Kontakterosives Konditionieren
Im Vergleich zu Schleifwerkzeugen in der konventionellen Präzisionsschleifbearbeitung sind bei feinkörnigen Schleifwerkzeugen in der Mikrobearbeitung die Auswirkungen des kontinuierlichen Verschleißes signifikanter in Hinblick auf die Prozessstabilität sowie die Form- und Maßgenauigkeit des Bauteils. Um diese Einflüsse zu kompensieren sind zum einen verschleißfeste Werkzeuge sowie Verfahren zur Regeneration des Werkzeugprofils erforderlich. Mehrschichtige, metallisch gebundene Diamantschleifscheiben besitzen aufgrund ihrer hohen Verschleißfestigkeit, aus der eine hohe Profilhaltigkeit resultiert, gegenüber keramisch und Kunstharz gebundenen Werkzeugen ein großes Potenzial in der Mikrobearbeitung. Als problematisch erweist sich das Konditionieren dieser Werkzeuge. Ein aussichtsreiches Konditionierverfahren ist hier die Kontakterosion. Ein Teilziel dieses Teilprojekts ist die Weiterentwicklung des Kontakterosiven Schärfens zum Profilieren von Werkzeugen.
Hierzu wird der Einfluss der Leerlaufspannung U d, des Kurzschlussstroms I d und der radialen Vorschubgeschwindigkeit der Elektrode v frd auf die Abtragsrate an der Schleifscheibe untersucht. Die Untersuchungen zeigen, dass sich bis zu einem Grenzwert die Abtragsrate an der Schleifscheibe bei zunehmendem Parameter generell erhöht.
Ferner werden Untersuchungen zur abgerichteten Profilgeometrie durchgeführt. Da es sich beim kontakterosiven Profilieren um ein bahngesteuertes Abrichtverfahren handelt, wird der Zusammenhang zwischen dem Verfahrweg der Elektrode und dem resultierenden Profilflankenwinkel an der Schleifscheibe untersucht. Hierbei wird ein linearer Zusammenhang festgestellt. Dennoch entspricht der erzeugte Flankenwinkel nicht exakt dem Verfahrweg. Um das Zielprofil zu erreichen, muss der Verfahrweg der Elektrode dementsprechend angepasst werden. Mit dem entwickelten Verfahren zum kontakterosiven Abrichten ist es möglich, gerade sowie v-förmige Schleifscheibenprofile herzustellen.
Mikrozerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide
Weiterentwicklung von Schaftwerkzeugen
Für die Bohrungsbearbeitung von sprödharten Werkstoffen sind bisher nur galvanisch belegte Diamant-Hohlschleifstifte mit minimalem Durchmesser von 0,9 mm verfügbar. Die Kantenqualität der mit diesen Werkzeugen hergestellten Bohrungen sowie der minimale Bohrungsdurchmesser ist für Mikrosysteme nicht ausreichend. Ein weiteres Teilziel dieses Teilprojekts ist deshalb die Entwicklung von CVD-Diamantwerkzeugen, um eine Verbesserung der Bohrungsqualität, insbesondere der Kantenausbrüche, zu erreichen. Ferner soll der Werkzeugdurchmesser auf unter 0,5 mm reduziert werden.
Hierzu wird zunächst der Einfluss der Bohrergeometrie auf die Kantenausbrüche der Bohrung untersucht. Als wesentliche Einflussgröße auf den Bohrprozess und das Bearbeitungsergebnis wird die Kopfform des Schleifstiftes ermittelt. Sowohl beim Bohren ins Volle als auch bei der Bohrungsvergrößerung zeigt sich, dass eine schonende Aufweitung auf das Endmaß zu geringeren Kantenausbrüchen führt. Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird der Kopfbereich der Schleifstifte systematisch variiert.
Zum Einen wird die Kante der zylindrischen Stiftform verrundet, so dass ein Halbkugelförmiger Stiftkopf entsteht, zum Anderen wird eine Fase an die Kante der zylindrischen Stiftform geschliffen, so dass ein konischer Stiftkopf entsteht. Der Winkel der Fase wird zudem schrittweise verkleinert. Eine sehr spitze, konische Form mit einem Winkel von 15°, welche den Schleifstift beim Eintauchen in den Werkstoff gut zentriert und gleichzeitig langsam die Bohrung auf das gewünschte Maß aufweitet, wird schließlich als Optimum ermittelt.
Ultraschallschleifen
Durch den Einsatz feinkörniger Schleifwerkzeuge ist es möglich, eine hohe Oberflächenqualität zu erreichen. Allerdings steigen die Prozesskräfte mit abnehmender Korngröße. Zum Fertigen von dünnwandigen Strukturen mit hoher Oberflächengüte ist es jedoch unabdingbar, die Prozesskräfte niedrig zu halten. Es ist bekannt, dass beim ultraschallunterstützen Schleifen bei sonst unveränderten Prozessbedingungen die statischen Prozesskräfte geringer sind, als beim Schleifen ohne Ultraschallunterstützung. Dies lässt erwarten, dass dünnere Bauteile gefertigt werden können. Ziel der Untersuchungen ist es, zum Einen die dynamischen Kräfte beim ultraschallunterstützen Schleifen zu erfassen und zum Anderen die Prozessgrenzen des ultraschallunterstützen Schleifens dem konventionellen Schleifen gegenüberzustellen. Hierzu wird untersucht, ob sich die minimal zu fertigende Bauteildicke beim ultraschallunterstützten und konventionellen Schleifen unterscheidet. Es wird mit und ohne Ultraschallunterstützung Aluminiumnitrid und Silizium geschliffen. Um die Auswirkungen der Ultraschallanregung auf die herstellbare Bauteildicke tangential zur Schwingungsrichtung zu untersuchen, werden in Silizium und Aluminiumnitrid Nuten geschliffen, deren Abstand so gewählt wird, dass ein dünnwandiger Steg zwischen den Nuten unbearbeitet bleibt. Durch unterschiedliche Nutabstände wird dabei die Stegbreite stufenweise variiert. Die Untersuchungen zeigen einen signifikanten Unterschied zwischen der konventionellen und der ultraschallunterstützten Schleifbearbeitung. Mit Ultraschallunterstützung können minimale Stegbreiten von ca. 25 µm gefertigt werden, ohne dass es zu signifikanten Ausbrüchen am Steg kommt, wie an dem Höhenprofil deutlich wird. Bei einer gleichen, durch konventionelles Schleifen hergestellten Stegbreite von ca. 25 µm kommt es zu signifikanten Ausbrüchen. Diese werden im Verlauf des Höhenprofils deutlich, welches eine maximale Höhendifferenz von ca. 50 µm aufweist und über den gesamten Steges nicht die Ausgangshöhe erreicht. Für die konventionelle Schleifbearbeitung liegt die minimale Stegbreite, bei der es zu keinen signifikanten Ausbrüchen kommt, bei ca. 75 µm. Dies deutet darauf hin, dass die seitliche mechanische Belastung des Steges während der Bearbeitung beim ultraschallunterstützten Schleifen niedriger ist als bei der konventionellen Bearbeitung.
Mikrofräsen
Für die Mikrostrukturierung mit geringen Strukturhöhen werden üblicherweise lithographische Verfahren eingesetzt. Für die Herstellung von Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis sind diese Verfahren jedoch unwirtschaftlicher als spanende Verfahren wie zum Beispiel das Mikrofräsen. Werkstück und Werkzeug unterliegen bei der Bearbeitung einer mechanischen Belastung, die zum Versagen des Werkzeuges oder des Werkstücks führen können. Hieraus leitet sich als weiteres Teilziel die Ermittlung der Prozessgrundlagen sowie der Prozessgrenzen ab. Zur Ermittlung von Prozessgrundlagen und zur Bestimmung der technologischen Möglichkeiten beim Mikrofräsen von duktilen NE-Werkstoffen werden Hartmetallwerkzeuge sowie Fräswerkzeuge aus monokristallinem Diamant eingesetzt. In den Versuchen wird deutlich, dass es bei den Hartmetallwerkzeugen bei Vorschüben kleiner als f z = 1 µm nicht mehr zu einer gleichmäßigen Spanbildung kommt. Grund hierfür ist der vorhandene Schneidkantenradius von etwa 1 µm. Mit der Wahl von optimalen Einstellgrößen ist es möglich, mit unbeschichteten Hartmetallfräsern ohne Zuhilfenahme von Stützwerkstoffen Stege mit einer minimalen Wandstärke von 18 µm ohne Beschädigung zu fertigen. Mit der Verwendung von Diamantwerkzeugen können sogar Stege mit Wandstärken bis hinunter zu 8 µm gefertigt werden. Aufgrund der sehr hohen Schneidkantenschärfe des Diamantwerkzeuges ergeben auch sehr kleine Vorschübe von nur f z = 0,5 µm eine gleichmäßige Zerspanung des Werkstoffes. Aufgrund der geringen Festigkeit der im Rahmen dieses Sonderforschungsbereiches interessanten duktilen Werkstoffe Messing und Aluminium können Nuten bis minimal 100 µm problemlos durch den Einsatz von Hartmetallschaftfräsern hergestellt werden. Derzeit laufen Untersuchungen zur weiteren Steigerung der erzielbaren Aspektverhältnisse durch die Verwendung von Stützwerkstoffen.
Demonstrator
Die Umsetzung der erarbeiteten Erkenntnisse erfolgt im Rahmen der Demonstratorfertigung an den aerostatischen Linearführungen. Diese Luftführungen werden im Teilprojekt C3 „Aktive Linearführungen für Mikrosysteme“ untersucht. Neben den hybridgerecht gefertigten aerostatischen Lagerkomponenten werden auch ausschließlich spanend gefertigte aerostatische Lagerkomponenten untersucht. Um das für die Regelung der aerostatischen Luftführung kritische Luftvolumen gering zu halten, wird die zu fertigende Nuttiefe auf 50 µm und die Nutbreite auf 400 µm festgelegt. Die Bohrungen für die Druckluftversorgung der Nuten werden mit einem Durchmesser von 200 µm gefertigt. Zur Realisierung der aerostatischen Führungen werden zunächst Wafer spanend oder hybridgerecht strukturiert. Die einzelnen Bauteile der Lagerkomponenten werden anschließend mittels Vereinzeln des Wafers durch Trennschnitte hergestellt. Bei den hybrid gefertigten Komponenten wird die Druckluft von der Seite in die Nuten zugeführt und strömt dann aus den Mikrodüsen in der Funktionsfläche aus. Bei den rein spanend strukturierten Lagerkomponenten wird die Druckluft von unten aus einer gefrästen Tasche durch die Bohrungen zugeführt und strömt dann in die Nuten, wodurch sie über die gesamte Lagerflächenbreite verteilt wird.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die spanende Herstellung von Komponenten für die aerostatische Führung mit den entwickelten bzw. erforschten Verfahren erfolgreich durchgeführt werden kann. Diese Fertigungsverfahren werden deshalb weiterhin für die Herstellung von weiteren aerostatischen Führungen des Demonstrators eingesetzt.