3D-Mikrostrukturierung = Fertigung im Grenzbereich des Machbaren =

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1 3D-Mikrostrukturierung = Fertigung im Grenzbereich des Machbaren = Agenda 1. Überblick Feinwerktechnik am IMM 2. Fräs-, Erodier-und UP-Bearbeitung 3. Applikationen sowie Ausblick Dipl.- Ing. Frank Neumann Abteilungsleiter Feinwerktechnik neumann@imm-mainz.de IMM, 2012

2 1. Überblick über die Technologien der Feinwerktechnik am IMM Mikrobearbeitungstechnologien CNC-Fräsen CNC-Drehen Erodieren Ultrapräzision 3D-Fräsen Senk-EDM UP-Drehen UP-Fräsen 2D-Fräsen konventionell Draht-EDM IMM, 2012

3 1. Überblick Abteilung Feinwerktechnik IMM zentraler Anlaufpunkt für EDM-Fertigungstechnologien im EDM-Kompetenzzentrum IMM (ab 09/2007) Maschinenhersteller, Zusatzgerätehersteller in Kooperation mit IMM wie: Mitsubishi Hirschmann ITS-Technologie etc. IMM Forschungs- und Entwicklungsinstitut Gründung im Dezember 1990 vom Wirtschaftsministerium des Landes Rheinland-Pfalz als gemeinnützige GmbH seit 1991 mehr als 2000 Projekte erfolgreich bearbeitet heute ca. 120 Mitarbeiter mit großem akademischen Hintergrund und breit gefächertem Know how sowie ca. 30 Praktikanten, Diplomanden etc. unser Jahresumsatz beträgt ca. 12 Mio., je 1/3 von RLP, öffentliche Projekte und Industrieentwicklungen Anwender: PTB Messtechnikhersteller Werkzeug- und Formenbauer Medizingerätehersteller Textilwirtschaft Telekommunikation etc. IMM,

4 1. Kooperationspartner - Abteilung Feinwerktechnik Maschinen, Anwendung Maschinenhersteller Bearbeitungs- Technologie IMM,

5 2. Was bedeutet EDM? Grundprinzip Funkenerosion = electro discharge machining (EDM) Hochfrequente Entladevorgänge örtliches Schmelzen der Metalloberfläche am Werkstück entfernen der gelösten Metallpartikel durch die Dielektrikumflüssigkeit (Wasser, Öl, Emulsion) Generator Elektrode Werkstück Dielektrikum Materialabtrag Anforderungen an die Mikrofunkenerosion Wirtschaftlichkeit der Bearbeitung Oberflächenqualität am Werkstück Form-, Kontur- und Positionsgenauigkeit keine Beeinflussung der Materialeigenschaften minimaler Werkzeugverschleiß Optimierung der Prozesseinflussfaktoren Vorteile alle elektrisch leitenden Materialien vernachlässigbare kleine Kräfte unabhängig von den mechanischen Eigenschaften der Werkstückmaterialien 3D Strukturen IMM,

6 2. Was bedeutet EDM? Elektrodenherstellung im Mikrobereich Grundprinzip 1 Grundprinzip 2 Hartmetallblock Elektrode ablaufender Draht Elektrode polygone Elektrode zylindrische Elektrode IMM,

7 2. Was bedeutet EDM im Vergleich zum Fräsen? Applikation: Mikro Fräsen Raupenmischer Mikro-Kanalstruktur Material PMMA Kanalbreite: 0,1x0,1 Abstandsmaß: 0,15 mm Fräser: Ø 0,1mm Kanallänge: 50 mm Material : Kugelfräser: Ø 0,4 mm Strukturtiefe: 1,0 mm IMM,

8 2. Was bedeutet EDM im Vergleich zur Ultrapräzisionsbearbeitung? Ultrapräzisionsbearbeitung Technologie: Strukturierung mit geometrisch bestimmter Werkzeugschneide (Drehen, Fräsen, etc.) oder mit geometrisch unbestimmter Schneide (Schleifen, etc.) Materialien: Nichteisenmetalle, Polymere Anforderungen an Rautiefe und Präzision: Produkte Rautiefe: Formfehler: R < 10 nm a < 0,1 µm/100 mm IMM,

