Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik

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1 Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik

2 Andreas Risse Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik Mit 345 Abbildungen und 25 Tabellen

3 Prof. Dr.-Ing. Andreas Risse Beuth Hochschule für Technik Berlin Deutschland ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg c Vieweg+Teubner Verlag Springer Fachmedien Wiesbaden 2012 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Lektorat: Thomas Zipsner/Imke Zander Einbandentwurf: KünkelLopka GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Die Feinwerktechnik und die Mechatronik sind gekennzeichnet durch einen stark interdisziplinären Charakter, d. h. einer Verbindung von Mechanik mit der Elektronik, Informationstechnik und Optik. Dazu kommen die verstärkten Anforderungen durch die Probleme der Miniaturisierung und Integration von verschiedenen Systemen in einem Gesamtsystem. Dieses ist gekennzeichnet durch eine sehr große Werkstoffvielfalt, kleine Abmessungen und geringe Masse, sehr hohen Qualitätsanforderungen sowie durch die Übertragung von kleinen Kräften und Momenten in Verbindung mit Informationen. Dazu kommt die zusätzliche Integration von optischen, magnetischen, elektrischen oder anderen physikalischen und chemischen Funktionen. Damit sind auch die Fertigungsverfahren, derer sich die Feinwerktechnik und Mechatronik zur Herstellung solche Systeme bedienen, sehr komplex. In diesem Buch wird versucht, dieser Komplexität der Fertigungsverfahren Rechnung zu tragen. Dabei ist sich der Autor bewusst, dass ausgehend vom Standpunkt des Betrachters die Schwerpunkte unterschiedlich gesetzt werden können. So konnten auf die speziellen Technologien der Herstellung optischer Bauteile, der Herstellung von Verzahnungen und die Hauptgruppe Stoffeigenschaftändern nicht eingegangen werden. Hier wie auch bei speziellen Fragen wird auf die vielfältige Fachliteratur verwiesen. Aufgrund der Begrenzung des Umfanges des vorliegenden Buches sind auch die dargestellten Technologien nicht aus jeder Sicht vollkommen. Für Hinweise und Korrekturen sind Autor und Verlag dankbar. Dieses Fach- und Lehrbuch gibt dem Praktiker und Studenten gleichermaßen einen Überblick über die Vielzahl der Technologien der Feinwerktechnik und Mechatronik. Dabei wurde auch Wert gelegt auf die Einbeziehung von Verfahren der Elektroniktechnologie. Ausgehend von den Grundlagen der Technologien soll der Leser in die Lage versetzt werden, selbstständig eine Einordnung und Auswahl der optimalen technologischen Verfahren zu treffen. Dazu wurde die bewährte Gliederung der Fertigungsverfahren in den Hauptgruppen beibehalten. Dieser Aufbau ermöglicht es auch, z. B. in dem Kap. 10

5 VI Vorwort Mikrostrukturtechnik auf die Grundlagen der jeweiligen Hauptverfahrensgruppe zu verweisen und damit nur die wesentlichen Unterschiede und Anwendungen darzustellen. Die Verfahren der Lasermaterialbearbeitung werden bewusst in einem gesonderten Kapitel behandelt, da die Grundlagen der Wirkung des Laserbündels auf das Werkstück sich generell von den anderen Verfahren unterscheiden. Allen, die an der Entstehung dieses Buches Anteil hatten, sei hiermit herzlich gedankt, vor allem den Fachkollegen für ihre Gespräche und den Firmen, Institutionen und Forschungseinrichtungen, die durch Bereitstellung aktuellen Bildmaterials zur Gestaltung wesentlich beigetragen haben. Im Einzelnen möchte ich meiner Frau für die tatkräftige Unterstützung bei der Erstellung des Manuskriptes, für die Durchsicht und Korrektur danken, Herrn T. Golomski für die Unterstützung bei der Erstellung von Bildmaterial, Herrn Prof. Dr. Mathes, Berlin, für die kritische Durchsicht. Dem Verlag und insbesondere den verantwortlichen Lektoren, Herrn T. Zipsner und Frau I. Zander, gebührt mein Dank für die sachkundige Beratung und Begleitung bei der Realisierung dieses Buches. In Dankbarkeit gegenüber meinen Eltern und Lehrern Berlin Februar 2012 Andreas Risse

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Einordnung der Fertigungstechnik, Begriffe und Grundlagen Auswahl der Fertigungsverfahren Literatur Urformen Einführung Urformen von Metallen aus dem flüssigen Zustand Grundbegriffe, Verfahrensübersicht Metallkundliche Grundlagen des Gießens von Metallen Entstehung des Gussgefüges Gusswerkstoffe Gießeigenschaften der Gusswerkstoffe Gussfehler AusgewählteGießverfahren Gießen mit verlorenen Formen und Dauermodellen Gießen mit verlorenen Formen und verlorenen Modellen Gießenmit Dauerformen Urformen aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand Grundlagen Pulverherstellung Verarbeitung von Pulvern zu Formkörpern FormgebungundVerdichten Sintern WeiterbearbeitungundNachbehandlung

7 VIII Inhaltsverzeichnis 2.4 Urformen aus dem plastischen Zustand Urformen von Kunststoffen Grundlagen Verfahren zum Urformen von Kunststoffen Pressen Spritzgießen Extrudieren Schäumen, Rotationsformen, Blasformen Pulverspritzgießen-Metal Injection Moulding MIM und Powder InjectionMouldingPIM Urformen aus dem ionisierten Zustand Galvanoformung Einführung und Grundlagen Einflussgrößen auf die galvanische Abscheidung von Metallen Technologie der Galvanoformung Generative Fertigungsverfahren Rapid Manufacturing Einführung und Grundlagen Ausgewählte generative Fertigungsverfahren Stereolithographie SL Laser-SinternLS Fused Deposition Modeling FDM bzw. Fused Layer ModelingFLM D-Printing Laser chemical vapor deposition LCVD Literatur Umformen Grundlagen AusgewählteUmformverfahren Druckumformen Zug-Druck-Umformen Biegeumformen Einteilung der Biegeverfahren TheoriedesBiegens Literatur Trennen Einführung Zerteilen Schneiden von Blech Grundlagen Feinschneiden Wasserstrahlschneiden Einführung DerAbtragprozess

8 Inhaltsverzeichnis IX Die Schneidparameter Spanen Einführung Grundlagen des Spanens Kinematische und geometrische Grundlagen Kräfte und Leistungen beim Spanen Spanbildung Schneidstoffe und ihre Anwendung Werkzeugverschleiß und Standgrößen Standbegriffe und Standgrößenberechnung Ausgewählte Verfahren des Spanens mit geometrisch bestimmterschneide Drehen Bohren,Senken,Reiben Fräsen Räumen Ausgewählte Verfahren des Spanens mit geometrisch unbestimmter Schneide Einführung Schleifen Honen Läppen Spanenmit Ultraschallunterstützung Hochgeschwindigkeitszerspanung High Speed Cutting HSC Abtragen EinführungundÜberblick Ätzen EinführungundÜberblick Technologischer Ablauf ThermischesAbtragen Funkenerosion Einführung DerErosionsprozess Einflussgrößen auf den Erosionsprozess Anwendung Literatur Fügen Einführung FügendurchAn-undEinpressen Einführung FügendurchKeilenundStiften Fügen durch Längs- und Querpressen

9 X Inhaltsverzeichnis FügendurchSchrauben FügendurchUmformen Einführung Falzen Nieten Durchsetzfügen Clinchen Crimpen FügendurchStoffverbinden Grundlagen Kleben Einführung Klebstoffe Technologie des Klebens Leitkleben Löten Einführung und Grundlagen Flussmittel und Schutzgase LotwerkstoffeundLotpasten Ausgewählte Lötverfahren Löttechnologie Lötfehler Schweißen Einführung Schmelzschweißen Grundlagen Ausgewählte Schmelzschweißverfahren Pressschweißen Einleitung Widerstandsschweißen Ultraschallschweißen Diffusionsschweißen Kaltpressschweißen Rührreibschweißen Literatur Beschichten Einführung BeschichtenausdemionisiertenZustand Einführung ElektrolytischesAbscheiden ChemischesAbscheiden BeschichtenausdemflüssigenZustand

10 Inhaltsverzeichnis XI 6.4 Beschichten aus dem gas- oder dampfförmigen Zustand Dünnschichttechnologie Einführung Technologie ausgewählter PVD-Verfahren Überblick Substrate und Substratreinigung Teilchenerzeugung Aufdampfen Sputtern Schichtbildung und -wachstum Dünnschichtschaltung Beschichten aus dem pastenförmigen Zustand Dickschichttechnologie Einführung Substrate und Substratreinigung Dickschichtpasten Einführung Leitpasten Widerstandspasten DielektrischePasten Sonderpasten Pastenaufbringung und Strukturierung Einführung Siebdruck Schablonendruck TrocknenundEinbrennenderPasten Literatur Leiterplattentechnologie Einführung Leiterplattenbasismaterialien Technologische Arbeitsschritte bei der Leiterplattenherstellung Einführung Herstellung des Originalleiterbildes der Druckvorlage Herstellung des Originalfilms (Originaldia) unddesarbeitsfilms(arbeitsdia) Mechanische Bearbeitungsverfahren der Leiterplatten Oberflächenvorbehandlung der Leiterplatte Aufbau des Leiterbildes auf der Leiterplatte Oberflächenbeschichtung von Metallen auf der Leiterplatte Ätzen

11 XII Inhaltsverzeichnis Oberflächenschutz, Lötstopplack, organische Kupferpassivierung OSP, Leitlacke, Wärmeleitpasten undservicedruck Herstellungsverfahren für Leiterplatten Einführung Subtraktivverfahren Additivverfahren Kombinierte Subtraktiv-Additiv-Verfahren; Semiadditiv-Technik Flexibleundstarr-flexibleLeiterplatten Multilayer Fehler bei der Herstellung von Leiterplatten Dreidimensionale spritzgegossene Leiterplatten MID Einführung Verfahren mit Einkomponenten-Spritzgießen MID-Verfahren mit Zweikomponenten-Spritzguss Literatur Bestückungstechnologie EinführungundÜberblick Durchsteckmontage THT Oberflächenmontage Surface Mount Technology SMT Einführung Überblick über oberflächenmontierbare Bauelemente Surface Mount Device SMD SMD-Bestückungsverfahren Chip-MontageundCOB Einführung Drahtkontaktierung Chip and wire Tape Automated Bonding TAB Flip-Chip-Technologie FC Entwicklungsrichtungen der Bauelemente-Bestückung Literatur Lasermaterialbearbeitung Einführung Einflussgrößen auf die Lasermaterialbearbeitung Laserstrahlquellen Laserparameter Werkstoffparameter BauteilbezogeneGrößen Bewegungseinrichtungen

12 Inhaltsverzeichnis XIII 9.3 Lasertrennen Verfahrensprinzip Einflussgrößen auf die Schnittqualität Anwendungen Fügenmit Laser Laserlöten Laserstrahlschweißen Verfahrensprinzip Einflussgrößen Anwendung Abtragenmit Laser Bohren und definierter Materialabtrag BeschriftenundMarkieren Ritzen undtrimmen Laserrandschichtbehandlung Literatur Fertigungsverfahren der Mikrostrukturtechnik EinführungundÜberblick Verfahren auf der Basis der Technologien der Feinwerktechnik Ultrapräzisionszerspanung Mikrospritzgießen Mikroheißprägen Mikrofunkenerosion Mikrostereolithographie und Mikrolasersintern Mikrolaserbearbeitung Verfahren auf der Basis der Halbleitertechnologien Grundlagen Bulk-Mikromechanik Oberflächenmikromechanik LIGA-Technologie DUV-Mikroformung Literatur Verzeichnis der Bildquellen Sachwortverzeichnis