Mikro-Schneiden wird noch genauer

Mit Mikrowasserstrahlschneiden lassen sich heute zum Beispiel für die Medizintechnik winzige Klammern aus hartem Titanblech ausschneiden oder genaueste Konturen aus Molybdän, Stahl, Kupfer oder Aluminium auf 1/100 mm genau fertigen. Dennoch ist das Verfahren erst am Anfang, denn noch dünnere Düsen oder neue Ansätze zur hochgenauen 3D-Bearbeitung stehen schon in den Startlöchern.

Konventionell kommen beim Wasserstrahlschneiden Strahldurchmesser ab 0,8 mm zum Einsatz, doch damit sind der erreichbaren Genauigkeit schnell Grenzen gesetzt. Die Professur Fertigungslehre der TU Chemnitz und die Chemnitzer Atech GmbH setzen deshalb einen Schneidstrahl aus Wasser und Schleifmittel ein, der einen Durchmesser von höchstens 0,3 mm hat.

Um den Schleifmittelstrahl entsprechend zu verfeinern und zur Präzisionsbearbeitung zu nutzen, haben die Chemnitzer Wissenschaftler in einem zweijährigen Forschungsprojekt Baugruppen bezüglich ihrer Dimensionierung und Genauigkeit angepasst sowie neue Komponenten entwickelt, um die Prozessstabilität abzusichern. Der Schneidvorgang selbst ist ein Spagat zwischen Genauigkeit, Prozessstabilität und Schneidleistung.

„Die größte Herausforderung unseres Projektes war die uneingeschränkte Industrietauglichkeit“, sagt Carsten Löser, Mitarbeiter der Professur Fertigungslehre, und erklärt: „Das Verfahren muss sehr stabil laufen und für die tägliche Praxis anwendbar sein. Das heißt auch, einzelne Bauteile des Schneidkopfes müssen leicht und in kürzester Zeit auszutauschen sein.“

Ein entscheidender Vorteil des Wasserstrahlschneidens mit einem Abrasivmittel – beispielsweise Granatsand – gegenüber anderen Verfahren wie der Laserbearbeitung ist, dass im Werkstück keine Wärme entsteht. Denn Erhitzung bis zur Schmelztemperatur kann das zu bearbeitende Material verändern oder gar schädigen, etwa wenn es sich um Flächen mit einer Beschichtung aus Kunststoff handelt. Auch andere temperaturempfindliche oder spröde Materialien wie Glas und Silizium stellen Herausforderungen für die Präzisionsbearbeitung dar – Anwendungsfelder, für die die Chemnitzer Entwicklung Lösungen bietet.

Seit Mitte 2009 ist das Verfahren mit Durchmessern von 0,3 mm bei der Atech GmbH im Einsatz. Die Firma – eine Neugründung eines ehemaligen Mitarbeiters der TU Chemnitz im Jahr 1998 – ist auf Sondermaschinen zum Wasserstrahlschneiden und individuelle Lohnfertigung spezialisiert. „Die neuen Fertigungsmöglichkeiten bieten eine Erweiterung der Anwendungsgebiete des Wasserstrahlschneidens in Richtung kleinerer und genauerer Teile“, resümiert Atech-Geschäftsführer Thomas Seim, und berichtet: „Bisher haben wir Kunden vorwiegend aus der Feinmechanik. Vielen potenziellen Nutzern ist nur das übliche Wasserstrahlschneiden bekannt und es wurde als zu grob und ungenau eingestuft. Jetzt können völlig neue Anwendungsgebiete erschlossen werden.“

Aktuell finden an der Professur Fertigungslehre weitere Versuche statt, um den Strahldurchmesser noch mehr zu verkleinern – auf 0,2 mm und darunter. Damit wird der Schneidspalt schmaler, und es sind zum Beispiel noch kleinere Bohrungen möglich. Außerdem arbeiten die Wissenschaftler gemeinsam mit Atech an der Nutzung des Verfahrens für die dreidimensionale Bearbeitung, bei der der Schneidkopf präzise in fünf Achsen bewegt werden muss. Dieses Projekt startete Ende 2009 und läuft noch bis 2012. „Zum Einsatz eines solch feinen Strahles für die 3D-Bearbeitung ist weltweit keine Entwicklung bekannt. Und auch in der zweidimensionalen Präzisionsbearbeitung sind wir – was die Verringerung des Strahldurchmessers, das Anbohren und Schneiden spröder Werkstoffe wie Silizium und Glas und die Stabilität des Verfahrens angeht – mit unseren Entwicklungsarbeiten international an der Spitze“, schätzt Löser.W

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