Beitrag zur Beherrschung der Mikrofräsbearbeitung von Polymethylmethacrylat

Kurzfassung
Prototypen von mikrofluidischen Systemen werden heutzutage mittels Mikrofräsen hergestellt.
Ein verbreiteter Kunststoff hierfür ist der Thermoplast Polymethylmethacrylat, kurz PMMA.
Bei der Herstellung der Systeme stellen die applikationsangepasste Werkzeugauslegung für
Fräserdurchmesser D ≤ 50 μm sowie das gegenwärtig noch fehlende Prozessverständnis bei der
Zerspanung die Hauptgrenzen dar. Hauptziel dieser Arbeit ist die Beherrschung der
Mikrofräsbearbeitung von PMMA mit einer 3-achsigen Fräsmaschine. Die
Hauptanforderungen für die Prozessauslegung liegen in der Herstellung mikrofluidischer
Strukturen mit einer Rauheit Ra < 60 nm am Nutgrund und einer Grathöhe an den Flanken h0 < 3 μm. Die Prozessauslegung umfasst dabei die komplette Kette von der CAD-Datei bis hin zur Herstellung prototypischer mikrofluidischer Strukturgeometrien. Unter diesen Aspekten ergeben sich als Teilziele das Vertiefen des Fräsprozessverständnisses sowie die Auslegung von Mikroschaftfräsern und CAM-Bearbeitungsstrategien, die die genannten Anforderungen bestmöglich erfüllen. Die Untersuchungen erfolgten mit einschneidigen Mikroschaftfräsern D ≤ 50 μm. Basierend auf der im Fräsprozess vorkommenden Kinematik wurden für das Stirnund Umfangsfräsen relevante Beziehungen für die Werkzeug-Werkstück-Interaktion abgeleitet. Hierbei ließ sich nachweisen, dass die von der Spindeldrehzahl abhängige Plan- und Rundlaufabweichung des Spindel-Werkzeug-Systems für das erreichbare Arbeitsergebnis maßgebend ist. Nur unter Berücksichtigung dieser Mikro-Maschine-Spindel-Prozess- Interaktion (MikroMSPI) lässt sich der Prozess reproduzierbar auslegen. Die erzielten Erkenntnisse führen zu einem allgemeingültigen Prozessverständnis, welches auch die Beherrschung anderer Mikrofräsbearbeitungen ermöglicht und somit der Erschließung neuer Anwendungsgebiete dient. Abstract Today, prototypes of microfluidic systems are produced via micro milling. Here, the common thermoplastic used is polymethyl methacrylate (PMMA). Main limitations are the design of application adapted tools with diameters D ≤ 50 μm, and the understanding of the machining process itself. Main requirements for process design involve the manufacture of microfluidic structures with Ra < 60 nm on the groove bottom and a top burr overhang h0 < 3 μm. The objective of this work is the mastery of stable PMMA micro milling with tool diameters D ≤ 50 μm on a 3-axes milling machine. For this purpose, the process design covers the complete process chain - from the CAD data file up to the final structure geometry of microfluidic prototypes. The objectives are to design single-edge micro end mills, establish milling parameters, and define CAD/CAM machining strategies that meet the requirements as good as possible. Based on the kinematic of micro milling with single-edge tools, relevant toolworkpiece- interactions for the face and peripheral milling were derived. The influence of the spindle-tool-system and its interaction with the machining results was researched among other factors. There is a strong influence of the spindle-tool-system by working with D ≤ 50 μm, and the spindle speed dependent axial and radial runout is decisive for the achievable machining results. Taking the micro-machine-spindle-process-interaction (MicroMSPI) into account makes the repeatability and reproducibility of the process possible. The results and findings obtained, provide a universal understanding of the micro end milling process. This enables the process control for other micro end mill applications and opens up new markets.