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Mikrowasserstrahlschneiden erzeugt präzise monolithische Kinematiken

Mikrowasserstrahlschneiden
Monolithische Kinematiken übersetzen Bewegungen hochpräzise

Wo hinsichtlich der Kinematik mechanischer Systeme höchste Präzision gefordert ist, werden bewegliche Verbindungen wie Dreh- oder Gleitlager zu Schwachpunkten. Eine Alternative sind monolithische Konstruktionen, deren Verbindungen aus elastisch verformbaren dünnen Stegen bestehen. Bei ihrer Herstellung bietet das Mikro-Wasserstrahlschneiden Vorteile.

» Klaus Vollrath, Fachautor in Aarwangen/Schweiz

Monolithische Kinematiken kommen vor allem dort zum Einsatz, wo kleine Bewegungen mit höchster Präzision ausgeführt werden müssen“, sagt Walter Maurer, Inhaber der Waterjet AG in Aarwangen/Schweiz. Der Grund dafür: Typische Lagerprobleme wie abrupte Sprünge im Kraft-Weg-Verlauf, Spiel, Hysteresen bei Richtungsumkehr oder veränderte Eigenschaften infolge von Verschleiß treten nicht auf. Bei üblichen Dreh- oder Gleitlagern lassen sich diese Phänomene selbst bei sorgfältiger Ausführung nie wirklich auf Null reduzieren. Zudem sind sie anfällig gegen Korrosion sowie dem Eindringen von Staub oder Schmutzpartikeln.

Zu den Einsatzbereichen monolithischer Kinematiken gehören die Robotik, die Luft- und Raumfahrt, terrestrische Systeme für die Astronomie sowie Konstruktionen für die Medizintechnik, die Elektronenmikroskopie oder die Uhrenindustrie. Hinzu kommen Kraftübersetzer, etwa für Waagen, Sensoren für Bewegung und Beschleunigung im Maschinenbau sowie Positioniersysteme für Ultrapräzisionsmechaniken in zahlreichen Einsatzgebieten.

Aufbau monolithischer Kinematiken

„Wie ihre Bezeichnung schon andeutet, werden monolithische Kinematiken grundsätzlich aus dem vollen Grundmaterial eines einzigen Blechs oder Blocks herausgearbeitet“, erklärt Maurer. Die Verbindung der einzelnen mechanischen Komponenten untereinander erfolgt ausschließlich über schmale und damit flexible Stege. Diese ermöglichen Biegebewegungen in genau einer Achse, während sie gegenüber Kräften in der anderen Achse eine hohe Quersteifigkeit aufweisen. Diese Stege ermöglichen die gleichen Funktionen wie Drehachsen oder Drehgelenke bei klassischen mechanischen Konstruktionen.

Durch geschickte Anordnung und Dimensionierung können zudem Charakteristiken wie Übersetzungsverhältnisse oder Steifigkeiten definiert werden. Mit solchen Mechaniken sind Bewegungsauflösungen im Bereich von Nanometern bis Mikrometern bei Hublängen bis zu mehr als einem Zentimeter oder ± 15° bei rotativen Bewegungen erreichbar. An den Verbindungen gibt es weder Reibung noch Spiel und damit auch keinen Abrieb. Zudem sind diese Konstruktionen außerordentlich robust und weitgehend driftstabil.

Verfahren, um monolithische Strukturen herzustellen

„Um solche Bauteile herzustellen gibt es verschiedene Verfahren mit jeweils spezifischen Vor- und Nachteilen“, weiß Maurer. Häufig komme das Elektroerodieren mit Draht zum Einsatz. Damit lassen sich präzise Konturen mit vertikalen Schnittflanken erzielen. Darstellbar sind minimale Stegbreiten bis zu etwa 25 bis 30 µm. Dank des Einsatzes dünner Drähte mit Durchmessern bis herab zu 20 µm erreichen moderne Erodiermaschinen zudem sehr enge Schnittspalte. Ein Nachteil sind die hohen Bearbeitungszeiten und entsprechende Kosten, da die erforderliche Feinstbearbeitung zahlreiche sukzessive Durchläufe bedingt.

Hauptproblem beim Drahterodieren ist die Oberflächenschädigung des Materials durch die Funkenbildung, die zu einem partiellen Aufschmelzen des Werkstoffs mit nachfolgend schnellem Abschrecken führt. Dadurch bildet sich auf Stählen eine spröde „weiße Schicht“ von einigen Mikrometer Dicke. Im Oberflächenbereich der oft nur 30 µm dicken Stege verringern diese beidseitigen Schichten den Restquerschnitt „gesunden Materials“ erheblich. Hier können mikroskopische Schäden bei dynamischer Beanspruchung zu Dauerbrüchen führen. Zusätzlicher Nachteil der Drahterosion ist die Beschränkung auf elektrisch gut leitende Werkstoffe.

Seltener eingesetzte Verfahren sind die mechanische Bearbeitung mittels Fräsen oder das Laserschneiden. Fräsen macht nur bei Geometrien Sinn, die keine schmalen Spalte oder Schlitze im Material erfordern. Wegen der seitlichen Abdrängung der Fräswerkzeuge lassen sich senkrechte Schnittflanken umso schwieriger gewährleisten, je dicker das Material und je dünner die Fräswerkzeuge sind.

Mit dem Laserschneiden sind zwar kurze Bearbeitungszeiten möglich, jedoch lassen Präzision und Oberflächenqualität der Schnittflanken deutlich zu wünschen übrig. Auch verbietet sich der Lasereinsatz bei thermisch empfindlichen Werkstoffen wie Glas- oder Carbonfaserverbunden.

Bearbeitung mit dem Mikrowasserstrahlschneidverfahren

„Eine bisher noch selten eingesetzte Alternative zu den genannten Verfahren ist das von uns entwickelte Mikro-Wasserstrahlschneiden“, sagt Walter Maurer. Dessen wesentlicher Vorteil sei die völlige Schonung des Werkstoffs, da der Abtrag durch den Wasserstrahl ohne jede Erwärmung erfolgt. Dies ist ein entscheidender Unterschied zum Drahterodieren, bei dem die Oberfläche durch die Funkenüberschläge geschädigt und aufgeraut wird.

Mikrowasserstrahl schneidet alles mit minimalen Toleranzen

Die Achsen der von Waterjet entwickelten Mikrowasserstrahl-Schneidmaschinen erreichen eine Positionsgenauigkeit von ± 0,5 µm. Der Strahlkopf erzeugt einen haarfeinen Schneidstrahl mit einem Durchmesser von nur 0,2 mm bei Durchmesserabweichungen bis herab zu lediglich ± 1,5 µm. Damit sind nominelle Endgenauigkeiten bis zu ± 2 µm erreichbar, bei Schnittflächenrauheiten bis herab zu Ra-Werten von 0,5 µm. Die minimalen Schlitzbreiten liegen bei 0,2 mm. Bearbeitet werden können alle Werkstoffe von Kunststoffen über Stähle und Buntmetalle bis hin zu Hartmetallen und härtesten Keramiken. Die maximal bearbeitbare Materialdicke hängt von den Qualitätsanforderungen ab. Bei monolithischen Präzisionskinematiken aus gehärtetem Stahl liegt die Obergrenze bei etwa 5 mm, bei Aluminium, Buntmetallen und Titan je nach Anforderungen zwischen 8 und 10 mm. Bei weicheren Materialien wie Kunststoffen und Kunststoff-Verbunden sind Wanddicken bis 12 mm und teils auch darüber kein Problem.

Schnittflächenqualität

„Beim Mikrowasserstrahlschneiden sind die Schnittflanken im Unterschied zum Laser- oder zum Fräsverfahren einwandfrei vertikal“, betont Maurer. Dank raffinierter Auslegung der Geometrie von Düse und Fokussierrohr bleiben der Strahl und damit auch die von ihm transportierten Abrasivkörner über eine Strecke von mehr als 15 bis 20 mm eng fokussiert. Die Schnittflanken haben dadurch einen rechten Winkel zur Oberfläche. Weiterer „Trick“ der von Waterjet konzipierten Strahlkopf-Geometrie ist eine bevorzugt randnahe Verteilung der mitgerissenen Abrasivpartikel im Strahl. Damit wird die kreisförmige Geometrie der Düse beim Bearbeiten exakt abgebildet.

Bei entsprechend ausgelegter Vorschubgeschwindigkeit haben die Bearbeitungsbahnen sehr geringe Abstände, so dass die Oberfläche der Schnittkante entsprechend glatt ist. Bei besonders hohen Anforderungen können weitere Maßnahmen wie das Verwenden besonders feiner Abrasivpulver ergriffen werden. Die jeweiligen Vor- und Nachteile der verschiedenen Technologien sind in der unten stehenden Tabelle dargestellt. Nicht erfasst sind die Kosten, die zu sehr von den individuellen geometrischen Eigenschaften der Teile abhängen. Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang, dass höchste Genauigkeit und Oberflächengüte beim Drahterodieren nur durch bis zu sieben sukzessive Bearbeitungsgänge erreicht werden, was die Kosten dieses zeitintensiven Verfahrens in die Höhe treibt. Beim Mikrowasserstrahlschneiden ist dagegen lediglich ein Durchgang erforderlich.

Kontakt:
Waterjet AG
Mittelstrasse 8
CH-4912 Aarwangen
Schweiz
Tel.: +41 62 91942 82
info@waterjet.ch
www.waterjet.ch

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