Microbewerken: van warm naar koud opent nieuwe mogelijkheden
Nieuwe bewerkingstechnieken verleggen de grenzen van precisie en miniaturisatie
Miniaturisatie wordt tegenwoordig als vanzelfsprekend ervaren. Alles wordt kleiner, lichter en vaak voorzien van méér functionaliteiten. Micro-elektronica is hierin een drijvende kracht. Uiteindelijk heeft men voor de eindtoepassing vaak heel kleine, fijnmechanische componenten nodig die aan hoge kwaliteitseisen voldoen. Of gereedschappen om die componenten mee te produceren. Is CNC-frezen dan nog steeds de beste oplossing?
Kleine frezen, hoge eisen
Waar frezers tien jaar geleden nog opkeken van een frees van 1 mm doorsnede, worden vandaag de dag gereedschappen ingezet met diameters van 0,1 mm of zelfs kleiner. Een kegelvormige vingerfrees bijvoorbeeld. Deze verschuiving naar het microbereik vraagt om veel meer dan alleen het gereedschap. Het stelt extreme eisen aan de stabiliteit van de machine, de rondloopnauwkeurigheid van de spindel en de beheersing van thermische expansie.
Zodra de afmetingen van de werkstukken krimpen, worden factoren die voorheen verwaarloosbaar waren kritieke variabelen. Denk hierbij aan de trillingsdemping van het machinebed of de minimale afname per tand, die bij microfrezen vaak in het micrometerbereik ligt.
Lasertechnologie en nieuwe snijmaterialen
De ontwikkeling van microfreesjes vanaf 0,05 mm is mede mogelijk gemaakt door femtosecondelasertechnologie. Hiermee kunnen fabrikanten snijmaterialen zoals PCD en CBN heel nauwkeurig bewerken zonder thermische én mechanische belasting van het snijmateriaal. Bij dergelijke kleine gereedschappen is dat haast onmisbaar. PCD is vanwege de extreme hardheid, slijtvastheid en thermische stabiliteit zeer geschikt voor microfrezen.
Lasertechnologie speelt in alle opzichten een alsmaar grotere rol
Met conventioneel slijpen is het veel moeilijker om de juiste geometrie aan te brengen, of zelfs onmogelijk. Met de ultrakorte pulslaser (10-15 seconde, een biljardste seconde) kan men in gereedschappen van 50 µm snijkanten aanbrengen die de krachten reduceren en de spanen beter afvoeren.
Ultrasoon ondersteund microfrezen
Microfrezen brengt niet alleen een uitdaging voor de gereedschapsfabrikant met zich mee, maar ook voor de CNC-frezer zelf. Dat begint al bij de CNC-machine waarmee frezen met een kleinere diameter dan 1 mm goed kunnen worden ingezet. Alleen al vanwege de kleine diameter vragen ze om hogere toerentallen: al snel 30.000 toeren per minuut en meer naarmate de frees kleiner wordt. Toerentallen kunnen oplopen tot 60.000 omwentelingen per minuut en meer. Daar moet de hele machine op afgestemd zijn, met name qua (thermische) stabiliteit.
Hier dreigt een valkuil als men zogenaamde spindelversnellers koopt. Deze beloven weliswaar extreem hoge toerentallen, maar als de machine niet gebouwd is voor de dynamiek van microfrezen, zal zich dat onder andere uiten in snelle gereedschapsbreuk, mede doordat men de voeding per tand te laag houdt. De frees ondervindt namelijk altijd fysieke weerstand doordat het snijmateriaal het werkstuk ingaat. Proceskrachten kunnen te groot worden, waardoor de microfrees doorbuigt (wat tot onnauwkeurigheid leidt) of breekt.
Een mogelijke oplossing is ultrasoon ondersteund microfrezen. De combinatie met hoogfrequente trillingen vermindert de snijkrachten en verlaagt de temperatuur tijdens het frezen. Dit draagt eveneens bij aan minder restspanningen in het werkstuk. Dit heeft een positief effect op zowel de standtijd van het gereedschap als de oppervlakteruwheid van het werkstuk.
Tegenover de goede 3D-vormmogelijkheden van microfrezen en de toegankelijkheid ervan qua machines, gereedschappen en houders staan beperkingen qua aspectratio en hardheid van het werkstukmateriaal (tot 62 HRC).
Vonkeroderen: waar microfrezen ophoudt
Deze laatste twee beperkingen gelden niet voor vonkeroderen. Met microdraadvonken kan men wel heel diepe sleuven produceren in hard materiaal, mits dit geleidend is. Dat tekent meteen de beperking van micro-EDM: keramiek en kunststof kunnen hiermee niet worden bewerkt. Draad- en zinkvonken zijn contactloze bewerkingen; er zijn dus geen proceskrachten.
In de matrijzenproductie wordt EDM veelvuldig toegepast, net als in de productie van hightech precisiecomponenten. Het nadeel van deze technologie is dat vonken een traag proces is en dat bij zinkvonken de elektrode onderhevig is aan slijtage.
