Untersuchung der Möglichkeiten der Gratminimierung beim Mikrofräsen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544559694

Die Ausprägung der Grate, die beim Mikrofräsen entstehen, kann die Bauteilfunktion einschränken. Für die Mikrozerspanung ist eine nachträgliche Entgratung in den meisten Fällen nicht praktikabel, da sie sehr aufwändig und kostenintensiv ist, und zudem oft Schäden am Bauteil verursacht. Deshalb ist es für die Mikrozerspanung essentiell, die Gratbildung schon während der Zerspanung zu minimieren bzw. zu vermeiden. Für das Mikrofräsen mit Werkzeugdurchmessern im Bereich zwischen 500 µm und 100 µm wurde bereits untersucht, wie sich Prozessparameter, beispielsweise der Vorschub pro Zahn, auf die Gratbildung auswirken. In vereinzelten Studien wurde zudem der Einfluss der Geometrie des Werkzeugs auf die Gratbildung beim Mikrofräsen untersucht. Allerdings fehlen in diesem Bereich umfassende Untersuchungen für Werkzeuge mit Durchmessern ≤ 50 µm. In Voruntersuchungen des Antragstellers wurde deutlich, dass der Drallwinkel sowie der Sturzwinkel einen signifikanten Einfluss auf die Gratbildung beim Mikrofräsen haben. Allerdings wurden keine umfassenden Studien durchgeführt, aus denen Korrelationen zwischen dem Drallwinkel und der Gratbildung hervorgehen. Insbesondere in Reintitan und Edelstahl, die für die Fertigung von biokompatiblen Produkten verwendet werden, konnte im Rahmen der Vorversuche eine erhöhte Gratbildung beobachtet werden. Im Rahmen des Vorhabens werden als typischer Anwendungsfall Reaktoren zur Kultivierung von Biofilmen betrachtet, bei denen eine mögliche Gratbildung die Funktion stark beeinträchtigt. Eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit bei hohen Oberflächenqualitäten ist bei der Herstellung solcher Bioreaktoren essenziell, so dass ein hoher Forschungsbedarf besteht. Aufbauend auf vorhandenen Voruntersuchungen werden in den experimentellen Studien der Drall- sowie Sturzwinkel systematisch variiert und der Einfluss auf die Gratbildung untersucht. Die Zerspanversuche werden in Reintitan und Edelstahl durchgeführt. Neben den geometrischen Eigenschaften des Fräsers und den eingestellten kinematischen Bedingungen wird eine Untersuchung bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten durchgeführt, da diese aufgrund des unterschiedlichen Wärmeintrags in den Werkstoff einen Einfluss auf die Materialtrennung besitzt. Um die Gratbildung auf der Mikroskala auch quantitativ bewerten zu können, wird im beantragten Projekt eine geeignete Mess- und Auswertemethodik für Mikrofräser mit Werkzeugdurchmessern ≤ 50 µm entwickelt. Grundlage dafür bilden rasterelektronenmikroskopische sowie konfokalmikroskopische Aufnahmen der entstandenen Grate. Diese werden mit bildverarbeitenden Methoden ausgewertet und miteinander verglichen. Ziel des Projektes ist es, geeignete Prozessparameter für das Mikrofräsen in Reintitan und Edelstahl für Reaktoren zur Kultivierung von Biofilmen abzuleiten. Zudem entsteht Grundlagenwissen zur Gratbildung beim Mikrofräsen mit Werkzeugdurchmessern ≤ 50 µm, das auch auf andere Anwendungsfälle übertragen werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen