Da Computer und Fernseher immer dünner werden, ist auch die Medizintechnik so weit fortgeschritten, dass immer miniaturisiertere Geräte in den menschlichen Körper implantiert werden können – sogar Kameras, die klein genug sind, um darin zu navigieren.
Die Dinge werden nicht nur kleiner, sondern auch mit mehr Komponenten ausgestattet, die mehr Leistung und Funktionalität bieten. Mikrokomponenten haben heute ein breites Anwendungsspektrum in Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Biomedizin, Elektronik, Informationstechnologie, Optik und Telekommunikation.
Die Entwicklung all dieser Produkte führt zu höheren Anforderungen an kleinere Teile und Baugruppen. Um die Kosten kontinuierlich zu senken, werden die meisten dieser Miniaturbauteile mit Hilfe von Formen hergestellt. Diese Trends stellen Formenbauer vor neue und vielfältige Herausforderungen, von der Verwendung neuer Materialien in Luft- und Raumfahrtqualität und speziellen Formbeschichtungen über das Fräsen mit Werkzeugen mit 0,1 mm Durchmesser bis hin zum Erreichen von Submikrometer-Präzision.
Gleichzeitig schafft die intrinsische Komplexität von Mikrobauteilen auch neue Möglichkeiten. Da sich die Produktion einfacher und mittelkomplexer Formen in Länder mit niedrigeren Arbeitskosten verlagert, können Formenbauer in den USA und Europa ihren Wettbewerbsvorteil aufrechterhalten, indem sie sich fortschrittlichen Technologien wie Mikrospritzgießen und Mikrofräsen zuwenden.
Herausforderungen bei der Herstellung von Kleinteilen
Eine der größten Herausforderungen bei der Herstellung von Formen für Miniaturbauteile ist die eigentliche Bearbeitung dieser winzigen Teile. Sowohl das Direktfräsen von funktionalen Werkzeugbereichen als auch die Herstellung von kleinen Erodierelektroden stellen extrem hohe Anforderungen an die Frästechnik.
Zu den Herausforderungen beim Mikrofräsen gehört die Verwendung ultrakleiner Werkzeuge – manchmal bis zu 100 Mikrometer (μm) oder weniger – die bei Spindeldrehzahlen von bis zu 150.000 U/min arbeiten. Die erforderliche Oberflächenrauheit erreicht oft Ra 0,2 Mikrometer. Da das Polieren solch kleiner Merkmale in der Regel unpraktisch ist, muss beim Mikrofräsen ein politurfreies Finish erzielt werden.
Fräsen einer EDM-Elektrode mit einem 0,1-mm-Werkzeug (Foto mit freundlicher Genehmigung von Cimatron).
Mikro-Frästechnik
Um sowohl Qualitäts- als auch Präzisionsansprüche zu erfüllen und gleichzeitig wirtschaftlich zu bleiben, muss die gesamte Fertigungskette optimiert und synchronisiert werden. Lieferanten von CNC-Maschinen, Werkzeugen, Werkzeughaltern, Vorrichtungen und Qualitätskontrollgeräten müssen alle wettbewerbsfähige und präzise Lösungen anbieten.
Wichtige Überlegungen in einer Mikrofräsumgebung:
1) Werkzeuge, Halter und Spindeln
Werkzeuge mit kleinem Durchmesser sind für das Mikrofräsen von grundlegender Bedeutung. Abhängig von der Werkstückgröße können die Werkzeuge bis zu 0,1 mm klein sein, in Zukunft möglicherweise auch kleiner. Verfügbarkeit und Kosten solcher Tools müssen frühzeitig berücksichtigt werden.
Hohe Spindeldrehzahlen sind für Werkzeuge mit kleinem Durchmesser unerlässlich. Bei 10.000 U/min mit einem 0,1-mm-Werkzeug beträgt die Schnittgeschwindigkeit (Vc) beispielsweise nur 3,3 m/min – was viel zu niedrig ist.
Bei Spindeln, die zwischen 20.000 und 150.000 U/min arbeiten, ist es entscheidend, mit hochpräzisen Schrumpfwerkzeughaltern eine perfekte dynamische Balance und einen Nullschlag zu erreichen. Andernfalls leidet die Oberflächengüte und die Standzeit verringert sich erheblich.
2) Vorrichtung und Prozessintegration
Mikrofrästeile sollten in der Regel in einer einzigen Aufspannung bearbeitet werden. Die Kombination von Erodieren und Fräsen in getrennten Arbeitsgängen kann zu inakzeptablen Fehlausrichtungen und sichtbaren Werkzeugspuren führen.
3) Werkzeugmaschinen und Werkstattumgebung
Maschinen müssen eine gleichbleibende Genauigkeit und Auflösung mit einer Genauigkeit von vier Dezimalstellen (d. h. im Mikrometerbereich) bieten.
Das Mikrofräsen profitiert stark von den Fünf-Achsen-Funktionen, die kürzere Werkzeuge ermöglichen, indem sie von den Oberflächen weg gekippt werden. Da die derzeitige Fünf-Achs-Genauigkeit jedoch oft hinter Drei-Achs-Systemen zurückbleibt, muss jede Fünf-Achs-Implementierung für das Mikrofräsen gründlich validiert werden.
Temperaturregelung und Schwingungsisolierung sind von entscheidender Bedeutung. Selbst ein schwerer Lkw, der an der Werkstatt vorbeifährt, kann Spuren auf einer Oberfläche hinterlassen, wenn die Maschine nicht richtig isoliert ist.
4) Fräs-Strategien
Je nach Geometrie kann das Mikrofräsen Strategien erfordern, die über einfache Scale-Downs hinausgehen. In vielen Fällen ist das Aufstiegsfräsen (anstelle des konventionellen Fräsens) der bevorzugte Ansatz.
CAD/CAM-Lösungen für das hochpräzise Mikrofräsen im Formenbau müssen einfach zu bedienende 3D-Werkzeuge bieten.
CAD/CAM-Anforderungen
Während es intuitiv ist, Maschinen, Halterungen und Werkzeuge als die größten Herausforderungen bei der Skalierung auf die Mikrofertigung zu betrachten, ist die Software ebenso komplex. Auf den ersten Blick mag eine Software einfacher erscheinen – sie sollte mit Zahlen wie 0,0001 genauso gut umgehen können wie mit 1,0 oder 10. Aber in Wirklichkeit ist es viel nuancierter.
Wesentliche Funktionen für CAD-Systeme:
Eine zuverlässige und genaue Modellinterpretation ist von entscheidender Bedeutung. Die Reduzierung der Datenkonvertierung zwischen Systemen trägt dazu bei, die Modelltreue zu erhalten.
Extrem enge geometrische Toleranzen (0,1 bis 0,01 Mikrometer) sind unerlässlich für die Erstellung von Trennlinien oder Geometrien für Schieber, Auswerferstifte und Heber. Lücken zwischen den Trennflächen müssen beseitigt werden, wobei die Kontinuität von C1 und C2 erhalten bleibt.
Unterstützung für sehr kleine Formen mit mehreren Kavitäten, einschließlich Musterteilen und komplexen Baugruppen.
CAM-Systemanforderungen für das Mikrofräsen:
Unterstützung für enge Toleranzen und ultrahochpräzise Bearbeitung.
Da manuelle Eingriffe während des Betriebs nicht möglich sind, muss das CAM die Spanlast über den gesamten Werkzeugweg präzise steuern.
Verwendung hochauflösender mathematischer Modelle, um die geometrische Genauigkeit zu erhalten. Integrierte CAD/CAM-Plattformen sind ideal, da sie Übersetzungsfehler eliminieren.
Eingebaute hochpräzise Modellierungsfunktionen (z. B. Oberflächenabdeckung, Verlängerung) mit entsprechender Tangentensteuerung.
Unterstützung für Werkzeugwegabweichungen von nur 0,1 Mikrometern – entscheidend bei der Bearbeitung feiner Merkmale an großen Teilen.
