MICROTOOL

Problemstellung
Für die Prototypen- und Einzelstückfertigung mikrotechnischer Produkte sind verschiedene Fertigungstechniken, wie z.B. die Mikro-Stereolithographie bekannt. Diese Verfahren sind jedoch erstens auf bestimmte Werkstoffe beschränkt und und ermöglichen zweitens durch die serielle Verfahrenstechnik nur geringe Stückzahlen. Werden seriennahe Bauteile insbesondere aus den Originalwerkstoffen benötigt, müssen geeignete Replikationsverfahren wie z.B. Druckguß,- Spritzguß- oder Prägen eingesetzt werden.
Für diese Replikationsverfahren sind Umform-, Präge- und Spritzgußwerkzeuge nötig, die den Anforderungen an das Bauteil und die Technologie hinsichtlich Teil-Geometrien mit Dimensionen < 100 µm, Genauigkeit im Bereich < 10 µm, Oberflächenqualität im Bereich Ra < 1 µm und hoher Verschleißfestigkeit genügen müssen. Neben den rein geometrischen Randbedingungen müssen außerdem kurze Lieferzeiten ermöglicht werden.
Hier stoßen die gängigen Herstellungsverfahren für Umform-, Präge- und Spritzgußwerkzeuge, vor allem die mechanischen Verfahren Drehen, Fräsen und Erodieren bezüglich Werkstoffauswahl und erzielbarer Genauigkeit bzw. Bauteilkomplexität an Grenzen, die dazu führen, daß mikrotechnische seriennahe Prototypen nicht oder nur mit erheblichen Einschränkungen an Geometriegenauigkeit und Funktionalität hergestellt werden können. So lassen sich durch Drehen und Fräsen nur "weiche" Werkstoffe, wie Kupfer, Messing und Nickel verarbeiten. Die Erodierverfahren sind auf leitfähige Werkstoffe begrenzt, so daß Keramiken nicht bearbeitet werden können. Darüber hinaus sind verfahrensbedingt nur beschränkte 3D-Geometrien möglich.

Projektziele
Zur schnellen Herstellung der notwendigen Umform-, Präge- und Spritzgußwerkzeuge wurden modulare Werkzeugkonzepte und eine Maschinentechnik entwickelt, in der spanende, elektroerosive und Laser-bearbeitungsverfahren zur Verkürzung der Prozesszeit miteinander kombiniert werden können.

Ergebnisse
Für die Herstellung der Mikrowerkzeuge wurde eine neue Maschinentechnik für die Präzisionsstrukturierung der Spritzgußwerkzeuge erarbeitet, in der mechanische und strahltechnische Verfahren zum Präzisionsabtrag in einer einzigen Maschine kombiniert sind, mit der beliebige Abtragsgeometrien erzeugt werden können. Für die Sicherstellung der Konturgenauigkeit und Einsatz einer flexiblen Strahlführung und Strahlformung wurde eine on-line-Meßtechnik integriert. Mit dieser Technik können Teil-Geometrien mit Dimensionen < 100 µm, eine Genauigkeit im Bereich < 10 µm und eine Oberflächenqualität im Bereich Ra < 1 µm bei einer deutlichen Verkürzung der Prozesszeit erzielt werden.
Zum schnellen Umbau von Spritzgußwerkzeuge wurde ein modular einsetzbares Stammwerkzeug entwickelt, zu dem auch Wechselsysteme gehören, mit denen die Bauteile und Werkzeuge ohne Positions- und Qualitätsverlust zwischen verschiedenen Verfahrenstechniken bewegt werden können.
Neben der Maschinenentwicklung und der Werkzeugentwicklung wurde Mikrospritzgussverfahren im Hinblick auf Bauteilgenauigkeit und die erzielbaren Oberflächenqualitäten weiterentwickelt.

Anwendungspotenzial
Mit den Verfahrenstechniken und innovativen Werkzeugtechniken ist es möglich, Mikrowerkzeuge für den oben beschriebenen Einsatzbereich schneller und mit kleineren Teilgeometrien herzustellen. Damit kann auf Produktänderungen schneller reagiert werden. Die benötigten Werkzeugeinsätze können nunmehr in 4 Wochen statt in 4 Monaten hergestellt werden - zu deutlich reduzierten Ko
sten.

Mikrotool - Rapid Tooling für Mikrobauteile Abschlußbericht

Autor: Gillner, A.; et al.

Verlag: Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Aachen

Erscheinungsjahr: 2006

Beschreibung: Für die Massenfertigung kunststofftechnischer Mikrobauteile werden geeignete Replikationsverfahren wie z. B. Druckguss, Spritzguss oder Prägen eingesetzt. Zur schnellen Herstellung der hierfür notwendigen Werkzeuge wurden modulare Werkzeugkonzepte sowie laser- und elektroerosive Verfahren untersucht und zur Verkürzung der Prozesszeit miteinander kombiniert. Mit diesen Verfahren können Teil-Geometrien mit Dimensionen < 100 µm, eine Genauigkeit im Bereich < 10 µm und eine Oberflächenqualität im Bereich Ra < 1 µm bei einer deutlichen Verkürzung der Prozesszeit erzielt werden. Die Broschüre ist als pdf-Dokument beim Koordinator des Projekts, Dr. Arnold Gillner, Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Steinbachstr. 15, D-52074 Aachen erhältlich.