Schleifbearbeitung komplexer Strukturen im Nanometerbereich
Final Report Abstract
Übergeordnetes Ziel dieses Forschungsvorhabens war, die durch Schleifbearbeitung herstellbaren Werkstückdimensionen um eine Größenordnung nach unten zu skalieren und damit Werkstücke mit Formelementen in der Größenordnung von 10-100 nm spanend zu erzeugen. Dieses übergeordnete Ziel wurde in eine Reihe von Unterzielen aufgeteilt. Diese sind im Einzelnen: • Erzeugen von Mikroschleifstiften mit Durchmessern kleiner als 5 μm. • Verbessertes Verständnis der Effekte beim Massenritzen mit Mikrowerkzeugen. • Aufbau einer neuartigen, integrierten Werkzeugschleif- und Bearbeitungsmaschine. In diesem Forschungsvorhaben wurde eine Desktop-Bearbeitungsmaschine – das Nano Grinding Center – entwickelt, welche die prozesssichere Herstellung und Anwendung von Mikroschleifstiften mit Durchmessern kleiner 5 μm ohne Umspannung erlaubt. Die Bearbeitungsmaschine ist nach der Gantry Bauweise mit einem Maschinenbett aus Granit konzipiert, um die Wärmeausdehnung zu verringern, die Steifigkeit zu erhöhen und die Schwingungsneigung zu minimieren. Weiterhin ist die Maschine modular aufgebaut, sodass die entwickelten Bearbeitungsmodule frei unter der Z-Achse montiert werden können. Dadurch kann die Maschine frei konfiguriert und eine hohe Multifunktionalität erreicht werden. In der Bearbeitungsmaschine sind ein Schleifmodul, ein μEDM-Modul, ein Beschichtungsmodul, ein Anwendungsmodul und ein Kameramodul integriert. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde eine Methode entwickelt, welche die Charakterisierung der Mikroschleifstifte hinsichtlich Kornformfaktor, Kornzahl je Fläche und Kornüberstand ermöglicht. Damit konnte der Einfluss der Werkzeugspezifikation auf die Prozessergebnisgrößen bestimmt werden. Zusätzlich wurden die Prozessparameter variiert und deren Einfluss untersucht. Die zusammenfassende Bewertung der Ergebnisse zeigt, dass beim Mikroschleifen die Zerspanungsmechanismen mit einer kritischen Spanungsdicke korrelieren. Diese kritische Spanungsdicke ist dabei unabhängig von den Prozessparametern und der Werkzeugspezifikation. Damit konnten Grenzen für die Spanungsdicke, die Rauheit und die Kantenausbrüche in Bezug zu den Zerspanungsmechanismen ermittelt werden. Weiterhin konnte mit dem neu angeschafften Mehrkomponenten Dynamometer nachgewiesen werden, dass die Schwingungsamplitude der Tangentialkraft beim Mikroschleifen mit der Größe der Kantenausbrüche korreliert. Dieser Zusammenhang ermöglicht eine In-Prozess Messtechnik in der Mikrozerspanung. Anhand der gewonnenen Erkenntnisse aus den Prozessuntersuchungen und der neu entwickelten Bearbeitungsmaschine konnte erstmals der Nachweis der Möglichkeit der Schleifbearbeitung von Strukturen mit Formelementen im Nanometerbereich erbracht werden. Hierzu wurden Mikroschleifstifte mit einem Durchmesser kleiner 5 μm eingesetzt. Jedoch weisen die erzeugten Strukturen noch verhältnismäßig hohe Kantenausbrüche und Unebenheiten im Grabengrund auf. Dies ist auf die, im Verhältnis zum Werkzeugdurchmesser, großen Korndurchmesser und die geringen Schnittgeschwindigkeiten zurückzuführen.
Publications
- Micro-EDM-device for machining tungsten carbide in a desktop machine tool. 10th International Conference of the European Society for Precision Engineering & Nanotechnology 1 (2010): S. 324-327
J.C. Aurich, J. Engmann, G.M. Schueler, M. Walk
- Zerspanen mit Mikroschleifstiften: Zylindrische und formoptimierte Mikroschleifstifte bei der Hartmetallzerspanung - Untersuchung und Vergleich. wt Werkstattstechnik online 100/11-12 (2010): S. 832-836
J.C. Aurich, J. Engmann, M. Walk
- Micro Pencil Grinding Tools - Manufacturing, Application, and Results. 11th International Conference of the European Society for Precision Engineering & Nanotechnology 2 (2011): S. 260-264
M. Walk, M. Carrella, G.M. Schueler, J. Engmann, J.C. Aurich
- 30-μm-Mikroschleifstifte mit CBN als Schneidstoff - Untersuchungen des Schleifprozesses mit Mikroschleifstiften in gehärtetem Stahl. wt Werkstattstechnik online 102/11-12 (2012): S. 750-755
M. Carrella, M. Walk, J.C. Aurich
- Air bearing grinding spindle for manufacturing of tools with ultra-small diameters. 13th International Conference of the European Society for Precision Engineering & Nanotechnology 2 (2013): S. 55-59
M. Walk, J.C. Aurich
- Galvanische Beschichtung von Mikroschleifstiften. Diamond Business 12/4 (2013): S. 6-11
M. Walk, J.C. Aurich
- A new workpiece clamping method for micro-machining applications based on van der Waal forces. 14th International Conference of the European Society for Precision Engineering & Nanotechnology 2 (2014): S.335-338
M. Walk, M. Bohley, J.C. Aurich
- Integrated Desktop Machine Tool for Manufacturing and Application of Ultra- Small Micro Pencil Grinding Tools. Procedia CIRP - 6th CIRP Conference on High Performance Cutting 14 (2014): S. 333-338
M. Walk, J.C. Aurich
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2014.06.003) - Micromachining of silicon - Study on the material removal mechanism. Advanced Materials Research 1018 - Proceedings of the WGP Congress 2014 - Progress in Production Engineering (2014): S. 167-174
M. Carrella, J.C. Aurich
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1018.167) - Micro grinding with ultra small micro pencil grinding tools using an integrated machine tool. CIRP Annals – Manufacturing Technology 64/1 (2015)
J.C. Aurich, M. Carrella, M. Walk
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.04.011)
