Die Herausforderung und das Versprechen von Mikrowerkzeugen

Es ist schwierig, ein Schneidwerkzeug mit einem Durchmesser von nur einem Millimeter oder weniger herzustellen. Es ist auch eine Herausforderung, ein solches Tool zu verwenden. Aber wenn beide Seiten der Gleichung es richtig machen, sind die Ergebnisse erstaunlich: winzige Merkmale, die ohne ein Mikroskop nicht vollständig erkannt werden können. Und die Anwendungen nehmen zu.

Uwe Heinrich, New Business Development Manager bei Mastercut Tool Corp., Safety Harbor, Florida, stellte fest, dass „Mikrowerkzeuge branchenübergreifend eine sehr wichtige Rolle spielen“. Neben offensichtlichen Beispielen wie Leiterplatten sowie medizinischen und zahnmedizinischen Geräten und Implantaten verwies Heinrich auf die Optik – nicht so sehr zum Schneiden von Glas, sondern zur Herstellung der winzigen Formen, die zur Herstellung von Teilen benötigt werden.

Oliver Rapp, F&E-Manager bei der Ceratizit Group mit Sitz in Balzheim, Deutschland, sagte, dass Ceratizit-Kunden Mikrowerkzeuge hauptsächlich in der Medizin-, Maschinenbau- und Schmuckindustrie einsetzen. Sherry DePerno, Präsidentin und CEO von Advanced Tool Inc. mit Sitz in Marcy, NY, sagte, dass Kraftstoffdüsen und Sicherheitsbefestigungen für die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie einen großen Teil ihres Mikrowerkzeugmarktes ausmachen.

Brent Broderick, Senior Manager für strategische Kunden und nationaler Produktspezialist für Vollrundwerkzeuge bei ARCH Cutting Tools, Bloomfield Hills, Michigan, stimmte zu. Er fügte hinzu, dass Inconel- und Edelstahlbefestigungen in der Luft- und Raumfahrt eine weitere wichtige Anwendung seien. Broderick sagte auch, dass Schaftfräser der am schnellsten wachsende Werkzeugtyp seien, da das Mikrobohren „nahezu maximiert“ sei. Außerdem „fangen immer mehr Unternehmen an, Schaftfräser als Bohrwerkzeug zu verwenden.“ Er erklärte, dass Fortschritte in der Werkzeugtechnologie und bei Werkzeugmaschinen es für Merkmale wie ein kleines Loch mit Senkbohrung möglich machen, ein Loch in Kombination mit der Senkbohrung mit einem speziellen Schaftfräser einzustechen und zu interpolieren. Heinrich fügte hinzu, dass durch Fräsen auch ein genaueres Loch erzeugt werden könne als durch Bohren. Das Einfädeln ist natürlich ein weiterer wichtiger Vorgang für diese Werkzeuge.

Diese kurze Übersicht weist auf eine entscheidende Herausforderung für den Werkzeughersteller hin: Wie lassen sich Werkzeuggeometrie und -material für jede einzelne Anwendung am besten optimieren, vom Titan und Chrommolybdän in medizinischen Implantaten bis hin zu Inconels in Luft- und Raumfahrtdüsen?

Wie Heinrich erklärte: „Ein Schlüssel bei der Zerspanung liegt immer darin, die Bearbeitungseigenschaften eines bestimmten Materials zu verstehen. Aluminium ist beispielsweise ziemlich weich, daher sollte es ziemlich leicht sein. Aufgrund der Bearbeitungseigenschaften treten jedoch typischerweise Probleme wie Aufbauschneidenbildung auf, bei der der Span tatsächlich auf einem Teil der Spannut landet und mit der Zeit die Schärfe der Schneidkante verliert.“ Dies beeinträchtigt die Oberflächenbeschaffenheit des Teils und führt schnell zum Werkzeugbruch.

Heinrich stellte dem Titan Titan mit seinem geringen Elastizitätsmodul gegenüber. „Man hat starke Vibrationen und normalerweise die dreifache Wärmemenge, weil die Wärme nicht im Chip abgeführt wird. Man braucht also ein Mikrowerkzeug, das extrem robust ist, mit einer Geometrie, die Vibrationen reduziert, und einer Beschichtung, die vor übermäßiger Hitze schützt.“

Zusammenfassend sieht Heinrich vier wesentliche Parameter bei der Schaffung eines hochwertigen Mikrowerkzeugs. Erstens ist ein geometrisches Design erforderlich, das den Bearbeitungseigenschaften des Werkstücks Rechnung trägt. Zweitens muss die am besten geeignete Hartmetallsorte ermittelt werden. Drittens schleifen Sie das Werkzeug mit der bestmöglichen Oberfläche. Und zum Schluss: „Komplett mit einer passenden Beschichtung.“ Für ein Zahnimplantat aus Zirkonoxid besteht die beste Beschichtung darin, „mit CVD einen Kohlenstoffkristall (dh Diamant) auf dem Hartmetallsubstrat wachsen zu lassen“, fügte er hinzu. Eine Metallschneideanwendung könnte eine völlig andere PVD-Beschichtung haben.

Obwohl alle großen Anbieter in diesem Bereich über Standardprodukte verfügen, werden kundenspezifische Anpassungen immer häufiger. Broderick führte als Beispiel an, dass ein Merkmal mit einer Tiefe von 0,020 Zoll (0,5 mm) geschnitten werden müsse. „Wir würden ein Werkzeug mit einer Schnittlänge von 25 oder 30 Tausendstel konstruieren, im Gegensatz zu einem Standardwerkzeug mit beispielsweise einer Länge von zwei Millimetern schneiden." Das liegt daran, dass bei einem gegebenen Durchmesser ein Werkzeug mit einer längeren Schnittlänge unter sonst gleichen Bedingungen schwächer wäre. Und Mikrowerkzeuge sind von Natur aus „sanft und spröde“, sagte Broderick. „Wenn man das Werkzeug speziell auf die Anwendung zuschneiden kann, In den meisten Fällen kann man ein Standardprodukt von der Stange deutlich übertreffen.“

DePerno stimmte zu. „Der schnellste und einfachste Weg, Geld zu sparen und die Leistung zu steigern, besteht darin, die Geometrie, das Substrat und die Beschichtung entsprechend der Abnutzung des Schneidwerkzeugs während des Gebrauchs zu ändern und zu optimieren. Eine kleine Änderung an der Geometrie kann große Auswirkungen auf die Leistung haben.“ Aus diesem Grund verwendet Advanced Tool eine „21-Punkte-Inspektion von Kantenverschleiß und -bruch zur Verbesserung der Schneidwerkzeuggeometrie“. Dadurch erfahren wir genau, wie ein Kunde den Schaftfräser nutzt, wie viel vom Fräser er nutzt, was funktioniert und was nicht.“

Rob DePerno, COO von Advanced Tool und Leiter Fertigung und Technik, erläuterte dies. Wenn sie bei starker Vergrößerung sehen, dass der Benutzer „die Ecke beim Eintritt sprengt“, können wir dort einen Eckenradius festlegen oder den Spanwinkel oder den Spiralwinkel verringern. Die Analyse umfasst 21 Schritte und viele weitere Dinge, die an einem Schaftfräser geändert werden können. Es geht nur darum, die richtige Formel zusammenzustellen.“ Das kann auch bedeuten, dass andere Änderungen am Prozess empfohlen werden. „Wenn das Werkzeug nicht zerstört wurde, können wir Rundlauf und Verschleiß erkennen. Und wenn genug vorhanden ist, können wir messen, ob der Rundlauf im Werkzeug selbst oder im Halter liegt. … Wenn ich ungleichmäßige Abnutzung bemerke und das Werkzeug konzentrisch zu sein scheint, sage ich ihnen, dass sie erst an ihren Haltern oder an der Spindel arbeiten sollen, bevor sie irgendetwas anderes tun.“

Obwohl die DePernos sagen, dass ihre Verschleißanalyse auf der Grundlage spezifischer Messungen und ihrer jahrelangen Erfahrung vorhersehbare Verbesserungen bringt, bieten sie dem Kunden häufig bis zu vier neue Konfigurationen zum Testen in der nächsten Phase an. Warum? Weil es schwierig ist, sicher zu sein, was am besten funktioniert, wenn so viele Faktoren im Spiel sind. Und je kleiner die Werkzeuge werden, desto schwieriger wird es, sie mit besonderen geometrischen Merkmalen zu versehen und ihre Wirksamkeit zu messen.

Bemühungen, Vibrationen zu dämpfen oder die Leistung auf andere Weise zu verbessern, haben Werkzeughersteller dazu veranlasst, esoterische geometrische Merkmale wie variable Spiralen, ungleiche Indexierung und exzentrische Hinterschliffe bei Schneidwerkzeugen in Standardgröße einzuführen. Es ist jedoch fraglich, inwieweit solche Funktionen auf Mikrowerkzeuge angewendet werden können und sollten. Broderick sagte, dass die KEO Micro Tool-Abteilung von ARCH Schaftfräser mit einem Durchmesser von bis zu 0,005 Zoll (0,1 mm) mit Standardgeometrie herstellt und „einige Aspekte von Hochleistungsgeometrien auf ihnen prüft. Während wir Fortschritte machen, werden wir das auch tun.“ Wir beginnen mit dem Einsatz von Hochtechnologie wie variabler Helix und variablem Index.“

Rob DePerno äußerte Skepsis. Während Advanced Tool routinemäßig Schaftfräser mit 0,015 Zoll (0,381 mm) Durchmesser und variabler Helix und Indexierung herstellt, erhält es nicht viele Anfragen, den Verschleiß solcher Werkzeuge zu analysieren. „Und“, überlegte er, „wenn Sie einen 15er herstellen.“ Wie stark kann man bei einem Werkzeug von 0,015 Zoll und einer Schnittlänge von 35 Tausend die Spirale auf diesem Weg variieren?“ Dennoch, berichtet Sherry DePerno, bestellen Kunden Werkzeuge mit solchen Funktionen. „Offensichtlich funktionieren sie, weil die Leute sie kaufen. Aber wir fragen uns manchmal, ob eine Standardgeometrie genauso gut funktioniert hätte. Es wurde nicht wirklich getestet.“

Bei den kleinsten Werkzeugen wird es physisch schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, einige dieser Funktionen hinzuzufügen, wie Ylli Hysenlika, Leiterin der automatisierten Produktion bei Mastercut Tool Corp., erklärt. Schauen Sie sich zum Beispiel den Aufwand an, einen scharfen Spanwinkel zum Schneiden von Aluminium zu erzeugen. „Je kleiner man geht, desto höher werden diese Winkel aufgrund der Natur des Riffelungsprozesses. Wenn man sich jedoch dem Bereich von 50 µm nähert, wird es sehr schwierig, viele Funktionen auf das Werkzeug anzuwenden. Die üblicheren Merkmale dieser kleinen Durchmesser sind eine Nut mit großer Spanfläche und eine Endfläche nur mit dem Spalt und möglicherweise einer Endentlastung. Wenn man in die sehr kleinen Mikrowerkzeuge einsteigt, hat man viel weniger Möglichkeiten.“

Der vielleicht größte Faktor, der die Entwicklung der kleinsten Werkzeuge von heute ermöglichte, war die Einführung der Nano-Werkzeugschleifmaschine von Rollomatic. Hysenlika schreibt der Technologie eine zehnfache Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit zu. „Sie sind vollständig hydrostatisch und verfügen über einen schwimmenden Arbeitskopf“, erklärte er. „Dadurch können Sie ein perfektes V-Block-Lünettensystem verwenden, mit einem Rundlauffehler in den meisten Fällen von weniger als 1 µm.“

So gut diese Maschinen auch sind, Heinrich fügte schnell hinzu, dass man nicht einfach einen Nano kaufen, „einstecken und plötzlich zum Champion in der Welt der Mikrowerkzeuge werden kann“. Beim Schleifen geht es darum, Hartmetallkörner zu verstehen und zu verstehen, wie sie sich auf die Fähigkeiten des Werkzeugs auswirken, und wie man die einzelnen Korngrößen am besten schleift. Hysenlika sagte: „Man muss Werkzeuggeometrien und Beschichtungen verstehen und wissen, wie die Schleifscheibe abgerichtet und vorbereitet wird.“

Don Babinsky, in seiner Funktion als technischer Anwendungstechniker bei Mastercut Tool Corp., sagte, dass auch Überlegungen zu Kühlmittel und Kühlmittelfiltration eine Rolle spielen. „Durch die Modernisierung unseres Kühlmittels haben wir eine deutliche Verbesserung der Schleifergebnisse festgestellt.“ Heinrich fügte hinzu, dass eine Verbesserung der Oberflächengüte die Schnittkräfte auf das Werkzeug reduziert, die Leistung verbessert und auch zu einer besseren Beschichtungshaftung beiträgt.

Kühlmittel spielt auch bei der Endverwendung dieser Werkzeuge eine Rolle, wobei Mikrowerkzeuge mit einem Durchmesser von nur 0,8 mm oft über interne Kühlmittelkanäle verfügen. Rapp sagte, Schleifmaschinen seien nun besser in der Lage, sich mithilfe optischer Sensoren an diesen unglaublich kleinen Kühlmittellöchern zu orientieren. Und obwohl es vor dem Schleifer verborgen ist, haben Hersteller von Hartmetallrohlingen (zu denen auch Ceratizit gehört) die Kühlmittelzufuhr erhöht, indem sie eine größere Kammer in den Werkzeugschaft eingebaut haben (typischerweise 3 mm Durchmesser), aus der die winzigen Kanäle in den Schneiddurchmesser austreten, fügte er hinzu .

Heinrich kam zu dem Schluss, dass Hersteller von Mikrowerkzeugen viel investieren und den Überblick über jedes Detail behalten müssen, um wettbewerbsfähig zu bleiben, sei es Schleifausrüstung, Qualitätskontrolle, Beschichtung oder alles, was mit dem Prozess zu tun hat. „Wenn man einmal hinter der Kurve steckt, wird es entweder sehr schwierig sein, wieder zurückzukommen, oder man ist buchstäblich draußen. Wer in diesem Bereich erfolgreich sein will, muss über Disziplin und Engagement für eine langfristige Zukunft verfügen. Denn um erfolgreich zu sein, muss man in jedem einzelnen Aspekt aktiv und engagiert sein“, sagte er.

Babinsky von Mastercut sagte, der „häufigste Fehler, der bei der Verwendung von Werkzeugen mit kleinem Durchmesser gemacht wird, selbst bei relativ großen Werkzeugen mit einem Durchmesser von 1/8 Zoll [3,175 mm], ist einfach das Fehlen einer ausreichenden Spindelgeschwindigkeit.“ Wenn Sie nicht mit einer zufriedenstellenden Oberflächengeschwindigkeit pro Minute schneiden, „werden Sie ein Problem mit der Aufbauschneide und dem Nachziehen des Werkstückmaterials schaffen.“ Die Probleme der meisten Leute werden dramatisch verschwinden, wenn sie ihre Drehzahl verdoppeln oder verdreifachen können. ”

Die Zahlen werden dramatisch, wenn man die Durchmesser von Mikrowerkzeugen berücksichtigt. „Beispielsweise reagiert ein Schaftfräser möglicherweise am besten auf 200 sfm in einem bestimmten Material“, erklärte Babinsky, „und dieser Oberflächenwert ist für ein Werkzeug mit 0,005 Zoll (0,127 mm) Durchmesser genauso wichtig wie für ein Viertel.“ -Zoll-Schaftfräser aus dem gleichen Material. Aber die Spanne der erforderlichen Drehzahlen übersteigt die Vorstellungskraft: 200 sfm ergeben 3.056 U/min für einen Viertelzoll-Schaftfräser, während ein 0,005-Zoll-Schaftfräser satte 152.800 U/min ergibt. Dies verdeutlicht den Wert spezieller Maschinen und/oder spezieller Spindeloptionen, die 100.000 U/min oder mehr ermöglichen, um ein Mikrowerkzeug ordnungsgemäß anzutreiben.“

Die zweitwichtigste Vorsichtsmaßnahme, sagte Babinsky, sei: „Sie müssen die TIR überprüfen und die Werkzeugbestückung vom Schaft aus angeben, nicht von der Schneidkante.“ Sie sollten eine Hartmetallschneide nicht mit einem Messschieber oder einer Zirkoniumspitze berühren, wenn Sie dies vermeiden können, und das gilt insbesondere bei einem Mikrowerkzeug.“ Am besten wäre ein optisches Voreinstellgerät, sagte er.

Es versteht sich vielleicht von selbst, dass der Werkzeughalter bei Mikrowerkzeugen so steif wie möglich sein muss, mit einem absoluten Minimum an Unrundheit und Unwucht. Babinsky sagte: „Wärmeschrumpfhalter könnten einen der besseren Ansätze bieten.“ Darüber hinaus sieht die Industrie jetzt die Verfügbarkeit von hydraulischen Spannfuttern mit 3 µm Rundlaufabweichung und Spannzangenfuttern mit 1 µm an der Vordernase. Zum Vergleich: Ein rotes Blutkörperchen ist etwa 10 µm groß.“

Broderick von ARCH sagte, dass die Schmierung bei Mikrowerkzeugen von entscheidender Bedeutung sei und dass eine Minimalmengenschmierung (Mindestmengenschmierung, MMS), eine Kombination aus Luft und Kühlmittel, bevorzugt werde. Eine weitere Option ist Flutkühlmittel. Aber Hochdruckkühlmittel wären katastrophal, erklärte er. „Wenn Sie einen 5- oder 10-Tonnen-Schaftfräser haben und unter hohem Druck stehendes Kühlmittel darauf läuft, wird er kaputtgehen.“ Aber auch wenn Sie nicht über genügend Kühlmittel oder MMS verfügen, „braucht es nicht viel, um ein Mikrowerkzeug durch Nachschneiden von Spänen zu brechen.“

Broderick fügte hinzu, dass das Kühlmittel gut gefiltert sein muss, um ein Verstopfen der Kühlmittelkanäle zu verhindern. Rapp von Ceratizit schlug vor, dass „der Filtergrad höchstens 30 µm betragen sollte“. Passen Sie bei Bedarf Ihre Schnittwerte an die Bearbeitungskonfiguration an, um eine gute Spanabfuhr zu erreichen. Bei Durchgangslöchern reduzieren Sie die Vorschubgeschwindigkeit um 50 Prozent, bevor Sie das Bauteil verlassen, um die Prozessstabilität zu erhöhen.“

Broderick lobte die CAD/CAM-Fortschritte, die nicht nur ein Werkzeug, sondern auch einen Werkzeugweg simulieren. „Und man kann die Spanlast berechnen. Und wenn Sie die Geometrie der Nut kennen, können Sie sicherstellen, dass das Werkzeug die erforderliche Schnitttiefe aufnehmen kann.“ Babinsky schlug vor, dass eine solche Software auch zur Ermöglichung hocheffizienter Frästechniken (HEM) eingesetzt werden könnte, betonte jedoch, dass „HEM deutlich höhere Drehzahlen und noch geringere radiale Überstellungen hervorhebt, was bei so kleinen Durchmessern bereits eine Herausforderung darstellt.“

Broderick prognostizierte, dass „die technologischen Fortschritte bei Werkzeugmaschinen, Werkzeughaltern, Substraten, Beschichtungen und den zu bearbeitenden Kleinteilen“ alle zu einer wachsenden Nachfrage nach Mikrowerkzeugen beitragen werden. Rapp sagte, wir werden „wahrscheinlich sehen, dass die Schnitttiefe zunimmt und die Schnittdurchmesser abnehmen, was die Sache viel schwieriger macht.“ Er sagte aber auch, dass es „potenziell neue Technologien“ gebe, die die Vorbereitung der Spitzentechnologie weiter verbessern könnten. Einzelheiten wollte er nicht verraten, meinte jedoch, dass die Anwendung zu einem „stabileren Schneidprozess“ und einer längeren Werkzeuglebensdauer beitragen würde. Babinsky geht davon aus, dass wir „verfeinerte PVD-Nanokompositbeschichtungen sehen werden, die nicht auf höhere Drehzahlen, sondern auf die Langlebigkeit der Werkzeuge abzielen.“

Sherry DePerno von Advanced Tool stellt sich vor, dass „immer komplexere Geometrien in einen kleineren Maßstab übergehen.“ Kreativität bei der Lösung von Problemen ist das A und O. Dazu gehören komplexe Formen und Geometrien, die jede Herausforderung unserer Kunden lösen.“

In diesem Sinne prognostizierte Babinsky, dass der „dramatische Erfolg bei der Fünf-Achsen-Bearbeitung und der Verwendung von Kreissegmentfräsern mit konischem Zylinder“ sich schließlich auch auf die Mikrobearbeitung auswirken werde. „Man kann nicht umhin, von der Steigerung der Zerspanungsleistung mit Tonnenschneidern beeindruckt zu sein“, sagte er. „Ich denke, der Standard-Kugelkopffräser wird irgendwann lebenserhaltend sein. Ich sehe die Einführung von Segmentschneidern mit viel kleinerem Durchmesser.“

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