Mikroumformen Kontrollierte Präzision einer Mikroumformmaschine

Autor / Redakteur: Hendrik Tetzel und Annika Bohlen / Stéphane Itasse

Die fortschreitende Miniaturisierung ist in vielen Bereichen des täglichen Lebens beobachtbar. Die Fertigung von Bauteilen für mikro-mechatronische Systeme stellt die Hersteller vor zunehmend größere Herausforderungen hinsichtlich der Toleranzen.

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Wie präzise eine Mikroumformmaschine bei hochdynamischer Beanspruchung tatsächlich arbeitet, hat das BIAS untersucht.
Wie präzise eine Mikroumformmaschine bei hochdynamischer Beanspruchung tatsächlich arbeitet, hat das BIAS untersucht.
(Bild: BIAS)

Für Forschungszwecke befindet sich am BIAS (Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH) eine mit Lineardirektmotoren angetriebene Mikroumformmaschine, die zur Herstellung kleinster Bauteile eingesetzt wird. Die absolute Positioniergenauigkeit der Umformmaschine ist mit 3 μm nachgewiesen. Doch wie verhält sich eine solche Maschine bei hochdynamischer Beanspruchung im Betrieb? Kann von einer idealen Verfahrbewegung der Achsen ausgegangen werden?

Kraftmessungsbasierte Beschleunigungsmessung in der Mikroumformmaschine soll Präzision klären

Mittels einer kraftmessungsbasierten Beschleunigungsmessung wurde versucht, diese Fragen zu beantworten. Hierbei soll das Verhalten des Steuerungssystems und der Maschine bei maximaler Belastung betrachtet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Lageregelung die vorgegebenen Achspositionen innerhalb der gegebenen Messunsicherheit nach jeweils der gleichen Zeit reproduzierbar erreicht. Jedoch wählt die Geschwindigkeitsregelung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung und der jeweiligen Lage unterschiedliche Beschleunigungsraten, um den Sollwert zu erreichen.

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Um Informationen über das Beschleunigungsverhalten der linear-direktangetriebenen Pressenachse zu erlangen, wird eine Masse anstelle des Umformstempels im Werkzeughalter montiert (Bild 2) und die in der Bewegung auftretenden Kräfte werden aufgezeichnet. Für die Versuche werden die Startposition der Achse (s1 bis s5), die Bewegungsrichtung (nach unten (s1, s2 und s3) beziehungsweise nach oben (s4 und s5), sowie die Zielgeschwindigkeit variiert. Es werden entsprechend alle Zielgeschwindigkeiten mit allen Startpositionen kombiniert. Die Hubhöhe und die Prüfmasse bleiben bei allen Versuchen konstant. Alle Hübe werden zwecks stochastischer Absicherung zehnmal geprüft.

Prüfmasse zentrisch durch eine starre Verbindung an Piezo-Kraftsensor befestigt

Gesteuert wird die Mikroumformmaschine durch eine Sinumerik 840D von Siemens. Die Lageregelung der Maschinenachsen wird durch Siemens-Simodrive-Einheiten dargestellt. Diese sind den Strom- und Geschwindigkeitsregelkreisen untergeordnet, eine Ruckbegrenzung ist definiert. Die maximale Beschleunigung der Achsen soll bedingt durch das Wegmesssystem auf 100 m/s² seitens der SPS begrenzt werden.

Die Prüfmasse wird zentrisch durch eine starre Verbindung an einem Piezokraftsensor für Zug- und Druckkräfte (Kistler Typ 9217A) befestigt. Der Kraft­sensor ist direkt mit der Maschinenachse verbunden. Das elektrische Signal des Piezokraftsensors wird mit einem Ladungsverstärker (Kistler Typ 5015A) in ein Analogsignal umgesetzt, welches durch einen Analogeingang (NI 9223) erfasst wird. Simultan wird an einem digitalen Eingangsmodul (NI 9411) der zurückgelegte Stempelweg inkrementell (Schrittweite Δi = 5 μm) erfasst. Beide Eingänge werden mit einer maximalen Aufnahmefrequenz von 1 MHz abgetastet.

In Bild 3 sind exemplarisch zwei resultierende Kraft-Weg-Diagramme für die Achsenhübe s2 (oben) und s5 (unten) abgebildet. Sobald die Kraft den Wert null annimmt, ist die Beschleunigung beziehungsweise Verzögerung der Achse abgeschlossen und die jeweilige Zielgeschwindigkeit erreicht. Es ist ersichtlich, dass, je höher die Zielgeschwindigkeit gewählt wurde, desto mehr Weg für die Beschleunigung oder Verzögerung verfahren wird. Im Falle von 1700 mm/s wird die Zielgeschwindigkeit nicht erreicht, da die Beschleunigungsphase direkt in die Verzögerungsphase übergeht. An dieser Stelle fällt auf, dass der entgegengesetzte Hub s5 einen deutlich kürzeren Weg für den Wechsel von Beschleunigung auf Verzögerung benötigt (senkrechte Markierungen in Bild 3). Im Anschluss an die Beschleunigungsumkehr treten Überschwinger und im weiteren Verlauf Schwankungen der Beschleunigung auf.

Lageregelung der Maschinenachse agiert positions- und richtungsabhängig

Aus den dargestellten Kraft-Weg-Diagrammen in Bild 2 wird ersichtlich, dass die Lageregelung der Maschinenachse positions- und richtungsabhängig agiert, da keine Punktsymmetrie um den mittleren Weg von 15 mm erkennbar ist. Während bei einer Abwärtsbewegung s2 geringere Beschleunigungsraten (Ruck) auftreten, sind diese in einer Aufwärtsbewegung s5 deutlich höher. Das Abbremsen der Bewegung führt jedoch zu einer unstetigen Verzögerung, bedingt durch ein Schwingen des Regelkreises, bei dem sogar die interne Beschleunigungsbegrenzung überschritten wird. Aufgrund der Anzahl der durchgeführten Wiederholungen von zehn Messungen pro Hub ist eine messfehlerbedingte Abweichung an dieser Kurve auszuschließen.

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Da der Ursprung dieser Abweichungen im Rahmen dieser Untersuchung nicht abschließend geklärt werden kann, wird zukünftig auf die Verwendung dieser Hubparameter für wissenschaftliche Untersuchungen verzichtet, bis eine Klärung herbeigeführt worden ist. Die Achssolllagen werden bei unterschiedlichen Zielgeschwindigkeiten im Rahmen der Messunsicherheit des integrierten Wegmesssystems (< 5 μm) genau erreicht. Daraus lässt sich ableiten, dass die übergeordnete Lageregelung, unbeeinflusst von wechselnden Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bedingt durch die inneren Regelkreise, die Sollposition sicher anfahren kann. Bei einer Hubhöhe von 30 mm und einer Zielgeschwindigkeit von 1000 mm/s kann der Verfahrweg von 10 bis 22,5 mm für einen Umformprozess bei konstanter Geschwindigkeit genutzt werden.

Einfaches Messverfahren zeigt dynamisches Verhalten der Mikroumformmaschine

Abschließend kann festgehalten werden, dass mittels eines einfachen Messverfahrens basierend auf der Massenträgheit das dynamische Verhalten einer Mikroumformmaschine beurteilt werden kann. Es wurde festgestellt, dass die Beschleunigungsregelung der Mikroumformmaschine mit steigender Zielgeschwindigkeit zunehmende Abweichungen von einem konstanten Beschleunigungsverhalten zeigt. Diese Erkenntnisse können zukünftig dafür eingesetzt werden, die Umformprozesse effizienter und robuster zu gestalten, wie sie zum Beispiel im Forschungsprojekt Stempelgeschwindigkeit 2 derzeit untersucht werden.

Die Autoren danken der DFG für die Förderung des Projekts „Stempelgeschwindigkeit 2“ (Vo530/42-2) und „Prozessstabilität 2“ des Sonderforschungsbereichs 747 Mikrokaltumformen sowie Malte Häßler und Jan Plieth, Schülern der Oberstufe des Gymnasiums Horn, die diese Untersuchungen im Rahmen ihrer Facharbeit durchgeführt haben.

* Hendrik Tetzel war wissenschaftlicher Mitarbeiter am BIAS – Bremer Institut für angewandte Strahltechnik in 28359 Bremen, Annika Bohlen ist dort studentische Hilfskraft

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