FUTUR. Vision Innovation Realisierung. Klug kombiniert. Alles muss rein. Mikroproduktionstechnik. Laserbohren und Mikrofunkenerosion in einer Maschine

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1 Mitteilungen aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin FUTUR Vision Innovation Realisierung Mikroproduktionstechnik Klug kombiniert Alles muss rein Laserbohren und Mikrofunkenerosion in einer Maschine Bauraumoptimierung in der Mikroelektronik

2 Inhalt Impressum Futur 3/ Jahrgang ISSN Herausgeber Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Mitherausgeber Prof. Dr.-Ing. Erwin Keeve Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger Prof. Dr.-Ing. Kai Mertins Prof. Dr.-Ing. Michael Rethmeier Prof. Dr.-Ing. Günther Seliger Prof. Dr.-Ing. Rainer Stark Prof. Dr.-Ing. Johannes Wilden Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin Chefredaktion Steffen Pospischil Redaktion Claudia Engel, Ina Roeder Kontakt Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK Institutsleitung Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann Pascalstraße Berlin Tel.: Fax: Gestaltung und Produktion Anja Gollor Herstellung Heenemann Druck GmbH Titelbild Gerold Baumhauer 04 Laserbohren und Mikrofunkenerosion zur Herstellung komplexer Bohrungen 06 Flexible Hybridbearbeitung Mikrofräsen und Lasermaterialabtrag 08 ActiveClamp innovatives Spannsystem für Mikro- und Präzisionsbauteile 10 Prozess-Struktur-Wechselwirkungen beim Mikrofräsen 12 Ultrapräzisionszerspanung mit Slow-Slide-Servo 14 Senkerodieren Grundlagenforschung und industrielle Anwendung 16 Mikromessen am PTZ 18 Alles muss rein Bauraumoptimierung in der Mikroelektronik 20 Zellfreie Biotechnologie 22 Innovative Geschäftsmodelle für die Mikroproduktionstechnik 24 Condition Monitoring im verfügbarkeitsorientierten Geschäftsmodell 26 Energieeffiziente Handhabungsprozesse durch Impulsübertragung 28 Interview 30 Partnerunternehmen 32 Laborporträt 33 Ereignisse und Termine 39 Terminkalender Fotos Gerold Baumhauer: S. 1, 11, 12, 13 (1), 14 Matthew Dixon, istockphoto: S. 38 (1) Arne Glodde: S. 27 Christoph Hein: S. 20 Markus Hein, Pixelio: S. 18 Konstantin Heß: S. 3 Martin Kurz: S. 10 (2) Armin Löwenstein: S. 7, 9 Angela Salvo: S. 33, 34 (3, 4), 35, 36 VDI/VDE-IT: S. 37 Fraunhofer IPK Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit vollständiger Quellenangabe und nach Rücksprache mit der Redaktion. Belegexemplare werden erbeten.

3 FUTUR 3/ Editorial Liebe Leserinnen, liebe Leser, ein kleiner Funke kann große Feuer entfachen, heißt es in einem Sprichwort. Am PTZ war es Mitte der 1990er Jahre die damals noch junge Technologie der Mikrofunkenerosion, die unsere Begeisterung für die Mikrosystemtechnik weckte. Der ersten Mikrodrahterodiermaschine folgten schnell weitere Hoch- und Ultrapräzisionsbearbeitungssysteme, auf denen wir erste Erfahrungen in der Herstellung von Mikrobauteilen sammelten. Heute, nach knapp zehn Jahren intensivster Aufbauarbeit, unterstützen wir im Anwendungszentrum Mikro produktionstechnik (AMP) mit einem Team von 30 Mitarbeitern Unternehmen bei der Entwicklung von Mikroprodukten, der Mikrofertigung sowie dem Test komplexer Mikrosysteme. Im März 2011 wird das AMP seinen bisherigen Standort im Technologiepark Berlin-Adlershof verlassen und ein neues Gebäude beziehen, das derzeit neben dem Seminartrakt des PTZ entsteht. Der moderne Quadratmeter große Büround Laborkomplex wird ideale Voraussetzungen für anspruchsvolle FuE-Projekte bieten: Neben zwei Laborbereichen mit Hochpräzisionsumgebung werden auch eine Ultrapräzisionsumgebung und ein Laborbereich zur Prozessentwicklung eingerichtet. Temperatur und Luftfeuchtigkeit dieser Labore können individuell reguliert werden; Maschinenpark und variable Flächen ermöglichen die Nachbildung von Vor-Ort-Bedingungen bei unseren Kunden. Damit sind wir als Forschungsdienstleis ter bestens auf die unterschiedlichsten Aufgaben vorbereitet. Welche Bandbreite unser Leistungsspektrum dabei abdeckt, wollen wir Ihnen in dieser FUTUR-Ausgabe vermitteln. Es reicht von der Entwicklung Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann technologischer Sonderlösungen über die Entwicklung von Produktionseinrichtungen bis zur Erstellung von Prozessketten für die Serien- und Massenfertigung oder die Direktfertigung von Mikrokomponenten und mikrostrukturierten Bauteilen. Unsere Auftraggeber kommen aus der Energieund Antriebstechnik, dem Automobilbau, der Luft- und Raumfahrt, dem Werkzeugund Formenbau oder der Feinwerktechnik. Im Projekt»PrE-Bio-Tec«gehen wir noch einen Schritt weiter: Hier entwickeln Fertigungstechniker, Werkstoffwissenschaftler, Biotechnologen und Mikrobiologen neue Produkte, Maschinen und Anlagen für die zellfreie Biotechnologie. Deren Produkte sind wiederum für die Waschmittel-, Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie, die alternative Energiegewinnung, die Medizintechnik oder Umwelttechnik interessant. Übrigens: In der Mikrofunkenerosion arbeiten wir heute an der Modifikation von Werkzeugmaschinen und der Entwicklung neuer Elektrodenwerkstoffe, die zur Herstellung strömungsoptimierter Oberflächen im Turbinenbau gebraucht werden. Es ist schön zu sehen, wie weit so ein kleiner Funke tragen kann.

4 4 Forschung und Entwicklung MicroDrill Laserbohren und Mikrofunkenerosion zur Herstellung komplexer Bohrungen In einer Vielzahl von hochwertigen Bauteilen und Produkten, z. B. aus der Energie- und Antriebstechnik, dem Automobilbau sowie der Mikrofluidik, Filtertechnik und Textilfaserherstellung werden heute Präzisionsbohrungen mit zum Teil extremen Anforderungen an Qualität, Durchmesser und Aspektverhältnis benötigt. So liegen die aktuellen Zielgrößen in der Dieseleinspritztechnik bei 80 μm ± 1 μm bei einer Bohrtiefe von 1 mm und einer Bearbeitungszeit von nur 20 Sekunden. In der Triebwerkstechnik besteht darüber hinaus ein zunehmender Bedarf an Kühlluftbohrungen mit speziell definierten Geometrien an der Ein- und Austrittsseite der Bohrung. Im Projekt»MicroDrill«werden die Verfahren Laserbohren und Erodieren mit einer neuartigen Maschinentechnik zusammengeführt, um bislang unerreichte Potenziale hinsichtlich der Geometrie freiheit und -komplexität bei der Herstellung von Präzisionsbohrungen auszuloten. Gemeinsam mit zehn Industriepartnern und dem Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) entwickeln Wissenschaftler des IWF ein hybrides Maschinen system, Prototyp: Hybrides Maschinensystem Wendelbohren und EDM das die physikalischen und tech nischen Vorteile der Verfahren Laserbohren und Mikrofunkenerosion vereint. Bisher können mit einzelnen Verfahren wie Laserbohren und Senkerodieren jeweils Einzelaspekte bezüglich der Prozesszeiten oder Geometrien adressiert werden; für eine kostengünstige und hochproduktive Herstellung Anwendungs- und Geometriebereiche von Bohrungen sind diese Verfahren allein des Projekts»MicroDrill«Einspritzdüsen Kühlbohrungen Werkzeugtechnik Spinndüsen Durchmesser < 100 µm Durchmesser 0,1-0,5 mm Durchmesser < 100 µm Durchmesser < 50 µm jedoch entweder zu langsam oder zu ungenau. Werden sie kombiniert, können elliptische und konisch geformte Bohrungen sowie Bohrungen mit Freiformgeometrien schnell, flexibel und genau realisiert werden. Das ist z. B. für Anwendungen in der Filtertechnik interessant, bei denen sich der Bohrungsdurchmesser auf Größen kleiner 10 μm bei Wandstärken bis 1 mm reduziert, was ein Aspektverhältnis von 100 bedeutet. Um ein breites Bauteilspektrum ab decken zu können, konzentrieren sich die FuE-Arbeiten darüber hinaus auf Anwendungen in der Automobilindustrie, dem Turbinenbau, Werkzeugund Formenbau sowie der kunststoffverarbeitenden Industrie. Genauigkeit ±1 µm Genauigkeit ±10 µm Genauigkeit ±1 µm Genauigkeit ±1 µm Positiv und negativ konisch Positiv und negativ konisch Hohe Geschwindigkeit Komplexe Geometrien Aspektverhältnis > 20 Aspektverhältnis > 20 Aspektverhältnis < 10 Aspektverhältnis > 10 Komplexe Geometrien Laserstrahlbohren Das im Projekt zum Einsatz kommende Laserbohrverfahren ist das Wendel bohren. Hierbei rotiert der Laserstrahl sowohl relativ zum Werkstück als auch in sich selbst. Auf diese Weise können derzeit

5 FUTUR 3/ Arbeitsraum der Hybridmaschine nahezu kreisrunde Bohrungen mit einem Minimaldurchmesser von 40 µm und einem maximalen Aspektverhältnis von 50 gefertigt werden. Die Bearbeitungszeiten bei diesen Anwendungen bezogen auf eine Bohrungstiefe von 1 mm liegen im Bereich von 5 bis 10 Sekunden. Weiterhin können konische Bohrungen durch das Verkippen des Laserstrahls relativ zum Werkstück erzeugt werden. Werden der Laserstrahl oder das Bauteil während des Abtragprozesses bewegt, sind außerdem auch strukturierte Bohrungen möglich. Bei Bohrungsdurchmessern unter 100 µm können Formabweichungen entlang des Bohrungsquerschnitts und vor allem am Bohrungsausgang auftreten. Um diese Formabweichungen mit dem Laser nachzubearbeiten, wäre eine erheblich längere Prozesszeit im Vergleich zum reinen Durchbohren nötig. Daher erfolgt die Nachbearbeitung mittels Mikrofunken erosion. Funkenerosives Feinbohren Eine Verfahrensvariante der senkerosiven Bearbeitung ist der Einsatz rotierender Stiftelektroden zur Erzeugung rotationssymmetrischer Bohrungen und Durchbrüche. Das so genannte funkenerosive Feinbohren wird z. B. bei der Herstellung von Einspritzdüsen in der Automobilzuliefertechnik verwendet. Für die Realisierung komplexer Geometrien wird die Mikrobahnerosion genutzt, bei der die Kontur durch eine dem Erosionsprozess überlagerte Bahnbewegung der rotierenden Werkzeugelektrode erzeugt wird. Die Innenradien der bearbeiteten Strukturen ergeben sich dabei aus dem Funkenspalt sowie dem Elektrodendurchmesser. Kombinierte Bearbeitung Die große Herausforderung des Projekts ist es, beide Verfahren das Laserbohren und die Mikrofunkenerosion mit innovativen verfahrenstechnischen Ansätzen zu kombinieren und in eine neuartige Maschinen technik zu überführen. Ein entscheidender Aspekt dabei ist die Positionierung der Bohrung zwischen den einzelnen Bearbeitungs schritten. Die Projektpartner streben eine mechanische Positioniergenauigkeit der Hybridmaschine von ca. 2 µm im gesamten Arbeitsraum an. Dafür haben sie ein optisches Messverfahren entwickelt, welches die Lage der Bohrung im Arbeitsraum mit einer Genauigkeit im Mikrometer-Bereich erfasst. Neben der Entwicklung und Auslegung der Hybridmaschine untersuchen die Wissenschaftler am Fraunhofer ILT und am IWF die optimale Einstellung der Prozesszeiten für das Wendelbohren und die mikrofunkenerosive Nachbearbeitung der Bohrungen. Im Zentrum der Untersuchungen steht hierbei der effiziente Einsatz der beiden Verfahren im Hinblick auf kurze Bearbeitungszeiten bei gleichzeitig hoher Formgenauigkeit. Complex Drill Holes Made by Laser Drilling and Micro-Electrical Discharge Machining Today, a great variety of high-quality products, e.g. in electrical and drive engineering, automotive industry, microfluidics, filter technology, and textiles industry feature precision drill holes that meet high demands on quality, diameter, and aspect ratio. Automotive suppliers currently aim at 60 μm +/- 1 μm for a drilling depth of 1 mm and a machining time of only 10 seconds in diesel fuel injection. Moreover, turbine manufacturing increasingly requires cooling air holes of defined shapes. Scientists from Fraunhofer ILT and IWF at TU Berlin have therefore joined forces with industry partners in the project»microdrill«. Together they work on combining the two processes laser drilling and micro-edm in a new hybrid machine tool which opens up unrivaled potentials in terms of freedom and complexity of geometry in the manufacture of precision drill holes. Dipl.-Ing. Malte Langmack Tel.: langmack@iwf.tu-berlin.de

6 6 Forschung und Entwicklung Maschinenentwicklung Flexible Hybridbearbeitung Mikrofräsen und Lasermaterialabtrag Werkzeugmaschine zur Fräs-/Laserbearbeitung In der Feinwerktechnik, bei der Herstellung medizin- und biotechnischer Produkte sowie im Werkzeug- und Formenbau werden Strukturen kleinster Abmaße und hoher Oberflächengüten erzeugt. Die Kombination aus 5-Achs-Mikrofräsbearbeitung und Lasermaterialabtrag mittels gepulster Laserstrahlung sowie die direkte Geometriemessung am Werkstück bieten eine wirtschaftliche Alternative zu etablierten Fertigungsprozessketten wie beispielsweise der Formherstellung mittels Funkenerosion (EDM). Darüber hinaus wird die Be arbeitung von schwer zerspanbaren und nicht elektrisch leitfähigen Materialien ermöglicht. Am Fraunhofer IPK wurde ein solches hochdynamisches Bearbeitungszentrum in enger Kooperation mit fünf deutschen mittelständischen Unternehmen realisiert und steht nun für komplexe Mikrofertigungsaufgaben zur Verfügung. Mikrofräsen mit Werkzeugen kleinen Nenndurchmessers ist im Werkzeug- und Formenbau fest etabliert und wird meist zur Elektrodenherstellung für die Senkerosion genutzt. Dabei werden gut zerspanbare Werkstoffe wie Kupfer, Wolfram-Kupfer oder Graphit bearbeitet. Inzwischen ist es aber möglich, auch gehärteten Stahl mit kleinsten Werkzeugen zu bearbeiten. Dadurch können Formeinsätze direkt gefertigt werden. Im Durchmesserbereich unterhalb 0,5 mm stellt die prozesssichere, hochgenaue Bearbeitung von gehärtetem Stahl jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Auch ist der minimale Innenradius am Bauteil durch den Fräserradius begrenzt. Mit fokussierter Laserstrahlung kann ein nahezu schmelzefreier Materialabtrag realisiert werden, wenn moderne Strahlquellen mit Pulsdauern um 10 Pikosekunden zum Einsatz kommen (1 Pikosekunde entspricht 0, s). Die erzeugbare minimale Strukturgröße liegt dabei in der Größenordnung von 10 µm. Damit kann die geometrische Restriktion durch den Fräserradius überwunden werden, jedoch liegen die Abtragraten um Größen ordnungen unter den Abtrennraten des Fräsens. Auch wenn die verfügbare Leistung der Laserquellen in jüngster Zeit rapide zunimmt, ist dennoch nicht zu erwarten, dass der Laserabtrag in die Regionen des Zeit spanvolumens beim Fräsen vordringt. Beim Fräsen mit einem Ein-Millimeter-Werkzeug kann das Zeitspanvolumen durchaus einige hundert Kubikmillimeter pro Minute betragen, vorausgesetzt die Maschinentechnik ermöglicht hohe Spindeldrehzahlen. Neue Werkzeugmaschine Um die verfahrensspezifischen Vorteile optimal auszunutzen, integrierten Forscher des Fraunhofer IPK beide Verfahren in eine Werkzeugmaschine. So kann ein Bauteil, ohne es von einer Maschine zur nächsten transportieren zu müssen, komplett bearbeitet werden. Ein optisches Modul zur Erfassung der Bauteilgeometrie ist ebenfalls in den Arbeitsraum integriert, so dass Teilprozesse auf der Basis der Bearbeitungsergebnisse vorangegangener Teilprozesse Mikrofräsen Messen Laserbearbeitung Hybridbearbeitung am Beispiel eines Formeinsatzes geplant und durchgeführt werden können. Um die Bearbeitungszeit zu reduzieren, werden in der prototypischen Werkzeugmaschine ausschließlich Direktantriebe eingesetzt, deren Wirkprinzip dem Antrieb eines Transrapid entspricht. Das Werkstück kann mit den beiden Drehachsen schnell gedreht und geschwenkt werden, so dass

