SMM InnovationsForum 2017 Mikrobearbeitung: Tendenz oder Realität?

Redakteur: Anne Richter

Das 1974 gegründete Unternehmen Willemin-​Macodel ist auf die Entwicklung und Herstellung von Hochleistungswerkzeugmaschinen spezialisiert. Hauptanwendungen sind die Bearbeitung mit fünf Simultanachsen und die Multiprozess-Stangenbearbeitung für die Fertigung von Präzisionsteilen.

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Dank der Parallelkinematik erreicht die 701S von Willemin-Macodel Oberflächengüten, die eine End- und Schleifbearbeitung reduzieren oder sogar überflüssig machen.
Dank der Parallelkinematik erreicht die 701S von Willemin-Macodel Oberflächengüten, die eine End- und Schleifbearbeitung reduzieren oder sogar überflüssig machen.
(Bild: Willemin-Macodel)

Seit mehreren Jahren ist eine ständig zunehmende Tendenz zur Miniaturisierung der Gegenstände erkennbar. Oder anders gesagt: Man spricht immer mehr von «Downsizing», Funktionsverdichtung, Gewichts­reduktion, Reduzierung des Material- und Energieverbrauchs. Diese Entwicklung führt zu einer stärkeren Nachfrage nach extrem kleinen Teilen mit hohen Anforderungen an die Massgenauigkeit, geometrische Exaktheit und Oberflächengüte. Die zahlreichen Anwendungen sind hauptsächlich im Mikrospritzguss für die Herstellung von LED-Leuchten und Linsen, in der Medizintechnik für die sensorische Rekonstruktion und mikrochirurgische Instrumente, in der Uhrenindustrie für Werkteile und allgemein in der Sensortechnik anzutreffen. Für die Produktion solcher Kleinstteile kommen verschiedene Fertigungsverfahren zum Einsatz. Additive Verfahren wie das selektive Laserschmelzen und -sintern, Elektronenstrahlschmelzen und Pulverspritzen weisen ein hohes Potenzial auf. Aber auch zerspanende und subtraktive Verfahren wie die Laserbearbeitung, elektroerosive Bearbeitung, Ultraschallbearbeitung, elektrochemische Bearbeitung und schliesslich die Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen werden häufig verwendet. Zurzeit ist die Bearbeitung mit Schneidwerkzeugen sogar das einzige Verfahren, mit dem die Erfüllung der hohen Anforderungen in Bezug auf die Geometrie und Oberflächengüte garantiert werden kann.

Höchste statische und dynamische Präzision mit Parallelkinematik

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, entwickelte Willemin-Macodel ein Grundkonzept, das auf der Parallelkinematik mit Delta-Struktur basiert und ein bis heute nur selten erreichtes ausbalanciertes Verhältnis zwischen Werkstück- und Maschinengrösse bietet. Die Idee, eine Bearbeitungsmaschine mit einer parallelen Kinematik zu entwickeln, ist an sich nicht neu. Giddings & Lewis präsentierte bereits 1994 eine Hexapod-Struktur an der IMTS in Chicago, doch diese Technik war nie derart ausgereift und leistungsstark. Die Verbindung von drei ausserordentlichen Kenndaten, das heisst eine sehr geringe bewegte Masse des Bauteils, eine sehr hohe Auflösung der Massstäbe und eine hohe Frequenz des Regelkreises, gewährleisten höchste statische und dynamische Präzision. Die direkte Befestigung des Werkzeugs in der Spindelwelle reduziert die Restunwucht an der Werkzeugspitze, was die Bearbeitungspräzision, die Oberflächen­güte und die Standzeit der Schneidwerkzeuge zusätzlich verbessert.

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Dank Oberflächengüte Schleifbearbeitung reduzieren

Die Maschine 701S schiebt die Grenzen der herkömmlichen Bearbeitung weit hinaus. Dank sehr hoher dynamischer Leistungsmerkmale beträgt ihre maximale Bahnabweichung bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung weniger als 0,2 μm. Diese hervorragende Dynamik ermöglicht Bearbeitungsstrategien, die beim Fräsen aussergewöhnliche Oberflächenrauheiten Ra von unter 20 nm erreichen. Aufgrund der vorzüglichen technischen Kenndaten der Maschine können kostspielige End- und Schleifbearbeitungen, die oft die geometrische Exaktheit beeinträchtigen, reduziert oder sogar ganz überflüssig gemacht werden. Die Maschine ist für Bearbeitungen innerhalb eines Zylindervolumens von 52 mm Durchmesser und 30 mm Höhe, also speziell für die Mikrobearbeitung, konzipiert. Die grösste Herausforderung bei der Bearbeitung von Mikroteilen liegt praktisch immer im Halt und in der Aufspannung des Werkstücks selbst. Verschiedene Überlegungen wurden angestellt, um eine geeignete Lösung zu entwickeln. Indem das Werkstück auf Aufnahmeflächen befestigt wird, die nach der Fertigstellung nicht mehr Teil des Werkstücks selbst sind, und eine hochpräzise Indexiervorrichtung hinzugefügt wird, können mit der 701S zwei einander gegenüberliegende Werkstückseiten bearbeitet werden. Ein zusätzliches Haltesystem erlaubt zudem das Abschneiden und abschliessende Konturenschneiden. Das Ergebnis sind komplett fertiggestellte Teile.

Gute thermische Stabilität ohne aufwändiges Kühlsystem

Dank ihrer perfekt achsensymmetrischen Konstruktion haben die Umgebungsbedingungen kaum Einfluss auf die Maschine. Auch ohne kostspieliges Kühlsystem, das viel Energie verbraucht, weist die Maschine eine gute thermische Stabilität auf. Ihr mittlerer Stromverbrauch im Betrieb ist sehr gering und beträgt um die 2,1 kW, was mit demjenigen eines Haartrockners vergleichbar ist. Das Verhältnis zwischen der installierten Leistung und dem Leistungsbedarf für den Bearbeitungsprozess ist extrem vorteilhaft. Ausserdem stehen verschiedene Automatisierungslösungen zur Verfügung, die aus der Maschine eine echte und äusserst flexible Fertigungszelle machen.

Die derzeit umfassendste Lösung stellt die Ergänzung mit einem auf einer Linearachse montierten Mehrgelenkroboter dar, der das Laden und Ablegen der Werkstücke auf mehreren nebeneinander angeordneten Maschinen ermöglicht. Mit dem Konzept der Maschine 701S und ihren Automatisierungsmöglichkeiten ist Willemin-Macodel ein Hauptakteur im Bereich der hochanspruchsvollen subtraktiven Mikrobearbeitung.

www.willemin-macodel.com

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