9 2. Was bedeutet EDM? Prozeßtoleranzen der mechanischen Mikrobearbeitung 3D-Fräsen Senk-EDM Draht-EDM Ultra Präzision Formabweichung [µm] ± 2,5 ± 2 ± 1 ± 0,02 Oberflächenqualität [µm] 1,0 0,2 0,03 0,01 kleinste Strukturgröße [µm] ,5 min. Innenradius [µm] 50 <10 ca. 15 ca. 0,05 Bohrungsdurchmesser [µm] Aspektverhälnis ca Diese Angaben sind abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff sowie der zu erzeugenden Werkstückgeometrie und können in Einzelfällen abweichen! Funkenerosion = electro discharge machining (EDM) IMM,

10 3. Beispiele für 3D-Bearbeitung Senk-EDM : Formeinsätze und µ-einspritzdüse Formeinsatz für Mikrospritzguss Prozeß: Senk-EDM EDM Bohren µ-einspritzdüse Prozeß: EDM Drehen und Bohren Verteilerstruktur für mikrospritzguss Prozeß: Senkerodieren IMM,

11 3. Beispiele für 3D-Bearbeitung - Senk-EDM : Mikro Lüftersystem Antrieb: Mikromotor 1,9 mm Drehzahl ca rpm mit montiertem Ventilator Scale Down Modell 1/20 Abmessungen: Kantenlänge 6 mm Luftspalt Gehäuse-Ventilator: 25 µm Dicke: Flügel-Austrittskante: 15 µm Kooperation mit Universität Limerick, Irland IMM,

12 3. Beispiele für 3D-Mikrobearbeitung MITSUBISHI Drahterodiermaschine PA20 Ergebnisse schon in wenigen Tagen nach Installation erzielbar! Kardangelenk Rohmaterial Ø 1mm Abmessung <0,7mm IMM, 2012 Spitze mit mikrostrukturiertem Schaft Rohmaterial Ø 1mm 12

13 3. Beispiele für 3D-Mikrobearbeitung Kardangelenk Rohmaterial Ø 0,5mm Abmessung <0,3mm MITSUBISHI Drahterodiermaschine PA20 Serienvorbereitung Schaft mit 9 x 9 Kardangelenkhälften Serienvorbereitung Montage direkt auf Schaft möglich, nach Abtrennen der fertigen Kardangelenke keine Nacharbeit mehr nötig!!!! IMM,

14 3. Zusatzachsen für Mikrobearbeitung Rundteiltisch Indexier- u. Rotierachse Rotierspindel ITS-MA2-100 ITS-MA2-i-115 ITS-MS-24-Micro-Spindel H160R.NC H80R.MAC H80R.MAC MITSUBISHI Drahterodiermaschine PA20, FA20 MITSUBISHI Senkerodiermaschinen EA12, EA8 Möglichkeit - Einbindung zusätzlicher Achsen IMM,

15 3. erosives Drehen auf einer Drahterodiermaschine Beispiele Drahterodieren: Erosives Drehen IMM,

16 3. Bearbeitungsbeispiele Mikrobohrungen durch Draht- EDM Mikro Düse Ø 70µm Toleranz: 1µm Rundheit: 1µm kombinierter Prozess: Laser ( Startbohrung) Draht-EDM ( Kalibrierung) Mikro Düse Ø 60µm Toleranz: 1µm Rundheit: 1µm Rauheit der Bohrungswand Ra: nm IMM,

17 Ø 50 µm 3. erosives Drehen Ø 600 µm Beispiele Drahterodieren: Erosives Drehen Elektrode: Material Kupfer Werkstück: Hartmetall Prozess: Senkerodiert Tastspitze Material: Hartmetall Schaftdurchmesser: 0,1mm Kugeldurchmesser: 0,25mm Zapfendurchmesser: 0,01mm Zapfenlänge: 0,1mm Mikro-Senkelektroden für Mikroformenbau Ø 2 µm Punktionsnadelspitze Ø 0,65 mm Material: Edelstahl Länge: 2,34mm Zyl. Schaft: Ø 0,3mm IMM, 2012 Ø 0,3mm Mikro-Umlenkrollen 17 für Textiltechnik

18 3. Messtechnik Ergebnisse und Möglichkeiten F25 Messen im Nanometerbereich Werth ProbeCheck das Koordinatenmessgerät für höchste Genauigkeitsansprüche Mahr Vision Multisensor Koordinatenmesstechnik Metrotomographie Werth TomoScope Mahr Vision optische Koordinatenmesstechnik IMM,

19 3. Messtechnik Entwicklung zum Produkt Entwicklung in Zusammenarbeit mit der PTB (Physikalisch Technische Bundesanstalt): Ergebnisse der Messungen und Tests von der PTB! Die Unsicherheiten betragen für Abstände: auf einer Fläche 0,8µm durch das Material 1,0µm aller Radien 0.8µm Mikro-Strukturen mit Toleranz von ± 1µm und Rauheiten von Ra 0,2 Einstell-Normal, für den CT-Bereich bei Computer-Tomographen Weltweit erste Serie in 05/2008 ausgeliefert! Herstellung am IMM mit Prüfprotokoll von Fa. Feinmess IMM,

20 3. Verschiebung der Prozeßtoleranz für Nano-Mikro-Bearbeitung Werkstück: Hartmetall, Draht-Ø 0,15mm Bauteilhöhe 30mm, 45 -Schräge - erodiert nm Drahterosion seit 2008 am IMM einzigartig! Dieses Ergebnis hat bisher keiner für möglich gehalten! 1.4µm nm Messergebnis: Ra = 16 nm Rq = 22 nm Z[nm] Number of events IMM, 2012 X[µm] Topography [nm]

21 Ausblick Kombinationsbearbeitung, Entwicklung Evaluierung über BMBF-Projekt MST-EXPERT (Beendet 06/11 mit Studie) CNC-Drehen Medizin, etc. Hartfräsen HSC-Fräsen Medizin, etc. STK Fertigung, etc. Fräsen Flexweb, Fern Mikroproket, SP-EDM, etc. Fertigung, etc. derzeit nicht am IMM verfügbar Medizin, Optik UP Kombinationsbearbeitung ECM, Rapid Prototyping, Wasserstrahltechnik Mikroproket Fertigung, etc. Spanntechnik Nullpunktspannsystem Messtechnik optisch, taktil Mahr Vision, µ-geomess, Referenzsystem µ-geomess KKW5x5 Messtechnik Medizin, etc. Ziel: IMM, Zusammenführung 2012 der einzelnen Kompetenzen in der Prozesskette für Kombinationsbearbeitung!

22 Ausblick Kombinationsbearbeitung, Entwicklung Vibrationsbohrspindel für Mikrosenkerosion Variantenentwicklung VBS-Einheit 1. Variante Variante 2006 Entwicklungsauftrag: mit Siemens VDO, Hirschmann - für Rotation + Vibration 3. Variante 12/09 IMM-Eigen-Entwicklung der FWT für Rotation + Vibration Sonodrive 300 patentiert 4. Variante 03/11 FWT-Weiterentwicklung BMBF-Projekt µ-proket für Rotation + Vibration Erodierzeit [min.] Test-VBS für Bohrung 0,2mm in 0,4 mm VA-Blech Dielektrikum: IonoPlus IME-ET handelsübliche Rotierspindel Sonodrive-Reihe1 Sonodrive-Reihe2 Sonodrive-Reihe3 Sonodrive-Reihe4 Sonodrive-Reihe5 5. Variante 12/12 FWT-Weiterentwicklung II. Generation für Rotation + Vibration Ziel: weitere Optimierung der VBS-Einheit Serienvorbereitung Entwicklung von Zusatzfunktionen, wie Hochdruckspülung, automatische Elektroden- Nachführung, einstellbare Spannsysteme, Wechselspannsysteme etc Bohrung Linear (handelsübliche Rotierspindel) Hochgeschwindigkeits-Video 1000 Bilder pro sek. max. Pinauslenkung: 10 µm mit SONO DRIVE 300 Zeitersparnis bis zu 50% Rundlauf-Präzision: 1µm Ziel: 06/12 TÜV-Prüfung für CE IMM, 2012

23 Ausblick Bilder aus der zukünftigen Prozesskette Kombinationsbearbeitung für Mikro-Nano-Produktion IMM, 2012

24 Wie geht es weiter? Vor Prognosen soll man sich unbedingt hüten, vor allem vor solchen über die Zukunft Mark Twain Amerikanischer Schriftsteller ( ) Die Zukunft kann man am besten voraussagen, indem man sie selbst gestaltet Alan Kay Pioneer des Personal Computers und des Internets IMM,

25 Das IMM eine außergewöhnliche Firma. Wir freuen uns auf Sie IMM, 2012 Thanks for your Attention