maschine+werkzeug 04/2015

Mikrofräser können mehr

Titelstory - Mikrofräsen

LMT Tools - Die Mikrozerspanung gewinnt zunehmend an Bedeutung. LMT Tools hat in diesem Bereich spezielle Hochleistungswerkzeuge für Automotive, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Consumerprodukte entwickelt.

Im Hinblick auf eine fortschreitende Miniaturisierung der Bauteile, auch in Verbindung mit Leichtbau, gewinnt die Mikrozerspanung zunehmend an Bedeutung. Die Firmengruppe LMT Tools hat sich dieser Herausforderung mit der Entwicklung von speziellen Hochleistungsfräswerkzeugen für die Hauptanwenderbranchen Automotive, Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik und Consumerprodukte gestellt. Gerade für die Fertigung kleiner Formen sind sie heute zu innovativen Leistungsträgern geworden.

Aber Mikrofräser können noch viel mehr. Sie können gehärtetes Material bearbeiten. Oder sie substituieren andere Werkzeuge, zum Beispiel Gravierstichel. Und das mit großem wirtschaftlichen Erfolg, wie der Praxiseinsatz bestätigt.

Andere Regeln bei Mikrozerspanung

Der Durchmesserbereich für Fräswerkzeuge der Mikrozerspanung liegt im Bereich von 0,1 bis drei Millimeter. Abgetragen werden kleinste Zerspanungsvolumen, sodass von einer Hochleistungszerspanung im klassischen Sinne gar nicht gesprochen werden kann, eher von einer ›Hochpräzisionszerspanung‹.

Die Anforderungen an die Mikrozerspanung unterscheiden sich somit deutlich von denen der Makrozerspanung, weil sich die klassische Zerspanungstheorie nicht 1:1 übertragen lässt. So können zum Beispiel übliche Schnittgeschwindigkeiten von 150 Meter pro Minute heute im Normalfall gar nicht realisiert werden, weil bei einem Durchmesser des Fräsers von 0,2 Millimeter dazu eine Spindeldrehzahl von 239000 Umdrehungen pro Minute erforderlich wäre. Aufgrund der Mikro-Dimensionen bestehen auch spezielle Anforderungen an die Steifigkeit der Werkzeuge, um den Zerspankraftkomponenten standzuhalten. Dazu müssen besondere fertigungstechnische Maßnahmen bereits bei der Werkzeugherstellung getroffen werden, auch mit dem Ziel minimaler Schneidkantenschartigkeit und perfekten Rundlaufs.

Bei mikroskopisch kleinen Abmessungen können Schartigkeiten an der Schneide – beispielsweise hervorgerufen durch Schleifriefen in der Größenordnung des Zahnvorschubs liegen. Denn der Zahnvorschub beträgt bei kleinsten Werkzeugdurchmessern nur wenige Mikrometer. Auch die Auswirkungen von sogenannten Droplets, wie sie durch die Beschichtung entstehen können, sollten nicht vernachlässigt werden. Bei diesen Schneidenstörungen haben dann einzelne Schneidenabschnitte einen unterschiedlichen oder gar keinen Anteil mehr an der Zerspanung. So erhöht sich die Zerspanungsarbeit an der folgenden Schneide, was bei Zweischneidern einer Verdoppelung entsprechen kann. Derartige Schneidenstörungen können vielfältig und in unterschiedlicher geometrischer Ausprägung an jeder Schneide auftreten. Die Zerspanung kann in diesem Fall nicht mehr eindeutig als Fräsprozess bezeichnet werden, sondern nähert sich sehr stark dem Schleifen. Die durch Schleifriefen hervorgerufene Schartigkeit von Schneidkanten lässt sich beispielsweise mit einer Ionenstrahlbehandlung glätten.

Auch die Rundlaufgenauigkeit vom Fräser selbst oder von Spannfuttern reicht für die Mikrozerspanung im klassischen Sinne nicht aus. Bei einem Zahnvorschub von zwei Mikrometern und einer bestmöglichen Rundlaufgenauigkeit eines Schrumpfspannfutters von drei Mikrometern ist beispielsweise bei einem Zweischneider auch nur eine Schneide im Eingriff. Die geometrische Verkleinerung eines Werkzeugs hat auch Auswirkungen auf die Temperaturvorgänge, die sich an und in ihm vollziehen. Denn seine Oberfläche wird dabei im Verhältnis zu seinem Volumen größer, was beim Fräsen zu erhöhter Wärmebildung führt und somit die Parametrierung beeinflusst.

Der Gravierstichel (hinten) wird durch Micro-HSCline-Werkzeuge von LMT abgelöst. Rechts daneben der fertige Prägestempel.
Fräsen der Form eines gehärteten Pressstempels für Tablettiermaschinen.
Ein Mikrobohrer mit Schneiden aus polykristallinem Diamant (PKD) eignet sich ideal für die CFK-Bearbeitung.
Schleifriefen und Beschichtungsdroplets beeinträchtigen eine definierte Schneide.
Biegemomente bei herkömmlichen Fräsern (links) und bei optimierten Mikrofräsern (rechts).