Fertigungsprozesse existieren. Der erste – Bulk-Mikrobearbeitung – wird typischerhaft genutzt, um MEMS (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) durch selektives Ätzen eines Siliziumsubstrats zu erzeugen. Wenn ein MEMS-Gerät so groß wie ein Haus wäre, wäre der größte Teil unterirdisch, ausgegraben mit einer Reihe ätzender Chemikalien, bis die gewünschte Struktur und mechanischen Eigenschaften konstruiert sind.

Oberflächenmikrobearbeitung hingegen baut das „Haus“ innerhalb einer Oberflächenschicht auf, die auf einem Siliziumwafer abgeschieden wurde. Teile dieser kristallinen Schicht, etwa 25 Mikrometer dick, werden durch einen ähnlichen chemischen Ätzprozess selektiv entfernt. Beide Prozesse haben ihre Vor- und Nachteile und werden zur Herstellung einer Vielzahl extrem kleiner Geräte eingesetzt. Dazu gehören MEMS, Trägheitssensoren, Gyroskope und Drucksensoren, die alle in Smartphones, Automobilen, Flugzeugen und verschiedenen High-End-Industrieprodukten zu finden sind.

Welche Mikrobearbeitungstechniken haben Sie als am hilfreichsten empfunden? Teilen Sie Ihre Gedanken in den Kommentaren unten.