Mit einem Anteil von 20,8 % der gesamten CO2-Emissionen in Deutschland im Jahr 2017 nimmt der Verkehrssektor eine Schlüsselrolle in der ökologisch notwendigen Minderung der Treibhausgase ein. Hierbei gilt es neben der Elektrifizierung des Nahverkehrs ebenfalls Lösungen für Nutzfahrzeuge zu finden, die weiterhin mit Verbrennungsmotoren ausgestattet werden. Ein hohes Potential zur Verbrauchsminderung bietet die Mikrostrukturierung von Zylinderlaufbuchsen. Der Nutzung der Technologie stehen jedoch lange Bearbeitungszeiten gegenüber. Daher befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung eines Hochleistungs-Strukturierungswerkzeuges von Zylinderlaufbuchsen. Zudem werden Methoden zur Erreichung einer hohen Prozesssicherheit sowie die Einbringung verschiedenartiger Mikroschmiertaschen erforscht. Des Weiteren erfolgt die Implementierung der Mikrostrukturierung in die Prozesskette des Honens der Laufbuchsen.
Aktualisiert: 2023-02-16
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Mit einem Anteil von 20,8 % der gesamten CO2-Emissionen in Deutschland im Jahr 2017 nimmt der Verkehrssektor eine Schlüsselrolle in der ökologisch notwendigen Minderung der Treibhausgase ein. Hierbei gilt es neben der Elektrifizierung des Nahverkehrs ebenfalls Lösungen für Nutzfahrzeuge zu finden, die weiterhin mit Verbrennungsmotoren ausgestattet werden. Ein hohes Potential zur Verbrauchsminderung bietet die Mikrostrukturierung von Zylinderlaufbuchsen. Der Nutzung der Technologie stehen jedoch lange Bearbeitungszeiten gegenüber. Daher befasst sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung eines Hochleistungs-Strukturierungswerkzeuges von Zylinderlaufbuchsen. Zudem werden Methoden zur Erreichung einer hohen Prozesssicherheit sowie die Einbringung verschiedenartiger Mikroschmiertaschen erforscht. Des Weiteren erfolgt die Implementierung der Mikrostrukturierung in die Prozesskette des Honens der Laufbuchsen.
Aktualisiert: 2022-12-16
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Die vorliegende Arbeit widmet sich der Mikrogeometrie bei der Präzisionsbearbeitung von Stahl in Form der effektiven Schnittbedingungen und deren Korrelation mit den resultierenden Oberflächen- und Randzoneneigenschaften. Ein wesentlicher Aspekt der Arbeit besteht darin, die Ursache für den Größeneffekt aufzudecken, welcher sich bei abnehmender Spanungsdicke in der spezifischen Schnittkraft zeigt. Ermöglicht wird dies durch die Entwicklung eines neuen experimentellen Verfahrens zur Identifikation der realen Spanungsbedingungen. Infolgedessen wird auf Basis des erlangten erweiterten Prozessverständnisses ein Modell erarbeitet, welches eine zielgerichtetere Prozessauslegung und eine bessere Einordnung der realisierbaren Bauteilqualität erlaubt.
Aktualisiert: 2020-07-01
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Kurzfassung
Steigende Anforderungen an die Miniaturisierung von Bauteilen und die Funktionalisierung von Oberflächen erfordern eine hohe Fertigungsgenauigkeit und zudem wirtschaftliche Prozesse. Eine effiziente Möglichkeit, Teile und Strukturen im Mikrobereich herzustellen, ist die spanende Mikrobearbeitung auf Ultrapräzisionswerkzeugmaschinen. Kommerziell erhältliche Ultrapräzisionswerkzeugmaschinen übersteigen die Größe von Werkstücken und Mikrostruktur meist um mehrere Größenordnungen. Um den Bauraum der Werkzeugmaschinen zu minimieren und die dynamischen Eigenschaften der Maschinenachsen zu optimieren, werden wesentlich kleinere, auf die Werkstückgröße angepasste Werkzeugmaschinen benötigt. Um diese Miniaturisierung zu erreichen und die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen zu verbessern, müssen neue kompakte Maschinenmodule entwickelt werden. Der Hauptbestandteil einer Werkzeugmaschine ist die Hauptspindel. Diese Spindel muss, um die geforderte Schnittgeschwindigkeit bei der spanenden Mikrobearbeitung zu erreichen, höchste Drehzahlen bei geringster Rundlaufabweichung erreichen.
Diese Arbeit beschreibt die systematische Entwicklung, Konstruktion und den Einsatz innovativer, kompakter Luftlagerspindeln für die spanende Mikrobearbeitung auf Desktop-Werkzeugmaschinen. In den entwickelten Spindeln wird der Werkzeugschaft direkt als Rotor verwendet und wird somit zu einem funktionalen Bestandteil des aerostatischen Lagersystems. Die Spindeln werden über Turbinen angetrieben und erreichen sehr hohe Drehzahlen in Kombination mit hoher Rundlaufgenauigkeit. Nach Integration in eine Desktop-Werkzeugmaschine erfolgen Mikrofräsversuche zur Untersuchung des Einsatzverhaltens der Spindeln. Durch die hohe Drehzahl der Spindeln können sehr hohe Abtragsleistungen erzielt werden. Dadurch wird die Produktivität des Mikrobearbeitungsprozesses deutlich erhöht.
Abstract
Increasing demands on the miniaturization of components and functionalization of component surfaces requires high manufacturing accuracy and economic processes. An efficient way to produce parts and structures in the micro range is micromachining on ultra-precision machine tools. The commercially available ultra-precision machine tools exceed the size of machined workpieces and micro structures by several orders. To minimize the installation space of the machine tools and improve the dynamic characteristics of the axis, much smaller workpiece-size adapted machine tools are required. To achieve this minimization and improve the performance of the machine tools, new small and lightweight modules have to be developed. The major component of a machine tool is the main spindle. To reach the required cutting speed in micromachining, the rotational speed of the spindles have to be increased significantly, compared to spindles, which are used for conventional machining.
This thesis describes the systematic development, construction and application of innovative compact air bearing spindles for micromachining on desktop-sized machine tools. In the spindles, the tool shaft with a micro tool works directly as a rotor and is a functional part of the aerostatic bearing system. The spindles are driven via turbines and reaches very high rotational speeds in combination with high rotational accuracy. After integration into a desktop machine tool, micro-milling tests are carried out to investigate the performance of the spindles. With the high rotational speed of the spindles, very high material removal rates can be achieved. Thus, the productivity of the micro machining process is enhanced.
Aktualisiert: 2023-01-27
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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.
Aktualisiert: 2023-01-27
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Die Miniaturisierung von Produkten erfordert angepasste Mikrofertigungstechnologien, die effizient sind und die Qualitätsanforderungen der Wirtschaft erfüllen. Eine Technologie mit großem Potential ist die Mikrozerspanung mit Hartmetallwerkzeugen. Ihre Vorteile sind die hohe zu erzielende Geometriekomplexität und Flexibilität hinsichtlich des zu bearbeitenden Werkstoffspektrums. Limitierend für eine breite Anwendung ist derzeit die Qualität und Standzeit der verfügbaren Mikrowerkzeuge.Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die Prozessstabilität der Mikrozerspanung am Beispiel des Mikrofräsens entscheidend zu verbessern. Hierzu wurde der Ansatz verfolgt, eine beanspruchungs- und auch fertigungsgerechte Werkzeuggeometrie für Mikroschaftfräser zu entwickeln. Mit experimentellen und analytischen Methoden wurden die Schwachstellen konventioneller Mikroschaftfräser identifiziert. Darauf aufbauend wurde eine neuartige parametrische Werkzeuggeometrie für Mikroschaftfräser entwickelt, die sich beanspruchungsgerecht an beliebige Anwendungen anpassen und durch Schleifverfahren wirtschaftlich herstellen lässt. Abschließend wurde anhand von Bearbeitungsergebnissen die erfolgreiche Verifikation der Werkzeugkonstruktion zusammen mit den nunmehr erreichbaren technologischen Grenzen des Mikrofräsens vorgestellt.
Aktualisiert: 2019-01-24
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Über das definierte Einbringen von Mikroschmiertaschen in tribologisch hoch
beanspruchte Oberflächen lassen sich deren Reibeigenschaften signifikant
verbessern. In dieser Arbeit wird eine Methode zur spanenden Herstellung solcher
Mikroschmiertaschen präsentiert. Über die systematische Betrachtung der prozessspezifischen
zerspanungstechnologischen Zusammenhänge lassen sich Maßnahmen
zur anforderungsgerechten spanenden Herstellung tribologisch günstiger
Mikroschmiertaschen ableiten. Weiterhin werden flexible Bearbeitungsstrategien für
das Einbringen von Mikroschmiertaschen in zylindrische Bauteile vorgestellt. Hierbei
stehen die bei der Innenbearbeitung relevanten Stellgrößen für die Anordnung und
Geometrie der Mikroschmiertaschen sowie die vorherrschenden Prozessgrenzen im
Fokus. Zur präzisen Bearbeitung formfehlerbehafteter Bauteile wird ein sich an der
zu bearbeitenden Bauteiloberfläche abstützendes Mikrostrukturierungswerkzeug
entwickelt und hinsichtlich seiner Kompensationsgüte validiert. Das tribologische
Potential der spanend hergestellten Mikroschmiertaschen wird letztendlich über
Tribometeruntersuchungen sowie am Beispiel der Zylinderlaufbahn an einem
gefeuerten Einzylinder-Versuchsmotor nachgewiesen.
Aktualisiert: 2019-10-17
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