SUCCESS STORY – Good Vibrations für die Senkerosion-- Steffen Arnold --Good Vibrations für die Senkerosion
Piezoaktoren beschleunigen die Mikrostrukturierung

Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Auf der Römerstr. 1, 76228 Karlsruhe, Deutschland
Tel. +49 721 4846-0, Fax +49 721 4846-1019, E-Mail info@pi.de, www.pi.de

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SUCCESS STORY – Good Vibrations für die Senkerosion-- Steffen Arnold--Aktoren, die auf dem Piezoeffekt basieren, bewegen große
Lasten mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich undAnsprechzeiten unter einer Millisekunde, wodurch ein
dynamischer Betrieb mit hohen Scanfrequenzen möglich ist.
Weil sie zudem keine im klassischen Sinn bewegten Teilehaben, sind Piezoaktoren nicht nur langlebig, sondern auchwartungsfrei. Von diesen Eigenschaften profitieren ganz
unterschiedliche Anwendungsbereiche, angefangen von derMedizin- und Dosiertechnik über die Photonik undHalbleitertechnik bis hin zur Automatisierungs- undFertigungstechnik. Überall tragen die kleinen Kraftpakete
immer wieder dazu bei, die Technik voranzutreiben. WennzumBeispiel
mit
Senkerosion
mikrostrukturierte
Präzisionsbauteile gefertigt werden, helfen Piezoaktoren
dabei, die Produktionszeiten drastisch zu verkürzen.

Abb. 1

Sonodrive 300 Vibrationsspindel (Bild: ICT-IMM)

Abb. 2Eine Bohrung mit 64 µm Durchmesser erzeugt mit einer
Senkerodiermaschine
mit
Vibrationsbohrspindel.
DieAbweichung von der Rundheit und Zylindrizität der Bohrung
beträgt jeweils lediglich 1 µm (Bild: ICT-IMM)

Abb. 3Eine Bohrung mit lediglich 20 µm Durchmesser erzeugt mit einer
Senkerodiermaschine, die mit der Vibrationsbohrspindelausgestattet war (Bild: ICT-IMM)

Die steigende Komplexität von Produkten und Prozessen
fordert von den Fertigungsverfahren einen immer höheren
Durchsatz, gesteigerte Präzision und Geometrievielfalt sowie
eine exakte Wiederholfähigkeit. Gleichzeitig geht in derAutomatisierung
derTrend
weiterinRichtung
Miniaturisierung.
Kein Wunder also, dass auch im Bereich der Senkerosion
inzwischen mikrostrukturierte Präzisionsbauteile gefertigt
werden, oft sogar in großen Stückzahlen. Beispiele finden sichbei der Herstellung von Filterelementen oder bei
Einspritzdüsen für die Automobilindustrie. Auch für die
Mikrostrukturierung
sinddeshalb
wirtschaftliche
Fertigungsverfahren zunehmend notwendig; Kosten- und
Ressourceneffizienz spielen in diesem Zusammenhang eine
wichtige Rolle.

Schneller erodieren mit derVibrationsspindel
Dieser Thematik hat sich das Institut für Mikrotechnik inMainz (ICT-IMM), das ab 2014 zur Fraunhofer Gesellschaft
gehört, angenommen.
Mit der Sonodrive 300 (Abb. 1) wurde eine VibrationsspindelzurSerienreife
gebracht,
diebei
hochpräzisenMikrobohrungen durch ein patentiertes Verfahren dieBearbeitungszeiten
gegenüber
herkömmlichem
Standardequipment um bis zu 60 % verkürzen kann (Abb. 2und Abb. 3). Die Spindel rotiert und vibriert gleichzeitig,
wodurch die beim Erodieren entstehenden Partikel sich nicht
in der Bohrung absetzen und nicht wieder erodiert werden
müssen.

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Bei konventionellen Methoden ist das unvermeidlich, da im
Mikrobereich aufgrund der geringen Elektrodenabmessungennicht mehr gespült werden kann. Je nach zu bearbeitendem
Material und Aufgabenstellung ist der Vibrationsweg
einstellbar und lässt sich auch während des Prozesses
jederzeit anpassen.
Gegenüber konventionellen Verfahren bringt dies erhebliche
Geschwindigkeitsvorteile, beschleunigt also den gesamten
Produktionsprozess. (Abb. 4). Bei einer Sack-Bohrung von0,2 mm Durchmesser in einem 1,0 mm starken VA-Material
reduzierte sich im Test auf einer Senkerodiermaschine EA12
von Mitsubishi Electric die Bearbeitungszeit von 200 auf
knapp 80 Sekunden.

