Duktile Ultrapräzisionsbearbeitung sprödharter Werkstoffe durch Verfahren mit definierter Diamantschneide

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 320151403

Die Fertigung von Mikrooptiken zur Anwendung in der Medizinbranche, z. B. in der Allgemein- und Viszeralchirurgie zur Realisierung hochpräziser und hochaufgelöster laparoskopischen Untersuchungen, unterliegt immer größer werdenden Anforderungen. Hierbei steigt die Nachfrage an Werkstoffen, welche den nahen und mittleren Infrarotbereich abdecken, stetig an, wobei Galliumphosphid (GaP) einen geeigneten Werkstoff darstellt. Für den Anwendungsbereich in der Allgemein- und Viszeralchirurgie werden Mikrooptiken aus GaP benötigt, welche arithmetische Mittenrauwerten von Ra ≤ 10 nm aufweisen. Um das GaP optisch zerspanen zu können, wird die Ultrapräzisions(UP)zerspanung unter Verwendung von monokristallinen Diamanten (MKD) eingesetzt. Unter Berücksichtigung wirtschaftlicher Zerspantechnologien und aufgrund der geringen Schneidkantenrundung rβ sowie einem Verhältnis der Spanungsdicke zur Schneidkantenrundung von h > rβ werden Zugspannungen σz in den Werkstoff eingeleitet. Wenn diese wirkenden Zugspannungen σz einen werkstoffabhängigen kritischen Wert annehmen, kommt es zur Bildung von Rissen und Brüchen im Werkstoff, wodurch das Erreichen von arithmetischen Mittenrauwerten von Ra ≤ 10 nm nicht mehr realisierbar ist. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, soll GaP mithilfe ultraschallunterstützter Systeme duktil zerspant werden. Durch die Ultraschallbearbeitung werden Druckspannungen σd in den Werkstoff eingebracht, wodurch eine plastische Verformung ohne Rissbildung im Werkstoff erzielt werden kann. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die duktile Zerspanung von GaP, um die Anforderungen an applikationsgerechte Mikrooptiken für den Einsatz in der Medizinbranche hinsichtlich Oberflächenrauheiten, Werkzeugverschleiß und Wirtschaftlichkeit erfüllen zu können. Dafür wird die wissenschaftliche Arbeitshypothese aufgestellt, dass GaP mittels der konventionellen und der ultraschallunterstützten UP-Bearbeitung duktil und ohne Rissbildung mit arithmetischen Mittenrauwerten von Ra ≤ 10 nm zur direkten Fertigung von Mikrooptiken zerspant werden kann. Für das Forschungsprojekt werden zunächst die spezifischen Werkstoffeigenschaften von GaP sowie grundlegende Trennmechanismen identifiziert. Darauf aufbauend werden mithilfe der konventionellen und der ultraschallunterstützten Bearbeitung detaillierte UP-Drehversuche durchgeführt und die Einflüsse auf die Oberflächenrauheitskennwerte analysiert. Zudem wird das Verschleißverhalten der eingesetzten MKD detailliert untersucht sowie der Einfluss auf die Rissbildung und damit auf die wissenschaftliche Arbeitshypothese analysiert. Mit dem Projektende sollen detaillierte Erkenntnisse zur aufgestellten Forschungshypothese, zur konventionellen und ultraschallunterstützten UP-Drehbearbeitung sowie zum Verschleißverhalten der MKD-Werkzeuge bei der Zerspanung von GaP bereitgestellt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen