Da der Mikrospritzguss weiterhin einen großen Anteil am Fertigungsmarkt einnimmt, wird deutlich, dass die Herstellung von Mikroformen ein entscheidender Schritt ist, um hochpräzise und hochwertige Ergebnisse zu gewährleisten. Je höher die Präzision und die Qualität der mikroFormenbau desto höher die Präzision und die Qualität des mikrospritzgießen.
In diesem Leitfaden werden alle Einzelheiten des Herstellungsprozesses von Mikroformen behandelt, wie sie mit der engstmöglichen Toleranz für eine höhere Präzision bearbeitet werden, welche Arten der Mikrobearbeitung angewendet werden können und welche Technologien hinter dem Mikrobearbeitungsprozess stehen.
Inhaltsverzeichnis
1. Was ist Mikrobearbeitung?
2. Wie werden Mikroformen bearbeitet?
3. Arten von Mikrobearbeitungsmethoden
- Nicht-mechanische Methoden
- Mechanische Methoden
4. Wie man die beste Alternative für die Herstellung von Mikroformen auswählt
Was ist Mikrobearbeitung?
Mikrobearbeitung kann als Fertigungsverfahren definiert werden, mit dem präzisionsspritzgussteile im Mikrobereich hergestellt werden. Mit anderen Worten, es handelt sich um die Bearbeitung mit Werkzeugen, deren Durchmesser kleiner als 400 µm ist und bis zu einem Drittel des Durchmessers eines menschlichen Haares betragen kann.
Obwohl es dieses Verfahren bereits seit Ende der 1990er Jahre gibt, haben die jüngsten Entwicklungen in der Mikrobearbeitungstechnologie und bei den Werkzeugmaterialien dazu geführt, dass heute Maschinen mit ausreichender Spindeldrehzahl und starken, langlebigen Schneidwerkzeugen zur Verfügung stehen, die die für die Herstellung von spritzgusswerkzeug erforderliche Wiederholbarkeit und Festigkeit bei hohen Geschwindigkeiten bieten.
Wie warden Mikroformen bearbeitet?
Bei der Bearbeitung von Formen für das Mikrospritzgießen sind drei wesentliche Aspekte zu beachten:
Größe des Teils
Größe des Merkmals
Abmessungstoleranzen
Ein weiterer wichtiger Aspekt, den es zu beachten gilt, um die besten Ergebnisse bei der Bearbeitung von Mikroformen zu erzielen, ist die Tatsache, dass ein direkter Zusammenhang zwischen dem Material der Form, den Schneidwerkzeugen und dem Bearbeitungsprozess selbst besteht, so dass es von entscheidender Bedeutung ist, dass diese aufeinander abgestimmt sind.
Natürlich gibt es verschiedene Mikrobearbeitungsverfahren, so dass es notwendig ist, die am besten geeignete Option zu wählen.
Arten von Mikrobearbeitungsmethoden
Die Arten der Mikrobearbeitungsmethoden für die Herstellung von Mikroformen lassen sich in zwei Kategorien einteilen: nicht-mechanische Methoden und mechanische Methoden.
Nicht-mechanische Methoden zur Herstellung von Mikroformen
Zu den nichtmechanischen Methoden zur Herstellung von Mikroformen gehören chemische Verfahren wie das Nass- und Trockenätzen, die häufiger zur Herstellung von Formen für sehr spezielle Anwendungen, insbesondere im optischen und biologischen Bereich, eingesetzt werden. Allerdings sind die Geometrien, die mit diesen Verfahren erreicht werden können, begrenzt.
Andererseits gibt es unter den nicht-mechanischen Methoden zur Herstellung von Mikroformen eine, die hervorzuheben ist: Mikro-EDM.
Mikro-EDM für die Herstellung von Mikroformen
EDM steht für Electrical Discharge Machining. Mikro-EDM ist also ein Verfahren, bei dem die traditionelle Funkenerosion auf Mikroebene angewendet wird.
Mikro-EDM ist eine großartige Alternative für die Herstellung von Mikroformen, da es die Möglichkeit bietet, sowohl konkave als auch konvexe Mikrostrukturen zu erzeugen, einschließlich der komplexesten 3D-Mikrostrukturen mit hohem Aspektverhältnis, die für verschiedene Mikrospritzgussanwendungen erforderlich sein können.
Beim Mikro-EDM wird die erosive Wirkung einer elektrischen Entladung zwischen einem leitenden Werkzeug (Elektrode) und dem Werkstück genutzt, um einen Materialabtrag zu erzielen. Dies geschieht normalerweise in einer von zwei Formen:
Die Elektrode wird in die gewünschte kavität des benötigten Hohlraums gebracht. Diese Elektrode wird dann senkrecht über das Werkstück geführt, wodurch die umgekehrte Form in das Werkstück erodiert wird.
Mit einer sehr dünnen Drahtelektrode, deren Durchmesser im Mikrobereich liegt, wird die gewünschte Form erodiert, indem die Elektrode der in der speziellen cnc fräsen programmierten Bahn folgt.
Bei der Verwendung von Mikro-Erodiermaschinen für die Herstellung von Mikroformen müssen drei Faktoren berücksichtigt werden, um die beste Leistung zu erzielen. Diese Faktoren sind:
Schmelzpunkt der Materialien
Wärmeleitfähigkeit der Materialien
Elektrische Leitfähigkeit der Materialien
In einer experimentellen Studie über die Bearbeitbarkeit durch Impulsentladung, die 2018 von Quanpeng He, Jin Xie, Ruibin Guo, Peixin Ma und Yanjun Lu durchgeführt wurde, heißt es: "Ein niedriger Schmelzpunkt und eine niedrige elektrische Leitfähigkeit führen zu einer guten mikrobearbeiteten Form mit einer niedrigen relativen Verschleißrate. Eine hohe elektrische Leitfähigkeit und ein niedriger Schmelzpunkt führen zu einer geringen Oberflächenrauhigkeit, einer hohen Mikroabtragsrate und einer hohen Entladungsenergieeffizienz. Eine niedrige thermische Leitfähigkeit führt zu einem hohen Aspektverhältnis und einer niedrigen Mikroabtragsrate".
Mikro-EDM-Technologie für die Herstellung von Mikroformen
Die Mikro-Erodiertechnik ist weit entwickelt, und zu den Optionen für die Herstellung von Mikroformen gehören hochleistungsfähige Mikro-Erodier-Bearbeitungszentren mit folgenden Merkmalen:
Zweiachsige Bearbeitung.
Kombinierte Prozesse wie Mikro-EDM-Bohren, Micro-EDM-Senken, Drahterodieren, Elektrodenschleifen und 3D Mikro-EDM-Fräsen.
Integration von Werkzeugen.
8-achsige Steuerung.
Möglichkeit, zwischen Elektroden mit unterschiedlichen Durchmessern zu wechseln
Mechanische Methoden zur Herstellung von Mikroformen
Während die Mikro-EDM definitiv ein sehr kosteneffizientes Verfahren ist, mit dem Mikroformen mit hoher Qualität und Präzision hergestellt werden können, gibt es einige Mikro-Spritzgießanwendungen, die Formen mit noch mehr geometrischer Freiheit und geringerer Oberflächenrauheit erfordern. Und hier zeichnen sich die mechanischen Verfahren für die Mikroformenherstellung aus.
Der Grundgedanke bei der Verwendung mechanischer Verfahren für die Mikroformenherstellung besteht darin, die modernsten Werkzeugentwicklungen für die Mikrobearbeitung zu nutzen, bei denen Diamant verwendet wird, um Oberflächen mit einer Präzision bis in den Mikrobereich zu erzielen, ohne dass eine Nachbearbeitung erforderlich ist.
Natürlich ist diese Art der Hochpräzisionsbearbeitung nur dank der aktuellen CNC-Technologien möglich, die es den Herstellern erlauben, Mikrostrukturen mit einer Präzision herzustellen, die auf Werte unter 5 µm genau gemessen werden kann. Eine wichtige Errungenschaft dieser Technologien ist die hohe Geschwindigkeit, die die Spindel erreichen kann, wodurch Spänebildung und Wärmekonzentration bei Mikrobearbeitungsanwendungen vermieden werden können.
Zu den gängigsten CNC-Hochpräzisionsverfahren, die bei der Herstellung von Mikroformen eingesetzt werden, gehören das Mikrodrehen, das Mikrofräsen und das Mikroschleifen. Diese drei Verfahren werden in der Regel in Kombination eingesetzt, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Mikrobearbeitungstechnologie für die Herstellung von Mikroformen
Die gängigste Mikrobearbeitungstechnologie, die derzeit für die Herstellung von Mikroformen verwendet wird, ist das Hochgeschwindigkeits-Mikrofräsen.
Beim Mikrofräsen rotiert normalerweise ein Diamantwerkzeug auf einer Spindel und bewegt sich entlang der Oberfläche des festen Werkstücks. Während der Fräsbearbeitung dreht sich das Werkzeug entlang der Achse, die senkrecht zum Werkstück steht. Bei diesem Verfahren werden mindestens drei numerisch gesteuerte Achsen verwendet.
Zu den allgemeinen Faktoren, die die Effizienz und Qualität des Hochgeschwindigkeits-Mikrofräsens für die Herstellung von Mikroformen beeinflussen, gehören:
Der Eckenradius des Fräswerkzeugs.
Die Optimierung der Werkzeugbahn.
Werkzeugverschleiß.
Winkel der Fräserachse. Diese sollte immer eine Neigung haben, um einen Schneidpunkt mit einem Geschwindigkeitswert von 0
Natürlich gibt es auch andere Technologien, die eingesetzt werden können, wie z. B. das Einpunkt-Diamantdrehen, das fliegende Schneiden und vibrationsunterstützte Schneidtechnologien. Sie werden jedoch meist für hochspezialisierte Anwendungen wie die Optik eingesetzt.
Wie man die beste Alternative für die Herstellung von Mikroformen auswählt
Damit ein Hersteller von mini spritzguss die beste Alternative unter den verfügbaren Verfahren für die Herstellung von Mikroformen auswählen kann, muss er die spezifischen Anforderungen an das zu formende Teil und mögliche Einschränkungen, die Kosten, die Anzahl der Verwendungen der Form (Haltbarkeit oder Lebensdauer) und die geometrische Komplexität berücksichtigen.
Was die Kosten betrifft, so erhöht beispielsweise eine höhere Entnahmeleistung die Produktionsrate, und ein höherer Automatisierungsgrad senkt die Arbeitskosten. Die Produktionsrate des Herstellungsprozesses und der erforderliche Automatisierungsgrad sind also entscheidende Faktoren, die es zu analysieren gilt.
Die Haltbarkeit der Form hängt in der Regel vom Material ab und davon, wie gut es den hohen Temperaturen und dem hohen Druck standhält. Aluminiumformen können beispielsweise bis zu 200 Zyklen überstehen und sind dabei doppelt so schnell und kostengünstig herzustellen wie Stahlformen.
Je komplexer die Geometrie ist, desto geringer ist die Bearbeitbarkeit durch Mikrofräsen, so dass andere Verfahren wie das Mikro-EDM erforderlich sein können.
Es gibt einige Studien, die gute Informationen geliefert haben, wie z. B. Tabellen für den Komplexitätsindex und eine Reihe von Regeln für die Wahl zwischen Mikrofräsen und Mikro-EDM. Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass sie nicht völlig unfehlbar sind.
Auf der Grundlage all dieser Faktoren erfordert die Auswahl der besten Lösung in der Regel ein gewisses Maß an Fachwissen. In vielen Fällen besteht die beste Lösung darin, cnc fräsen und Mikro-EDM zu kombinieren, um das für die Mikrospritzgussanwendung benötigte Ergebnis bei der Herstellung von Mikroformen zu erzielen, aber dies sollte nur dann angewandt werden, wenn die höheren Kosten und die zusätzliche Bearbeitungszeit gerechtfertigt sind.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es am besten ist, die Entscheidung zwischen Hochgeschwindigkeits-Mikrobearbeitung und Mikro-EDM in die Hände eines Experten zu legen, um die am besten geeignete Form für die gewünschte Mikrospritzgießanwendung zu erhalten.