Abb. 4

Auf einer Senkerodiermaschine Agie Compact war dieDurchgangsbohrung von ebenfalls 0,2 mm Durchmesser ineinem 0,4 mm dicken VA-Material mit der Vibrationsspindel
gleichfalls um ca. 60 % schneller (Abb. 5). Dabei vereint dasneue Spindelprinzip eine hohe Rundlauftoleranz von absolut 1bis 2 µm bei einer Drehzahl bis zu 3500 min-1 mit einer
hochfrequenten Vibration bis maximal 300 Hz und einem Hub
bis zu 15 µm.
Die Spindel passt als „Plug & Play“-Lösung zu allen
marktüblichen Senkerodiermaschinen. Auch die passende
ebenfalls
vomIMM
entwickelte
miniaturisierte
Drahtabzugsvorrichtung lässt sich einfach integrieren. DieRundlauftoleranz lässt sich so auf absolut 1 µm verbessern.

Bei einer Sack-Bohrung von 0,2 mm Durchmesser in einem
1,0 mm starken VA-Material reduzierte sich im Test auf einer
Senkerodiermaschine EA12 von Mitsubishi Electric die
Bearbeitungszeit von 200 Sekunden auf knapp 80 Sekunden(Bild: ICT-IMM)

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SUCCESS STORY – Good Vibrations für die Senkerosion-- Steffen Arnold--Abb. 5

Auf einer Senkerodiermaschine Agie Compact war die
Durchgangsbohrung von ebenfalls 0,2 mm Durchmesser in einem
0,4 mm dicken VA-Material mit der Vibrationsspindel gleichfalls
um ca. 60 % schneller (Bild: ICT-IMM)

Piezoaktor sorgt für die Vibration
Möglich wurde dieser Technologiesprung für die
Mikrostrukturierung durch die Kombination, einer gehörigen
Portion Knowhow und dem Einsatz technisch hochwertiger
Komponenten. Für die Vibration sorgt beispielsweise ein
Piezoaktor(Abb.
6)
ausdembreitgefächerten
Produktprogramm von Physik Instrumente (PI).
Für diese Wahl sprachen gleich mehrere Gründe. So ist dieErzeugung von Vibrationen eine geradezu klassische PiezoAnwendung, denn beim Anlegen einer Wechselspannung
beginnt das Piezoelement zu schwingen. Die Piezoaktoren
wandeln also elektrische Spannung direkt in mechanische
Auslenkung um. Dabei können typischerweise Stellwege voneinigen hundert Mikrometern bei hoher Dynamik mit
Frequenzen bis zu mehreren Hundert Hertz erreicht werden.
Die kurzen Ansprechzeiten der Piezos kommen derAnwendung als Vibrationsantrieb natürlich ebenfalls
entgegen.
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Abb. 6

Kompakter Piezoaktor: Die Erzeugung von Vibrationen ist einegeradezu klassische Piezo-Anwendung (Bild: PI)
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SUCCESS STORY – Good Vibrations für die Senkerosion-- Gernot Hamann --Mit 25 mm Höhe bei einem Durchmesser von 50 mm undeiner inneren Öffnung mit 25 mm Durchmesser ließ sich dergewählte Aktor außerdem gut in der Vibrationsspindel
einbauen (Abb. 7).

Es gibt jedoch noch weitere Argumente, die für den PiezoEinsatz sprechen: Da die Bewegung auf kristallinen
Festkörpereffekten beruht, ist Abnutzung bei dieser Technik
nicht zu befürchten; es gibt auch keine Zahnräder, Lager oderandere verschleißanfällige Mechanik. Der Piezoaktor ist damit
wartungsfrei. Diese Eigenschaft ist nicht zu vernachlässigen,da der Piezoaktor während der kompletten Bearbeitungszeit
läuft. Seine Zuverlässigkeit hat er z. B. bereits im Prototypen
der Vibrationsspindel bewiesen, den ICT-IMM seit etwa vierJahren mit um die 100 Millionen Betriebszyklen im Betrieb
hat.
Die Ansteuerung des Piezoaktors übernimmt ein effizienter,pulsweitenmodulierter
Hochleistungs-Verstärker,
derebenfalls von PI stammt (Abb. 8). Bei einer Spitzenleistung bis
280 W und einer Dauerausgangsleistung bis zu 100 W kannder speziell auf die Belange von Niedervoltpiezoaktoren
ausgelegte Verstärker einen Spitzenstrom bis 2000 mA
abgeben und aufnehmen. Dadurch ist der dynamische Betrieb
von Piezoaktoren mit hoher Kapazität bei einer Bandbreite bis
in den Kilohertzbereich möglich, jedoch für die
Mikrosenkerosion nicht nötig.

Abb. 8Abb. 7

In der Vibrationsspindel ließ sich der Piezoaktor platzsparend
integrieren (Bild: ICT-IMM)

Da sich Piezos auch für große Lasten eignen, ist die
permanente Bewegung der je nach Elektrode ca. 250 bis
450 g schweren Spindel für den kleinen Antrieb kein Problem.
Im Fall der Fälle kann er mehr als ein Kilo „stemmen“.
Elektromechanische Konstruktionen zur Vibrationserzeugung
dagegen kamen für diesen Einsatzfall nicht infrage; sie hätten
sich aufgrund ihres Aufbaus und ihrer Abmessungen nicht ineine praxisgerecht nutzbare Einheit integrieren lassen.

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Bei
einer
Spitzenleistungbis280 W
undeiner
Dauerausgangsleistung bis zu 100 W kann der speziell auf die
Belange von Niedervoltpiezoaktoren ausgelegte Verstärker einen
Spitzenstrom bis 2000 mA abgeben und aufnehmen (Bild: PI)Vibrationsunterstütztes
Elektrodenspannfutter bringt
ebenfalls Zeitersparnis
Piezoaktoren
haben
sichauchin
einem
vibrationsunterstützten Elektrodenspannfutter bewährt, dassich ebenfalls als „Plug & Play“-Lösung für alle marktüblichen
Senk-Erodiermaschinen sowie Spannsysteme eignet und mit
80 × 80 × 150 mm sehr kompakt baut (Abb. 9).

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SUCCESS STORY – Good Vibrations für die Senkerosion-- Gernot Hamann --Ergänzt werden diese Produktbereiche auf technologischerSeitedurch
Know-howinmechanischenPräzisionsbearbeitungsverfahren,Funkenerosion,Lasermaterialbearbeitung sowie durch eine Reihe vonReinraum basierten chemischen und physikalischen
Strukturierungsverfahren.

Über PIAbb. 9

Dank
Piezoaktor
ebenfalls
vibrationsunterstützt:das
Elektrodenspannfutter Microvibe 300 für die Mikrosenkerosion(Bild: ICT-IMM)

Auch hier beschleunigt die 300-Hz-Vibration mit einem
einstellbaren
Hubbis
15 µm
Vibration
den
Produktionsprozess erheblich: So ergab ein Langzeitversuch
mit einer Hartmetallelektrode (0,2 x 5 mm) und 7 mm
Einsenktiefe eine Zeitersparnis von 70 %. Die Produktionszeit
verkürzte sich von 17 Stunden und 20 Minuten auf 5 Stunden
und 15 Minuten. Anwendungsbereiche, die davon profitieren
können, gibt es viele. Typische Beispiele sind die
Mikrobearbeitung, der Werkzeug- und Formenbau sowie dieHerstellung von Bauteilen für Medizin-, Mess- undGerätetechnik. Als Vibrationserzeuger haben damit
Piezoaktoren wesentlich dazu beigetragen, die Technik desSenk-Erodierens bis in den untersten Mikrobereich
voranzutreiben.

Über das Fraunhofer ICT-IMMDas Fraunhofer ICT-IMM schlägt die Brücke von derGrundlagenforschungzurAnwendung,denn
dieEntwicklungen durchlaufen die Einrichtung von der Idee überdie Grundlagen- und anwendungsorientierte Forschung bis
hin zu ihrer Umsetzung in kundenspezifische Lösungen mit
Produktrelevanz.
DabeiwerdengleichmehrereThemenbereiche vereint, in denen an den Antworten derwirtschaftlich und gesellschaftlich relevanten Fragestellungender Zukunft gearbeitet wird.
Das Fraunhofer ICT-IMM forscht und entwickelt in den
Kernkompetenzen Dezentrale und Mobile Energietechnik,
Kontinuierliche Chemische Verfahrenstechnik, Medizinische
SondenundTechnischeSensorik,
MikrofluidischeAnalysesysteme und Nanopartikel-Technologien. Die daraus
gewonnenen Erkenntnisse und Entwicklungen finden
hauptsächlich in den Geschäftsfeldern Energie und Umwelt,
Chemie, Verfahrenstechnik und Luft- und Raumfahrt,
Biomedizinische Analytik und Diagnostik und Sicherheit sowie
Industrielle Analytik Anwendung.
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In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente(PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller vonPositioniersystemen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich
entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vierSitzen in Deutschland und fünfzehn ausländischen Vertriebsund Serviceniederlassungen international vertreten. Über 850
hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen die
PI Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereichinnovativer Präzisionspositioniertechnik zu erfüllen. AlleSchlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt.
Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung
kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik
ebenso wie die Positionssensorik.
Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem derweltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet
aktorischer und sensorischer Piezoprodukte.
Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiertauf flexible Positioniersysteme für UltrahochvakuumAnwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme
mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.

Autoren

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ beiPhysik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG
Dipl.-Ing.
Frank
Neumann,
Abteilungsleiter
Produktionsverfahren am Fraunhofer ICT-IMM in Mainz
Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee
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