Entwicklung und Untersuchung vollkeramischer Mikrofräswerkzeuge mit Durchmessern ≤ 50 µm

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407558930

Die Mikrofräsbearbeitung bietet entscheidende Vorteile gegenüber anderen Verfahren der Mikrobearbeitung. Diese sind vor allem in der Breite des bearbeitbaren Werkstoffspektrums, der hohen realisierbaren Geometriekomplexität sowie der hervorragenden erreichbaren Oberflächenqualität zu sehen. Dazu werden aufgrund ihrer guten Materialeigenschaften und relativ einfachen Herstellbarkeit bei Werkzeugdurchmessern ≤ 50 µm derzeit nahezu ausschließlich Mikrofräswerkzeuge aus Hartmetall verwendet.Eine Folge der geringen Werkzeugdurchmesser der Hartmetallwerkzeuge ist jedoch die Verringerung der Werkzeugstabilität, während die spezifischen Schnittkräfte überproportional steigen. Des Weiteren tritt aufgrund des zunehmenden Einflusses der Schneidkantenverrundung der sogenannte Ploughing-Effekt auf, der ein Hindurchdrücken des zu zerspanenden Werkstoffes unter der Werkzeugschneide beschreibt. Dieser führt neben einer Verschlechterung der Oberflächenqualität und zunehmender Gratbildung zu erhöhten Prozesskräften und einem starken Verschleiß der filigranen Mikrowerkzeuge. Bedingt durch die Mikrostruktur der verwendeten Hartmetalle ist der kleinste realisierbare Schneidkantenradius der Werkzeuge durch die Korngröße von Ultrafeinstkornhartmetallen (0,2 µm) beschränkt.Durch die Verwendung von Schneidkeramiken können aufgrund ihrer Mikrostruktur die realisierbaren Schneidkantenradien der Werkzeuge und damit die auftretenden Prozesskräfte weiter reduziert werden. Zudem verfügen Keramiken über eine höhere Warmhärte und Verschleißfestigkeit als Hartmetall. Sie wurden bei Fräswerkzeugen mit Werkzeugdurchmessern ≤ 50 µm bisher noch nicht eingesetzt.Das übergeordnete Ziel des Forschungsprojekts ist die erstmalige Entwicklung und Anwendung vollkeramischer Mikrofräswerkzeuge mit Durchmessern ≤ 50 µm. Von diesen Fräswerkzeugen wird analog zur Makrozerspanung verringerter Verschleiß der Werkzeuge erwartet. Zusätzlich werden verbesserte Oberflächengüten der Werkstücke bei reduzierter Gratbildung und höherer Werkzeugstandzeit vermutet. Nach Auswahl geeigneter Schneidkeramiken werden Analogieversuche mit einfachen keramischen Schneidwerkzeugen zur Verschleißuntersuchung durchgeführt. Im Anschluss erfolgt auf Basis der Verschleißuntersuchungen die Entwicklung der Fräsergeometrie der vollkeramischen Mikrofräswerkzeuge mittels numerischer und kinematischer Simulation. Die anschließend durch Schleifen hergestellten Mikrofräser werden in Zerspanversuchen eingesetzt – die Fräsergebnisse der vollkeramischen Mikrofräser werden mit denen der Hartmetall-Mikrofräser verglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen