IFW: Maschinelles Polieren für die Herstellung direktabgeschiedener Sensoren

Bild 1: Vergleich konventionelle und direktabgeschiedene Sensoren.

Um den steigenden Anforderungen an Qualität und Herstellkosten gerecht zu werden, muss Ausschuss vermieden werden, sodass der Bedarf an Prozessüberwachung in der Produktion stetig steigt. Eine vielfältige Informationsquelle für die Prozessüberwachung sind die Bearbeitungskräfte, die durch Sensoren gemessen werden. Um die Integration von Sensoren in Form zusätzlicher Bauteile zu vermeiden, wird am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) bereits seit vielen Jahren an sensorischen Maschinenkomponenten geforscht. Häufig werden hierbei Dehnungsmessstreifen (DMS) für die Kraftrekonstruktion eingesetzt. Als Alternative zu konventionellen, geklebten DMS bietet die Direktabscheidung von DMS durch ein Sputter-Verfahren ein hohes Automatisierungspotenzial. Allerdings müssen hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität hinsichtlich der Rauheit des Bauteils erfüllt werden, um funktionsfähige Isolations- und Sensorschichten herzustellen. Etablierte Verfahren zum Polieren eignen sich oft nicht für komplexe mechanischen Bauteile. Um eine reproduzierbare Oberflächenrauigkeit auf komplexen Werkstücken zu erzielen, wird ein Polierprozess mit Polierschleifstiften an einer Werkzeugmaschine automatisiert und untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Automatisierung des Polierprozesses mit einer Werkzeugmaschine zu einer geeigneten Oberflächenrauheit bei gleichzeitiger Reduzierung der Prozesszeit führt.

Bild 2: (a) Benutztes Polierwerkzeug; (b) Oberfläche der geschliffenen Flachstahlprobe; (c-f) Oberfläche der polierten Proben bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten.

Die Genauigkeit eines Sensors beginnt mit der präparierten Oberfläche

Um die Entwicklung hin zu intelligenten und autonomen Fertigungssystemen zu befähigen, werden zusätzliche Sensoren in Werkzeugmaschinen benötigt. Die eingesetzten Sensoren ermöglichen beispielsweise eine umfangreiche Prozessüberwachung für einen bedienerfreien Maschinenbetrieb. Neben konventionellen Sensoren haben sich Dünnschichtsensoren als praktikable Lösung für die örtliche Erfassung von Prozessgrößen wie Temperatur, Dehnung und Kraft direkt an Maschinenkomponenten und im Werkzeugbereich erwiesen.

Dünnschichtsensoren bieten aufgrund ihres kompakten Formfaktors und ihrer hohen Empfindlichkeit entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Sensoren. Bei dünnschichtbasierten Dehnungssensoren, wie sie bereits bei mehreren Projekten des IFW eingesetzt wurden, wird die Widerstandsänderung der Funktionsschicht aufgrund mechanischer Verformung ausgenutzt. Unter Dehnung führt die Zunahme der Länge der Messleitungen zu einer Verkleinerung ihres Querschnitts. Hierdurch ändert sich der elektrische Widerstand proportional zur Dehnung, sodass ein Rückschluss auf die wirkende Belastung möglich ist. Die Leistung und Haltbarkeit von Dünnschichtsensoren hängt entscheidend von den Eigenschaften der Bauteiloberfläche ab. Die Oberflächenrauheit des Bauteils hat beispielsweise einen Einfluss auf den spezifischen Widerstand der Isolationsschicht und damit die Funktionsfähigkeit der anschließend applizierten Funktionssicht. Im Extremfall entsteht, wie im Bild 1 schematisch dargestellt, ein Kurzschluss zwischen benachbarten Sensorstrukturen, wodurch die Funktion entfällt. In der Regel werden Bearbeitungsverfahren wie das Polieren eingesetzt, um die erforderlichen Oberflächeneigenschaften zu erreichen. Hierbei werden Oberflächenunebenheiten minimiert und oberflächennahe Schäden beseitigt, die die Wachstumsmechanismen der Dünnschicht beeinträchtigen können. Eine mittlere Rautiefe Rz unter 0,60 µm wird als adäquater Zielwert für die Qualität der Werkstückoberfläche angesehen.

Für viele technische Bauteile sind herkömmliche Polierverfahren wie Chemisch-Mechanisches Polieren (CMP) aufgrund ihrer komplexen Form nicht geeignet. Bisher genutzte Alternativen basieren beispielsweise auf manuellem polieren. Der hohe Zeit- und Kostenaufwand für das manuelle Polieren von Bereichen, in denen konventionelles CMP nicht eingesetzt werden kann, schränkt den industriellen Einsatz von Dünnschichtsensoren auf technischen Bauteilen ein.

In diesem Beitrag wird die Oberflächenbearbeitung von Stahl mit gummigebundenen Polierschleifstiften auf einer CNC-Fräsmaschine vorgestellt. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Rolle der Prozessparameter und deren Auswirkung auf die erzielte Oberflächengüte.

Bild 3: Einfluss der unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeit.

