Bearbeitungsverfahren : Oberflächenbearbeitung: Ultraschallschwingläppen, die zu unrecht unbekannte Technik

Mit dem Ultraschallschwingläppen (USSL) können produzierende Unternehmen Profilsenkungen mit geometrisch unbestimmter Schneide erzeugen. Das Verfahren ist in den letzten Jahren etwas in Vergessenheit geraten, obwohl es im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschallverfahren wie dem Ultraschallfräsen einige Vorteile mit sich bringt. Es lässt sich eine große Vielfalt an Werkstoffen per USSL bearbeiten - und zwar in sehr hoher Qualität. Sprödharte Werkstoffe, aber auch Faserverbundwerkstoffe können damit bearbeitet werden. Konkret lassen sich präzise Profilsenkungen in Werkstoffen wie z.B. Granit, Keramik, Glas, spröden Hartmetallen sowie Verbundwerkstoffe wie CFK und GFK herstellen. Die genutzten Werkzeuge können sehr feine Konturen erzeugen.

Die Bearbeitung erfolgt durch eine senkrecht oszillierende Sonotrode, die die Senkungsform vorgibt. Sie wird mithilfe eines Piezoelements und ihrer Eigenschwingung in einem Frequenzbereich von etwa 22 kHz betrieben. Der exakte Frequenzbereich ist dabei von der Eigenschwingung der Sonotrode abhängig. Dabei erhöht das angeflanschte Transformationsstück durch genaue schwingungstechnische Auslegung die Amplitude der Schwingung am Arbeitspunkt. Ein abrasives Läppmedium wird genutzt, um Partikel aus dem Werkstück zu lösen und abzutragen.

Eine Klassifizierung nach einer Schnittgeschwindigkeit vc ist nicht möglich. Der Arbeitende Vorschub kann mittels einer Weg-zu-Zeit oder Kraftsteuerung umgesetzt werden. Die Bearbeitung erfolgt dabei in Senkrechter Richtung (Z- Achse). Außerhalb des Werkstückes ist ein horizontales Verfahren (X- und Y- Achse) möglich. Nach der Bearbeitung kann das Werkstück durch Abwaschen oder mit Hilfe eines Ultraschallbads gereinigt werden.

Forscher:innen des Institute of Materials and Processes (IMP) an der Hochschule Karlsruhe haben eine USSL-Maschine gebaut, um einen möglichen Aufbau für das USSL-Verfahren zu demonstrieren. Die Maschine lässt sich in drei Teile unterteilen: die Maschine selbst, der Suspensionskreislauf, der größtenteils im Unterschrank der Maschine untergebracht ist und der Steuerungsschrank. Im Unterschrank befindet sich ein Rührer mit Pumpe. Diese dienen der Förderung und Aufbereitung des Läppmediums für welches im IMP eine Bohrcarbid-Emulsion genutzt wird.

Die Bearbeitung erfolgt in einem Auffangbecken, welches auf einem verfahrbaren Maschinentisch auf dem Unterschrank sitzt. Das Auffangbecken, die Pumpe, der Rührer und der Tank bilden zusammen einen Suspensionskreislauf, über den das Läppmedium gefördert und aufbereitet wird. Das Werkstück ist während der Bearbeitung in einer Einspannvorrichtung gespannt. Über dem Becken an einer Vertikal gesteuerten Führung befindet sich die Schwingvorrichtung. Diese besteht aus einer Einspannvorrichtung, in welche die Sonotrode eingesetzt wird, aus den Schwingungserzeugenden Piezoelementen und einem Motor für eine Vorschuberzeugung.

Mit dem Steuerungsschrank der Maschine des IMP lässt sich neben der Frequenz auch der Vorschub als Weg zu Zeit oder Zwangsvorschub einstellen und die Tischbewegung steuern. Für das Anfahren eines Werkstückes wird ein Steuerungselement im Maschinensockel genutzt, mit welchem sich der Tisch in X- und Y-Richtung steuern lässt.

Eine erste Marktanalyse an der HKA ergab, dass viele potenzielle Nutzer schlicht nicht mit der Technologie vertraut sind. Dementsprechend ziehen sie das Ultraschwingläppen für eine Integration in ihre Produktion gar nicht erst mit ein. Das Forschungsteam am (IMP) ist überzeugt, dass Ultraschallschwingläppen noch Raum für Weiterentwicklungen bietet. Daher soll das Verfahren nun mehr in das allgemeine Bewusstsein gerufen werden, um so eine mögliche Lösung auf Problemstellungen zu bieten, die vorher schwer oder nur umständlich bewältigt werden konnten.

(Ebenfalls interessant: CBN: Warum der zweithärteste Schneidstoff erstklassige Eigenschaften besitzt)