Een ander typisch probleem is het ontstaan van de zogenaamde Heat Affected Zone en de recastlaag, de witte laag na het EDM-proces. Deze laag ontstaat doordat het materiaal weer stolt. Afhankelijk van de hoeveelheid ingebrachte energie is deze laag tussen 5 en 200 µm dik (bij titanium). In deze laag is het materiaal harder en is de sterkte toegenomen, waardoor het brosser wordt. De snelle afkoeling kan bovendien tot microcracks leiden.
Voor kritische toepassingen, onder andere in de luchtvaartindustrie, is dit onacceptabel, want men vreest dat deze microscheuren de levensduur van een component onder wisselende belastingen verkorten. Door de procesparameters aan te passen kan men de dikte van deze laag reduceren of zelfs vermijden. Dit kan met de nieuwe generatie EDM-generatoren, die in combinatie met een nieuwe draadsoort minder dan 1 micron materiaal weghalen. Hierdoor wordt zo goed als geen warmte meer in het materiaal gebracht. Door dit bij de laatste snede te doen, voorkomt men de recastlaag. Anders moet men nabewerken met bijvoorbeeld shotpeening, laserablatie of warmtebehandeling. Dit betekent echter een extra processtap.
Micro-waterstraalsnijden
Voor toepassingen waarin de Heat Affected Zone (HAZ) absoluut taboe is, kan men abrasief microwaterstraalsnijden overwegen. Dit gebeurt met fijne waterstralen (kleiner dan 0,2 mm) en is een volledig koud proces, dus zonder verharding van de snijrand.
Braamvorming blijft eveneens achterwege. Het wordt onder andere gebruikt voor het snijden van titanium voor medische applicaties en componenten voor de lucht- en ruimtevaart. Hoewel microwaterstraalsnijden qua materialen breed inzetbaar is en grotendeels geautomatiseerd kan verlopen, is het nadeel dat 3D-snijden beperkt is. Zoals de naam zegt, is het een snijtechniek en is de nauwkeurigheid minder dan bijvoorbeeld bij laserbewerken.
PECM: anders dan EDM
Een alternatieve technologie die met name in de Nederlandse precisie-industrie de afgelopen jaren terrein heeft gewonnen, is Precision Electro Chemical Machining (PECM), een nauwkeurigere doorontwikkeling van ECM. Waar EDM een thermisch proces is en het materiaal smelt, is PECM een koud proces. De metaalionen worden opgelost, zonder warmte. De opmars in Nederland heeft mede te maken met het feit dat in de precisie-industrie braamvorming steeds vaker een probleem is. Zeker in de halfgeleiderindustrie, maar ook in de medische industrie, zijn microbramen een no go.
PECM leent zich goed voor het bewerken van materialen zoals hardmetalen, Inconel en Hastelloy, omdat er geen braamvorming optreedt. Evenmin wordt warmte ingebracht of slijt de elektrode, in tegenstelling tot bij EDM.
PECM is van oudsher een technologie voor grotere series. Maar doordat men deze metalen braamvrij kan bewerken, wordt een kostbare, handmatige bewerkingsstap uitgespaard. Hierdoor verandert de businesscase van PECM en lenen ook kleinere series zich ervoor. Dit wordt versterkt doordat men in één gereedschap meerdere componenten kan combineren die vervolgens in één processtap worden geproduceerd.
Voor PECM heeft men een elektrode nodig, maar deze slijt niet. De elektrode is de kathode, het werkstuk de anode. De hydraulische Z-as in de machine brengt deze elektrode met een frequentie tot 100 Hz tot op 10 µm afstand van het werkstuk. Telkens als de elektrode op deze afstand zit, volgt er een stroompuls van 1.000 tot 1.200 ampère (5 tot 10 V), waarna de elektrode wordt teruggetrokken en met elektrolyt wordt gespoeld om de metaalionen te verwijderen.
Het elektrolyt is een zoutoplossing. Het zout zorgt ervoor dat de metaalionen zich niet aan het gereedschap hechten. Mede hierdoor, en doordat de metaalionen direct worden weggespoeld, ontstaat er helemaal geen warmte. PECM is een koud proces; microcracks zijn uitgesloten. De oppervlakteruwheid bedraagt direct na het proces Ra < 0,05 µm.
Laserablatie: materiaal verdampen
Een vierde technologie voor de productie van micro- en precisiecomponenten is laserablatie. De laserstraal verdampt een zeer dunne metaallaag en maakt zo de gewenste 3D-vorm. De toenemende interesse voor laserablatie heeft veel te maken met de ontwikkelingen in laserbronnen. De pico- en femtosecondelasers zijn krachtiger geworden en toegankelijker voor een bredere groep maakbedrijven. Deze beide ultrakorte pulslasers brengen in zeer korte tijd (pico- of femtoseconde) heel veel energie in het materiaal en verdampen het.
Het grote voordeel van deze technologie is dat men alle materialen kan bewerken en zeer minuscule structuren kan aanbrengen. Ook is de oppervlaktekwaliteit zeer hoog en is de warmte-inbreng zeer gering (picosecondelasers) tot vrijwel nihil (femtosecondelasers). Oppervlakteruwheden van Ra 0,23 µm zijn haalbaar. Hierdoor kan men zeer scherpe randen creëren en voorkomt men microcracks. Verder zijn geen speciale gereedschappen nodig, zoals wel bij EDM en PECM het geval is. De machines worden direct vanuit het CAD-model geprogrammeerd.
Het nadeel is wel dat het een relatief langzaam proces is. Vergeleken met CNC-microfrezen haalt men in dezelfde tijdseenheid veel minder materiaal weg. Daarnaast is de technologie minder geschikt voor het produceren van diepe wanden. Het probleem is de Gaussiaanse kromming van een laserstraal: de vorm lijkt eerder op een zandloper dan op een kaarsrechte bundel.
Hierdoor kan men geen loodrechte wanden maken; onderin ontstaat een verloop van ongeveer 10 graden. Daarom wordt de technologie ingezet bij folies en zeer dunne plaat. Een van de fabrikanten van laserablatiemachines heeft dit weten op te lossen via een softwareaanpassing, waardoor men de bundel op 0 graden verloop houdt. Microlaserbewerken kan daarmee microfrezen (freesdiameter kleiner dan 200 µm) en ook slijpen vervangen bij dit soort toepassingen tot materiaaldikten van 100 micron.
Nog meer met laser
De ultrakorte pulslaser heeft ook zijn weg gevonden naar het snijden van dunne metaalfolies tot 5 micron dik. Doordat er geen warmte in de folie komt, is er in feite sprake van laserablatie. Dit opent mogelijkheden om deze extreem dunne folies efficiënt te bewerken, wat met de cw-laser niet kan vanwege de warmte die hierbij in het materiaal vrijkomt. Denk bij toepassingen onder andere aan het lasersnijden van gaatjes van enkele tientallen micron doorsnede in een isolerende folie.
Een andere nieuwe mogelijkheid is het lasersnijden van magnesiumfolie. Tot nog toe is dat onmogelijk omdat magnesium snel ontbrandt. De femtosecondelaser voorkomt dit. Dit betekent dat microcomponenten die tot nog toe uit titaan zijn gesneden, nog lichter kunnen worden door magnesium te gebruiken.
Overigens speelt de laser ook in toenemende mate een rol als verbindingstechnologie voor microcomponenten, als lijmen of een schroefverbinding niet mogelijk zijn.
Chemisch etsen: voor veel features
Een exotische oplossing voor het aanbrengen van kleine features is chemisch etsen. In feite is het een puur chemisch proces om materiaal weg te nemen: metaal wordt opgelost. Over het algemeen bedraagt de tolerantie ongeveer 10% van de materiaaldikte. In kanalen moeten aspectratio's van minimaal twee-op-één worden aangehouden. Qua materiaaldikte ligt het bereik voor deze technologie tussen 25 micron en 2 millimeter. Daarbinnen brengt men met een goedkoop gereedschap duizenden tot miljoenen gaatjes – of andere vormen – in één keer aan op een dunne plaat of folie. Het materiaal in deze gaatjes wordt chemisch weggeëtst, zonder dat de rest wordt aangetast.
Voor microbewerken zijn er steeds meer keuzemogelijkheden
Waar de andere technieken voor microbewerken vooral concurreren met verspanende bewerkingen, kan men chemisch etsen veel meer zien als een alternatief voor lasersnijden van dunne folies. Het grote verschil is dat de laser punt voor punt snijdt en chemisch etsen alle features in één keer in het werkstuk aanbrengt. Daarnaast is het een koud proces. Voorwaarde is wel dat het materiaal geschikt is; vooral superlegeringen en rvs zijn geschikt, titanium minder.
Het belang van procesintegratie
Naast de technologische aspecten speelt de integratie van deze processen in een geautomatiseerde productieomgeving een cruciale rol. Waar men vroeger handmatig de elektroden voor EDM of PECM moest uitlijnen, zorgen moderne nulpuntspansystemen en robotbelading nu voor een constante output en een hogere nauwkeurigheid. Dit is essentieel omdat de marges in de precisie-industrie kleiner worden.
De keuze voor een specifieke techniek hangt daarom niet alleen af van de materiaaleigenschappen, maar ook van de gewenste seriegrootte en de complexiteit van de geometrie.
Bovendien zien we een trend naar hybride machines, waarbij bijvoorbeeld laserablatie wordt gecombineerd met ultrasoon ondersteund slijpen of frezen. Dit stelt fabrikanten in staat om de sterke punten van verschillende technologieën te benutten in één enkele opspanning.
Toeleveranciers in de hightechsector zullen voortdurend moeten investeren in kennis en een geavanceerd machinepark om aan de extreem hoge eisen van klanten uit de halfgeleider-, ruimtevaart- en medische industrie te voldoen als het om miniatuurcomponenten gaat. De verschuiving van warme naar koude processen opent nieuwe mogelijkheden die nog lang niet allemaal benut zijn.