МИКРОПРОИЗВОДСТВО-МО

ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ДЛЯ
МИКРО- И ПРЕЦИЗИОННОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Металлообработка 2015
Богачев Ю.П., Сахарова О.П. – МНТЦ ТИМ, ОАО «ЭНИМС»
Москва/Российская Федерация
Koriath H.-J., Eckert U. - Fraunhofer IWU
Chemnitz/Germany
Kugler T. – Kugler GmbH
Salem/Germany
© Fraunhofer IWU
1
Москва
Содержание (повестка дня)
 Введение. Международные проекты IWUMASH-KUGMASH.
 Тенденции развития микро- и прецизионных технологий
 МНТЦ ТИМ, ОАО «ЭНИМС» Москва/Российская Федерация
 Fraunhofer IWU Chemnitz/Germany
 Kugler GmbH Salem/Germany
 Перспективы
 Сотрудничество и контакты
© Fraunhofer IWU
2
Введение – Что такое микропроизводство?
 … относится к способам изготовления, технологиям, оборудованию,
организационным стратегиям и системам для производства изделий
и/или деталей, которые имеют по меньшей мере два размера, в
субмиллиметровом диапазоне.
© Fraunhofer IWU
3
Введение – Потенциал миниатюризации
 Миниатюризация позволяет…
Повысить:
Снизить:
 Потребление энергии и ресурсов (в
 Количество
процессе изготовления и
интегрированных функций
эксплуатации)
 Надежность
 Вес
 Функциональность
 Стоимость
 Удобство
ref.: www.digitaltrends.com
1839
2015
ref.: www.lensseal.com
© Fraunhofer IWU
4
Введение – Применение микродеталей
ref.: Fraunhofer IWU

Медицинские приборы, импланты

Авто- и авиастроение

Оптическая промышленность

Коммуникационные технологии

Бытовая электроника

Бытовая техника
 …
ref.: kuglerprecision.com
Имплант среднего уха
Миро стент (Тантал)
ref.: LaserLaboratorium
Göttingen e. V.
ref.: Hahn-Schickard
Датчик скорости вращения
Микролинзы
ref.: wbk.kit.edu
ref.: Fraunhofer IWU
Пуансоны
© Fraunhofer IWU
5
Микро шестерни (ZrO2)
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Развитие эрозионных технологий (методы,
инструменты, процессы) для макро и микро
геометрий
 Процесс развития и дизайн цепочек процессов
для ПОКРЫТИЙ (толстых и тонкопленочных
покрытий вместе)
 Микро- и чистовая обработка резанием с
определенной режущей кромкой
 Гибридные процессы, в частности вибрации
суспензии и комбинированные процессы (лазер +
фрезерование, EDM + ECM, горячее тиснение)
 Оценка метрологических свойств составных
поверхностей (форма, шероховатость,
химический состав) и их функциональности
(трибометр)
© Fraunhofer IWU
6
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
Микрофрезерование
Нанострогание
Микросверление
Лазерная обработка
Электрофизикохимическая обработка
© Fraunhofer IWU
7
Технологии обработки
материалов для микро и
прецизионного
применения
ОАО «ЭНИМС»
© Fraunhofer IWU
8
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Развитие производственных технологий
 Трибологические оптимизированные поверхности и компоненты
 Уплотнительные и соединительные поверхности
 Тактильные и визуальные функциональные поверхности
 Биологические функциональные поверхности
 Проектирование компонентов, процессов и технологических цепочек
 Микрофлюидных систем (диагностика)

Микростуктурных компонентов (впрыск топлива, датчики, упаковка, …)
 Микросртуктурированный инструмент, штампы и прессформы
 Прикладные разработки измерительных систем и систем оценки
© Fraunhofer IWU
9
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Развитие эрозионных технологий (методы,
инструменты, процессы) для макро и микро
геометрий
 Процесс развития и дизайн цепочек процессов
для ПОКРЫТИЙ (толстых и тонкопленочных
покрытий вместе)
 Микро- и чистовая обработка резанием с
определенной режущей кромкой
 Гибридные процессы, в частности вибрации
суспензии и комбинированные процессы (лазер +
фрезерование, EDM + ECM, горячее тиснение)
 Оценка метрологических свойств составных
поверхностей (форма, шероховатость,
химический состав) и их функциональности
(трибометр)
© Fraunhofer IWU
10
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Блок-схема микропроизводства
© Fraunhofer IWU
11
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Микрофрезерование
 Применение: Инструмент для литья
под давлением, тиснения, изготовления
опытных образцов
Микро фрезерованный
инструмент для горячего
тиснения
 Потенциал: Гибкая 3D обработка
отдельных компонентов и
мелкосерийного производства
 Задачи: Отклонения инструмента,
образование шероховатости,
стабильность процесса …
 Фокус: Процесс проектирования
(стратегии фрезерования, выбор
инструмента, выбор режимов резания,
…)
© Fraunhofer IWU
12
Эмуляция траектроии
движения инструмента /
CAM
Имплантат среднего
уха
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий

Технология формообразования труднообрабатываемых
материалов наностроганием

Автоматизированная микро и чистовая обработка
резанием инструментом со специальной геометрией

Обработка сложнопрофильных поверхностей в
поверхностном слое изделий.

Высокая точность формы и расположения поверхностей
(до 25 нм), их бездефектное пересечение, в т.ч.
ячеистых структур

Повышение производительности изготовления
элементов поверхностей за счет замены
микрофрезерования микростроганием

Использование в гибридных и комбинированных
процессах

Надежная, повторяемая технология микро и
прецизионной обработки
© Fraunhofer IWU
13
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Лазерная обработка в сочетании с
фрезерованием
 Применение: последовательная обработка
фрезерованием и лазерная абляция
(инструменты, прототипы)
 Потенциал: не хрупкие и дорогие
микроинструменты (<0,1 мм), высокая
точность
 Задачи: настройка двух технологий в одной
в одном технологическом процессе,
различное влияние на поверхностный слой
 фокус: Разработка технологического
процесса, производительность процесса …
© Fraunhofer IWU
14
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Микро электроэрозионная обработка (EDM)
 Применение: Инструменты для литья
под давлением или тиснения, для
единичного и серийного производства
Микро EDM сверление
 Потенциал: расширение диапазона
обрабатываемых материалов до
непроводящих керамических материалов
 Задачи: Повышение производительности
процесса, снижение износа инструмента
Микро имплант (Ti)
 Фокус: наложение ультразвука/вибраций,
обработка керамических материалов.
Микро EDM
фрезерование циркония
© Fraunhofer IWU
15
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Микро электрохимическая обработка (ECM)
 Применение: обработка микрогеометрии
и структурированных поверхностей
 Потенциал: обработка твердых
материалов без влияния температуры,
снижение износа инструмента и
заусенцев, высокое качество поверхности
Jet-ECM
 Задачи: обработка твердых сплавов,
большое соотношение размеров сторон
детали.
 Фокус: обработка материалов
порошковой металлургии, развитие
процесса (реактивная ECM обработка,
ECM обработка с вращением)
© Fraunhofer IWU
16
PECM
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Микро штамповка
 Применение: микрофлюидика,
оптика, тактильные элементы,
интегрированные датчики
 Потенциал: 3D структуры, широкий
спектр материалов (металлы, стекло,
полимеры), массовое производство
 Задачи: Размерные эффекты,
например трибологические аспекты,
размер зерна, неоднородности
материала, точность оборудования
 Фокус: Разработка технологического
процесса, разработка инструмента,
трибология…
© Fraunhofer IWU
17
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Трибологическая оптимизация – превентивная
чистовая обработка
Задачи:

Влияние отклонения формы цилиндра на трибологический
поршень системы– поршневые кольца – гильза цилиндра

Причины отклонения от цилиндричности: статические,
полустатические и динамические искажения в результате
монтажа головки, перепады температур при выполнении
обработки, переменное тепловое расширение и давление газа.