7 FUTUR 3/ Durch Lasermaterialabtrag gefertigte Struktur (links), zugehöriges Volumenmodell (Mitte), Mikrostruktur mit Arbeitsraum mit Bearbeitungsmodulen Stegbreite 15 µm (rechts) eine simultane 5-Achs-Bearbeitung beim Fräsen und ein Anstellen des Werkstücks beim Messen und beim Laserabtrag möglich ist. Damit wird insgesamt eine hochdynamische Bearbeitung realisiert, denn gerade bei kleinen Bauteilen kann die Bearbeitungszeit durch dynamische Maschinenachsen signifikant reduziert werden. Alle Steuerungsfunktionalitäten für den Laserabtrag, das Fräsen und Messen sind auf einer Plattform untergebracht. Dadurch kann für alle Bearbeitungen das gleiche Werkstück- Koordinatensystem verwendet werden, was den Arbeitsalltag erheblich erleichtert. Integriertes Messsystem Zur Erfassung der Geometrie des Werkstücks im Anschluss an die Bearbeitung mittels Mikrofräsen oder Lasermaterialabtrag wird ein optischer Sensor eingesetzt. Dabei wird der definierte Farbfehler einer in einen Messkopf integrierten Spezialoptik zur Abstandsmessung genutzt und man erhält eine präzise Information über den Abstand zwischen Messkopf und Werkstückober fläche. Durch Einsatz der vierten und fünften Maschinenachse wird der Sensor angestellt; dadurch können auch steile Flanken erfasst werden. Eine sich anschließende Flächenrückführung der Punktewolke mit maschinenunabhängiger Software führt zu einer Information über die Werkstück geometrie. Die Ist-Geometrie des Werkstücks wird dann in gängigen CAD-Formaten ausgegeben und ermöglicht im Vergleich mit der Soll- Geometrie die Auswahl einer adäquaten Strategie für die folgenden Prozessschritte, da eine Information über das Bearbeitungsergebnis einzelner Prozessschritte vorliegt. Das integrierte Messsystem kann darüber hinaus zum Einrichten des Werkstücks genutzt werden und verkürzt das»einfahren«der Prozesse. Lasermaterialabtrag Zum Lasermaterialabtrag wird ein Scanner eingesetzt, der den fokussierten Laserstrahl in der Ebene positioniert. Die Maschinenachsen werden hierbei zur Vorpositionierung bei ausgeschalteter Laserquelle eingesetzt. Beim»Scannen«des Bauteils kann eine Bearbeitungsgeschwindigkeit von 3 m/s sowie eine Jumpgeschwindigkeit von 12 m/s eingestellt werden. Die Laserstrahlquelle emittiert gepulste Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 355 nm, bei Pulsdauern in der Größenordnung von 10 Pikosekunden. Die Pulsspitzenleistung liegt dabei in der Größenordnung von 12 MW. Die zu erzeu gende, als Volumenmodell vorliegende Geometrie wird zunächst in einzelne Scheiben zerlegt (Slicing) und zeilenweise unter vorgegebenem Abstand und Winkel mit dem fokussierten Laserstrahl bearbeitet (Hatching). Bei der Bearbeitung von Stahlwerkstoffen beträgt die Abtragrate 0,05 mm³/min, die erzielbaren Oberflächengüten liegen in der Größenordnung von 0,2 µm. Schon jetzt können die Forscher hochgenaue Mikrobauteile mit kleinsten Geometriemerkmalen prozesssicher herstellen. Zukünftig konzentrieren sie ihre FuE-Arbeiten auf die automatisierte Mess datenauswertung und die simultane 5-Achs-Laserbearbeitung. Micromilling and Laser Material Removal in One Machine Tool A great variety of products in precision engineering, medical and biotechnology, as well as tool and mold making features microstructures with extremely high surface qualities. Combining 5-axes-micromilling with laser material removal in one machine tool represents an efficient alternative to standard manufacturing processes, and even facilitates machining of difficult to cut and non-conductive materials. Fraunhofer IPK together with five German SMEs has now developed such a highly dynamic machining center for complex micromanufacturing tasks. Dipl.-Ing. Jörg Eßmann Tel.: joerg.essmann@ipk.fraunhofer.de

8 8 Forschung und Entwicklung Werkzeugmaschinen ActiveClamp innovatives Spannsystem für Mikro- und Präzisionsbauteile Eine Möglichkeit, Fertigungsprozesse effizienter zu gestalten, ist die Reduzierung von Nebenzeiten in allen Prozessschritten. Eine schnelle und präzise Werkstückaufnahme in die Werkzeugmaschine ist somit eine Voraussetzung für eine wirtschaftliche Fertigung, gerade im Mikro- und Präzisionsbau. Forschungsingenieure am Fraunhofer IPK entwickeln deshalb aktive und automatisierte Spannsysteme zur Präzisions ausrichtung von Bauteilen in Werkzeugmaschinen für den Maschinen- und Anlagenbau. Das»Active Clamp«-Konzept funktioniert unabhängig von dem Maschinentyp, der Anzahl der Bewegungsachsen, dem Werkstückkoordinatensystem, der Maschinensteuerung und der Qualität der Spannflächen und bietet einen hohen Grad an Flexibilität und Effizienz während des Rüstprozesses. Darüber hinaus ist das Spannund Positionierkonzept skalierbar, so dass die erreichbare Genauigkeit sowie die maximale Winkelkompensation genau auf die jeweilige Anwendung angepasst werden kann. Es kann in unterschiedlichsten industriellen Anwendungen, z. B. in Messmaschinen, in Justage bauteilen optischer Systeme oder in der Medizintechnik eingesetzt werden. In der Fertigung von Mikro- und Präzisionsbauteilen, z. B. für Micro-Electro- Mechareifte Einzellösungen, jedoch wurde bisher Für diese Bereiche existieren jeweils ausgenical Systems (MEMS) mit Abmessungen von wenigen Millimetern, sind Problemfelder realisiert. noch keine durchgehende Lösung aller Fertigungsgenauig keiten im einstelligen Mikrometerbereich gefordert. In der Praxis Aus diesem Grund wird im Rahmen des werden solche hohen Genauigkeiten beim vom BMWi geförderten InnoNet-Projekts Werkstückspannen oft noch durch zeitaufwändiges manuelles Ausrichten realisiert. Spannsystemen zur aktiven und automa-»activeclamp«eine neue Generation von Dazu wird zunächst die Ist-Position des tisierten Kompensation von Winkelfehlern Werkstücks bestimmt; die Soll-Position bei der Positionierung von Präzisionsbauteilen in Werkzeugmaschinen entwickelt. Da- wird anschließend mit Hilfe eines Mikrometerblechs schrittweise erreicht. Die minimale Stärke des Mikroblechs von 5 µm gibt Zum einen die Konstruktion, Fertigung und bei stehen zwei Aspekte im Vordergrund: die Auflösung der Winkelkompensation der Aufbau einer kompakten Mechanikeinheit, zum anderen die Entwicklung und vor. Sind sehr hohe Genauigkeiten gefragt, kann dieser Vorgang bis zu eine Stunde der Aufbau der nötigen Elektronikkomponenten mit entsprechender Steuerungs- in Anspruch nehmen. Während in den Bereichen Verfahrens- und Maschinenentwicklung in den vergangenen Jahren große Maschinensteuerungen. Das Fraunhofer software zur Integration in bestehende Fortschritte erzielt wurden, besteht vor IPK arbeitet dabei eng mit dem Institut für allem in den peripheren Bereichen Spannen, Positionieren, Messen, Winkelfehler- der Universität Rostock sowie verschiede- Gerätesysteme und Schaltungstechnik (IGS) kompensation noch Handlungsbedarf. nen Industriepartnern zusammen. ActiveClamp-System ActiveClamp-Konzept Der automatisierte Ausgleich von Winkelfehlern mit dem ActiveClamp-System erfolgt in vier Schritten. Zunächst erfasst das maschinenintegrierte Messsystem der Werkzeugmaschine die Ist-Position des Werkstücks an drei Punkten und übergibt diese Daten an die Steuerung des Systems. Im nächsten Schritt vergleicht die Steuerung die Ist- und Soll-Position und berechnet die auszugleichende Differenz. Der Positionsunterschied wird dann mit Hilfe des geschlossenen Regelkreises aus Piezomotoren und kapazitiven Sensoren ausgeglichen. Die korrigierte Position wird von den Piezomotoren dauerhaft kraftschlüssig gehalten. Abschließend wird die Position vom Messsystem überprüft und das Werkstück zur Bearbeitung freigegeben. Design und technische Daten Der erste ActiveClamp-Prototyp ist genau an die Anforderungen der Mirkofertigung angepaßt. Er ist mit einer am IGS Rostock entwickelten Elektronik ausgestattet und seit Herbst 2010 am Fraunhofer IPK in Be trieb. Er hat einen Durchmesser von 230 mm und eine Höhe von 142,3 mm. Das Gesamtgewicht beträgt 10,4 kg. Die maximale Winkel kompensation beträgt ± 10 mrad

9 FUTUR 3/ Werkzeugspanner Arbeitsplatte Scheibenbalg Sensor-System Festkörpergelenk Aufbau des ActiveClamp-Systems (0,573 ) mit einer durch die verwendeten Sensoren bestimmten Winkelauflösung von 0,56. Zum Spannen der Werkstücke wurde zunächst das pneumatisch betriebene Spannsystem H der Firma Hirschmann eingesetzt. Für die Verkippung des Systems sind die Aktoren LEG BLOG1S-10 der schwedischen Tochter der Faulhaber GmbH, Piezo Motor, im Einsatz. Diese haben einen Hub von bis zu 20 mm bei einer Auflösung von wenigen Nano metern. Die Stellkraft sowie die Haltekraft der Aktoren betragen 300 N, welche durch Kontaktreibung übertragen werden. Durch den Aufbau der Versteller ist das Halten der Position auch ohne Motorarbeit möglich. Die Antriebsstange der Aktoren kann im Überlastfall nach unten gleiten, ohne dabei Bauteile des Aktors zu beschädigen. Um das System geregelt zu betreiben, ist ActiveClamp mit einem kapazitiven Capa NCDT 6300 CS 2 der Firma Micro- Epsilon ausgestattet. So kann der Messbereich von 2 mm statisch mit 2 Hz mit einer Auflösung von 20 nm erfasst werden. Die Ab tastrate kann auf bis zu 8 khz für dynamische Messungen erhöht werden. In diesem Fall kann mit einer Sensor signalauflösung von 200 nm gemessen werden, Aktoren Gehäuse Fixring Grundplatte so dass eine Winkelauflösung des Gesamtsystems von unter 1 erreicht wird. Angesichts der hohen Anforderungen an die Präzision können keine konventionellen Gelenke oder Führungen eingesetzt werden. Aus diesem Grund wurden Festkörpergelenke entwickelt, die genau für die Spezifikationen des Systems ausgelegt sind. Das Festkörpergelenk im Prototyp wurde aus der Aluminiumlegierung EN AW 7075 gefertigt. Neben den Materialeigenschaften sind die wichtigsten geometrischen Größen der Radius der Einkerbung, die Stegbreite an der dünnsten Stelle und die Steghöhe der Gelenkstelle. Das verwendete Gelenk wurde so ausgelegt, dass der maximale Kippwinkel mit einer 2,7-fachen Sicherheit realisiert werden kann, ohne eine plastische Verformung des Gelenks zu verursachen. Die Fraunhofer-Wissenschaftler haben bereits die elektromagnetische Verträglichkeit von ActiveClamp im Bearbeitungsraum einer Senkerodieranlage untersucht und die Schutzklasse IP68 nach DIN nachgewiesen. Zurzeit arbeiten sie an der Integration des Systems in eine Versuchsmaschine sowie an der weiteren Miniaturisierung von ActiveClamp. ActiveClamp Innovative Clamping System for Micro- and Precision Parts Reducing the non-productive time in all process steps is one option to enhance the efficiency of manufacturing processes. Non-productive times include e.g. clamping, measuring, positioning, and changing of tools and parts. Fast and precise positioning of workpieces within the machine tool is essential for cost-effective manufacturing, especially for micro- and precision parts. Research engineers at Fraunhofer IPK therefore have developed an automated high-precision clamping system to compensate angular errors in workpiece alignments.»active Clamp«is highly flexible and efficient during setup, operating independently of machine tool type, number of movement axes, workpiece coordinate system, machine control, and quality of clamping surfaces. Above this, the new clamping and positioning system is scalable to most diverse applications and can be used in measuring machines, adjustment parts in optical systems, or medical technology. Dipl.-Ing. Armin Löwenstein Tel.: armin.loewenstein@ipk.fraunhofer.de

10 10 Forschung und Entwicklung Hochpräzisionsfräsen Prozess-Struktur-Wechselwirkungen beim Mikrofräsen Der Einsatz von Mikro-Zerspanwerkzeugen aus Hartmetall für die Herstellung von kleinsten Strukturen ist neben der Flexibilität hinsichtlich erzeugbarer Geometrie und bearbeitbarer Werkstoffe durch eine oftmals unzureichende Prozessstabilität gekennzeichnet. Grund dafür sind unter anderem Wechselwirkungen zwischen den schwingungsfähigen Teilen der Werkzeugmaschine und den dyna mischen Kräften an den Werkzeugschneiden. Die unerwünschten Schwingungen an der Werkzeugspitze führen zu verringerten Standzeiten, unzureichender Bauteilqualität oder sogar zur frühzeitigen Zerstörung der Fräswerkzeuge. Im Rahmen des Schwerpunktprogramms SPP1180 der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) beschäftigen sich Wissenschaftler am IWF der TU Berlin mit der Beschreibung dieser Phänomene. Stabiler Prozess (links), instabile Prozesse (Mitte und rechts) Mikrofräsprozesse spielen vor allem für die Massenproduktion von Kunst stoffspritz guß teilen eine große Rolle, z. B. Mobil funkgeräten, Steckverbindungen, Implantaten aus dem Dentalbereich und Uhrenkomponenten. Für die Herstellung dieser Produkte aus gehärtetem Stahl, Kupfer, Messing, Graphit, Kunststoffen oder Gläsern werden meist Werkzeuge mit einem Durchmesser zwischen 0,05 mm und 1 mm und Spindeldrehzahlen von bis zu min -1 verwendet. Das Ziel aktueller Forschungsarbeiten am IWF ist, neben einem tieferen Verständnis des Prozessverhaltens beim Mikrofräsen, ein Prognosemodell für die Vorhersage von Prozess-Struktur-Wechselwirkungen zu entwickeln. Damit sollen zukünftig enge Toleranzen und eine bessere Oberflächenqualität bei der Herstellung von Mikrostrukturen erreicht werden. Darüber hinaus dient das Prognosemodell als Grundlage für weitreichende Richtlinien zur Gestaltung bzw. Konfiguration der Werkzeugmaschinenstruktur im Sinne einer Design- und Topologieoptimierung. Prozess analysieren Unerwünschte Schwingungen während eines Fräsprozesses treten aufgrund von Verlagerungen am Schneiden ein griffspunkt auf. Diese entstehen durch die dynamische Anregung der Werkzeugmaschine Quelle: WIELAND Dental + Technik beim unterbrochenen Schnitt. Die Verlagerungen beeinflussen die dynamische Spanungs dicke. Die dadurch veränderten Schnittbedingungen führen wiederum zu veränderten Schnittkräften, wodurch es zu selbster regten Schwingungen kommen kann. Diese haben eine charakteristische Welligkeit auf der Oberfläche des Werkstücks zur Folge. Bei stabilem Prozessverhalten lässt sich die durch die Werkzeugschneiden entstehende kinematische Rauheit erkennen. Bei instabilen Prozessen sind der Oberfläche Welligkeiten überlagert, die vom Schwingungsverhalten der Werkzeugmaschinenkomponenten abhängen. Um die Ursachen instabilen Prozessverhaltens zu analysieren, werten die Wissenschaftler das Schwingungs verhalten der Werkzeugmaschine mit Hilfe der experi mentellen Modalanalyse aus. Verhält sich ein Prozess instabil, kann das häufig auf die Maschinenspindel, das Werkzeugund Werkstück-Spannsystem, aber auch auf das Fräswerkzeug selbst zurückgeführt werden. Gedämpfte Spannsysteme sowie aktive Dämpfungssysteme finden aus diesem Grund immer mehr Einzug in die industrielle Praxis. Stabilität dokumentieren Zur Darstellung der Prozessstabilität werden vor allem in der Hochgeschwindigkeitsfräsbearbeitung (HSC) Stabilitäts-

11 FUTUR 3/ Experimentell ermittelte Stabilitätskarte für einen Mikrofräser d = 1 mm in Messing Probewerkstücke zur Beurteilung der Prozessstabilität beim Mikrofräsen karten, so genannte»stability Lobes Diagrams«, eingesetzt. Sie ermöglichen das Auffinden von stabilen und gleichzeitig wirtschaftlichen Prozessparametern. Auf diese Weise können für bestimmte Drehzahlbereiche wesentlich höhere Schnitttiefen und damit höhere Zeit spanvolumina eingestellt werden, ohne dass es zu unerwünschten Schwingungen kommt. So kann die Bearbeitungszeit wesentlich verkürzt und der Prozess wirtschaftlicher gestaltet werden. Stabilitätskarten können experimentell erstellt werden, indem möglichst viele Betriebspunkte auf ihre Prozessstabilität untersucht werden. Dieses Vorgehen ist aufgrund einer Vielzahl notwendiger Versuche sehr aufwändig und daher nur für kleine Drehzahlbereiche um den Arbeitspunkt der späteren Anwendung sinnvoll. Als Stabilitätskriterium dient die Auswertung von Signalen gemessener Zerspankräfte, Messungen von Körperschall (AE), herkömmlicher Schallmessung, aber auch anderer Messmethoden wie der dynamischen Fräserablenkung mittels Laservibrometrie oder kapazitiver Sensoren. Im Frequenzspektrum der Signale werden bei instabilen Prozessen Ratterfrequenzen sichtbar, anhand derer die Grenzschnittiefe ermittelt werden kann. Durch Verbinden der jeweiligen Grenzschnitttiefen wird der Stabilitätsrand bestimmt. In Experimenten erstellten die Ingenieure eine Stabilitätskarte für einen zweischneidigen Mikrofräser mit einem Durchmesser von 1 mm. Sie verzeichnete die höchste Stabilität in Drehzahlbereichen um min -1 und min -1. Hier können also, im Vergleich zum Stabilitäts minimum bei min -1, um bis zu 3-fach höhere Schnitttiefen eingestellt werden. Qualität vorhersagen Das komplexe Wechselwirkungs verhalten zwischen den Maschinenkomponenten und dem Fräsprozess beschreiben die Wissenschaftler in einem kombinierten Modell, in dem die dynamischen Zerspankräfte sowie die Dynamik der schwingungs fähigen Teile der Maschinen struktur abgebildet werden. Die Be rechnung der Stabilitätsgrenze kann damit sowohl im Zeit-, als auch im Frequenzbereich erfolgen. Dadurch sind Vorhersagen über die Prozess qualität möglich. Darüber hinaus steht in der Mikroproduktionstechnik neben der Bearbeitungsdauer vor allem die Bauteilqualität im Vordergrund. Untersuchungen an Probewerk stücken aus verschiedenen Materialien am IWF zeigen, dass durch die Ver meidung kritischer Arbeitspunkte die Ober flächen rauheit verringert sowie die Formgenauigkeit der Fräsergebnisse verbessert werden kann. Process Machine Interaction in Micromilling Nowadays, microstructured parts in sufficient quality concerning surface roughness and accuracy are only achievable by extensive efforts. The requirements on mechanical microcutting technologies are very high, especially in terms of process results. Main reasons are process machine interactions that lead to unstable cutting conditions. The dynamic process forces due to the discontinuous cutting conditions and the deviation of the tool center point (TCP) represent the most important parameters in this context. Scientists at IWF carry out basic research on Process Machine Interactions (PMI) in the field of micromilling. The project is funded by the German Research Foundation (DFG) within the priority program SPP1180. Dipl.-Ing. Frederik Mahr Tel.: mahr@iwf.tu-berlin.de

12 12 Forschung und Entwicklung Slow-Slide-Servo Ultrapräzisionszerspanung mit Slow-Slide-Servo Optische Systeme sind traditionell mit sphärischen und rota tionssymmetrischen, asphärischen Optiken ausgestattet. Für viele Anwendungen sind allerdings freigeformte Linsen oder Spiegel vorteilhaft. Zum einen werden Ab bildungsfehler reduziert, zum anderen können völlig neue optische Funktionen realisiert werden. Hierzu gehört z. B. die rechteckige Ausleuchtung von Bildern in Museen oder die Projektion von Schriftzügen mittels Laser. Eine Möglichkeit solche Freiformen herzustellen, ist die Ultrapräzisions zerspanung mit Slow-Slide-Servo. Projektion eines Firmenlogos mit Freiformlinse Spiegelndes Bauteil mit Relief von Professor Georg Schlesinger, Institutsgründer des IWF Ultrapräzisionsbearbeitung Die Ultrapräzisionsbearbeitung wird für die Endbearbeitung von Werkstücken eingesetzt. Die erreichbaren Ober flächen qualitäten entsprechen denen von Polierprozessen und sind für optische Anwendungen geeignet. Ein Vorteil der Ultrapräzisionsbearbeitung ist die hohe Geometriefreiheit. Neben rotationssymmetrischen Drehteilen können auch komplex geformte, nichtrotations symmetrische Geometrien die so genannten Freiformen bearbeitet werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit der Mikrostrukturierung von Oberflächen. Als Werkzeug wird monokristalliner Diamant verwendet, der neben seiner Härte aufgrund der Kristallstruktur die Herstellung von sehr scharfkantigen Schneidkanten mit Schneidkantenrundungen im Bereich von 20 nm bis 50 nm zulässt. Damit können alle traditionell mit Diamant zerspanbaren Materialien wie die Nichteisenmetalle Aluminium, Kupfer, Neusilber, Messing oder Nickel mit Phosphor anteil sowie verschiedene Kunststoffe, z. B. Acrylglas, aber auch Halbleiter bearbeitet werden. Hauptanwendungsgebiet ultra präzise gedrehter Bauteile sind optisch- funktionale Flächen und Bauteile mit hohen Anforderungen an die Form genauigkeit, die in der Optik, Messtechnik und Medizintechnik benötigt werden. Dazu gehören z. B. reflektierende Optiken und refraktive Linsen unterschiedlicher Form wie Sphären, Asphären, Para boloide oder Freiformen sowie Passflächen oder Führungselemente. Mit ultra präzise gefertigten Komponenten sind z. B. Head-up-Displays, Nachtsichtgeräte oder Beleuchtungssysteme ausgestattet. Da mit dem Verfahren hohe Kosten verbunden sind, werden hochwertige Optiken oder Passflächen hauptsächlich in der Einzel- und Prototypenfertigung hergestellt. Für die Massenherstellung von z. B. Kunst stoffoptiken im Werkzeug- und Formenbau eignen sich replikative Fertigungsverfahren wie Spritzguss, Heißprägen oder Blankpressen. Freiformfertigung mit Slow-Slide-Servo Während die reine Ultrapräzisionsdrehbearbeitung auf rotations symmetrische Bauteile wie sphärische Spiegel oder Linsen beschränkt ist, wird zur Erweiterung des Geometriespektrums auf nichtrotationssymmetrische Oberflächen u. a. das Ultrapräzisionsdrehen mit Slow-Slide- Servo eingesetzt. Dabei wird während der Drehung des Bauteils das Werkzeug entsprechend der vorgegebenen Kon-

13 FUTUR 3/ Ultrapräzisionsbearbeitung einer Freiformlinse Funktionsbeschreibung Modell Fertigung Funktion Ultraprecision Machining with Slow Slide Servo Prozesskette Freiformherstellung tur mit der Werkzeugachse variabel zugestellt. Die Bewegung wird über das Verfahren des gesamten Werkzeugschlittens realisiert. Hierbei kann eine maximale Oszillations frequenz von 70 Hz erreicht werden. Der Verfahrweg des Werkzeuges kann während einer Drehung des Werkstücks mehrere Millimeter betragen. Die Fertigung einer Freiformlinse ist aller dings nicht der erste Schritt in der Prozesskette zur Freiformherstellung. Der Weg zur Freiform beginnt bei der Festlegung der gewünschten Funktion durch den Optikdesigner. Für diese Funktion wird ein Abbildungsmodell erstellt, mit dem die Oberflächenbeschaffenheit der Linse berechnet wird. Die Linsenoberflächenbeschreibung wird über ein CAM-System in ein Slow-Slide-Servo- NC-Programm umgesetzt. Erst nach der Einrichtung der Maschine bzw. von Werkstück und Werkzeug kann die eigentliche Fertigung der Linse beginnen. Je nach Linsentyp dauert es bis zu mehreren Stunden, bis Techniker die fertige Freiformlinse in Händen halten und ihre Funktion überprüfen können. Am PTZ wird für die Drehbearbeitung im Slow-Slide-Servo-Modus ein 5-Achs- Ultrapräzisions bearbeitungssystem» Nanotech 350 FG«des US-amerikanischen Herstellers»Moore Nanotechnology Systems«genutzt. Die vom Optikdesigner erstellte Oberfläche wird mit Hilfe einer CAM-Software in ein maschinen lesbares NC-Programm importiert. Mit der Software wird auch analysiert, ob die Oberfläche wie geplant hergestellt werden kann. So kann geprüft werden, ob der eingegebene Werkzeugschneideneckenradius für die geforderte maximale Krümmung der Freiformoberfläche geeignet ist. Entsprechend der gewählten Bearbeitungsparameter, beispielsweise Vorschub oder Stützpunktabstand, und dem vorgegebenen Werkzeugschneiden radius werden anschließend der Werkzeugweg generiert und die NC-Programme für Schruppund Schlichtbearbeitung ausgegeben. Während früher die Berechnung der Linsenoberfläche der die Herstellungszeit bestimmende Faktor war, ist dies heute die Bearbeitungszeit auf der Ultra präzisionsmaschine. Durch Anpassung der Bearbeitungsparameter und weitere Maßnahmen ist eine Verkürzung der Bearbeitungszeit auf der Ultrapräzi sionsmaschine erreichbar. Die Forschungs arbeiten der Wissenschaftler am PTZ sind deshalb u. a. darauf ausgerichtet, dieses Einsparpotenzial zu nutzen. Traditionally, optical systems are built up with standard optics, i.e. spherical or aspherical lenses. Newly available are the so called freeform lenses or mirrors, which have the potential to realize new optical functions such as a square picture illumination in museums or the projection of logos and slogans with laser. In general, ultraprecision machining is well qualified to manufacture optical parts. With its expansion slow slide servo, ultraprecision turning is used to machine even non-rotationally symmetric surfaces. The process chain leads from the definition of the optical function of the lens via the computation of the suitable surface and the slow slide servo NC program to the actual machining and testing of the function. While the time for the computation of the surface has decreased lately, the bottle neck in freeform production with slow slide servo is the machining time. One of PTZ s research foci is to reduce this time. Dipl.-Ing. Martin Kurz Tel.: kurz@iwf.tu-berlin.de

14 14 Forschung und Entwicklung EDM Senkerodieren Grundlagenforschung und industrielle Anwendung Mikro- und Makroprodukte im Werkzeug- und Formenbau, in der Automobilzuliefertechnik und im Turbinenbau werden häufig senkerosiv bearbeitet.»electrical Discharge Machining (EDM)«, so die Bezeichnung des Fertigungsverfahrens, ist besonders für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe, z. B. von gehärtetem Stahl oder hochwarmfesten Legierungen, geeignet. Darüber hinaus kann das Verfahren auch bei elektrisch leitfähigen Materialien, unabhängig von deren mechanischen Werkstoffeigenschaften wie Härte und Elastizitätsmodul, eingesetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil von EDM-Prozessen ist die Möglichkeit der Herstellung von Konturen mit hoher geometri scher Komplexität, Formgenauigkeit und Oberflächenqualität. Aufgrund der quasi nicht vorhandenen Prozesskräfte bietet sich EDM speziell für die Herstellung von Mikrokomponenten an. Wissenschaftler am Fraunhofer IPK und IWF arbeiten derzeit an der Modifikation von EDM-Werkzeugmaschinen, der Optimierung von EDM-Prozessen und der Entwicklung neuer Elektrodenwerkstoffe. 6-Achs-Senkerodiermaschine zur Herstellung von Freiformflächen und großflächig mikrostrukturierten Bauteilen und Systemen (Quelle: Zimmer&Kreim) Enge Fertigungstoleranzen von 2 µm, eine geringe Oberflächenrauheit bis zu 0,05 µm und niedrige Prozesskräfte machen EDM vor allem für die Mikrobearbeitung von Mikroformwerkzeugen und Kühlluftbohrungen für Einspritzdüsen und Turbinenschaufeln attraktiv. Aber auch Spritzgussformen aus gehärteten Stählen für die Replikation von Mikrokunststoffbauteilen, wie z. B. Steckverbinder und mikrofluidische Systeme (Lab-on-a-Chip), werden mit dem Verfahren hergestellt. Nachteile dieses Fertigungsverfahrens sind die geringe Abtragrate, die thermische Beeinflussung der Bauteilrandzone und die problematische Abfallentsorgung. Hier setzen Forschung und Entwicklung am Fraunhofer IPK und IWF an. Ziel der Ingenieure ist vor allem, die erreichbare Abtragrate zu erhöhen und speziell im Mikrobereich den Elektrodenverschleiß drastisch zu reduzieren. Elektroden aus Diamant Aktuell konzentrieren sich die FuE-Arbeiten im Bereich der Mikrobearbeitung auf die Untersuchung und Anwendung diamantbasierter Elektrodenmaterialien für die Mikrosenkerosion. Herkömmliche Elektrodenmaterialien wie Wolfram-Kupfer und Hartmetall verschleißen schnell. Da mehr als 30 Prozent relativer Verschleiß bei der Mikrobearbeitung auftritt, müssen die Elektroden bereits nach kurzer Zeit ausgewechselt werden, da sonst die Form genauigkeit der Mikrobauteile abnimmt. Diamant hingegen besitzt einen hohen Schmelzpunkt und eine höhere Wärme leitfähigkeit als bisherige Elektroden materialien und ist deshalb für die Anwendung als Elektrodenwerkstoff prädestiniert. Erfolgreich getestet wurde bereits der Einsatz von Bor-dotiertem CVD-Diamant und von PKD-Diamant, infiltriert mit Kobalt, für die Mikrofunken-

15 FUTUR 3/ Triebwerk GP7000 für den Airbus A380 (Quelle: MTU Aero Engines GmbH) erosion. Dabei konnte sowohl der relative Verschleiß der Elektroden um mehr als 50 Prozent, als auch die Bearbeitungszeit um rund 12 Prozent reduziert werden. Gegenwärtig erforschen die Wissenschaftler die Anwendung dieser Elektroden in der Herstellung von Mikrobohrungen für Einspritzdüsen. Feinste Oberflächen für Abformwerkzeuge Gemeinsam mit Zimmer&Kreim, einem Hersteller von Erodiermaschinen, Handlingsystemen und Software, arbeiten Fraunhofer IPK und IWF an der Optimierung des Senk-EDM-Prozesses zur Herstellung von Abformwerkzeugen. Diese Abformwerkzeuge werden sowohl im Mikro- als auch im Makrobereich für die Replikation mikrostrukturierter Kunststoffbauteile und zur Herstellung verschiedener Mikro- und Makrobauteile aus Kunststoff eingesetzt. Ziel der Kooperation ist die Verbesserung der erreichbaren Oberflächengüten bei der senkerosiven Bearbeitung von Kunststoffformenstahl und Hartmetall. Dafür werden Elektroden aus Elektrolyt-Kupfer und Wolfram-Kupfer verwendet. Die Geometrie der Elektroden wird in verschiedenen Testreihen variiert, um reproduzierbare, feinere Oberflächengüten zu erzielen. Die technologischen Untersuchungen werden auf einer»genius 1000 THE CUBE«durchgeführt. Die Maschine ist mit einer 6-Achs-Simultan-Steuerung ausgestattet und zeichnet sich durch eine hohe Steifigkeit und Präzision aus. Damit ist sie speziell für die Bearbeitung von komplexen Freiformflächen geeignet, wie sie z. B. auch bei der Herstellung von Turbinenkomponenten aus hochwarmfesten Werkstoffen benötigt werden. Dichtschlitze in hochwarmfesten Triebwerkskomponenten Die Optimierung der EDM-Bearbeitung von Turbinenbauteilen ist Gegenstand eines FuE-Projekts von Fraunhofer IPK und MTU Aero Engines. Das Teilespektrum des Triebwerksherstellers umfasst unter anderem Leit- und Laufschaufeln sowie so genannte Turbine Center Frames (TCF). Diese Module fungieren als Strömungskanal zwischen Hochdruck- und Niederdruckturbine. Sie leiten die Gase aus der Hochdruckturbine an Strukturbauteilen und Leitungen vorbei in Richtung Niederdruckturbine. Entwicklung und Fertigung dieser Zwischeng ehäuse sind aufgrund hoher mechanischer und thermischer Belastungen sowie des geforderten geringen Gewichts äußerst komplex. Die Wissenschaftler untersuchen derzeit neue Elektrodenmaterialien und testen Werkzeugmaschinenmodifikationen für die EDM-Bearbeitung von TCF-Bau teilen aus den Nickelbasislegierungen MAR M247 und Inconel 718. Beispielsweise arbeiten sie an der Optimierung des Senkens von Dichtschlitzen bei der Fertigung von Komponenten für das Triebwerk GP7000 des Airbus A380. Dabei sollen vor allem die Bearbeitungsdauer und der relative Verschleiß der Elektroden reduziert werden. EDM for Microcomponents Electrical-discharge machining (EDM) is a manufacturing technology which is applied mainly in the fabrication of dies and molds in micro- and macrofields, in the manufacture of microboreholes for fuel injectors and cooling boreholes in turbine blades, as well as in the machining of seal slots in turbine components. All these components are made of hard-to-machine materials, like hardened steels and high temperature resistant alloys. The main advantage of the EDM process is the possibility of machining all electrical conductive materials, independent of mechanical material properties like hardness and E-module. Moreover, EDM provides high geometrical complexity, high form accuracy, and high surface quality. Finally, this technology can also be used for producing microcomponents because of the nearly non-existing machining forces. Research scientists at Fraunhofer IPK and IWF work on the modification and construction of machine tools for EDM, the development and optimization of processes, and the development and testing of new electrode materials. M. Sc. David Carlos Domingos Tel.: david.carlos.domingos@ipk.fraunhofer.de

16 16 Forschung und Entwicklung Messtechnik Mikromessen am PTZ Die Mikrotechnik umfasst alle Verfahren, die sich mit der Herstellung von Strukturen und Teilen befassen, die kleiner als ein Millimeter sind, bis hin zu einer Größe von 100 nm. Dazu gehören z. B. Hochpräzisionsfräsen mit Werkzeugen von bis zu 0,1 mm Durchmesser, Funkenerosion, Laser- sowie Ultrapräzisionsbearbeitung und auch Spritzguss. An die Messtechnik werden in der Mikrotechnik hohe Anforderungen in Bezug auf Messgenauigkeit und universelle Einsatzmöglichkeit gestellt. Darüber hinaus muss sie den stetig steigenden Anforderungen schnell angepasst werden können und dabei einfach bedienbar und flexibel einsetzbar sein. Dies gilt insbesondere für die automatische Auswertung bei steigenden Taktzeiten sowie bei der Integration in bestehende Systeme. Mit modernster Technik erarbeiten die Wissenschaftler am PTZ hierfür innovative Lösungen. 300 µm SSP-Taster am Mikro-Koordinatenmessgerät der Fa. Zeiss F25 Aktuelle Trends Die Messtechnik in diesem Bereich ist durch eine Reihe von Innovationen geprägt. Die Auflösung der meisten Messverfahren lag noch vor wenigen Jahren außerhalb der heutigen Fertigungsmöglichkeiten. Der Trend geht dabei immer mehr von der mechanischen Abtastung über optische oder kombinierte Verfahren mit Multi-Sensor-Geräten bis hin zu High- End-Technologien wie der Computertomographie für metallische Bauteile. Im Allgemeinen kann man eine stetige Minia turisierung der Mechanik von Geräten, z. B. bei Tasteinrichtungen oder Mikrospiegeln und -prismen, beobach ten. Die kleinsten mechanischen Taster erreichen heute Größenordnungen von 120 µm bei starren Ausführungen, bis zu 20 µm für flexible Fasertaster und bieten bei einem großen vertikalen Messbereich Messunsicherheiten im Submikrometerbereich. Berührungslose Messverfahren haben dabei immer mehr an Bedeutung gewonnen. Es sind vielfältige Bemühungen erkennbar, die Grenzen der Geometrie bei Lichtumlenkung und Reflexionswinkeln und damit die Nachteile der optischen Verfahren zu minimieren. Am deutlichsten ist dies in der berührungslosen Messung von Oberflächenkenngrößen zu sehen, die eine Gleichstellung mit der traditionellen Messung mit Diamanttastern und damit die Aufnahme in eine Norm anstrebt. Zu den wichtigsten Vertretern optischer Messtechnik gehören Autofokusver fahren, Streifenlichtverfahren, Interferometer, Streulichtverfahren und Speckle-Kontrast bzw. Speckle-Korrelation. Diese bieten mittlerweile Auflösungen und Messunsicherheiten im einstelligen Nanometer-Bereich. Eine der wichtigsten Anforderungen ist die produktionsintegrierte und automatisierte Messtechnik. Die relevanten Daten müssen schnell und trotzdem genau erfasst und ausgewertet werden. Eine Messung kann im Idealfall Informationen über Form und Lage, Rauheit und Topologie sowie Verschleiß-, Defekt- und Deformationserscheinungen enthalten. Auf Grund der Vielzahl der Informationen entstehen Datenmengen, welche nicht selten Größenordnungen von mehreren Gigabyte annehmen. Deren Weitergabe und schnelle Verarbeitung stellt ein ständiges Problem dar. Neben der technischen Seite der Mikromesstechnik besitzt die Standardisierung der Messgrößen und -prozesse eine große Bedeutung. Die feinste Toleranzklasse der Allgemeintoleranzen für Längen- und Win-

17 FUTUR 3/ Konturenmessung mit HOMMEL-ETAMIC nanoscan 855 (Quelle: Jenoptic) kelmaße nach DIN ISO schreibt eine zulässige Abweichung von ± 0,05 mm, also 50 µm, für den Nennmaßbereich von 0,5 mm bis 3 mm vor. Diese liegt für die meisten Mikrobauteile innerhalb der Struktur- und sogar Bauteilgrenzen. Eine genaue und wiederholbare Fertigung ist mit diesen Standards nicht möglich. Um die Allgemeintoleranzen auf den Mikrobereich auszuweiten, ist eine Anpassung der bestehenden Normung nötig. Diese sollte den steigenden Anforderungen der Mikrotechnik gerecht werden. Dafür müssen z. B. zusätzlich dimensionelle Normale zur einfachen Verifikation und Kalibrierung von Fertigungs- und Messeinrichtungen geschaffen werden. Das Fraunhofer IPK ist hier in mehreren Arbeitsgruppen zur Normung im Bereich der Mikrofertigungsverfahren aktiv. Ausstattung am PTZ Das Produktionstechnische Zentrum Berlin verfügt über eine breite Basis von Messgeräten für die Mikrotechnik. Dazu gehören taktile Messgeräte wie die 3-D- Koordinatenmessmaschine»Zeiss F25«für den Nanometerbereich mit Multisensorik und eines der neuesten kombinierten Rauheits- und Konturmessgeräte der Firma Jenoptik. Das»nanoscan 855«ermöglicht die hochpräzise, gleichzeitige Messung von Rauheits- und Konturmerkmalen mit Auflösungen bis zu 0,6 nm. Zu den taktilen Geräten zählt auch das Rasterkraftmikroskop»N8 NEOS«der Firma Bruker, das in Kombination eines optischen Mikroskops mit Rasterkraftmikroskopie (AFM/SPM) atomare Auflösung erreicht und zur Analyse und Qualifika tion von mikrostrukturierten Oberflächen eingesetzt wird. Weitere Möglichkeiten bieten optische Messgeräte wie das Konfokale Laserscanning-Mikroskop von Zeiss oder ein Zygo Weißlicht interferometer. Beide Systeme gestatten das berührungslose Messen der Topografie von Werkstücken mit hoher räumlicher Tiefenauflösung. Zur Charakterisierung von Schneidkanten von Werkzeugen oder kritischen Strukturen wird das»infinitefocus System G4«der Firma ALICONA eingesetzt, das auf dem technologischen Prinzip der Fokus-Variation beruht. Als Universalgerät zur Vermessung und Oberflächencharakterisierung wird in unserem Haus im Bereich Mikrotechnik ein NeoScope»JCM-5000«Rasterelektronenmikroskop von Nikon verwendet. Das NeoScope ist ein sehr kompaktes und leistungsstarkes Tisch-REM mit Vergrößerungen bis zu , das die Vorzüge optischer Mikroskope und traditioneller Rasterelektronenmikroskope vereint und für metallische und nicht-metallische Proben gleichermaßen geeignet ist. Alle Messgeräte werden im PTZ bei einem Großteil der Forschungsprojekte zur Sicherung qualifizierter und verifizierbarer Ergebnisse eingesetzt und sind deshalb ein unverzichtbarer Baustein bei der Erweiterung des Geschäftsfeldes im neuen Anwendungszentrum Mikroproduktionstechnik. Micromeasuring at PTZ Structures and parts smaller than 1 mm are considered microtechnological products. Their measures can be as little as 100 nm. Tiny objects like these are usually produced by milling with tool diameters down to 0.1 mm, electrical discharge machining, laser and ultraprecision machining, as well as die casting. Guaranteed precision can only be achieved with reliable measur ing techniques especially developed and probed with regard to microtechnology. Such systems need to be flexible, simple to use and upgradeable considering the rapid development of this specific field. Also, they should be capable of being integrated in already existing systems to keep implementation costs low. Researchers at the Production Technology Center develop new solutions for exact measuring of objects, no matter how small. Dipl.-Ing. Marcel Oertel Tel.: marcel.oertel@ipk.fhg.de

18 18 Forschung und Entwicklung INEOS Alles muss rein Bauraumoptimierung in der Mikroelektronik Der Trend zur Miniaturisierung mikroelektronischer Schaltungen und Systeme hält unvermindert an. Der Grund dafür ist die Forderung nach immer mehr Funktionalität der Systeme auf gleichbleibend kleinem Bauraum. Allerdings wird der Bauraum dabei in der Regel lediglich als zweidimensionale Fläche betrachtet, so dass neben der Miniaturisierung sämtlicher Systemkomponenten auch Potenzial im Hinblick auf das Bauraumvolumen besteht. Hier setzt die Entwicklung von»2,5-d-systems-in-package«(sip) an. Damit ist die kompakte Anordnung mikroelektronischer Bauteile gemeint, bei der auch die Höhe des Raumes genutzt wird. Ein Konsortium der Fraunhofer- Institute IZM, ITWM und IPK arbeitet an einem Software-Tool, das den optimalen Aufbau eines solchen Systems bei kleinstmöglichem Bauraum ermittelt. Systems-in-Package (SiP) beschreibt ein kompaktes, intelligentes Mikrosystem aus Sensoren, Schaltkreisen, Speichern, etc., das von einem Gehäuse begrenzt wird. Der Bauraum ist ein entscheidender Parameter bei der SiP-Planung und hängt vom jeweiligen Einsatzzweck ab. Generell gilt es, ein komplexes System auf kleinstem Raum unterzubringen und als Komplettlösung zu vertreiben. Sofwarebaustein für SiP Ein SiP vereint hoch integriert alle Systemkomponenten bei geringstem Flächenbedarf. Eingesetzt werden sie dort, wo reine Siliziumtechnologie durch verschiedene Bauelementeklassen wie Sensoren, Antennen und Chips ersetzt werden muss, um die gewünschte Funktion zu erreichen. Das ist ewa in der Telekommunikation bei Mobiltelefonen der Fall. Auch in der Fahrzeugindustrie und im Maschinenbau besteht großes Interesse an SiP. Mit den Lösungen des Fraunhofer-Projekts»INEOS Integrierte Entwurfsoptimierung von 2,5-D-SiP«können solche Systeme durch Software- Unterstützung die Marktan sprüche an Entwicklungsgeschwindigkeiten erfüllen. Das Fraunhofer IPK übernimmt dabei die vergleichende Betrachtung des Produktionsaufwandes für verschiedene Um setzungsvarianten ein und desselben Systems. Die Abschätzung des Produktions aufwandes zur Herstellung eines SiP unterliegt strengen Vorgaben. Die größte Herausforderung ist dabei die zeitliche Komponente. Innerhalb einer Millisekunde soll das Tool den voraussichtlichen Aufwand berechnen und Daten generieren, die mit denen anderer potenzieller System varianten verglichen werden können. Außerdem müssen die unterschiedlichen Substrattypen und die sich daraus er gebenden technologischen Randbedingungen berücksichtigt werden. Substrate sind die physischen Grundlagen, auf denen elektronische Schaltungen aufgebaut werden. Für klassische Leiterplatten als starre Substrate, flexible Materialien und Kombinationen aus beidem ergeben sich jeweils andere Folgen für die Aufbau möglichkeiten. Zur Umsetzung dieser Anforderungen wurden die Herstellungsprozesse von SiP umfassend analysiert und in einen Softwarebaustein umgesetzt. Dieser ermöglicht es dem Anwender, potenzielle Prozessketten zu gestalten und diese für die vergleichende Berechnung des Herstellungsaufwandes zu verwenden. Der Softwarebaustein berücksichtigt die Auch ein komplexes System auf kleinstem Raum: New York City

