Herstellung 3-gliedriger Zahnbrücken - Schleifen am Limit -

Transkript

1 Herstellung 3-gliedriger Zahnbrücken - Schleifen am Limit - Nicolas Jochum 1/27

2 Gliederung 1. Motivation Ausgangssituation Projektpartner Beispiele für Keramikbauteile 2. Versuche und Prozess Versuchsaufbau inkl. Abrichteinheit Untersuchungsziele Versuche und Durchführung 3. Untersuchungen und Ergebnisse Untersuchungen der Werkstücke Untersuchungen der Werkzeuge 4. Zusammenfassung Zusammenfassung / Ausblick Diskussion 2/27

4 1. Motivation Ausgangssituation Rasch zunehmender Einsatz von präzisen technischen Bauteilen und Implantaten aus oxid- und nitridkeramischen Werkstoffen. Erforderliche / höchste Werkstückgenauigkeit kann nur durch eine zerspanende Bearbeitung (Schleifen) nach dem Sinterbrand erreicht werden Herausforderung: Fertigen von komplexen räumlichen Geometrien & Kavitäten (z.b. patientenindividuelle Geometrien) präzise Bauteile Erreichen geeigneter Schnittgeschwindigkeit v c mit kl. Werkzeugdurchmessern Möglichst hohe Standzeit der Werkzeuge (G-Wert) Ziel: Wesentlich bessere Kenntnisse über die effiziente Zerspanung dieser Werkstoffe im gesinterten harten Zustand 4/27

5 1. Motivation Projektpartner & Produkte AgieCharmilles AG Werkzeugmaschinen: EDM, Fräsmaschinen, Laserablation Fischer AG, precise Spindelsysteme Metoxit AG Keramische Werkstoffe Werkstücke Meister Abrasives AG Schleifmittel Schleifscheiben/Schleifstifte Kistler Instrumente AG Piezoelektrische Kraftmessung Dynamometer KTI Kommission für Technologie und Innovation Förderagentur 5/27

6 1. Motivation Ausgangssituation Werkstückmaterial einer dreigliedrigen Brücke Fertigung aus Titan gängiges Verfahren evtl. Probleme mit Ästhetik / Allergien Fertigung im Weissling (Near-Net-Shape) leichte Bearbeitung ungenau, gleichförmiger Sinterprozess schwierig Fertigung im harten Zustand (HIP) 3-gliedrige Brücke links [Mikron] Maschinen und Systeme Laborlösungen z.b. Sirona Fertigung direkt vor Ort, schnell unpräzise, nur Weissling und Glaskeramik Bearbeitungszentrum mit US höhere Abtragsraten möglich geringe Schnittgeschwindigkeit Fertigung über Weissling [Filser] 6/27

7 1. Motivation Ausgangssituation Fertigung einer dreigliedrigen Zahnbrücke im harten Zustand: Der Vorteil der Bearbeitung im dichtgesinterten Zustand besteht in einer deutlich höheren Passgenauigkeit sowie in einer höheren mechanischen Belastbarkeit, [Klinikum.LMU] wie sie z.b. für ZrO 2 -Implantatbrücke benötigt wird Gutes Benchmark für eine 3D-Bearbeitung Vergleich zur Titanbrücke (Prozessdaten) Vergleich zur Bearbeitung im Weissling oder Grünling Fünf-Achs-Simultanbearbeitung für den Schleifprozess 7/27

8 1. Motivation Beispiele für Keramikbauteile Technische Produkte Hochdruckkolben Achsen Gleitlager Ventile Ziehringe Düsengeometrien [BCE Special Ceramics] Medizinaltechnische - Produkte BIO HIP -Kugelköpfe BIO HIP -Pfanneneinsätze Gleitlager für periphere Gelenke Instrumente Zahnkronen und Zahnbrücken Dentalimplantate [Metoxit AG] [Filser] 8/27

10 2. Versuche und Prozess Versuchsaufbau Fischerspindel: HS-Spindel U/min Abrichtspindel U/min Kistler Dynamometer zum Messen der Prozesskräfte in F x, F y und F z Abrichteinheit auf Mikron HSM 400U aktueller Versuchsaufbau mit Minidyn. & Drehringübertrager (nur für Versuche) 10/27

11 2. Versuche und Prozess Untersuchungsziele Untersuchungen zu Erreichen eines möglichst hohen Zeitspanvolumens Ermitteln geeigneter Prozessfenster Makroskopisches Werkzeugverhalten: Standzeit, G-Wert =, Geometrie/Profil des Werkzeugs Mikroskopisches Werkzeugverhalten: Verschleissverhalten am Diamanten und an der Bindung, andere Schädigungen am Werkzeug Zerspanbarkeit und Integrität der Werkstückoberfläche: (z.b. Kräfte, Rauheit, Mikrorisse, etc.) Herstellbarkeit der komplexen Geometrien (Kavitäten, Zugänglichkeit) 3 Versuchstypen: Standzeitversuche, Schleifen von Kavitäten (Bohren), Schleifen einer 3-D-Geometrie 11/27

12 2. Versuche, Prozess und Messaufbau Prozessgrössen (G-Wert, 4-Pkt.Biege, XRD) Werkstücke: gesinterte ZrO 2 -Quader (HIP) F z F x Werkzeugdaten: Diamant in Hybridbindung Ø = 2 6 mm Zylinder- oder Kugelform WZ-Schaft-Ø: 3 mm Korngrösse: D64 / D91 verschied. Korntypen F y Prozessdaten: v c = 5-35 m/s v f = `000 mm/min a e = mm a p = 1-4 mm Strategie: Gegenlauf KSS Öl: BlasoGrind HC5 / Emulsionen auch möglich Q W = 2-8 mm³/mms Keramik Schleifstift 12/27

13 2. Versuche und Prozess Standzeitversuche Einfacher Versuchsaufbau Einfache Probengeometrie Schneller Probenwechsel Prozessfenster leicht und definiert einstellbar Lineare Versuchsbahn Prozessgrössen gut messbar Prozesskräfte Werkzeugverschleiss (G-Wert) Zeitspanungsvolumen (Q W ) Werkstückoberfläche v c F z F x F y v f 13/27

14 2. Versuche und Prozess Standzeitversuche Versuch auf der Mikron HSM 400U mit Kraftmessung a e = 0.04 mm v f = 6000 mm / min v c = 30 m/s a p = 2 mm Q W = 6 mm3 / mms KSS-Zufuhr mit Freistrahldüse 14/27

15 2. Versuche und Prozess Fertigung einer Dummybrücke Vorteile der Dummy-Brücke: Geometrie vergleichbar zu vorhandenen Untersuchungen im Weissling Geometrie geeignet für verschiedenste Untersuchungen Untersuchungen hinsichtlich: Herstellbarkeit, geeignete Strategie Wirtschaftlichkeit (Herstellzeit, Standzeit) Schädigungen Belastungstest N Bisskraft liegt bei bis ~900N Werkzeugsatz: Zylinder-, Kugel- und Kegelscheifstifte 15/27

16 2. Versuche und Prozess Herausforderungen in der Bahngenerierung Umsetzung der ermittelten Prozessgrössen Fehlende Unterstützung seitens des CAM-Programms IPW* teilweise nicht verfügbar Exakte Zustellung schwierig WZ fährt durch die Luft hoher Bedarf an Hilfskonstruktionen Beispiel ungünstige Strategie Fahren einer Gerade, Vollschnitt ins Material Ungünstige Schnittbedingungen, variierende Zustellung Gefahr des WZ-Bruchs, geringerer Vorschub möglich * IPW = In Process Workpiece 16/27

17 2. Versuche und Prozess Kraftverlauf ungünstige CAM-Bahn 150 Kraft [N] Kraftverläufe beim Schruppen der Aussenkontur Zeit [s] F x F y F z a e Reset_Operate WZ = d WZ = 6 mm v f = 1500 mm / min a e = 0.20 mm a p = 2 mm v c = 30 m / s Q w = 5.0 mm³ / mms KSS = Öl Signal enthält auch die Trägheitskräfte (WS + Aufspannung) Grosse Kraftspitzen trotz reduziertem Vorschub bzw. reduzierter Zustellung grosse Kraftspitzen! 17/27

18 100 Kraft [N] Versuche und Prozess Kraftverlauf Verbesserung der CAM-Bahn Kraftverläufe beim trochoidalen Schruppen der Aussenkontur Zeit [s] F x F y F z a e Reset_Operate WZ = d WZ = 6 mm v f = 2000 mm / min a e = 0.24 mm a p = 2 mm v c = 30 m / s Q w = 8.0 mm³ / mms KSS = Öl Signal enthält auch die Trägheitskräfte (WS + Aufspannung) optimierte Lösung der CAM-Bahngenerierung Geringere Kraftausschläge geringere WZ-Belastung bessere Standzeiten grösserer Vorschub möglich, grössere Zustellung höheres Q W 18/27

20 3. Untersuchungen der Werkstücke optische Ra-Messung eines Ausschnitts 9.8mm v f 83mm Messung auf dem Alicona-Messgerät Masse: 1950μm X 2750μm (B X H) kinematische Rauheit ist erkennbar / Zustellung (120μm) Eingriffsbahnen der einzelnen Körner sind erkennbar gewünschte Ra erreichbar ( μm) 20/27

21 3. Untersuchungen der Werkstücke 4-Pkt-Biege-Versuche Untersuchungen der ZrO 2 -Proben mittels 4-Pkt-Biegeversuche auf Schädigung: Einfacher Balken mit (nur) einer bearbeiteten Seite, Betrachtung der Zugseite exakt definierte Masse und Fertigung ohne Kerbe führen zur Vergleichbarkeit Durchführung: Variation des Prozessfensters (Schlichten bis Schruppen) Prozessfenster, Beispiel: Schleifen einer Probe mit: Q W = 8 mm3 / mms v f = 2000 mm / min, a e = 0.24 mm, a p = 2 mm Zerspanungsvolumen V W = ~2100 mm 3 keine Schädigung F F bearbeitete Seite 21/27

22 3. Untersuchungen der Werkstücke Untersuchungen mit XRD Untersuchungen der ZrO 2 -Proben mittels XRD auf Schädigung Prozessfenster für XRD analog zu den Versuchsreihen für die 4-Pkt-Biege-Proben Bestimmung des monoklinen zum tetragonalen Anteil im ZrO2 Ungenauigkeit liegt bei ~1%, unter 1% kann nicht detektiert werden Anteil an monoklinen ZrO 2 liegt nach der Bearbeitung zwischen 2% - 3% kein signifikante Schädigung der Proben 22/27

23 Kraft F t, F n [N/mm] 3. Untersuchungen der Werkzeuge bez. Kraft - Schnittgeschwindigkeit v c [m/s] F'n (Versuchsreihe1) F't (Versuchsreihe1) F'n (Versuchsreihe2) F't (Versuchsreihe2) Bei konst. Prozessgrössen ausser v c ergibt sich eine Kraftabnahme mit zunehmenden v c Werkzeugverlust der Werkzeuge (Ø 1-2mm) schon ab 40 N v max. v f = 2000 mm / min c Durchmesser v c ( min -1 ) 6mm 4mm 2mm 37.70m/s 25.13m/s 12.57m/s a e = 0.24 mm a p = 2 mm Q w = 8 mm³ / mms KSS = Öl 23/27

24 3. Untersuchungen der Werkzeuge Längen- und Radiusmessung Laser-Messbrücke: Die Diamantschleifstifte können mit der Brücke gemessen werden Längenmessung der Werkzeuge in achsialer Richtung (Z-Achse) Radiusmessung an beliebigen vorgegebenen Höhen des Werkzeugs Genauigkeit wird für Längenund Radiusmessung mit <5µm angegeben 24/27

26 4. Ausblick Zusammenfassung / Ausblick Umsetzung der Kermikbearbeitung auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum Fertigung 3D-Geometrien Schleifen einer Fase und Fertigung einer Dummybrücke lieferte gute Vergleichswerte Grosse Herausforderung ist die Umsetzung der erreichten Prozessgrössen in die CAM-Bahngenerierung Integrierte Messtechnik Integrierte Abrichteinheit, Reduzierung d. Umspannfehler Konventionelle Bearbeitung mit hohen Drehzahlen ermöglicht: Hohe bezogene Zeitspanvolumina Lange Standzeit der Werkzeuge Keine Schädigung der Werkstücke Kombination von US-unterstützter Bearbeitung mit hohen Drehzahlen a e = 0.04mm v f = 6000 mm / min v c = 30m/s a p = 2mm KSS-Zufuhr mit Freistrahldüse 26/27

27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 27/27