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maschine+werkzeug 10/2012

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Achsenloses Mikroschleifen

Schleifen – Mit Grind-Ball haben Forscher der Universität Bremen ein neues Bearbeitungsmodul zum Mikroschleifen von sprödharten Werkstoffen entwickelt. Dabei handelt es sich um die zweckmäßige Zusammenführung von fertigungstechnischen, strömungsmechanischen und elektrotechnischen Technologien.

Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung kommt einer wirtschaftlichen Herstellung von kleinen Produkten aller Art eine besondere Bedeutung zu. Hierfür ist man versucht, den Aufbau und die Größe der verwendeten Werkzeugmaschinen stetig zu reduzieren und in kleine Module aufzuteilen, die jeweils spezielle Bearbeitungsaufgaben übernehmen.

Aus dieser Situation heraus erforschen deutschlandweit Institute verschiedener Fachgebiete im Rahmen des Schwerpunktprogramms 1476 (SPP1476) der Deutschen Forschungsgemeinschaft neue Wirkprinzipien für die Realisierung von kleinen Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke. Zu einer kleinen Werkzeugmaschine gehören neben dem Maschinengestell in erster Linie Vorschub- und Bearbeitungsmodule, die in einem begrenzten Arbeitsraum eingesetzt werden können. Eine Möglichkeit zur Realisierung einer sprunghaften Miniaturisierung von Bearbeitungsmodulen ist die Integration von mehreren Funktionen beziehungsweise Wirkprinzipien in einem einzelnen Bauteil, das aus wenigen mechanischen Komponenten besteht.

Ein neuer Ansatz ist es hier, statt der in der schleiftechnischen Bearbeitung von Hartstoffen (zum Beispiel Glas oder Keramik) üblicherweise verwendeten Schleifstifte oder -scheiben ein kleines, kugelförmiges Schleifwerkzeug einzusetzen und damit günstigere Zerspanbedingungen sowie eine größere Flexibilität zu erreichen.

Die Herausforderung besteht darin, dass eine Kugel über keine feste Rotationsachse verfügt und dementsprechend neue Wege des Antriebs und der Lagerung gefunden werden müssen. Zudem muss das entsprechende Werkzeug in miniaturisierter Form realisiert werden, um in kleinen Werkzeugmaschinen eingesetzt werden zu können.

An der Universität Bremen wird dies durch die Kombination eines fluiddynamischen Antriebs mit einer elektromagnetischen Lagerung erreicht (Grind-Ball). Neben der Möglichkeit, den Grind-Ball durch eine entsprechende Anströmung in Rotation zu versetzten und durch ein Magnetfeld in Position zu halten, bietet diese Funktionsintegration durch die geringe Anzahl von mechanischen Komponenten ein hohes Potenzial zur Miniaturisierung.

Für die Umsetzung dieser Ansätze in ein funktionierendes Bearbeitungsmodul ist eine interdisziplinäre Forschungsarbeit auf den Gebieten der Stömungsmechanik, Elektrotechnik und Fertigungstechnik erforderlich. Zur Auslegung des fluiddynamischen Antriebs und der elektromagnetischen Lagerung erfolgten zunächst umfangreiche Modellierungen und Simulationen im Bereich der numerischen Berechnung von Strömungen und der dreidimensionalen Magnetfeldberechnung.

Ziel war es, eine möglichst hohe Drehzahl und Kraftübertragung der Schleifkugel zu erzielen, während diese gleichzeitig in einer stationären Position gehalten wird. Des Weiteren wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung kugelförmiger Schleifkörper untersucht und der mit diesen Kugeln erreichbare Abtrag in Experimenten ermittelt.

Auf Basis der durch die Simulationen und Vorversuche gewonnenen Erkenntnisse wurde ein prototypisches Bearbeitungsmodul realisiert, welches eine 8 mm große Schleifkugel aufnehmen kann. Das Gesamtmodul hat eine Bauhöhe von 90 mm und einen Durchmesser von 65 mm und ist damit deutlich kleiner als konventionelle Schleifwerkzeuge.

Die ferromagnetische Schleifkugel wird von insgesamt vier symmetrisch angeordneten und einzeln regelbaren Elektromagneten auf allen translatorischen Raumrichtungen in Position gehalten und durch einen dreifachen Mikrokanal mit Öl angetrieben. Aufgrund der sich hieraus ergebenden, komplexen Geometrie wurde der Prototyp durch Additive Manufacturing vorgefertigt und an den relevanten Funktionsflächen (Stirnfläche, Kugelkalotte, Mikrokanäle) konventionell durch (Mikro-)Fräsen nachbearbeitet.

Erste Ergebnisse zeigen, dass das System theoretisch eine Drehzahl von bis zu 20000 min-1 erreicht, während die Kugel mit einer Genauigkeit von <100 µm in Position gehalten werden kann. In Zukunft soll das Grind-Ball-Modul auf einem eigens konstruierten Versuchsstand alleine sowie in Kombination mit den verschiedenen, innerhalb des SPP1476 entwickelten Vorschubachsen eingesetzt und in ersten Schleifversuchen getestet werden. Weiterhin soll die zur Verfügung stehende Schleifkraft durch eine Erhöhung der Antriebsleistung gesteigert und die Genauigkeit der Positionsregelung verbessert werden.

www.spp1476.de

www.lfm.uni-bremen.de

  • Konzeptbild des Grind-Ball-Moduls zum achsenlosen Schleifen.

    Konzeptbild des Grind-Ball-Moduls zum achsenlosen Schleifen.

  • Mit Schleifkugel geschliffene Nut in BK7-Glas.

    Mit Schleifkugel geschliffene Nut in BK7-Glas.

  • Konstruktive Integration der elektromagnetischen Lagerung und des fluiddynamischen Antriebs zu einem miniaturisierten Grind-Ball-Modul.

    Konstruktive Integration der elektromagnetischen Lagerung und des fluiddynamischen Antriebs zu einem miniaturisierten Grind-Ball-Modul.

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