aluminium - MICRO TECHNICA® TECHNOLOGIES GmbH

t e c h n o l o g i e
MicroStream-Strömungsschleifen für präzise endbearbeitung
Zunehmende Miniaturisierung sowie
steigende Anforderungen an Oberflächen
und Funktionskanten führen dazu, dass
herkömmliche Verfahren zur Bearbeitung
der Werkteile oftmals nicht ausreichen.
Zudem steigen die Anforderungen an
die Standfestigkeit der Teile im gleichen
Maße wie die Toleranzen in der Fertigung
kleiner werden. Das „MicroStream“-
Strömungsschleifen der Micro Technica
Technologies GmbH aus Kornwestheim
bietet hier höchste Wiederholgenauigkeit
und Prozesssicherheit. Charakteristisch
für das Verfahren ist, dass die Herstellung
des Flächenkontaktes zwischen Werkstück
und abrasiven Medium ohne ein
formübertragendes Gegenstück zustande
kommt. Damit ist das Strömungsschleifen
(auch Druckfließläppen genannt) auch
dann einsetzbar, wenn konventionelle
Verfahren durch konstruktiv bedingte
Einschränkunken scheitern.
Das Strömungsschleifen ermöglicht die Bearbeitung
von innenliegenden Oberflächen und
das Entgraten an schwer zugänglichen Stellen.
Im Vordergrund stehen dabei eine bessere
Wirtschaftlichkeit sowie Präzision und Standfestigkeit
der Werkstücke.
Micro Technica Technologies hat ein spezielles,
hoch viskoses Schleifmittel (Streamer)
entwickelt, das aus einem Polymer-Kunststoff
sowie Schleifkornanteilen besteht. Die Kunststoffmasse
dient als flexibles Trägermaterial für
das Schleifmittel, das je nach Aufgabenstellung
und zu bearbeitendem Werkstoff unterschiedlich
gekörnt und konzentriert sein kann. Dieser
Streamer wird mit speziellem Druck in und
über das Werkstück oder Bauteil gelenkt und
beginnt dort mittels der Strömung, die durch
die Hubbewegung der Maschine entsteht, seine
gezielte abrasive Tätigkeit. Das Ergebnis
MicroStream flow grinding for
high-precision finish machining
The result if increasing miniaturisation
and stricter demands relating to surface
quality and functional edges is that conventional
workpiece machining methods
are often inadequate. Moreover, the
demand for component endurance is increasing
while at the same time manufacturing
tolerances are becoming smaller.
For many applications the ‘MicroStream’
flow grinding process developed by Micro
Technica Technologies, offers maximum
reproduction accuracy and process reliability.
A feature of the method is that surface
contact between the workpiece and
the abrasive medium takes place without
any shape-imparting counter-component.
Thus, flow grinding (also known as pressure-flow
lapping) can be used even when
conventional methods are excluded because
of restrictions imposed by design.
ist eine äußerst feine und glatte Struktur der
Oberfläche. Das so bearbeitete, entgratete und
geschliffene Werkstück ist präzise gerundet
und nahezu frei von Reibungswiderständen
und sonstigen störenden Einflüssen.
Die MicroStream-Schleifmaschine hat zwei
Aufgaben: das Klemmen der Werkstückaufnahme
sowie das Pumpen des Mediums. Der
Flow grinding enables internal surfaces to be
machined and deburred in areas where access
is difficult. Its major advantages are greater
economy, workpiece precision and endurance.
Micro Technica Technologies has developed
a special, high-viscosity grinding medium
(known as the streamer) which consists
of a polymer plastic containing grinding grain
fractions. The plastic mass serves as a flexible
vehicle for the grinding medium, whose grain
size and concentration can be varied according
to the task concerned and the material to be
machined. The streamer is directed into and
over the workpiece or component at a controlled
pressure, where by virtue of the flow produced
by the stroke movement of the machine
it begins its targeted abrasive action. The result
is an exceptionally fine and smooth surface
structure. The workpiece machined, deburred
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Abbildungen: MicroStream
MicroStream-Strömungschleifen vorher und nachher
MicroStream flow grinding before and afterwards
and ground in this way is rounded off precisely
and is virtually free from frictional resistances
and other interfering effects.
The MicroStream grinding machine has to
do two things: clamp the workpiece holder and
pump the medium. The streamer is, as it were,
a ‘tool’ specially formulated for the applica-
tion concerned, which circulates in a closed
circuit within the machine.
The streamer for deburring contains an
additive which envelops individual grinding
grains present in the polymer with a protective
film during laminar flow. This film prevents
detectable material removal from surfaces
contacted by the medium. At the instant of a
change in direction, however, as happens for
example at an edge, due to inertia a point of
the grinding rain breaks through the protective
film and can cut material away. After the
direction change the grain is enveloped again
and the protective film acts as before.
A grinding medium with these properties
is ideal for the finish machining of high-precision
components without adverse effect on
existing tolerances in the µm range. A more
frequent change of the flow direction results
in uniform radius formation on the geometry
being ground. For components requiring precise
deburring of areas not easily accessible,
along with the production of an excellent surface
finish, MicroStream grinding is particularly
suitable.
A decisive factor for the technical development
of the flow grinding process more than
Streamer ist hierbei ein speziell für den jeweiligen
Anwendungsfall hergestelltes „Werkzeug“,
das in einem geschlossen Kreislauf
innerhalb der Maschine zirkuliert.
Der Streamer zum Entgraten enthält einen
Zusatz, der das einzelne im Polymer befindliche
Schleifkorn bei laminarer Strömung mit
einem Schutzfilm umgibt. Dieser Film verhindert
auf mediumkontaktierten Flächen messbaren
Werkstoffabtrag. Im Moment der Richtungsänderung,
wie er beispielsweise an einer
Kante erfolgt, tritt aufgrund der Trägheit eine
Spitze des Schleifkorns aus dem Schutzfilm
aus und kann Material spanend bearbeiten.
Nach der Richtungsänderung wird das Korn
wieder umhüllt und der Schutzfilm wirkt wie
zuvor beschrieben.
Ein Schleifmedium mit diesen Eigenschaften
ist hervorragend zur Endbearbeitung
hoch genauer Bauteile geeignet, ohne dass bestehende
Toleranzen im µm-Bereich verletzt
werden. Ein häufiger Wechsel der Fließrichtung
ergibt eine gleichmäßige Radienbildung
an der geschliffenen Geometrie. Für Bauteile,
bei denen präzises Entgraten von schwierig
zugänglichen Stellen und das gleichzeitige
Erzeugen einer hochwertigen Oberfläche gewünscht
wird, ist das MicroStream-Schleifen
besonders geeignet.
Ausschlaggebend für die technologische
Entwicklung des Strömungsschleifverfahrens
vor mehr als 30 Jahren waren erhebliche
Unzulänglichkeiten bei der Bearbeitung innenliegender
Werkstückgeometrien wie Bohrungsverschneidungen
und Durchbrüche unter
Verwendung konventioneller Fertigungsverfahren.
Prinzipiell hat sich an der Aufgabenstellung
bis heute nichts geändert. Aus der
verfahrensimmanenten Möglichkeit der flexiblen
Anpassung an bestehende Werkstückgeometrien
und deren Bearbeitung resultiert
auch das Gros an Einsatzfällen.
Die konstruktive Auslegung der zur Innenbearbeitung
genutzten Vorrichtungen kann
aufgrund der Werkstückgeometrie auf den
Einbau kostenintensiver, weil stark mediumkontaktierter,
querschnittsreduzierender Kerne
verzichten. Der kleinste Querschnitt mit
der höchsten Fließgeschwindigkeit und dem
stärksten Materialabtrag ist im Werkstück
lokalisiert. Daher unterliegt die Vorrichtung
keinem verfahrensbedingten Verschleiß. Insgesamt
besteht die Vorrichtung aus weniger
Einzelteilen und ist mit geringerem Fertigungsaufwand
als eine Vorrichtung zur Außenbearbeitung
herzustellen und daher auch
kostengünstiger.
Bei Endbearbeitungsverfahren sehr komplizierter,
dreidimensionaler Konturen ist der
Einsatz des Strömungsschleifens besonders
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geeignet. Die Erzeugung solcher Konturen erfolgt
auf mehrachsigen Werkzeugmaschinen
mit Oberflächenwerten, die den gestellten
Bauteilanforderungen jedoch nicht genügen
und nur durch das Strömungsschleifen erreicht
werden können. Die zu bearbeitenden
komplizierten Konturen bedingen zwangsläufig
auch einen erheblich höheren Konstruktions-
und Fertigungsaufwand beim Vorrichtungsbau.
Im Gegensatz zur Innenbearbeitung
muss bei der Außenbearbeitung durch die
Anordnung einer Gegenform ein Durchflussquerschnitt
erst geschaffen werden.
Vielfach ist diese Vorgabe nur durch den
Einsatz von gießbaren Polyurethanen zu verwirklichen.
Da die Gegenform verfahrensbedingt
ständig dem abrasiven Mediumfluss
ausgesetzt wird, ist der zu erwartende Vorrichtungsverschleiß
erheblich höher als bei
der Innenbearbeitung. Trotz der Mehraufwendungen
und offensichtlichen Nachteile im
Vergleich zur Innenbearbeitung gibt es derzeit
kein alternatives Fertigungsverfahren für derart
kompliziert geformte Bauteile im Bereich
der Oberflächenendbearbeitung.
