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Herstellung dreigliedriger Zahnbrücken – Schleifen am Limit
EINLEITUNG: In den letzten Jahren ist ein rasch
zunehmender Einsatz von präzisen technischen
Bauteilen und Implantaten aus keramischen
Werkstoffen, wie z.B. Oxid- und Nitridkeramiken,
welche sich nur sehr schwer zerspanen lassen, zu
verzeichnen. Diese Bauteile finden unter anderem
Verwendung in der Medizinal-, Dental- und
Gerätetechnik und können z.B. Zahnbrücken,
Gelenke aber auch Impeller, Einsätze für
Tiefziehwerkzeuge oder Heissteile für Kraftmaschinen
sein. Häufig gehen mit diesen Bauteilen
individuelle komplexe räumliche Geometrien
einher. Aufgrund der für die Funktionalität dieser
Bauteile notwendigen Präzision genügt es nicht,
sie durch formgebende Verfahren (near net shape)
und anschliessendem Sintern herzustellen. Die erforderliche
Werkstückgenauigkeit kann praktisch
immer nur durch eine (nachgeschaltete) zerspanende
Bearbeitung erreicht werden. Dies
erfordert wesentlich bessere Kenntnisse über die
effiziente Zerspanbarkeit dieser Werkstoffe im
gesinterten harten Zustand, weshalb sich die
aktuelle Forschungsarbeit mit dieser Thematik
auseinandersetzt. Neben der Ultraschallunterstützten
Bearbeitung spielt das Schleifen bei hohen
Drehzahlen eine wesentliche Rolle, um in Keramik
eine hohe Abtragsrate zu erreichen. Zur Umsetzung
dieses Prozesses, sind leistungsfähige
Werkzeuge und Maschinen mit entsprechenden
Kühlschmieranlagen notwendig.
VORGEHEN: Für diese Untersuchungen wird ein
Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrum mit
fünf Achsen zu einer Schleifmaschine aufgerüstet
und darauf der Prozess grundlegend untersucht.
HERAUSFORDERUNGEN: Die Fertigung von
genauen komplexen räumlichen Geometrien &
Kavitäten mit teilweise geringen Schnittgeschwindigkeiten
(trotz hoher Drehzahlen ist bei kleinen
Werkzeugen vc nur 6 - 13 m/s) sowie das Erreichen
möglichst hoher Werkzeugstandzeiten sind die
grössten Schwierigkeiten.
UNTERSUCHUNGEN: Am Werkzeug untersucht
wird das makroskopische Verhalten
(Standzeit, G-Wert, exakte Geometrie/Profil) und
das mikroskopische Verhalten (Verschleiss am
Diamanten und an der Bindung) sowie andere
Schädigungen. Analysiert wird auch die Zerspanbarkeit
hinsichtlich Integrität der Werkstückoberfläche
(Kräfte, Rauheit, Mikrorisse, etc.) sowie die
Nicolas Jochum, inspire AG, Zürich
Herstellbarkeit komplexer Geometrien (Kavitäten,
Zugänglichkeit) um ein geeignetes Prozessfenster
zu finden.
Fig. 1: Standzeitversuch auf Fünf-Achs-Prüfstand
mit Messaufbau (Dynamometer)
Die Untersuchungen wurden anhand von drei
verschiedenen Versuchstypen durchgeführt:
1. Standzeitversuche: Einfacher Versuchsaufbau,
um die Prozessgrössen gut ermitteln zu können
2. Versuche zum Schleifen von Kavitäten /
Bohren, z.B. Bestimmen geeigneter Strategien
3. Versuche zum Schleifen einer 3-D-Geometrie,
z.B. Schleifen einer Fase oder Schleifen einer
dreigliedrigen Dummy-Zahnbrücke
Bei den Untersuchungen konnten sehr hohe bezogene
Zeitspanvolumina erreicht. Eine signifikante
Schädigung der Werkstücke konnte nicht nachgewiesen
werden.
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