Möglichkeit zur Definition von Parametern für das Mikrofräsen, z. B. die Verwendung eines Werkzeugs von 0,1 mm, einer Zustellung von 0,005 mm und eines Werkzeugradius von 0,05 mm. Der resultierende Werkzeugweg muss auf fünf Dezimalstellen genau sein.
Strategien, die Schruppen, Vorschlichten und Schlichten in einem kontinuierlichen Arbeitsgang kombinieren.
Intelligente Vorschubregelung auf Basis des tatsächlichen Restmaterials zum Schutz zerbrechlicher Werkzeuge und zur Reduzierung der Bearbeitungszeit.
Schlussfolgerung
Mikrosysteme, Mikroformen und Mikrofräsen entwickeln sich zu spannenden Technologien für die Massenproduktion von Miniaturteilen. Mit Submikrometer-Präzision und Schneidwerkzeugen, die für das bloße Auge nahezu unsichtbar sind, stellt dieser schnell wachsende Bereich Formenbauer und Zulieferer gleichermaßen vor viele Herausforderungen und Chancen.
Es erfordert fundierte Kenntnisse über neue Materialien, ultrafeine Werkzeuge, spezielle Beschichtungen und fortschrittliche CAD/CAM-Software. Das Mikrofräsen bietet aber auch einen Wettbewerbsvorteil für Hersteller, die sich von Billigkonkurrenten abheben wollen.
Eine effektive Entwicklung in diesem Bereich erfordert die Zusammenarbeit zwischen Industrie, Forschungseinrichtungen und Regierungen – ein Modell, das in Europa bereits im Gange ist. Die EU-Initiative CRAFT unter der Leitung des Fraunhofer IPT hat sich mit führenden Anbietern von CAD/CAM-, CNC-Maschinen, Werkzeugen und Vorrichtungen zusammengetan, um Materialien, Maschinen und Softwaretools der nächsten Generation für die Mikrofertigung zu entwickeln.
Es ist an der Zeit, dass die nordamerikanische Werkzeugbauindustrie mitmacht und von diesem aufstrebenden und hochprofitablen Marktsegment profitiert.
Mikrofräsen auf einen Blick
Die Mikrosystemtechnik hat sich zu einer der am schnellsten wachsenden Branchen weltweit entwickelt. Sektoren wie biomedizinische Geräte, Optik und Mikroelektronik (einschließlich Mobil- und Computerkomponenten) erzeugen eine enorme Nachfrage nach kleinen, hochpräzisen Teilen.
Bauteile, die eine Mikrofertigung erfordern, messen oft 5 mm oder weniger, mit Anforderungen an die Oberflächengüte von 0,2 Mikrometern oder besser und einer Materialhärte von 45 HRC oder mehr.
Das Mikrofräsen ist eine hochmoderne Technologie, die speziell für die Herstellung solcher miniaturisierter und ultrapräziser Komponenten entwickelt wurde. Es handelt sich um Werkzeuge mit einem Durchmesser von weniger als 0,1 mm, die ultraglatte Oberflächen und Toleranzen im Mikrometerbereich erreichen – weit über die Fähigkeiten von Standard-NC-Software hinaus.
Um dieses Maß an Präzision zu erreichen, müssen die Hersteller Herausforderungen wie die Verformung von Teilen, die zunehmende Komplexität und den Einsatz von Spezialwerkzeugen meistern. Zu den wichtigsten Mikrofräsfunktionen gehören:
Werkzeugdurchmesser von 100 μm oder kleiner
Werkzeug-Seitenverhältnisse (L/T) von 10 bis 100
Spindeldrehzahlen von 150.000 U/min oder mehr
Bearbeitungstoleranzen von 0,1 mm oder weniger
Geometriekorrektur und ultrapräzise Werkzeugwege
Das Mikrofräsen stellt die Zukunft des Hochgeschwindigkeitsfräsens dar. Unternehmen, die den Mikropräzisionsformenbau beherrschen, werden einen starken Wettbewerbsvorteil genießen.