Geringe Rauheit dank automatisiertem Polieren

Die beim Polieren auf einem Ultrasonic 10 Fräszentrum untersuchten Einflussfaktoren sind die Prozessparameter Schnittgeschwindigkeit, die Vorschubgeschwindigkeit und die Schnitttiefe. Für die Versuchsdurchführung wurde ein Polierschleifstift der Firma Garant aus Normalkorund in elastischer Gummibindung mit einer Körnung von 220 und einem Werkzeugdurchmesser von 10 mm verwendet. Ein solches, benutztes Werkzeug ist in Bild 2a dargestellt. Als Werkstück wurden geschliffene Flachstahlproben aus C45W, mit einer gemittelten Rautiefe Rz von 3,5 µm, verwendet. Die Eingriffsbedingungen in den Versuchen kennzeichnet sich durch eine pendelförmige Eintauchbewegung des Werkzeuges in das Werkstück. Der resultierende Vollnutenschnitt weist dabei über die Werkstücklänge eine gleichmäßig zunehmende Tiefenzustellung auf. Mit jedem überfahren des Werkstückes wird zusätzlich der Betrag der Schnitttiefe zugestellt. Durch diese kontinuierliche Zustellbewegung wird, gegenüber vollständigen Tiefenzustellungen außerhalb des Werkstücks, die gleichmäßigste Oberfläche erreicht.

Der Ausgangszustand der Oberfläche der geschliffenen Flachstahlproben ist in Bild 2b dargestellt. Die resultierenden Oberflächen nach der Bearbeitung sind in Bild 2c-f dargestellt. Für vc = 8 m/s ist das Kreuzmuster aus dem Ausgangsschliff noch sichtbar. Dieses gilt insbesondere außerhalb der Eintrittszone des Werkzeugs. Die Eintrittszone und das verbliebende Kreuzmuster ist beispielhaft in Bild 2c hervorgehoben.

Eine Erklärung für den höheren Materialabtrag in der Eintrittszone und damit für das Verblassen des Schleifmusters ist der höhere Anteil an radialem Eingriff. Bei den höheren Schnittgeschwindigkeiten von vc = 11 m/s, vc = 14 m/s und vc = 17 m/s verblasst das Schleifmuster auch außerhalb der Eintauchzone. Allerdings treten bei vc = 17 m/s Farbveränderungen an der bearbeiteten Oberfläche auf, die auf unerwünschtes Anlassen hinweisen. Bei vc = 14 m/s wurde die Oberfläche mit dem gleichmäßigsten Erscheinungsbild und der niedrigsten mittleren Oberflächenrauheit erreicht. Die nach dem Polieren, mit den unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten, gemessenen Rautiefen Rz sind in Bild 3 dargestellt.

Für die weiteren Prozessparameter wurde vergleichbar vorgegangen. Dabei wurde die Vorschubgeschwindigkeit mit vf = 400 mm/min und eine Schnitttiefe von âp = 0,01 mm bei jeweils 15 Zustellungen als optimal identifiziert, um eine möglichst geringe Oberflächenrauheit zu erreichen. Die ermittelten Prozessparameter führen zu einer Prozesszeit von etwa 2 Minuten für eine bearbeitete Fläche von 400 mm² (10 x 40 mm). Der als Referenz betrachtete manuelle Prozess dauerte 10 Minuten für eine Fläche von 900 mm². Damit wird die flächenbezogene Bearbeitungszeit im Vergleich zum manuellen Polieren um 55% reduziert, wobei eine vergleichbare Oberflächenrauigkeit erreicht wird.

Zusammenfassung und Fazit

Die Verwendung von Polierschleifstiften in konventionellen Fräsmaschinen ist ein vielversprechender Ansatz zur Verringerung des erforderlichen Aufwands für die Herstellung von Dünnschichtsensoren. Die experimentellen Daten zeigen, dass die für die Herstellung der Dünnschichtsensoren erforderliche Oberflächenrauheit für C45W-Stahl erreicht werden kann. Die erreichte Zeitreduzierung und das Automatisierungspotential verdeutlicht die Möglichkeit für eine wirtschaftliche Integration von Dünnschichtsensoren. In weiteren Untersuchungen wird am IFW nun der Übertrag auf andere Materialien untersucht und das Prozesswissen durch die Herstellung von Dünnschichtsensoren auf den hergestellten Oberflächen erweitern. Darüber hinaus bietet die Untersuchung komplexerer Bearbeitungsstrategien, wie z. B. das Eintauchen für lokale Oberflächenbearbeitungen oder die Verknüpfung mehrerer Polierpunktwerkzeuge, ein zusätzliches Potenzial zur Steigerung der Produktivität durch die Verkürzung der Prozesszeit.

Danksagung

Dieses Projekt wurde mit Unterstützung des Industrial Technology Innovation Program [20024029, Development of sensor-embedded machine parts for predictive maintenance of machinery] durchgeführt, das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie der Republik Korea finanziert wird. Die Autoren möchten auch dem Korea Institute of Machinery & Materials und den Unternehmen DN Solutions und SBC Linear für ihre Beiträge zu diesem Projekt danken.