Kompakte luftgelagerte Werkzeugspindel für Herstellung und Anwendung von Mikrofräswerkzeugen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491400536

Die Fertigung von Mikrostrukturen mit Werkzeugen mit sehr kleinen Durchmessern ist nur mit Werkzeugspindeln mit hoher Drehzahl für ausreichende Schnittgeschwindigkeiten durchführbar. Solche Werkzeugspindeln müssen eine geringe Rundlaufabweichung des Werkzeugs garantieren. Ein erhöhter Rundlauffehler führt zu Abweichungen zwischen zu erzeugender und erzeugter Struktur so-wie zu erhöhtem Werkzeugverschleiß bis hin zum Werkzeugbruch. Zudem werden Mikrofräswerk-zeuge für ein definiertes Verhältnis aus Vorschubgeschwindigkeit, Werkzeugdrehzahl und Schnei-den optimiert. Für ein optimales Bearbeitungsergebnis sollte der Vorschub pro Zahn deswegen einen konstanten, auf das Werkzeug abgestimmten, Wert annehmen. Aufgrund schneller Änderungen der Vorschubrichtung, wie bspw. beim Fräsen von Kurven, kommt es beim Mikrofräsen jedoch oft-mals zu einer kurzzeitigen Abweichung des Vorschubs pro Zahn vom Soll-Wert. Dies führt zu geringeren Oberflächenqualitäten sowie zu erhöhtem Werkzeugverschleiß.Ziel des beantragten Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Anwendung einer Luftlagerspin-del mit pneumatischem Antrieb, pneumatischer Drehzahlregelung und integrierter Werkzeugherstellung. Durch die Werkzeugherstellung ohne Umspannen wird die Rundlaufabweichung, die aus dem Ein- und Ausspannen des Werkzeugs in unterschiedlichen Positionen in der Werkzeugaufnahme zwangsläufig entsteht, vermieden, was zu einer hohen Formgenauigkeit der gefrästen Mikrobauteile und -strukturen führt. Aufgrund des pneumatischen Antriebskonzepts entfallen zudem Wechselwirkungen, bedingt durch elektromagnetische Störfelder elektrischer Antriebe, die in vorangegangenen Untersuchungen zu einer deutlichen Verschlechterung des Spindelrundlaufs führten. Zur Beschleunigung und Verzögerung des Rotors werden gegenläufige Turbinen eingesetzt, die in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit pneumatisch betrieben werden. Diese pneumatische Drehzahlregelung erlaubt es, den Zahnvorschub der Mikrofräswerkzeuge bei sich schnell ändernder Vorschubgeschwindigkeit konstant zu halten, wodurch konstant optimale Schnittparameter eingestellt werden können. Zudem ist die Pneumatik nahezu verschleiß- und wartungsfrei. Die Spindel soll eine Dreh-zahl von 300.000 min-1 bei geringster Rundlaufabweichung am Werkzeug (< 1 µm) erreichen. Durch ihre kompakten Abmessungen kann die Spindel außerdem in Desktopwerkzeugmaschinen integriert werden, die in der Mikrobearbeitung zunehmend eingesetzt werden.Nach Abschluss des beantragten Forschungsprojektes wird eine luftgelagerte Werkzeugspindel mit pneumatischer Drehzahlregelung zur Herstellung und Anwendung von Mikrofräswerkzeugen zur Verfügung stehen, durch deren Einsatz ein dauerhaft konstanter Vorschub pro Zahn und damit eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität garantiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen