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Planbearbeitung

 

Die Planbearbeitung von sprödharten Materialien bedingt in der Regel eine mehrstufige Prozessführung: Schleifverfahren dienen der formgebenden Vorbearbeitung, die Endbearbeitung erfolgt anschließend mit Läpp- und Polierverfahren. Am IMPT werden folgende Verfahren entwickelt und eingesetzt: 

Planschleifverfahren

Für das Bearbeiten ebener Funktionsflächen mit hohem Zeitspanvolumen kommen Planschleifverfahren zur Anwendung. Dem Planschleifen liegt ein bahngebundenes Wirkprinzip zugrunde, da das starr gebundene Korn auf einer vorgegebenen Bahn in das Werkstück eindringt. Aufgrund der hohen Härte und Verschleißfestigkeit der sprödharten Materialien (Keramiken, Einkristalline) kommt überwiegend Diamant als Schneidstoff zum Einsatz. Bearbeitungsbedingte Bauteilschäden wie Ausbrüche, Risse und Eigenspannungen in der Randzone sind kritisch, eine Nachbearbeitung der Bauteile ist oftmals erforderlich. Am IMPT wird das Planschleifen für die Bearbeitung von Metallen und zur groben Dickenreduktion von Keramiksubstraten erforscht. 

Feinläppen

Läppen ist definiert als Spanen mit weitgehend losem, in einer Flüssigkeit oder Paste verteiltem Schneidkorn, welches aufgrund der Relativbewegung zwischen Läppscheibe und Werkstück eine Wälzbewegung ausführt. Das Läppkorn bewegt sich im Raum zwischen Werkstück und Werkzeug, somit liegt beim Läppen ein raumgebundenes Wirkprinzip vor. Das Läppen von Keramiken stellt neben dem Schleifen ein Fertigungsverfahren dar, mit dem hohe Oberflächengüten und Formgenauigkeiten wirtschaftlich zu erreichen sind. Als Läppkorn (Abrasivkörner) zur Bearbeitung von Keramik kommt überwiegend Diamant zum Einsatz. Für die Bearbeitung von duktilen Materialien (Metalle) werden dagegen SiC-Körner bevorzugt. Bedingt durch die relativ große Abrasivkörner sowie harte Läppscheibe können die Bauteilschäden wie Ausbrüche, Risse und Eigenspannungen in der Randzone reduziert, aber nicht komplett vermieden werden. Falls statt einer typischerweise harte Läppscheibe (Gusseisen) eine Läppscheibe aus weicherem Material (Cu, Al, Zn) eingesetzt wird, können die Randzonenschädigungen deutlich reduziert werden. In diesem Fall redet man von Feinläppen oder "loose abrasive grinding". Am IMPT wird das Feinläppen hauptsächlich für grobe Planarisierung von Keramiksubstrate (Wafer) eingesetzt.

Nanoschleifen

Eine Alternative zu den genannten Endbearbeitungsverfahren stellt das Nanoschleifverfahren dar, ein Ultrapräzisionsverfahren zur Herstellung ebener oder leicht gekrümmter Oberflächen. Während beim Läppen das Korn zwischen Werkstück und Werkzeug eine Wälzbewegung ausführt, ist beim Nanoschleifen das Schneidkorn in einer weichen, metallischen Arbeitsscheibe gebunden. Im Vergleich zum raumgebundenen Wirkprinzip beim Läppen ist das Wirkprinzip beim Nanoschleifen aufgrund der auf das Werkstück wirkenden konstanten Flächenpressung kraftgebunden. Nanoschleifen ist im Literatur auch als "fixed abrasive grinding" bekannt. Nanoschleifen ist ein zweiphasiges Ultrapräzisions-Fertigungsverfahren zur Erzeugung ebener oder leicht gekrümmter Oberflächen, bestehend aus Generierungs- und Bearbeitungsphase. In der Generierungsphase wird das Nanoschleifwerkzeug durch Einbetten von 0,5 bis 1 µm große Diamanten in eine Zinn-Arbeitsscheibe erzeugt, in der Arbeitsphase erfolgt die Bearbeitung des Werkstücks mit diesem Werkzeug. Das Verfahren eignet sich zur Endbearbeitung von hochfesten Keramiken. Im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren erreicht das Nanoschleifen sowohl hohe Oberflächengüten als auch relativ hohe Abtrennraten. Am IMPT wird das Nanoschleifen für feine die Planarisierung von Keramiksubstraten (Wafer) sowie für die Oberflächenbearbeitung (Winkel, Schräge, Seitenwände) von kleinen Chips verwendet. 

Planpolieren (rein mechanisch)

Polieren ist ein glättendes Feinbearbeitungsverfahren für verschiedenste Materialien. Die glättende Wirkung wird in der Regel mit zwei Mechanismen erreicht. Zum einen werden Rauhigkeitsspitzen der Oberflächenstruktur plastisch und teilplastisch verformt und so geebnet. Zum anderen erfolgt je nach Art der Politur ein sehr geringer bis geringer Werkstoffabtrag, sowie auch ein Verfüllen von Vertiefungen. Die damit erreichte Oberfläche ist auf Grund der Glätte oft glänzend. Beim Polieren wird die Rauheit des Werkstücks verringert, die Formgenauigkeit nimmt jedoch im Allgemeinen ab. Als Poliermittelträger dienen hauptsächlich Poliertücher (Textil, Filz, Polymer). Steifere Poliermittelträger sind für die Erhaltung der Formgenauigkeit besser geeignet, da weichere die Kanten der Bauteile abrunden. Als Abrasivkörner kommen neben Diamant, auch andere nanokörnige Partikel wie Al2O3, SiO2, CeO2 zum Einsatz. Am IMPT kommt das Planpolieren für die Oberflächenveredelung von Keramiken oder duktilen Substraten (Metallen) zum Einsatz.