Technologische Untersuchungen zur spanenden Mikrobearbeitung von Titan und Titanlegierungen

Titan und Titanlegierungen besitzen aufgrund der günstigen physikalischen und mechanischen Eigenschaften, wie eine geringe Dichte und eine hohe Korrosionsbeständigkeit, ein großes Einsatzpotenzial in vielen Bereichen. Dazu gehören z. B. die Medizintechnik, die Messtechnik, die Luft- und Raumfahrttechnik und der Automobilbau. Vor allem in den Bereichen Medizintechnik sowie Maschinen- und Anlagentechnik ist ein deutlicher Trend zu erkennen, vermehrt Mikrobauteile und Implantate aus schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Titan oder Titanlegierungen herzustellen.

Werkzeuge zur Mikrozerspanung besitzen oft einen hohen Schlankheitsgrad und somit ein geringes Vermögen, die Kräfte und Momente, welche während des Fräsprozesses entstehen, aufzunehmen. Besonders bei der Bearbeitung der oben aufgeführten Werkstoffe sind aber große Zerspankräfte zu erwarten, die zu einer hohen Werkzeugabdrängung führen. Neben einer möglichen Abdrängung des Werkzeuges, die zu Abweichungen von der geforderten Kontur führen kann, ist auch ein erhöhtes Risiko des Ploughing-Effektes durch einen im Verhältnis zur Schnitttiefe großen Schneideckenradius vorhanden. Weiterhin muss bei der Mikrozerspanung auf das Gefüge des zu zerspanenden Materials geachtet werden, damit Störgrößen wie Korngrenzen oder Einschlüsse nicht zu ungewünschten Beeinflussungen des Prozesses führen.

Das Mikrofräsen gilt als ein geeignetes Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Bauteile aus Stahl. Die Miniaturisierung des konventionellen Fräsprozesses wirft jedoch einige Probleme auf, die zu berücksichtigen sind. Beispielsweise können der zunehmende Einfluss des Schneidkantenradius bei Verringerung von Werkzeugdurchmesser und Spanungsdicke sowie die abnehmende Werkzeugsteifigkeit nicht vernachlässigt werden. Ein Hauptanwendungsgebiet für das Mikrofräsen ist die Herstellung von Formen für die mikrostrukturierte Spritzgussbauteile. Zwei verwendete Fräswerkzeuge sind in folgender Abbildung 1 dargestellt.

Abb. 1: Zwei verwendet Vollhartmetallfräser mit 1 mm Durchmesser

Der zunehmende Bedarf an mikrotechnischen Bauteilen erfordert ebenfalls eine steigende Anzahl von Bohrungen mit kleinsten Durchmessern. Das Haupteinsatzgebiet des Mikrobohrens liegt vor allem in der mechanischen Bearbeitung von Leiterplatten, in der Fertigung von Düsen oder in der Uhrenindustrie. Wesentliche Problematiken beim Mikrobohren sind die im Vergleich zu konventionellen Bohrverfahren geringen Steifigkeiten der Werkzeuge, die zu einem Verlaufen oder gar zum Bruch führen können. Des Weiteren ist im Verhältnis zum Durchmesser die Querschneide sehr groß, wodurch höhere Axialkräfte hervorgerufen werden. Problematisch ist die KSS-Zufuhr und der Spanabtransport aus der Bohrung.

Die geringe Wärmeleitfähigkeit, das kleine Elastizitätsmodul und das große Streckgrenzenverhältnis führen zu hohen thermischen und mechanischen Belastungen der Werkzeugschneiden bei der spanenden Bearbeitung dieser Werkstoffe, wodurch ein frühzeitiges Werkzeugversagen hervorgerufen wird. Hauptsächliche Verschleißvorgänge sind plastische Deformationen und Adhäsionsprozesse [1]. Als zusätzliches Charakteristikum bei der Zerspanung von Titanlegierungen sind die ungünstigen periodischen Belastungen anzuführen, die durch die auftretende Lamellenspanbildung bedingt sind. Dieser beeinflusst wesentlich das Ermüdungsverhalten des Schneidstoffs. Im Makrobereich kann eine prozesssichere Bearbeitung durch die Wahl geeigneter Werkzeuggeometrien, Werkzeugbeschichtungen, Bearbeitungsstrategien und durch den Einsatz von Kühlschmierstoffen sichergestellt werden. Für die Zerspanung im Mikrobereich sind jedoch auf Grund der geringen Stabilität der Werkzeuge und des geringen Schneidstoffvolumens Probleme zu erwarten, die eine Fertigung von Mikrobauteilen hinsichtlich der geforderten Qualitätskriterien erheblich erschweren.

Das Ziel des Projektes in Zusammenarbeit mit der RWTÜV-Stiftung besteht darin, eine wirtschaftliche und prozesssichere Fertigung von mikrostrukturierten Bauteilen aus Titan und Titanlegierungen zu ermöglichen. Dabei stehen unterschiedliche Verfahren der Mikrozerspanung im Fokus der Untersuchungen. Neben dem Mikrofräsen sollen das Mikrobohren und die Fertigung von Passungen mittels Mikroreiben untersucht werden. Es finden technologische Untersuchungen statt, um den Einfluss unterschiedlicher Parameter auf den Zerspanungsprozess zu analysieren. Mit Hilfe der gewonnen Erkenntnisse sollen Strategien zur Fertigung von Mikrobauteilen entwickelt werden, die eine Einhaltung von Kriterien hinsichtlich der Maß- und Formhaltigkeit sowie der Oberflächenqualität gewährleisten. Die Untersuchungen beschränken sich auf Titan Grade 1, als reinste Form des Titans mit einer Härte von 159 HV 0,02, und TiAl6V4 mit einer Härte von 382 HV 0,02, welches die am weitesten verbreitete Titanlegierung darstellt [2].

Literatur

[1]
Biermann, D.; Bergmann, S.; Machai, C.: Der leichte Stoff macht schwer zu schaffen. WB – Werkstatt und Betrieb, 140 (2007) 7/8, Hanser Verlag, Seite 80-83
[2]
Denkena, B.; Leon, L.; Köhler, J.: In der Verrundung liegt das Leistungspotenzial. WB – Werkstatt und Betrieb, 141 (2008) 10, Hanser Verlag, Seite 20-23

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