Ultrapräzisions-Bearbeitung: Arten und Techniken

Unter Ultrapräzisionsbearbeitung versteht man Präzisionsfertigungsverfahren, die ein extrem hohes Maß an Genauigkeit und Oberflächenqualität erreichen. Die Definition ist relativ und ändert sich mit den technologischen Fortschritten.

Mit dieser Technik können derzeit Abmessungen und Formen im Submikrometer- und sogar im Nanometerbereich erreicht werden, wobei die Oberflächenrauheit im Nanometerbereich liegt. Zu den Ultrapräzisionsbearbeitungsmethoden gehören das Ultrapräzisionsschneiden (z. B. Ultrapräzisionsdrehen und -fräsen), das Ultrapräzisionsschleifen, das Ultrapräzisionsläppen und die Ultrapräzisionssonderbearbeitung.

Ultra-Präzisionsschneiden

Bei der Ultrapräzisionszerspanung geht es in erster Linie um das Drehen mit Diamantwerkzeugen, die hauptsächlich für die Bearbeitung von Nichteisenlegierungen, optischem Glas, Marmor und nichtmetallischen Werkstoffen wie Kohlefaserplatten eingesetzt werden. Die hohe Präzision, die bei der Ultrapräzisionszerspanung erreicht wird, ist auf die geringe Affinität zwischen Diamantwerkzeugen und Nichteisenlegierungen sowie auf ihre hervorragende Härte, Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit zurückzuführen.

Außerdem werden beim Ultrapräzisionsschneiden hochpräzise Luftlager, luftgelagerte Führungen, Komponenten zur Positionserkennung und Maßnahmen wie konstante Temperatur, Schwingungsisolierung und Schwingungsdämpfung eingesetzt.

Dies gewährleistet einen Oberflächenrauhigkeitswert Ra von weniger als 0,025 μm und eine geometrische Präzision von bis zu 0,1 μm, wodurch das Ultrapräzisionsschneiden in der Luft- und Raumfahrt, in der Optik und bei zivilen Anwendungen immer beliebter wird und sich in Richtung höherer Präzision bewegt.

Ultra-Präzisionsschleifen

Ultrapräzisionsschleifen ist eine Bearbeitungsmethode im Submikronbereich, die sich auf die Nanometerebene zubewegt. Es handelt sich um ein Schleifverfahren, das eine Bearbeitungspräzision von 0,1 μm oder mehr und einen Oberflächenrauhigkeitswert Ra von unter 0,025 μm erreicht und sich für die Bearbeitung harter und spröder Materialien wie Stahl, Keramik und Glas eignet.

Herkömmliche Schleif- und Polierverfahren können durch Ultrapräzisionsschleifen eliminiert werden, um die erforderliche Oberflächenrauheit zu erreichen. Neben der Gewährleistung genauer geometrischer Formen und Abmessungen kann durch Ultrapräzisionsschleifen eine spiegelglatte Oberflächenrauheit erzielt werden.

Ultra-Präzisions-Läppen

Zum Ultrapräzisionsläppen gehören mechanisches Läppen, chemo-mechanisches Läppen, Float-Läppen, elastische Emissionsbearbeitung und magnetisches Läppen. Die Rundlauftoleranz von Teilen, die durch Ultrapräzisionsläppen bearbeitet werden, kann 0,025 μm erreichen, und die Oberflächenrauheit Ra kann bis zu 0,003 μm betragen.

Wichtige Voraussetzungen für das Ultrapräzisionsläppen sind eine präzise Temperaturregelung, eine vibrationsfreie Bearbeitung, eine saubere Umgebung und kleine, gleichmäßige Schleifpartikel. Hochpräzise Erkennungsmethoden sind ebenfalls unerlässlich.

Ultrapräzise Spezialbearbeitung

Die Ultrapräzisions-Sonderbearbeitungstechnik ist international als eine der vielversprechendsten Technologien des 21. Jahrhunderts anerkannt. Sie bezieht sich auf Bearbeitungsmethoden, die Energieformen wie elektrische, thermische, optische, elektrochemische, chemische, akustische und spezielle mechanische Energie nutzen, um Material zu entfernen oder hinzuzufügen.

Zu den primären Anwendungsobjekten gehören schwer zu bearbeitende Materialien (wie Titanlegierungen, hitzebeständiger Edelstahl, hochfester Stahl, Verbundwerkstoffe, technische Keramik, Diamant, Rubin, gehärtetes Glas und andere Materialien mit hoher Härte, hoher Zähigkeit, hoher Festigkeit und hohem Schmelzpunkt), schwer zu bearbeitende Teile (z. B. komplexe dreidimensionale Hohlräume, Löcher, Gruppenlöcher und schmale Schlitze), Teile mit geringer Steifigkeit (z. B. dünnwandige Teile, elastische Elemente) und Prozesse, die Schweißen, Schneiden, Löcher machen, Spritzen, Oberflächenmodifikation, Ätzen und Feinbearbeitung mit Strahlen hoher Energiedichte ermöglichen.

Zu diesen Bearbeitungsmethoden gehören die Laserbearbeitungstechnik, die Elektronenstrahlbearbeitungstechnik, die Ionenstrahl- und Plasmabearbeitungstechnik, die elektrische Bearbeitungstechnik usw., die hier nur kurz vorgestellt werden sollen.

Laser-Bearbeitung

Bei der Laserbearbeitung fokussiert ein Lasergenerator Laserlicht mit hoher Energiedichte auf die Oberfläche eines Werkstücks. Die absorbierte Lichtenergie wird sofort in thermische Energie umgewandelt, die aufgrund ihrer Dichte zum Stanzen von Löchern, zum Präzisionsschneiden und zur Herstellung von fälschungssicheren Mikrokennzeichnungen verwendet werden kann.

Mit der rasanten Entwicklung von Laserbearbeitungsanlagen und -technologien sind Hochleistungslaser mit einer Leistung von über 100 kW und Festkörperlaser mit einer Leistung im Kilowattbereich entstanden, die mit Glasfasern für die Arbeit an mehreren Stationen und über große Entfernungen ausgestattet sind.

Aufgrund der hohen Leistung und des hohen Automatisierungsgrads von Laserbearbeitungsanlagen werden in großem Umfang CNC-Steuerung und Mehrkoordinatenverknüpfung eingesetzt, die mit Hilfssystemen wie Laserleistungsüberwachung, automatischer Fokussierung und Industriefernsehbildschirm ausgestattet sind. Derzeit beträgt der minimale Lochdurchmesser, der durch Laserbohren erreicht wird, 0,002 mm, die Geschwindigkeit des Laserschneidens dünner Materialien kann 15 m/min erreichen, und der Schneidspalt liegt nur zwischen 0,1-1 mm.

Die Anwendungen der Laseroberflächenverfestigung, des Oberflächenumschmelzens, des Legierens und der amorphen Bearbeitungstechniken werden immer weiter verbreitet, und die Lasermikrobearbeitung ist in der Elektronik, Biologie und Medizintechnik zu einer unersetzlichen Spezialbearbeitungstechnik geworden.

Elektronenstrahlverarbeitung

Bei der Elektronenstrahlverarbeitung werden in einem Vakuum kontinuierlich negative Elektronen von der Kathode zur Anode emittiert. Beim Übergang von der Kathode zur Anode werden die Elektronen beschleunigt und zu einem sehr dünnen Elektronenstrahl mit hoher Energiedichte gebündelt. Wenn die Hochgeschwindigkeitselektronen auf die Oberfläche des Werkstücks treffen, wird ihre kinetische Energie in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch das Material schmilzt und verdampft und dann aus dem Vakuum entfernt wird.

Durch die Steuerung der Stärke und der Ablenkungsrichtung des Elektronenstrahls in Verbindung mit der numerischen Steuerung der Verschiebung des Arbeitstisches in x- und y-Richtung (unter Verwendung von CNC-Steuerung und Mehrkoordinatenverknüpfung) können Stanzen, Formschneiden, Ätzen, fotolithografische Belichtung und andere Prozesse durchgeführt werden.

Die Elektronenstrahltechnik ist international auf dem Vormarsch und findet breite Anwendung beim Kombinationsschweißen großer Strukturen von tragenden Komponenten wie Trägerraketen und Raumfahrzeugen sowie bei der Herstellung wichtiger Strukturteile wie Flugzeugträgern, Rahmen, Fahrwerkskomponenten, Triebwerksrotoren, Gehäusen, Antriebswellen und Druckbehältern von Kernkraftwerken.

Bei der Herstellung integrierter Schaltkreise wird auch häufig die Elektronenstrahl-Fotolithografie eingesetzt, die eine viel kürzere Wellenlänge als sichtbares Licht hat und eine Auflösung der Linienmuster von 0,25 μm erreicht.

Ionenstrahlverarbeitung

Bei der Ionenstrahlbearbeitung werden die von einer Ionenquelle im Vakuum erzeugten Ionen beschleunigt und fokussiert, um auf die Oberfläche eines Werkstücks zu treffen. Da Ionen im Vergleich zur Elektronenstrahlbearbeitung positiv geladen sind und ihre Masse millionenfach größer ist als die der Elektronen, können sie nach der Beschleunigung eine größere kinetische Energie gewinnen.

Sie beruhen auf mikroskopischer mechanischer Aufprallenergie und nicht auf der Umwandlung von Bewegungsenergie in Wärmeenergie zur Bearbeitung des Werkstücks. Die Ionenstrahlbearbeitung kann für das Ätzen von Oberflächen, die ultrasaubere Reinigung und das Schneiden auf atomarer/molekularer Ebene eingesetzt werden.

Mikro-Elektroerosionsbearbeitung

Bei der Mikro-Elektroerosion wird Metall in einem isolierenden Arbeitsmedium durch eine örtlich begrenzte hohe Temperatur abgetragen, die durch eine Impuls-Funkenentladung zwischen einer Werkzeugelektrode und einem Werkstück verursacht wird. Bei diesem Verfahren sind keine makroskopischen Schnittkräfte erforderlich. Durch die präzise Steuerung der Entladungsenergie eines einzelnen Impulses in Verbindung mit einem präzisen Mikrovorschub können extrem feine Metallmaterialien abgetragen werden.

Sie kann Mikroschächte, Löcher, schmale Schlitze, flache und gekrümmte Oberflächen bearbeiten. Die High-End-Erodier- und Drahterodiermaschine bietet eine Bearbeitungspräzision im Mikrometerbereich und ist in der Lage, eine 3µm-Mikrowelle und ein 5μm-Loch zu bearbeiten.

Mikroelektrolytische Verarbeitung

Bei der mikroelektrolytischen Bearbeitung wird Wasser in einer leitfähigen Arbeitsflüssigkeit in Wasserstoffionen und Hydroxylionen zerlegt. Die Metallatome auf der Oberfläche des Werkstücks, das als Anode dient, werden zu Metallkationen und lösen sich im Elektrolyten auf, wobei sie allmählich elektrolysiert werden. Diese reagieren dann mit den Hydroxyl-Ionen im Elektrolyten zu Metallhydroxid-Niederschlägen, während die Werkzeugkathode nicht verschleißt.

Es gibt auch keine makroskopischen Schnittkräfte zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück während des Bearbeitungsprozesses. Durch die präzise Steuerung der Stromdichte und des Elektrolyseortes kann eine elektrolytische Bearbeitung im Nanometerbereich erreicht werden, und die Oberfläche wird nicht durch die Bearbeitung belastet.

Die mikroelektrolytische Bearbeitung wird häufig für das Hochglanzpolieren, das Präzisionsdünnen und für Situationen eingesetzt, die eine spannungsfreie Bearbeitung erfordern. Die Anwendungen für die elektrolytische Bearbeitung sind breit gefächert und reichen von Schaufeln und integrierten Laufrädern bis hin zu Gehäusen, Scheibenringkomponenten und der Bearbeitung von tiefen kleinen Löchern.

Hochpräzise reflektierende Metallspiegel können durch elektrolytische Bearbeitung bearbeitet werden. Derzeit beträgt die maximale Stromkapazität der elektrolytischen Bearbeitungsmaschinen 50.000 A, und es wurden CNC-Steuerung und adaptive Multiparameter-Steuerung eingeführt.

Komposit-Verarbeitung

Die Verbundbearbeitung bezieht sich auf Bearbeitungstechnologien, bei denen mehrere verschiedene Energieformen und Methoden zum Einsatz kommen und ihre Vorteile kombiniert werden, z. B. elektrolytisches Schleifen, elektrolytische Ultraschallbearbeitung, elektrolytisches Ultraschallschleifen, elektrische Ultraschallentladung, Ultraschallschneiden usw.

Die kombinierte Verarbeitung ist effektiver und hat einen breiteren Anwendungsbereich als einzelne Verarbeitungsmethoden.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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