Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Wear behaviour of diamond coated micro-milling tools during micro machining
    ( 2017)
    Uhlmann, E.
    ;
    Kuche, Y.
    ;
    Oberschmidt, D.
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    Polte, J.
    Graphite electrodes are used in the die sinking process for manufacturing of micro structured tools in the die and mould fabrication. They are machined using the micro-milling process. During the cutting process graphite grains have strong abrasive effects on the cutting edges and lead to high tool wear. Consequences are short path length lc and geometrical errors. One approach to reduce tool wear is the tool coating with diamond. The diamond coating changes the cutting edge micro geometry which has influences on the process behaviour. In this paper, the wear behaviour of micro-milling tools with diameter D = 0.5 mm and different micro geometries is analysed and discussed. The results show better wear behaviour for prepared and coated tools.
  • Publication
    Droplet removal from PVD-coated micro-milling tools with the immersed tumbling process
    ( 2017)
    Uhlmann, E.
    ;
    Kuche, Y.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Polte, J.
    The physical vapour deposition (PVD) process is widely used for the coating of cutting tools. The increased hardness and temperature stability permitted a higher cutting speed and longer tool life in comparison to uncoated tools. Within the PVD-process droplets of the target can be deposited on the coated surface. The consequence is an inhomogeneous surface of the cutting tools with an increased surface roughness. In this study, the immersed tumbling process is used for the droplet removal of micro-milling tools. The results show the functionality of the process for the droplet removal depending of the lapping media and process parameters in connection with the amount and size of the droplets.
  • Publication
    Low-dimensional time-discrete models for high dynamic machine tools
    ( 2017)
    Uhlmann, E.
    ;
    Reis, T.
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    Oberschmidt, D.
    ;
    Rendel, O.
    ;
    Guhde, S.
    The coupling of real and virtual machine tool components in a hardware-in-the-loop environment is commonly used by state-of-the-art engineering tools as well as automated test procedures to verify the system behaviour. Time deterministic models are necessary to provide simulation results in a predictable time frame. This leads to efficient development procedures. This article presents a method and results of an automated engineering tool that uses time discrete deterministic order-reduced systems for the calculation of the dynamic machine tool behaviour. An innovative model-order-reduction (MOR) procedure was developed that provides a low-dimensional approximation of the original model with associated error estimation as well as inherent system characteristics, like passivity and steady-state accuracy, for a defined time step width. The validation of the calculation model, based on the new MOR procedure, was carried out on a three-axes test stand. It is representative f or high dynamic machine tools and equipped with an integrated real-time control environment. The real-time settings as well as stiffness K, damping D, and mass M can be adjusted. Various low-dimensional time discrete models were implemented for demonstrative application and experimental validation of the MOR procedure. The results show high potential for the use in engineering processes. A reduction from a secondary order system with 19, 932 unknowns to a first order system with 80 unknowns was realized. Furthermore, the difference between calculated and measured deviation of the test stand's x-axes was achieved with a value of eXMax = 750 nm.
  • Publication
    Liquid covered micro-milling
    ( 2017)
    Uhlmann, E.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Polte, M.
    ;
    Polte, J.
    Micro-milling tools made of cemented carbide suffer from fast tool wear and random tool breakage during the machining process. The cutting material cemented carbide is composed of a hard material phase made of tungsten carbide and a binder phase made of cobalt. An allotropical crystal lattice transformation of the binder phase at a temperature TH = 420 °C leads to increased tool wear. Commonly minimum quantity lubrication (MQL) is used as cooling lubricant technology in micro-milling. In this work a new liquid covered cooling lubricant (LCCL) technology and the commonly used MQL technology were compared regarding tool wear of cemented carbide tools for machining the steel STAVAX ESU. In the LCCL technology the cutting process is completely covered with cutting lubricant. It could be concluded that the new LCCL technology offers a high potential to reduce the tool wear in micro-milling of steel with cemented carbide micro-milling tools.
  • Publication
    Cutting forces while machining STAVAX ESU with binderless-cBN
    ( 2017)
    Uhlmann, E.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Polte, J.
    ;
    Polte, M.
    Binderless-cubic-Boron-Nitride(cBN) from the company SUMITOMO CORPORATION, Itami, Japan, provides the opportunity for direct cutting of steel with ultra-precision quality without additional equipment or coating of the workpiece. This work presents the latest results in the field of ultra-precision machining of hardened stainless steel with binderless-cBN. In this paper the influence of the cutting speed vc, the feed f, the depth of cut ap, and the cooling lubricant on the cutting force Fc is shown for turning the stainless steel STAVAX ESU. The cutting speed, the feed and the depth of cut were varied between 3 m/min < vc < 450 m/min, 0.9 mm < f < 9.7 mm, and 5 mm < ap < 30 mm respectively. As cooling lubricants compressed air and W200SL of the company OPORTET, Duisburg, Germany, with a volumetric flow rate & = 1 l/min were used. For measuring the cutting forces Fc the piezoelectric dynamometer MINIDYN 9256C2 from the KISTLER INSTRUMENTE AG, Middlefield, USA, was used. As a result of this work cutting forces Fc < 4.9 N could be observed with an inconstant progression over the varied process parameters.
  • Publication
    Measurement of in-mould shear rates by x-ray particle image velocimetry
    ( 2017)
    Uhlmann, E.
    ;
    Hein, C.
    ;
    Oberschmidt, D.
    The manufacturing of large quantities of polymeric optical and micro-optical components becomes more and more important regarding industrial applications as MEMS devices, customer electronics or micro imaging systems. The relevant parameters for the qualification of polymeric micro optics as surface roughness, shape and positional tolerances, refractive index, molecular orientation, injection moulding process induced deviations and their connection to injection moulding parameters are largely known. The manufacturing of micro optics by micro injection moulding and associated with that, micro injection moulding machine tools with highly complex plastification and injection systems is far less understood. In particular, the influence of shear loads and temperature deviation on replication quality has not been fully investigated. The occurring shear rates during injection moulding lead to mechanical damage of the polymer on a molecular level and reduced optical functionality. This work presents an approach for in mould shear rate measurement by the use of a metrological computed tomography system. Using metal powder with a particle size 3 mm < dp < 5 mm as tracer particles, Polyetheretherketon (PEEK) as mould material, a Zeiss Metrotom 800 computer tomography system and a Babyplast injection unit, streamlines of polymer flow could be visualized. In accordance to optical particle image velocimetry (PIV), for each frame a matrix including particle position was calculated. The temporal shift of these positions lead to velocity gradients that allow the calculation of shear-rates . By reproducing relevant elements of injection units and mould structures, this works enables the profound investigation of fluid dynamics regarding micro injection moulding and the correlation between shear loads and polymer characteristics.
  • Publication
    Manufacturing of CVD diamond micro-end mills with electrical discharge machining
    ( 2017)
    Uhlmann, E.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Polte, M.
    ;
    Polte, J.
    ;
    Schimmelpfennig, T.-M.
    ;
    Börnstein, J.
    At state of the art micro-milling tools made of cemented carbide are widely used in industry. Nevertheless, these micro-milling tools suffer from fast and random tool breakage while cutting. To improve the wear behaviour of micro-milling tools new cutting materials have to be established. In this work electrical discharge machining (EDM) for manufacturing of micro-milling tools with cutting edges made of boron doped chemical vapour deposition (bdCVD) diamond were investigated. Wire-EDM and die-sinking-EDM were compared regarding the characteristics of the micro-tool´s cutting edges. It could be concluded that the wire-EDM process is suitable for manufacturing of micro-milling tools with cutting edges made of bdCVD diamond. With respect to the elaborated technologies for the wire-EDM process a cutting edge radius rv = 3.9 mm and for the die-sinking-EDM process a cutting edge radius rv = 5.4 mm could be measured.
  • Publication
    Mikrozerspanung von rostfreiem Stahl mit PcBNoB
    ( 2015)
    Uhlmann, E.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Polte, J.
    Zur Fertigung präziser Bauteile mit optischen Oberflächen unter höchster Anforderung an Maß- und Formtoleranz wird monokristalliner Diamant als Schneidstoff verwendet. Bei der Bearbeitung von Stahlwerkstoffen unterliegt der Diamant exzessivem Verschleiß. Eine Möglichkeit Verschleiß zu reduzieren ist die vibrationsunterstützte Bearbeitung, die bereits vielfach untersucht wurde. Ziel der dargestellten Untersuchungen ist es, durch Substitution des Schneidstoffes eine ultrapräzise Bearbeitung von Stahlwerkstoffen zu ermöglichen. Hierzu wurde das Verhalten von polykristallinem kubischem Bornitrid ohne Bindephase (PcBNoB) während der Zerspanung analysiert und bewertet.
  • Publication
    Entwicklung einer Herstellungstechnologie für PKD-Mikrofräswerkzeuge
    ( 2015)
    Uhlmann, E.
    ;
    Oberschmidt, D.
    ;
    Polte, M.
    ;
    Börnstein, J.
    Beim Mikrofräsen mit Werkzeugen aus Hartmetall kommt es häufig nach kurzen Schnittwegen lc zu übermäßigem Werkzeugverschleiß. Dies beeinflusst das Bearbeitungsergebnis, die Prozesssicherheit und die Wirtschaftlichkeit negativ. Ziel ist durch den Einsatz eines superharten Schneidstoffs aus polykristallinem Diamanten (PKD) den Verschleiß beim Mikrofräsen zu reduzieren. Daher ist eine Herstellungstechnologie zu entwickeln, um Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus PKD effizient herstellen zu können. Beschrieben wird eine grundlegende statistische Prozessanalyse der Einstellparameter für die Mikro-Drahterosion mit den Zielgrößen Schneidkantenrundung rv und maximale Schartigkeit Rs,max. Im vorliegenden Artikel wird der Bedarf für die Weiterentwicklung von Mikrofräswerkzeugen am Beispiel der Fertigung von Mikrospritzgusswerkzeugen für den Werkzeug- und Formenbau erläutert. Speziell in der Vor- und Nullserie besteht aufgrund der Notwendigkeit von aufwendigen iterativen Anpassungen der Formgeometrien ein erhöhter Bedarf für Formen aus NE-Metallen. Die aktuell eingesetzten Mikrofräswerkzeuge aus Hartmetall zeigen einen frühzeitigen Werkzeugverschleiß, der die Genauigkeit in den Werkzeugformen reduziert. Um den Werkzeugverschleiß zu mindern, werden die Schneidenmakro- sowie die Schneidenmikrogeometrie von herkömmlichen Mikrofräswerkzeugen aus Hartmetall gezielt optimiert. Ziel der vorliegenden Forschungsarbeit ist es, Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus PKD herzustellen, um den Verschleiß beim Mikrofräsen weiter zu reduzieren. Dafür ist es notwendig, eine Technologie zur Herstellung von Mikrofräswerkzeugen mit Schneiden aus PKD hinsichtlich der charakteristischen Schneidkantenkenngrößen zu analysieren. Zur Herstellung der Mikrofräswerkzeuge wurde hierbei die Technologie der Mikro-Drahterosion eingesetzt. Minimale erreichte Schneidkantenrundungen betragen rv = 2,0 µm für den Schneidstoff PKD 0020 und rv = 4,9 µm für den Schneidstoff PKD 0005. Die erreichten maximalen Schartigkeiten weisen Rs,max = 1,9 µm für den Schneidstoff PKD 0020 und Rs,max = 1,5 µm für den Schneidstoff PKD 0005 auf. Die erzielten Schneidenmikrogeometrien entsprechen dabei den zum Stand der Technik durch Schleifen und Polieren herstellbaren Schneidkantenkenngrößen bei der Herstellung von PKD-Werkzeugen. Abschließend wurde die Technologie des Tauchgleitläppens erfolgreich zur Entfernung der durch die Mikro-Drahterosion entstandenen thermisch beeinflussten Randzone genutzt. Zukünftig werden die in dem andauernden Forschungsprojekt hergestellten Mikrofräswerkzeuge mit Schneiden aus PKD grundlegenden Zerspanunter - suchungen unterzogen.
  • Publication
    Schneidkantenpräparation von VHM-Mikrofräsern
    ( 2015)
    Uhlmann, E.
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    Oberschmidt, D.
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    Löwenstein, A.
    ;
    Polte, M.
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    Winker, I.
    Die Prozesssicherheit beim Mikrofräsen lässt sich mit einer gezielten Schneidkantenverrundung erheblich steigern. Dabei werden durch verschiedene Präparationstechnologien unterschiedliche Geometrien und Einflüsse auf den Fräsprozess erzeugt. Der Fachbeitrag behandelt den Einsatz präparierter Mikrowerkzeuge in Zerspanversuchen, in denen auf die Zerspankräfte, den Verschleiß sowie die Oberflächengüten eingegangen wird. Die mit den Feinbearbeitungsverfahren Bürstspanen und Strahlspanen präparierten Werkzeuge erzeugen im Mittel eine um 16 % geringere gemittelte Rautiefe Rz und weniger Grat als die Feinbearbeitungsverfahren Magnetfinishen und Tauchgleitläppen, jedoch sind der relative Verschleiß FZ im Mittel um 13 % sowie die Zerspankräfte Fz erhöht. Die bei Fz mit Bürstspanen präparierten Werkzeugen auftretenden Zerspankräfte Fz sind um 5 % höher als jene bei Fz mit Magnet finishen präparierten Werkzeugen beziehungsweise 13 % höher als jene bei Fz mit Tauchgleitläppen präparierten Werkzeugen. Die bei mit Strahlspanen präparierten Werkzeugen auftretenden Zerspankräfte Fz sind sogar um 20 % höher als jene bei mit Tauchgleitläppen präparierten Werkzeugen. Die Feinbearbeitungsverfahren Magnetfinishen und Tauchgleitläppen können eine Schneidkantenmikrogeometrie her stellen, deren Profilquerschnitt einem Kreissegment sehr nahe kommt und die einen quantifizierbaren Schneidkanten radius rv aufweist. Dies vermindert den Verschleiß sowie die Prozesskräfte. Die Schneidkantenradien rv sollten in einem Bereich von 3 µm < rv < 7 µm liegen, um eine Dominanz der Ploughing-Vorgänge zu vermeiden. Der Zahnvorschub fz sollte in einem Bereich von 3 µm < fz < 5 µm liegen, da höhere Zahnvorschübe fz eine zu hohe Belastung der Schneide bedeuten und über mäßigen Verschleiß in Form von Kantenausbrüchen fördern. Innerhalb der genannten Bereiche für den Schneidkantenradius rv und den Zahnvorschub fz ist nach der Gleichung hmin = 0,293 rv die Mindestspandicke hmin auch im ungünstigsten Fall des größten Schneidkantenradius rv = 7 µm in Kombination mit dem kleinsten Zahnvorschub fz = 3 µm gewährleistet und wird während des Zahneingriffs erreicht.