Vakuumspanntechnik

November 2005 | Odyssee durch die Welt der Spanntechnik
Das Forschungszentrum Karlsruhe, an dessen Standort etwa 4500 Personen beschäftigt sind, ist eine der größten natur- und ingenieurwissenschaftlichen Forschungseinrichtungen Deutschlands. Gearbeitet wird hier sowohl auf verschiedenen Gebieten der Grundlagenforschung als auch an produktnahen Entwicklungen, deren Bedeutung durch zahlreiche Kooperationen mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft unterstrichen wird.
Ein Arbeitsschwerpunkt des Forschungszentrums Karlsruhe ist die Mikrosystemtechnik. Über 200 Mitarbeiter arbeiten u.a. an der kurz- bis mittelfristigen Umsetzung der Forschungsergebnisse in marktfähige Produkte. Zu ihren Aufgaben gehört auch die Entwicklung von Verfahren zur wirtschaftlichen Fertigung von Mikrobauteilen. Mikrosystemtechnische Produkte sind mittlerweile in nahezu allen Bereichen des täglichen Lebens anzutreffen . Mikrobauteile sind beispielsweise zu finden in Airbag- und Antiblockiersystemen, Hörhilfen, Herzschrittmachern, Mobiltelefonen oder CD-Playern. Das Institut für Mikrostrukturtechnik des Forschungszentrums Karlsruhe stellt u.a. hochgenaue, mikrostrukturierte Abformwerkzeuge her, die zum Prägen von mehreren hundert Mikrospektrometern eingesetzt werden. Die geprägten Bauteile finden schließlich in Mikrospektrometersystemen Verwendung.
Ein Ausgangsmaterial solcher Abformwerkzeuge sind einige 100 µm dicke Kunststoffplättchen, aus denen nach zahlreichen Fertigungsschritten die präzisen Prägewerkzeuge entstehen.
„Es versteht sich von selbst“ so Marco Heiler, zuständig für die Feinstbearbeitung der Ausgangsmaterialien für Abformwerkzeuge „dass für ein hochwertiges Endprodukt optimale Ausgangsvoraussetzungen Bedingung sind. Denn eine Anfangsungenauigkeit zieht sich durch sämtliche Fertigungsschritte und hinterlässt Spuren auf allen später mit dem Werkzeug hergestellten Mikrobauteilen“. Somit dürfen die Kunststoffplättchen nur sehr geringe Abweichungen bezüglich der Planparallelität aufweisen und müssen dazu mit einer ultrapräzisen Fräsmaschine bearbeitet werden. Wesentlichen Einfluss auf die bei diesem Arbeitsprozess erreichbare Güte der Plättchen hat dabei die Spannmethode, die sich im vorliegenden Fall als äußerst problematisch erwies. Der gelernte Feinmechaniker suchte zum Bearbeiten der Kunststoffplättchen nach einer Spannmethode, die einerseits zu einer Qualitätssteigerung und andererseits zu einer Beschleunigung und Erleichterung der Arbeitsprozesse beiträgt. „Ich war sicher, dass es möglich sein muss, die dünnen Teile zu spannen, ohne dass darauf Abdrücke zurückbleiben“, so Marco Heiler, der bei seiner Recherche schließlich auf die Metaporplatten von Witte gestoßen ist. „Wir hatten vorher schon einiges ausprobiert, aber mit jeder Spannmethode traten neue Probleme auf“.

Anfangs wurde eine herkömmliche Vakuumspannplatte aus Messing mit Bohrungen von 1mm Durchmesser eingesetzt. Diese war prinzipiell sehr funktionsfähig, nur bei weniger als 600 µm dicken Teilen erwies sie sich als wenig geeignet. Die Bohrungen hinterließen Abdrücke auf den dünnen, weichen Kunststoffplättchen. In diesem Zustand waren die Werkstücke nicht mehr verwendbar. Derartige Abdrücke konnten durch den Einsatz einer Sintermetallplatte vermieden werden. Bei Vakuumplatten mit einem Einsatz aus luftdurchlässiger Sinterbronze ist durch das Fehlen jeglicher Nuten und Bohrungen eine Verformung des Werkstückes ausgeschlossen.

Diese Spannmethode hinterließ zwar keine Spuren, brachte jedoch andere Nachteile mit sich. "Nach jedem Wechseln des Chucks ist zur Herstellung der gewünschten Planparallelität ein Überfräsen der Spannfläche mit dem Diamanten erforderlich", erklärt Marco Heiler, "denn damit die Teile absolut plan aufliegen, muss die Ebenheit zur Achse geschaffen werden“. Jedoch haben sich die beim Fräsvorgang freigewordenen Partikel in die feinen Poren des Sintermetalls gedrückt, so dass nach einigen Anwendungen die Spannkraft erheblich eingeschränkt war. Damit konnte ein sicherer Spannvorgang nicht mehr gewährleistet werden.

Hinzu kam, dass jeweils drei Teile gleichzeitig gespannt werden und somit aufgrund der ungleichmäßigen Spannkraft keine einheitlichen Ergebnisse erzielt werden konnten. Die Plättchen konnten somit für den weiteren Produktionsvorgang nicht mehr verwendet werden.
Auf der weiteren Suche nach einer geeigneten Spannmethode unternahm man den Versuch gleichartige Materialien einzusetzen. "Denn wenn Chuck und Werkstück die gleiche Materialbeschaffenheit haben, dürften keine Abdrücke entstehen" überlegte Marco Heiler. Man fertigte eine Plexiglas-Spannvorrichtung an, in die mit einer CNC-Maschine Bohrungen mit 0,5 mm Durchmesser eingebracht wurden. Zum Einsatz kam diese Vorrichtung allerdings nie, denn durch die mechanische Bearbeitung, bei der mehrere hundert Bohrungen realisiert wurden, hat sich der Kunststoffblock verzogen und konnte nicht mehr verwendet werden.

Schließlich wandte man sich an das Bleckeder Unternehmen Witte Gerätebau, das mit sechs unterschiedlichen Vakuumspannsystemen und zahlreichen Aggregaten mehrerer Leistungsgrößen als Marktführer auf dem Gebiet der Vakuumspanntechnik gilt. Werkstückgröße, Materialbeschaffenheit und Bearbeitungsmethode entscheiden über den Einsatz des jeweiligen Spannsystems. Dennoch gibt es Anwendungsfälle, die hinsichtlich Werkstückform und Materialbeschaffenheit besondere Maßnahmen erfordern. Sind Standardsysteme nicht einsetzbar, sorgen Sonderanfertigungen für die werkstückgerechte Vakuumspannung.

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