Die präzise Form sowie die Oberflächenstruktur
der strömungsgeschliffenen Bauteile
ist einzigartig. Deshalb wird das Verfahren
vor allem in hoch technisierten Industrien mit
hohen Qualitäts- und Präzisionsansprüchen
eingesetzt. Anwendungsbeispiele findet man
heute unter anderem in der Medizintechnik
(Membranen, Ventile, Pumpen), in der Kunststoff-
und Aluminiumindustrie, in der Luftund
Raumfahrttechnik (Turbinen, Brennkammern,
Leitschaufeln), im Werkzeug und Formenbau
(Fittings, Formen, Matrizen).
Der Streamer ist das Werkzeug zum Strömungsschleifen.
Entsprechend der Bearbeitungsaufgabe
ist zwischen den Arbeitsgängen
Entgraten und / oder Polieren zu unterscheiden.
Den daraus resultierenden Anforderungen
wird zuallererst durch die Medienzusammensetzung
und danach mittels geeigneter
Bearbeitungsparameter entsprochen.
Der wesentliche Unterschied zwischen
einem Entgrat- und einem Poliervorgang
beim Strömungsschleifen besteht in dem
lokal und geometrisch bestimmten Materialabtrag
an einer Kante (Entgraten) bzw. auf
einer Fläche (Polieren), siehe Abbildungen.
Das abzutragende Materialvolumen kann in
beiden Einsatzfällen durchaus eine gleiche
Größenordnung besitzen und hat deshalb für
die Auswahl der Korngröße und der Viskosität
des Mediums keine Bedeutung. Diese Parameter
werden ausschließlich durch den am oder
im Werkstück befindlichen Durchflussquerschnitt
bestimmt.
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30 years ago was that when conventional
methods were used, there were considerably
inadequacies in the machining of internal
workpiece geometries, such as bore intersections
and perforations. In principle nothing
about such jobs has changed. Most industrial
applications are related to the process-inherent
possibility of flexible adaptation to, and the
machining of existing workpiece geometries.
Thanks to the workpiece geometry, in the design
of the devices used for internal machining
it is not necessary to incorporate cores, which
are cost-intensive because they are severely
affected by contact with the abrasive medium
and which reduce the cross-section. The
smallest cross-section with the highest flow
rate and hence the greatest removal of material
is localised inside the workpiece. Thus,
the device itself is not affected by processrelated
wear. Overall, the device comprises
fewer individual components, it costs less to
produce than a device for external machining,
and is therefore comparatively inexpensive.
The use of flow grinding is especially well
suited for the final machining of very complex,
three-dimensional contours. Such contours
are produced using multi-axis machine-tools,
but have surface quality values which often do
not meet specified component requirements,
which can only be achieved by flow grinding.
The machining of complex contours necessarily
entails considerably greater design and
production cost and effort for the construction
of the machining device. In contrast to internal
machining, for external machining a throughflow
cross-section must first be created by a
suitably positioned counter-shape.
This requirement can often only be realised
by the use of castable polyurethanes. Since by
the nature of the process the counter-shape is
constantly exposed to the flow of abrasive medium,
the wear of the device can be expected
top be substantially greater than in the case
of internal machining. However, despite the
additional cost and effort and the clear disadvantages
compared with internal machining,
at present there is no alternative production
method for components of such complex shape
when it comes to surface finish-machining.
The highly precise shape and surface structure
of components finished by flow grinding
are unique. Accordingly, the technique is used
in high-tech industries where the demand for
quality and precision is strict. Nowadays, examples
of its application exist in medical technology
(membranes, valves, pimps), in the
plastics and aluminium industries for tool and
hardened metal fabrication (dies, tablet-making
moulds, drawing dies, removal of eroded
layers), in aerospace technology (blisks, turbines,
combustion chambers, vanes), in die
and mould fabrication (fittings, moulds, dies)
and in numerous other applications.
Streamer selection
The streamer is in effect the flow-grinding tool.
Depending on the machining task, a distinction
is made between the work steps for deburr-
ing and / or for polishing. The requirements
resulting from this are met above all by formulating
the composition of the medium, and
then by the choice of suitable operating parameters.
The essential difference between a deburring
and a polishing process during flow grinding
consists in the local and geometry-related
determined removal of material at an edge (deburring)
or over a surface (polishing), see images.
In the two cases the volume of material
to be removed can be about the same, and this
is therefore not an important factor for choosing
the grain size and viscosity of the medium.
These parameters are determined exclusively
by the through-flow cross-section that exists
over or in the workpiece. ■
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