Die Mikrosystemtechnik (MST) ist mit einem weltweiten Marktvolumen im dreistelligen Milliardenbereich einer der großen Wachstumsmärkte. Für die Mikrosystemtechnik wird ein globales Wachstum von 16 % p. a. erwartet. Der anhaltende Trend zur Verkleinerung technischer Produkte und Konsumgüter erfordert die Entwicklung neuer und die Weiterentwicklung vorhandener Technologien zur Herstellung mikrotechnischer Bauteile. [1] Autoren: Siegfried Schmalzried, HFU Hubert Truckenbrod, Firma Zorn Microsolution GmbH
Diese Miniaturisierung bestimmt insbesondere Märkte, in denen Deutschland traditionell gut aufgestellt ist. Allen voran spielen hier die Automobilindustrie aber auch die Biomedizintechnik bzw. Medizintechnik eine gewichtige Rolle. Dabei sind die neuen Möglichkeiten und Potenziale durch die Miniaturisierung bemerkenswert. Gerade in der Medizintechnik werden minimalinvasive Verfahren durch sie erst ermöglicht. [2]
Herausforderungen in der Mikrosystemtechnik
Kleine und mittlere Unternehmen tun sich teilweise schwer mit Mikrosystemtechnik-Innovationen. Die Gründe dafür liegen zum einen im hohen Investitionsvolumen für Produktions- und Fertigungsanlagen und den langen Vorlaufzeiten zur Realisierung robuster und stabiler Prozesse, was einhergeht mit einem hohen Return-on-Investment-Risiko. Weiterhin ist der Markt sehr innovativ. Dies ist zunächst positiv, führt jedoch aus produktionstechnischer Sicht evtl. sogar zu einer abwartenden Haltung. [2]
Mikrozerspanung wird immer wichtiger
Vor diesem Hintergrund lohnt sich ein fokussierter Blick auf die Produktionstechnik für miniaturisierte Systeme. Dabei erweisen sich Verfahren, die in der Makrotechnologie effizient und wirtschaftlich sind, als zunehmend attraktiv für die Mikrosystemtechnik. Damit kann die ablehnende Haltung überwunden werden, handelt es sich doch um Verfahren, die gerade auch in KMUs in Perfektion angewandt werden. Eine rasante Entwicklung nahmen dabei in den letzten 5–10 Jahren die zerspanenden Verfahren.
Technologisch unterscheiden sich die Anforderungen an die Mikrozerspanung deutlich von denen der Makrozerspanung, da sich die klassischen Zerspanungstheorien nicht direkt übertragen lassen. So können beispielsweise die Schnittgeschwindigkeiten der Makrozerspanung in der Mikrozerspanung nicht realisiert werden. Bei üblichem vc von 150 m/min (Hartmetall-Stahl) wäre bei einem Werkzeug mit einem Durchmesser von 0,2 mm eine Spindeldrehzahl von ca. 250 000 U/min erforderlich. Aufgrund der Mikro-Dimensionen bestehen dann natürlich auch spezielle Anforderungen an die Steifigkeit der Werkzeuge, um den Anforderungen im Prozess zu genügen.
Darüber hinaus ist gerade die ultrapräzise Zerspanung geprägt von langen Maschinenhaupt- und -nebenzeiten. Das Einrichten und Auswuchten eines Fräswerkzeugs kann beispielsweise bis zu einem Tag dauern. Durch spezialisierte, meist luftgelagerte Werkzeugsysteme sowie kleine Werkzeuge sind Maschinenhauptzeiten von Stunden bis Tagen oder gar Wochen keine Seltenheit.
Die dritte Stoßrichtung in der Mikrozerspanung
Die Maschinenhersteller sind nun bemüht, dem Kunden genau für diese Herausforderungen Lösungen anzubieten. Dabei sind aus Sicht der Standardmaschinenhersteller und der Hersteller von Ultrapräzisionsmaschinen zwei Stoßrichtungen zu beobachten, welche jedoch letztendlich eine Annäherung bedeuten. Unter Beibehaltung ihrer Flexibilität und Produktivität versuchen Standardmaschinenhersteller, mit bekannten Maschinenelementen aus der Ultrapräzisionszerspanung wie beispielsweise hydrostatischen Führungen oder aerostatisch gelagerten Spindeln den Anforderungen zu genügen. Wobei die etablierten Hersteller von Ultrapräzisionsmaschinen versuchen, Steuerungsmerkmale und Automatisierungsmechanismen wie beispielsweise automatische Werkzeugwechsler in die Maschinenkonzepte zu integrieren.
Beiden Ansätzen gemein ist die daraus entstehende höhere Maschinenkomplexität und Anfälligkeitssensitivität. Ganz am Ende stellt man Erstaunliches fest: Die Maschinen für die Mikrobearbeitung werden immer größer und teurer, obwohl man meinen könnte, Mikrobearbeitung müsste eigentlich auch für kleine, kompakte, clevere Maschinen stehen.
Eine dritte Stoßrichtung kommt nun, im ersten Moment überraschend, von Seiten der Automatisierungstechnik. Taucht man in die Automatisierungstechnik ein, findet man dort bereits schon längst etablierte und weit vor der Diskussion um die Mikrosystemtechnik Lösungen beispielsweise in der Mikromontage. Bereits in den siebziger Jahren gab es Anwendungen, die nur automatisiert gelöst werden konnten, wie beispielsweise in der Glühwendelmontage für Miniaturlampen. Der Grund war einfach, da eine manuelle Montage nicht durchführbar war. Ist dieser reichhaltige Erfahrungsschatz für die Mikrozerspanung einsetzbar, womöglich genau als Lösungsansatz der beschriebenen Vorbehalte?
Mikrozerspanung aus der Trickkiste der Automatisierer
Bei der Firma Zorn Microsolution in Stockach wurde auf Basis eines weitreichenden Erfahrungsschatzes in der Mikromontage ein Entwicklerteam zusammengestellt, um sich der Herausforderung zu stellen. Interessant ist hierbei: Die Konstrukteure kommen nicht aus den einschlägig bekannten Werkzeugmaschinenfirmen bzw. -branchen und sind damit in ihrer Denkweise nicht vorbelastet. Die Maxime bei der Entwicklung lautet: Kompakte Maschine, einfach zu bedienen, günstig im Erwerb und nicht den Nanometer jagen, sondern mit dem µm spielen. Das Ganze, um die Komplexität und Investkosten zu reduzieren.
Die daraus entstandene Lösung lässt den erfahrenen Zerspaner staunen. Die ist ein professionelles Mikrobearbeitungszentrum, welches äußerst flexibel an die unterschiedlichsten Anforderungen adaptiert werden kann. Kennzeichnend ist nicht nur die äußerst kompakte Bauweise in hochwertigster Ausführung, sondern auch die Trennbarkeit der Module. Der Fokus liegt hierbei auf der Modularität in Miniaturgröße für miniaturisierte Bearbeitungsaufgaben. Max. 0,9 m² Stellfläche werden für die vollwertige 5-Achs-Bearbeitung benötigt. Plug and Play beschreibt nicht nur die Technik des Produktes, dies gilt auch für den Transport, die passt ohne Demontage durch jede Standardtür.
Der optimale Zugang sowie ein idealer Sichtbereich zum Werkstück erlauben dem Bediener/in eine ergonomische Maschinenbedienung. Hierzu trägt auch die als Sitzarbeitsplatz ausführbare Arbeitstischhöhe bei, mit der selbst kleinste Bauteile von zwei Seiten gut gesehen und gegriffen werden können.
Die Modularität ermöglicht es, das Bearbeitungsmodul separat in Montageanlagen zu integrieren, während die Versorgungseinheit außerhalb bleibt. Die Maschine ist als klassisches Bearbeitungszentrum ausgeführt. Eine Weiterentwicklung sieht jedoch auch vor, weitere Bearbeitungsmethoden zu integrieren. Die aktuell eingesetzte Hochleistungsspindel kann dann z. B. durch eine Laseroptik oder durch eine Dosiereinheit ersetzt werden, wodurch weiter Mikroproduktionsaufgaben mit einer Basiseinheit durchgeführt werden können. Integriert in eine Automatisierungszelle kann das Teilehandling wesentlich vereinfacht werden.
Gerade beim Werkzeugwechsel zeigt sich wiederum der Einfluss aus der Automatisierungstechnik. Die ist mit einem Werkzeugwechsler für 12 Werkzeuge ausgerüstet. Das durchdachte System der Direktspannung ermöglicht es, auf kostenintensive Werkzeughalter zu verzichten. Die bauartbedingte Konstruktion des mitfahrenden Magazins gestattet kürzeste Werkzeugwechselzyklen. Der Anwender kann sein Werkzeugmagazin zur Vergrößerung der Werkzeuganzahl ohne Probleme um mehrere Magazinplatten erweitern. Ein weiteres wichtiges Thema ist der Umweltaspekt. Trotz hoher Dynamik kann der Energieverbrauch der geräuscharmen Maschine durch reduzierte bewegte Massen gesenkt werden. Der konsequente Einsatz von MMS unterstreicht die Nachhaltigkeit.
Mit diesem Ansatz aus der Trickkiste der Automatisierungstechnik ist es umfassend gelungen, ein vielseitig einsetzbares 5-Achs-Mikrobearbeitungszentrum zu realisieren. Die bekannte minimalistische jedoch flexible und robuste Herangehensweise der Automatisierer stellt eine äußerst ernst zu nehmende Alternative zu den aktuellen Systemen dar. Insbesondere kommt dieser Lösungsansatz den üblichen Vorbehalten gegenüber der Mikrozerspanung, nämlich filigrane und kompliziert zu beherrschende Prozesse, entgegen. Und das immer da, wo es eigentlich mehr um eine kostengünstige 5-Achsmikrobearbeitung als um den Nanometer geht. ■
Zorn microsolution GmbHwww.zorn-microsolution.com
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