KOMBILAS

Problemstellung
Mikrotechnische Produkte eröffnen in Sensorik, Medizin, Analytik und Optoelektronik völlig neue Anwendungsfelder, die in nahezu allen Industriebereichen für den Markterfolg vieler Produkte entscheidend sind.
Mikrotechnische Bauteile wurden bislang überwiegend aus Silizium über lithographische und ätztechnische Verfahren herstellt. Für ein funktionsbezogenes Design mikrotechnischer Baugruppen werden jedoch in vielen Fällen andere Werkstoffe, wie Keramiken, Kunststoffe und Metall benötigt.
Für die Fertigung von Mikrokomponenten haben sich eine Reihe von Verfahren qualifiziert, beispielsweise das LIGA-Verfahren (Lithographie-Galvanik-Abformung) so wie die klassischen Fertigungsverfahren Fräsen, Drehen und Schleifen. Präzisions-Mikrobauteile werden außerdem über Laserabtrag, Erosion oder Ultraschallbearbeitung gefertigt.
Diese Verfahren haben Vor- und Nachteile bezüglich Werkstoffauswahl, Geometrievielfalt, erreichbarer Oberflächengüte, Werkzeugaufwand, vor allem auch Bearbeitungszeit und Großserientauglichkeit.

Projektziele und Vorgehensweise
In dem Vorhaben sollten deshalb verschiedene Fertigungungsverfahren für die Mikrotechnik so kombiniert werden, dass bei reduziertem Aufwand an Material und Zeit ein optimales Bearbeitungsergebnis entsteht und auch sehr harte Matrialien bearbeitet werden können. Bisherige Ansätze zur Kombination verschiedener Mikroverfahren konnten nicht industriell eingesetzt werden.

Ergebnisse
Mit dem Verbundprojekt wurde ein Anlagenkonzept zur kombinierten Laserbearbeitung mit präzisions-spanabhebenden Verfahren realisiert. Die Anlage ermöglicht eine kombinierte Dreh- und Laserbehandlung. Hierdurch sind sowohl laserunterstütztes Zerspanen, Laserhärten als auch an den Drehprozess angeschlossene Mikrostrukturierung der Bauteile, z.B. zur Oberflächenfunktionalisierung, möglich.
Im Rahmen des Projektes wurde der Drehmaschinen-Prüfstand mit einem Diodenlaser aufgebaut und getestet. Dabei konnten sowohl Härtungen beim Vorschub als auch Rotationshärtungen durchgeführt werden. Diese sollen in einem nächsten Schritt noch mit einer Temperaturüberwachung ausgestattet werden, um die Wärmeeinbringung definierter zu gestalten um dadurch definierte und reproduzierbare Ergebnisse nach Vorgabe zu erzielen.
Außerdem konnten Versuche zur laserunterstützten Zerspanung von Materialien wie den schwer zerspanbarer Manganstahls X120Mn12, der Titanlegierung TiAl6V4 und der Nickelbasislegierungen Inconel 718 als auch Keramiken wie Zirkonoxid (ZrO2) oder Siliziumnitrid (Si3N4) durchgeführt werden.
Das Verschleißverhalten der Werkzeuge bei höheren Schnittwerten wird deutlich verbessert. Daraus folgen kürzere Bearbeitungszeiten bei längerer Werkzeugstandzeit und damit geringere Kosten. Verschiedenen Keramiken können mit Laserunterstützung bei kleinen Vorschüben und Zustellwerten mit definierter Schneide zerspant werden. Werkzeuge mit definierter Schneide aus PKD-Schneidstoffen haben eine hohe Standzeit und ermöglichen gerade bei harten Werkstoffen wie Si3N4 die Herstellung von Bauteilen bei vertretbarem Aufwand. Bei Stanzversuchen mit Serienteilen wurden mit einem Werkstoffverbund mit polykristallinem Diamant hervorragende Ergebnisse erzielt: Die Standzeit des Stanzstempels war gegenüber solchen aus konventionellem Hartmetall um mehr als das 10-fache größer.

Anwendungspotenzial
Durch das im Rahmen des Projektes entwickelte Maschinenkonzept ist eine Fertigungstechnik für eine kostengünstige, flexible und schnelle Herste
llung von Präzisionsbauteilen speziell von keramischen oder anderen schwer zu zerspanenden Werkstoffen geschaffen. Die durchgängige Fertigung in einer Anlage auf einer universellen Grundmaschine verkürzt die Prozesskette und steigert die Qualität für kleine und mittlere Losgrößen.

Abschlussbericht KombiLas Kombinationsverfahren zur Herstellung keramischer und schwer zerspanbarer Mikrokomponenten

Autor: Gillner, A.; et al.

Verlag: Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Aachen

Erscheinungsjahr: 2005, Oktober

Beschreibung: Im Projekt Kombilas wurde die Kombination klassischer Verfahren zur Materialabtragung mit innovativen Laserverfahren bezogen auf die besondere Werkstoffklasse der Hartwerkstoffe untersucht. Hier stand im Vordergrund, Verfahren und Maschinen zur Bearbeitung keramischer und schwer zerspanbarer Werkstoffe z. B. aus Keramik, hochfesten Stählen und ultraharten Werkstoffen, wie z. B. Saphir und Diamant mit Geometrien im Mikrometerbereich bereitzustellen. Produkte aus diesen Werkstoffen finden sich zunehmend in der Kommunikationstechnik, der Sensortechnik und der Medizintechnik, wo ein Maximum an Funktionalität mit einem Minimum an Raum und besonderen äußeren Umgebungsbedingungen kombiniert werden müssen. Für diese Anwendungen wurden im Rahmen des Projektes Kombilas Präzisionsbearbeitungsverfahren, wie das Laserabtragen, das Schleifen und die Ultraschallbearbeitung qualifiziert und durch deren Kombination eine Verkürzung der Prozesskette und eine Ausweitung des Bearbeitungsbereichs erreicht. Die Broschüre ist als pdf-Dokument beim Koordinator des Projekts, Dr. Arnold Gillner, Fraunhofer Institut f. Lasertechnik, Steinbachstr. 15, D-52074 Aachen erhältlich.