19 FUTUR 3/ Benutzerschnittstelle Aufwandswert-Diagramm Schaltungs daten, den Herstellungsprozess sowie die unterschiedlichen Platzierungsvarianten der Systemkomponenten im Bauraum. Er besteht aus einer Benutzerschnittstelle, einer umfangreichen Res sourcen datenbank sowie einem Berechnungstool. Mit Hilfe der Benutzerschnittstelle ist der Nutzer in der Lage, potenzielle Prozessketten schnell selbst zu entwerfen. Schnell berechnet, gut verglichen Ausgangspunkt sind die Prozesse zur Herstellung von elektronischen Flachbaugruppen. Diese Prozesse sind etabliert, vielfältig dokumentiert und zum großen Teil standardisiert. Allerdings bestehen deut liche Fertigungsunterschiede, etwa zwischen der hoch automatisierten Produktion von Massenbauteilen und der zum Teil von Handarbeit geprägten Produktion von Einzelteilen und kleinen Serien. Der verfolgte Lösungsansatz ist, die Anzahl der notwendigen Prozesssegmente für die Darstellung der Prozessketten so weit wie möglich zu reduzieren. Dadurch können Prozessketten rudimentär und doch aussagefähig abgebildet werden. Gleichzeitig wird mit diesem Verfahren Rechenzeit gespart. Neben den Prozesssegmenten werden in der Benutzerschnittstelle die Ressourcen festgelegt, die für den Prozess eingesetzt werden können. Hier ist es möglich, die unterschiedlichen Substrattypen für SiP sequenziell auszuwerten. Die Berücksichtigung der jeweiligen Ressource erfolgt abhängig vom Vorgabewert des Schaltungsentwurfs, der mit der Bauelementeliste übergeben wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, die Ressourcen mit unternehmensspezifischen Parametern zu versehen und damit die Realitätstreue der Aussage zu erhöhen. Anschließend wird der Datensatz, der die Prozesse beschreibt, in einer Datei abgelegt, die an das Hauptwerkzeug übergeben wird. Hier werden Platzierungsvorschläge von SiP für das jeweilige schaltungstechnische Layout generiert. Unter Berücksichtigung technologischer Restriktionen wird für jeden Platzierungsvorschlag ein Aufwandswert berechnet und als Vergleichswert für den Produktionsaufwand eines SiP gespeichert. Anhand eines Ergebnis diagramms kann der Technologe die Aufwandswerte unkompliziert auswerten und die effizienteste Variante bestimmen. Universell einsetzbar Das am Fraunhofer IPK entwickelte Software-Tool bietet Vorteile, die für die Abschätzung des Herstellungsauf wandes unterschiedlicher Produkte genutzt werden können. Durch den einfachen Aufbau der Ressourcendatenbank können Fertigungseinrichtungen systematisch klassifiziert und parametrisiert werden. Die Reduzierung von Prozessen auf ihre wertschöpfenden Anteile bietet die Möglichkeit eines objektiven Aufwandsvergleichs. Die schnelle Aufwandsberechnung wird durch die einfache Verknüpfung von Ressourcendaten und Produktdaten erreicht. Damit steht ein universell einsetzbares Werkzeug für das Entwurfsstadium von Produkten zur Verfügung. Optimized Configuration of Systems-in-Packages More functions, less space this is a major trend in production engineering. The technology of Systems-in-Packages (SiP) has cleared the path to intelligent compact microsystems that make use of a threedimensional installation space where so far only two dimensions have been considered. Three Fraunhofer Institutes are currently developing a software-tool which analyses all possible configuration variations of a certain SiP and thereby helps developers to find the ultimate space-saving solution for their product. Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt Tel.: dirk.oberschmidt@ipk.fhg.de

20 20 Forschung und Entwicklung PrE-BioTec Zellfreie Biotechnologie»Produktionstechnik für zellfreie Biotechnologie«, kurz»pre-biotec«, ist der Titel eines noch jungen Projekts am Fraunhofer IPK und der TU Berlin, das die klassischen Ingenieurwissenschaften enger mit der Biotechnologie verzahnen will. Ziel des mit vier Millionen Euro vom BMBF geförderten Vorhabens ist es, neue Produktionsverfahren für zellfreie Biotechnologien zu entwickeln. Damit sollen vor allem neue Anwendungen für Verfahren, die mit einzelnen biologischen Komponenten im Gegensatz zu ganzen lebenden Organismen oder Zellen arbeiten, erschlossen werden. So erforschen aktuell vier Nachwuchswissenschaftler verschiedener Disziplinen, wie z. B. die Herstellungskosten für im Labor erzeugte Proteine minimiert und deren Ausbeute maximiert werden kann. In der modernen industriellen Biotechnologie wird die metabolische Vielfalt ren beruhen auf der Kultivierung und Mengen produziert. Alle diese Verfah- und Produktivität von Mikroorganismen Versorgung ganzer Zellen. Dies hat zur genutzt, um verschiedenste Produkte, Folge, dass ein großer Teil der eingesetzten Substrate und Energien für den zum Beispiel Zitronensäure oder Enzyme (Pro teine) für die Waschmittel-, Nahrungsmittel- und Kosmetikindustrie, in großen Das eigentlich gewünschte Produkt ist zellulären Metabolismus benötigt werden. Mengen herzustellen. In der medizinischen Biotechnologie werden häufig geringer Ausbeute. Darüber hinaus ist es dann häufig nur ein Nebenprodukt mit aus tierischen Zellen therapeutische manchmal nicht möglich ein bestimmtes und hochwertigere Proteine in kleineren Protein zu produzieren, weil geeignete Wachstumsverlauf und Keimdichten eines Kühlschmierstoffs (KSS) Laboraufbau eines SPR-Biosensors Produktions organismen aufgrund fehlender biologischer bzw. biochemischer Voraus setzungen nicht zur Verfügung stehen. Innovative Messtechnik Eine der jüngsten Entwicklungen, die die Nachwuchsforscher aufgreifen, ist die Produktion von Biomolekülen in zellfreien Systemen. Damit wollen sie zum Programm»Biotechnologie 2020+«des BMBF beitragen, das gemeinsam mit den großen deutschen Forschungseinrichtungen eine Vision für die Biotechnologie der nächsten 10 bis 20 Jahre formulieren und umsetzen will. Dabei wurden die synthetische Biologie und die zellfreie Biotechnologie als wichtigste neue Forschungsgebiete identifiziert. Im Gegensatz zur grundlagenorientierten synthetischen Biologie konzentrieren sich die FuE-Arbeiten in der zellfreien Biotechnologie auf Prozesslösungen und Verfahren, die sich am industriellen Bedarf orientieren und anwenderbezogen sind. Im Hinblick auf die Vision der zellfreien Biotechnologie sollen die interdisziplinären Kompetenzen und Sichtweisen genutzt werden, um Sensoren und Messsysteme zu entwickeln bzw. vorhandene Gerätetechnologie zu optimieren. Oft haben die bisherigen Technologien ein großes Miniaturisierungs- und Automatisierungspotenzial. Bislang kostenintensive Analytik könnte nach Optimierung einem breiten Anwenderfeld zur Verfügung gestellt werden. Das Kosten senkungs potenzial ergibt sich aus geringeren Herstellungskosten durch die Anwendung neuer Fertigungsverfahren.