70 - 80 % расхода масла происходит в поршневой системе

Трущаяся часть поршневой системы может составлять до 50 %
от общего трения двигателя
Мотивация: Минимизация отклонения от цилиндричности
отверстий в блоке цилиндров
Опциональное решение: Модификация конструкции компонентов и
формы отверстия. Превентивная овальная обработка
© Fraunhofer IWU
18
Деформация в
верхней части
диапазона
гильзы цилиндра
10µm
Искажение 4-го порядка
гильзы цилиндра
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Трибологическая оптимизация – превентивная
чистовая обработка
a
)
Технические требования к обработке:

Разработка эффективного и гибкого процесса обработки
(IT<6, Rz<3µm)

Высокодинамичное относительное движение между
деталью и заготовкой (f>50 Hz, s=10…100 µm)
актуатор
a
)
Хонинговальный
камень
Опциональное решение:

Движение одной оси ”Адаптроника профильного
хонингования”

Многоосевое движение ”Профильное сверление”
(Магнитный шпиндель, суб-кинематическая система)
Технологические предпосылки:

Интеграция системы управления технологическим процессом

Разработка измерительных концепций и стратегий (для
анализа 3D форм)
© Fraunhofer IWU
19
Принцип работы суб-кинематической системы
гексапода
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Трибологическая оптимизация – превентивная
чистовая обработка
Результаты адаптроники профильного хонингования:

Реализация инструмента для адаптроники профильного
хонингования

Разработка специальных технологических процессов
профильного хонингования и стратегий
обработки
 Функционирование инструмента и процесса
доказано экспериментально
 Точность формы +3 µm/-3 µm
 Достигнуты требования к
производительности
 Выдержаны целевые структура
поверхности и значения шероховатости
 Испытания двигателя успешны:
уменьшенный расход масла
(тест: 29 г/ч  цель: <47 г/ч)
© Fraunhofer IWU
20
Инструмент для адаптроник
профильного хонингования
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Трибологическая оптимизация – превентивная
чистовая обработка
Результаты профильного сверления:

Реализована суб-кинематическая система гексапода

Разработаны специальный технологический процесс
и стратегия обработки

Функциональность процесса доказана
экспериментально на картерах двигателей из
алюминиевых сплавов
 Разница между целевой и просверленной
формой < 6 µm
 Значение шероховатости Rz < 2 µm достижимо
 Скорость вращения до 6000 об/мин
© Fraunhofer IWU
21
Тенденции развития микро- и прецизионных
технологий
 Трибологическая оптимизация – превентивная чистовая обработка
Сочетание адаптроники профильного хонингования и профильного сверления
Проблема:

Время обработка зависит от формы отклонений (удаление радиального припуска)
Преимущества от комбинации процессов:

Сокращение радиального припуска в процессе хонингования

Снижение времени обработки

Постоянная толщина покрытия
© Fraunhofer IWU
22
© Fraunhofer IWU
23
2
3
© Fraunhofer IWU
24
2
4
© Fraunhofer IWU
25
2
5
Перспективы
 Постоянно увеличивается область применения микроструктурированных
деталей и поверхностей
 Оптимизированы процессы и технологические цепочки, необходимые
для эффективного производства
 Гибридные процессы (например лазерная обработка в сочетании с
фрезерованием, обработка с применением вибрации) представляют
новые возможности в производстве.
 Растет важность микроструктурированных поверхностей
 Высокий спрос на эффективные технологии для микроструктурирования
больших поверхностей
 Дальнейшее развитие традиционных производственных процессов и
новых технологий (например Микро ECM) как решений для различных
областей применения.
© Fraunhofer IWU
26
Coтрудничество и контакты
 Возможности сотрудничества:
 Разработка инновационных процессов для эффективного снижения
затрат и процесса надежного производства микро и прецизионных
изделий
 Акцент на технологические процессы формирования и удаления
 НИОКР на основе потребностей промышленности
 Участие в национальных и международных проектах и
кооперированное производство в РФ
 Контакты
МНТЦ ТИМ – ОАО «ЭНИМС»
2-я Бауманская, 5,
Москва, 105005 Россия
Kugler GmbH
Heiligenberger Str. 100
88682 Salem/Germany
Fraunhofer IWU
Reichenhainer Str. 88
09126 Chemnitz/Germany
Юрий Павлович Богачев
Ольга Петровна Сахарова
BYP.Moscow@gmail.com
Тел: +7 (499) 704 51 74, www.timrf.ru
Till Kugler
till.kugler@kugler-precision.com
Phone: +49 (7553) 9200 0
Udo Eckert
Department for Functional Surfaces and
Microsystems Manufacturing
udo.eckert@iwu.fraunhofer.de
Phone: +49 (371) 5397 1932
© Fraunhofer IWU
27