Ultraschall lässt Diamantwerkzeug tanzen

„Die Ultrasonic-Technologie bearbeitet Hochleistungswerkstoffe wie Keramik oder Hartmetall mit bis zu dreimal höheren Abtragsraten als herkömmliche Verfahren“, sagt Alexander Wolff. Selbst Siliziumcarbid (SiC) oder Siliziumnitrid (Si3N4) sind damit nach Auskunft des Technischen Vertriebsleiters der Stipshausener Sauer GmbH sicher und wirtschaftlich in Form zu bringen. „Diese beiden Materialien sind besonders verschleißfest und medienbeständig. Aber sie lassen sich noch schwieriger bearbeiten als Aluminiumoxid oder Zirkonoxid.“ Bis dato gebe es kein konventionelles Fertigungsverfahren, das Vergleichbares leiste. Überall dort, wo es harte und spröde Werkstoffe in Form zu bringen gilt, ist die Ultrasonic-Technologie in ihrem Element. Mit ihr kann der Anwender sowohl vorgefertigte Keramikwerkstücke nach dem Sintern fertig bearbeiten als auch ausgesintertes Rohmaterial komplett hartbearbeiten. Letzteres ist insbesondere dort sinnvoll und wirtschaftlich, wo kleinere Bauteile höchste Anforderungen hinsichtlich Form- und Maßgenauigkeit sowie Oberflächengüte erfüllen müssen. Schrumpfungsprozesse infolge des Sinterns, wie sie bei vorbearbeiteten Werkstücken auftreten, sind ausgeschlossen. Zudem entfällt die sonst vielfach erforderliche, zum Teil sehr aufwändige Nacharbeit.

Neben Anwendungsfeldern wie dem Werkzeug- und Formenbau, der Automobiltechnik oder der Fertigung von keramischen Verschleißteilen für Textilmaschinen, Pumpen und Armaturen, ist Sauer mittlerweile auch in der Medizintechnik aktiv. Gerade für kleinere Bauteile wie sie dort gefragt sind – etwa Gelenke, Implantate oder Zahnersatz – hat das zum Bielefelder Gildemeister-Konzern gehörende Unternehmen kürzlich eine neue Variante seiner Hartbearbeitungszentren vorgestellt. Zu den Highlights der Ultrasonic USC 20 linear gehört – neben den Linearantrieben, dem Gantry-Design und der kompakten 5-Achsen-Portalbauweise mit integriertem NC-Schwenkrundtisch – die Ultraschall-Bearbeitungsspindel. Je nach Typ lässt sie das Diamantwerkzeug zwischen 17 500 und 48 000 mal pro Sekunde pulsieren. Dadurch werden Kleinstpartikel aus der Werkstückoberfläche gelöst. Der immer wieder unterbrochene Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück reduziert die Prozesskräfte und thermische Belastungen deutlich. Das wiederum wirkt sich nicht nur auf die Standzeit der Tools positiv aus, sondern auch auf die Bearbeitungsmöglichkeiten. So lassen sich laut Wolff in harten, spröden Materialien beispielsweise prozesssicher Stege herstellen, die weniger als 0,3 mm dick sind.

Besondere Bedeutung kommt den geringen Prozesskräften auch beim Bearbeiten von geschäumten Keramiken zu. Sie werden unter anderem in der Medizintechnik für Implantate und Knochenersatz eingesetzt. Für Fertigungstechniker stellen sie eine größere Herausforderung dar. „Damit diese geschäumten Implantate gut verwachsen, müssen sie während des Bearbeitens möglichst offenporig bleiben“, erläutert Wolff. Bei herkömmlichen Verfahren wie dem Fräsen oder Schleifen bestehe die Gefahr, dass die Poren zuschmieren und das Ergebnis für den Patienten nicht optimal sei.

Aber nicht nur in funktionaler Hinsicht ist die Hartbearbeitung von Keramiken mittels Ultrasonic laut Wolff interessant: „Einige Kunden nutzen unsere Maschinen auch, um optische Effekte zu erzielen.“ So würden etwa Uhrengehäuse aus Zirkonoxid in Form gebracht und hochglanzpoliert.

Außer dem ultraschallunterstützten Hartbearbeiten von Hochleistungswerkstoffe mit bis zu 10 000 min-1, ermöglicht die USC 20 konventionelles HSC-Fräsen von weicheren Materialien mit bis zu 42 000 min-1. Die jeweiligen Werkzeuge werden über HSK-32-Aufnahmen eingewechselt.

Haider Willrett haider.willrett@konradin.de

Geringer Verschleiß und hohe Festigkeitswerte machen Hochleistungskeramiken für viele Anwendungen interessant. Aus genau diesen Gründen sind sie allerdings im ausgesinterten, harten Zustand auch schwer zu bearbeiten. Während geometrisch einfache Teile noch relativ gut mittels Schleifen, Honen und Läppen zu bearbeiten sind, stoßen diese Verfahren bei 3D-Freiformen – etwa Kniegelenken oder Zahnersatz – an Grenzen.

Einige Institute arbeiten an Lösungen. So wird am Fraunhofer-IPT in Aachen am laserunterstützten Zerspanen von Hochleistungswerkstoffen geforscht. Während das Drehen bereits funktioniert, ist das Fräsen noch problematisch – die Steuerungstechnik ist sehr komplex und filigrane Formen sind noch nicht machbar. Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Universität Hannover wurde ein automatisiertes System entwickelt, mit dem sich auch Kniegelenke grob in Form schleifen und danach passgenau polieren lassen.

Alle Verfahren, bei denen die Werkstücke vor dem Sintern vorgefertigt werden, haben den Nachteil, dass der Schwund exakt kalkulierbar sein muss und die Nach- und Feinarbeit vielfach komplex, zeitintensiv und teuer ist.

Hochleistungswerkstoffe sind in vielen Anwendungsfeldern auf dem Vormarsch. Mit Hilfe von Ultraschall lassen sich harte, spröde Materialien wie Keramiken wirtschaftlich in Form bringen. Außerdem ermöglicht die Technologie Bearbeitungen, die bisher so nicht machbar waren. Ein Beispiel sind besonders filigrane Stege.