Die Herausforderung und das Versprechen von Mikrowerkzeugen

Jun 28, 2023

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 Bearbeitung liegt immer darin, die Bearbeitungseigenschaften eines bestimmten Materials zu verstehen. Aluminium ist beispielsweise ziemlich weich, daher sollte es ziemlich einfach sein. Aber die Bearbeitungseigenschaften führen dazu, dass es normalerweise zu Problemen wie Ablagerungen kommt.“ Kante, wo der Span tatsächlich auf einem Teil der Nut landen würde und mit der Zeit die Schärfe der Schneidkante verlieren würde. Dies beeinträchtigt die Oberflächenbeschaffenheit des Teils und führt schnell zum Werkzeugbruch.

Heinrich stellte dies 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 die Vibrationen reduziert, und einer Beschichtung, die abschirmen kann.“ gegen die übermäßige Hitze.“

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: „Mit einer passenden Beschichtung abrunden.“ 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 einer Schnittlänge von beispielsweise zwei Millimetern.“ 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 Sie das Werkzeug spezifisch anfertigen können.“ Je nach Anwendung können Sie ein handelsübliches Standardprodukt in den meisten Fällen 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 der Geometrie kann große Auswirkungen auf die Leistung haben.“ Aus diesem Grund verwendet Advanced Tool eine 21-Punkte-Inspektion des Kantenverschleißes und -ausfalls zur Verbesserung der Schneidwerkzeuggeometrie. Dadurch erfahren wir genau, wie ein Kunde den Schaftfräser verwendet, wie viel vom Fräser er verwendet, 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 Betreten sprengt“, können wir dort einen Eckenradius festlegen oder den Spanwinkel oder den Helixwinkel verringern. Die Analyse umfasst 21 Schritte und viele weitere Dinge kann an einem Schaftfräser geändert werden. 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 Unrundheit und Verschleiß sehen. Und wenn genug vorhanden ist, können wir messen, ob die Unrundheit im Werkzeug selbst oder im Halter liegt. … Wenn ich ungleichmäßigen Verschleiß sehe und das Werkzeug aussieht Konzentrisch sein, ich sage ihnen, sie sollen an ihren Haltern oder ihrer Spindel arbeiten, bevor sie etwas 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 darauf untersucht“. Je weiter wir vorankommen, desto mehr werden wir mit dem Einsatz von Hochtechnologie beginnen, etwa mit variabler Helix und variablem Index.“

Rob DePerno äußerte Skepsis. Während Advanced Tool routinemäßig Schaftfräser mit 0,381 mm (0,015 Zoll) 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 können Sie die Helix entlang dieses Pfades 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. Das 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 Art des Riffelungsprozesses. Aber wenn man sich dann dem Bereich von 50 µm nähert, wird es sehr schwierig, viele Merkmale auf das Werkzeug anzuwenden. Die allgemeineren Merkmale.“ Bei diesen kleinen Durchmessern handelt es sich um eine Spannut mit großer Spanfläche und eine Endfläche nur mit dem Spalt und vielleicht einer Endfreistellung. Bei den sehr kleinen Mikrowerkzeugen stehen Ihnen viel weniger Optionen zur Verfügung.“

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. „Damit können Sie ein perfektes V-Block-Lünettensystem verwenden, mit einem Rundlauffehler in den meisten Fällen von unter 1 µm.“

So gut diese Maschinen auch sind, Heinrich fügte schnell hinzu, dass man nicht einfach einen Nano kaufen, ihn anschließen und plötzlich zum Champion in der Welt der Mikrowerkzeuge werden könne. 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. Menschen, die in diesem Bereich erfolgreich sein wollen, müssen Disziplin und Engagement für eine langfristige Zukunft haben. Weil Sie es brauchen.“ in jedem einzelnen Aspekt aktiv und engagiert zu sein, um Erfolg zu haben“, sagte er.

Babinsky von Mastercut sagte, dass der „häufigste Fehler, der bei der Verwendung von Werkzeugen mit kleinem Durchmesser gemacht wird, sogar mit einem relativ großen Durchmesser von 1/8 Zoll [3,175 mm], einfach das Fehlen einer ausreichenden Spindelgeschwindigkeit ist.“ Wenn Sie nicht mit einer zufriedenstellenden Oberfläche schneiden Wenn Sie weniger Filmmaterial pro Minute benötigen, entsteht ein Problem mit der Aufbaukante und dem Ziehen des Werkstückmaterials. Die Probleme der meisten Menschen 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 Viertel-Zoll-Schaftfräser, während ein 0,005-Zoll-Schaftfräser satte 152.800 U/min ergibt. Dies verdeutlicht den Wert von Spezialmaschinen und/oder Spezialspindeln Optionen, die 100.000 U/min oder mehr ermöglichen, um ein Mikrowerkzeug ordnungsgemäß anzutreiben.“

Die zweitwichtigste Vorsichtsmaßnahme, sagte Babinsky, sei: „Sie müssen die TIR prüfen und die Werkzeugbestückung vom Schaft aus angeben, nicht von der Schneidkante. Sie sollten eine Schneidkante aus Hartmetall nicht mit einem Messschieber oder einer Zirkoniumspitze berühren.“ wenn man es vermeiden kann, 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 Branche jetzt die Verfügbarkeit von hydraulischen Spannfuttern mit 3 µm Rundlauffehler und Spannzangenfuttern mit 1 µm an der Vordernase. Zur Veranschaulichung: 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 Hochdruck-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“ bei oder unter 30 µm liegen sollte. Passen Sie bei Bedarf Ihre Schnittwerte an die Bearbeitungskonfiguration an, um eine gute Spanabfuhr zu erreichen. Wenn Durchgangslöcher vorhanden sind, reduzieren Sie Ihren Vorschub um 50 Prozent, bevor Sie das Bauteil verlassen zur Erhöhung der Prozessstabilität.“

Broderick lobte die CAD/CAM-Fortschritte, die nicht nur ein Werkzeug, sondern auch einen Werkzeugweg simulieren. „Und Sie können 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 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 Schneidkantenvorbereitung weiter verbessern könnten. Einzelheiten wollte er nicht preisgeben, 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 eher 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 lösen, vor der unsere Kunden stehen.“

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

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