Prozesskette zur Herstellung mikrostrukturierter Bauteile unter Rückkopplung der erfassten Teilegeometrie mit Nullpunktspannsystemen (MIKROPROKET)

Problemstellung
Stabile und reproduzierbar eingestellte Fertigungsprozesse erfordern beherrschte Produktions¬¬verfahren und Anlagentechnik, ebenso wie die Verfügbarkeit von an den Produktionsprozess angepassten bzw. integrierten, robusten und gleich¬zeitig bauteilflexiblen Mess¬konzepten.
Im Bereich der Mikrostrukturierung kommen zunehmend materialabtragende Verfahren der Mikro¬funkenerosion, des (Ultra-)Präzisionszerspanens, der mechanischen (Feinst-)Bearbeitung und der Laserablation zum Einsatz. Aufgrund der vorherr¬schen¬den rauen Prozessbedingungen bei Dreh-, Fräs-, Erodier-, Laser- oder Schleifprozessen, ist es in der Mikrostrukturierung trotz intensiver Bemühungen bis jetzt nicht gelungen, die Messtechnik direkt in der Fertigungsmaschine zu integrieren und somit zwischen einzelnen Bearbeitungsschritten Messungen durchzuführen. Dies hemmt eine rasche Weiterentwicklung in diesem Bereich. Fragestellungen, insbesondere wie Werkstücke mit Erhalt der für die Mikrosystemtechnik erforderlichen Präzision gespannt, transportiert bzw. durch Handling positioniert werden können sind bisher ebenfalls nur unzureichend geklärt. Dies umfasst u. a. auch Fragen der Rückkopplung von Mess¬ergebnissen in den Fertigungsprozess und die Entwicklung von dringend benötigten, geeigneten, hochpräzisen Spann- und Palletiersystemen. Derzeit werden am Markt Systeme mit einer Wechselgenauigkeit von 2µm oder schlechter angeboten. Diese Systeme genügen demnach nur noch bedingt den gestiegenen Erfordernissen der Anwender nach Strukturgenauigkeiten von besser als 1µm.
Um die führende Position deutscher Produktionstechnik-Anbieter und der Mikroproduktion zu wahren und weiter auszubauen ist es erforderlich, eine verlässliche, zertifizierte Fertigung samt ent¬sprechenden Nachweisen der erzielten Präzision realisieren zu können. Dies muss generell einher gehen mit einer Minimierung der Ausschussquote und einer Reduzierung der Kosten bei der Herstellung von Mikrobauteilen. Im Verbundprojekt MIKROPROKET wurde daher diese die Möglichkeit der dezentralen Bewertung von Bauteilen mit anspruchsvollen Mikrostrukturen im materialabtragenden Fertigungs¬prozess, sowie die Rückkopplung, untersucht und als Basis für eine zielgerichtete Optimierung der verfahrenstechnischen Prozesskette genutzt.

Vorgehensweise
Zunächst wurden prozesstypische Mikroteile ausgewählt und beispielhafte Prozessketten mit ihren Schnittstellen definiert. Anschließend erfolgte die Auslegung, Fertigung und Evaluierung des Spannsystems mit Referenzmarke. Parallel dazu wurden Messverfahren zur hochgenauen Ermittlung der Soll-Istwert-Abweichungen entwickelt und die Konzepte für die Datenrückkopplung entworfen. Anschließend erfolgte die Überprüfung und Bewertung an Musterteilen im realen Fertigungsprozess.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Als Ergebnis des Projektes entstand ein universell einsetzbares Spann- und Palletiersystem für die Mikrofertigung, dessen Wechselgenauigkeit 1µm beträgt. Diese Genauigkeit wird selbst beim Wechsel zwischen unterschiedlichen Bearbeitungs- und Messmaschinen an unterschiedlichen Standorten eingehalten. Das System zeichnet sich gleichzeitig durch einen kompakten und bedienerfreundlichen Aufbau aus. Darüber hinaus wurden Prüfkörper und Einstellhilfen entwickelt und aufgebaut. Es entstanden Programmmodule für die Rückkopplung von geometrischen Messwerten, welche es ermöglichen die Einstellungen der Bearbeitungsmaschine zu korrigieren und damit die Fertigungspräzision zu steigern. Die Projektergebnisse können insbesondere bei der Funkenerosion, aber auch bei Bearbeitungsverfahren wie Drehen, Fräsen, Schleifen und der Laserbearbeitung zum Einsatz kommen und ermöglichen eine noch genauere Fertigung und eine reduzierte Ausschussquote bei anspruchsvollen Bauteilen. Diese kommen u. a. in der Mikrosystemtechnik, dem Automobilbau und in der Medizintechnik zum Einsatz.

• Hirschmann GmbH
• Institut für Mikrotechnik Mainz e.V. & Co. KG
• Werth Messtechnik GmbH
• Zimmer & Kreim GmbH & Co. KG