EinleitungDie Fertigung von einzelnen Mikroteilen und Mikrosystemen lässt sich auch heute noch anhand der für die Formgebung verwendeten Verfahren einteilen. Monolithische Mikrosysteme mit elektronischen, mechanischen, optischen oder fluidischen Funktionen werden überwiegend durch planar arbeitenden Verfahren, die ursprünglich der Mikroelektronik entstammen, hergestellt. Hierbei handelt es sich um Varianten der Lithographie, des Ätzens oder der Galvanik. Charakteristische Merkmale dieser Verfahren sind:
Auf der anderen Seite entsteht ein steigender Bedarf für hybride mikrotechnische Systeme. Hierbei handelt es sich im ersten Ansatz um eine weitere Miniaturisierung feinwerktechnischer Systeme, die in der Vergangenheit lediglich mechanische Funktionen erfüllen konnten. Heute werden diese Systeme um elektronische, optische oder fluidische Funktionen erweitert. Hybride "subfeinwerktechnische" Systeme sind unter dem Gesichtspunkt der Größenordnung zwischen der Feinwerktechnik und der Mikrosystemtechnik anzusiedeln. Teilweise stark vorhandene Überlappungsbereiche zwischen den einzelnen Systemarten werden in dieser Darstellung zunächst vernachlässigt. Diese hybriden System sind gekennzeichnet durch:
Für die Herstellung der Teile und Baugruppen hybrider Mikrosysteme stehen verschiedene Basistechnologien zur Verfügung. Hierzu gehört z.B. die Mikrozerspanung, Laserbearbeitung, Klebe- und Lötverfahren sowie angepasste Verfahren der Handhabungs- und Montagetechnik. Der gesamte Herstellprozess geschieht dabei in Prozessketten, die in ihrem Aufbau an diejenigen der konventionellen Fertigung angelehnt sind. Forschungsarbeiten am Laboratorium für Fertigungstechnik der UniBw HamburgSowohl bei der Erzeugung der Bauteilgeometrie als auch bei den Aufbau und Verbindungstechniken sowie den daraus erzeugten Prozessketten für die Herstellung hybrider Mikrosysteme ergeben sich signifikante Unterschiede im Vergleich zu den entsprechenden Technologien zur Herstellung konventioneller Bauteile und Baugruppen, z.B. des Maschinenbaus. Die Ursachen hierfür liegen in verschiedensten Größeneffekten, die bei der Skalierung (Verkleinerung) von Bauteilen und den dafür benötigten Fertigungsprozesse auftreten. Einige Beispiele für Größeneffekte sind:
Weitere Größeneffekte ergeben sich aus den Anforderungen an die Positionier- und Spanngenauigkeit bei der Geometriegebung und beim Fügen dieser Mikrobauteile. Hier wird heute ein enormer Aufwand für das Spannen in den Bearbeitungsmaschinen, das Speichern oder Magazinieren zwischen den Bearbeitungsschritten und das Vereinzeln und erneute genaue Positionieren und Spannen für den folgenden Fertigungsschritt betrieben. Neben der Beeinflussung der Fertigungskosten ergeben sich daraus eine große Zahl von Fehlermöglichkeiten, die einen direkten Einfluss auf die Bauteilqualität haben. In einem neuen Ansatz sollen deshalb Methoden zur Prozesskettenbildung im Arbeitsraum einer Fertigungseinrichtung entwickelt werden. Hierzu wurde in Zusammenarbeit mit den Firmen Kugler (Mikrozerspanung) und Lasag (Laserstrahlquelle) ein neuer Maschinentyp entwickelt, der die Verknüpfung zerspantechnisch und laser-basierter Technologien zu Prozessketten der Mikrobearbeitung ermöglicht. Dies stellt einen wesentlichen Schritt zur Komplettbearbeitung von Mikrobaugruppen dar. Im folgenden Bild sind Beispiele für Fertigungsverfahren gezeigt, die zu ein oder mehrstufigen Prozessketten im Arbeitsraum der neuen Maschine kombiniert werden können. Hierbei wird grundsätzlich zwischen einstufigen und mehrstufigen Prozessketten unterschieden. Einstufige Ketten bestehen lediglich aus zwei Fertigungsschritten, z.B. einer Zerspanoperation und einer Laseroperation, die hintereinander durchgeführt werden. Mehrstufige Prozessketten bestehen aus mehr als zwei Operationen, die nacheinander abgearbeitet werden, wobei sich im vorliegenden Maschinenkonzept spanenden Bearbeitung und Laserbearbeitung auch abwechseln können. Hybride Prozesse, wie zum Beispiel das laserunterstützte Drehen, bei dem zeitgleich zur Zerspanung die Laserenergie an die Wirkstelle zugeführt wird, sind mit dem Maschinenkonzept ebenfalls realisierbar.
Im Folgenden soll das Maschinenkonzept erläutert werden. Der prinzipielle Aufbau der Maschine ist in den Bildern 2 und 3 dargestellt. GestellDas Gestell der Maschine besteht aus Naturgranit. Hierdurch wird gegenüber herkömmlichen Konzepten ein verbessertes thermisches und dynamisches Verhalten erreicht. Das Konzept der drei Linearachsen entspricht der Portal-Bauweise mit feststehendem Ständer, wobei die Y-Achse in den Tisch eingelassen wurde. Hierdurch wurde die Gestaltung der Maschine hinsichtlich der Nachgiebigkeit durch die erreichte gedrungenere Bauweise optimiert. X- und Z-Achse befinden sich am Ständer der Maschine. FührungenDie X- und Y-Achse sind luftgelagerte Achsen mit Linearantrieb. Die Positionierauflösung liegt unter 10 nm bei einer relativen Positioniergenauigkeit von ±0,5 nm. Die Z-Achse ist eine mechanisch gelagerte Achse mit einer Positionierauflösung von 10 nm bei einer relativen Positioniergenauigkeit von ±0,3 µm. Die Verfahrwege betragen:
Der Vorteil der Lineardirektantriebe ist, daß Fehlereinflüsse, die z.B. bei Spindel-Mutter-Systeme auftreten, von vorneherein ausgeschlossen werden. SpindelAls Spindel ist eine Schleifspindel mit einer maximalen Drehzahl von 160000 1/min bei einer Leistung von 0,5 kW vorhanden. Die Spindel wird durch eine Öl-Lufteinheit geschmiert und mit einem Extra-Aggregat gekühlt. Für die Ansteuerung steht ein entsprechender elektronischer Frequenzumformer zur Verfügung. LaserstrahlquelleDie Mikrobearbeitungsmaschine enthält einen gepulsten Nd:YAG-Laser zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Die mittlere Leistung des Lasers beträgt 220 W, die maximale Pulsleistung beträgt bei einer Pulsdauer von 3 ms maximal 3 kW. Die Pulsdauer kann zwischen 0,1 bis 20 ms variiert werden. Der Bearbeitungskopf wurde von der Laserstrahlquelle abgetrennt und neben der Spindel an der Z-Achse montiert. Dazu ist es erforderlich, den Laserstrahl als Freistrahl mit einer Länge von bis zu 1,86 m zu führen. Um die Sicherheit auch beim Verfahren der Achsen zu gewährleisten, ist der Freistrahl durch eine Teleskopabdeckung gesichert. Zusätzlich zum Bearbeitungskopf steht noch eine Lichtleitfaser (Durchmesser 0,2 mm, Länge 3 m) zur Verfügung. SteuerungFür die Steuerung der Maschine wurde eine offene, PC-basiert Steuerung gewählt. Dadurch werden Regelungskonzepte wie z.B. adaptive control geometry (ACG), adaptive control optimization (ACO), adaptive control constraint (ACC) leicht realisierbar. Weiterhin wird die steuerungstechnische Verknüpfung des Zerspanprozesses und des Lasers in einem Arbeitsraum möglich. Angestrebt ist dazu der Aufbau einer CAM-Kette. Die hier beschriebenen Maschine ist Mitte Dezember im Laboratorium für Fertigungstechnik an der Universität der Bundeswehr in Hamburg in Betrieb genommen worden. Nach einer Einarbeitungsphase werden wir an dieser Stelle demnächst die ersten Bearbeitungsbeispiele vorstellen. |
