Lektion 6.9TrennenKapitel 6 · Trennen und nichtkonventionelle Bearbeitung

Ultraschallbearbeitung

Ein schwingendes Werkzeug hämmert Schleifkörner in die Oberfläche

Bei der Ultraschallbearbeitung schwingt ein geformtes Werkzeug etwa 20.000-mal pro Sekunde gegen hartes, sprödes Material, durch eine Paste aus Schleifkörnern hindurch. Jeder Schlag schlägt mikroskopische Splitter ab, sodass sich die Form des Werkzeugs langsam in Glas oder Keramik senkt, ohne es zu zerbrechen. So entstehen die eckigen, sternförmigen und geschlitzten Löcher in Glas und Keramik, die ein Bohrer zerspringen ließe.

Foto: Public domain, via Wikimedia Commons

Ultraschallbearbeitung · die Maschine und eine Detailansicht der WerkzeugspitzeDie eingekreisten Zahlen entsprechen den Schritten unten; die Detailansicht rechts vergrößert die Werkzeugspitze.

So funktioniert es

Das Signal erzeugen. Ein Generator erzeugt ein elektrisches Signal mit typischerweise 18–40 kHz (tausend Schwingungen pro Sekunde), knapp oberhalb des menschlichen Hörbereichs.
In Schwingung umwandeln. Ein piezoelektrischer Wandler (ein Kristallstapel, der sich mit der Spannung ausdehnt und zusammenzieht) wandelt das Signal in mechanische Schwingung um.
Verstärken. Das Horn, oder die Sonotrode (ein sich verjüngender Metallstab), vergrößert die Bewegung an der Werkzeugspitze auf einige Hundertstel Millimeter.
Die Suspension zuführen. Eine Suspension (Wasser, gemischt mit Schleifkörnern wie Borcarbid, Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid) fließt zwischen Werkzeug und Teil.
Abplatzen. Jeder Schlag des Werkzeugs treibt Körner in die Oberfläche. Sprödes Material springt in mikroskopischen Splittern ab; das Werkzeug selbst schneidet nie direkt.
Vorschub und Abbild. Eine leichte, gleichmäßige Kraft drückt das Werkzeug nach unten, sodass sich sein exaktes Negativ in das Teil senkt. Frische Suspension trägt den Abtrag fort.

Wichtige Fakten

Werkstoffe: Harte, spröde Materialien: Glas, Quarz, Saphir, Keramiken aus Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid, Siliziumcarbid, Ferrit, Carbide. Schlecht bei weichen, duktilen Metallen.
Typische Teile: Runde und ungewöhnlich geformte Löcher, Schlitze, flache Kavitäten und Gravuren in spröden Teilen
Bauteilgröße: Merkmale von etwa 0,1 mm bis zu einigen zehn Millimetern; die Werkzeugfläche ist meist klein
Präzision: Typischerweise einige Hundertstel Millimeter
Oberfläche: Fein und matt, ohne Wärmeschäden oder Grate; mit feinerer Körnung glatter, oft Ra (mittlere Höhe der Oberflächenunebenheiten) unter 1 µm
Geeignete Losgröße: Von Prototypen bis zu großen Serien (ein Teil bis 100.000 oder mehr)
Werkzeug- und Maschinenkosten: Werkzeuge sind einfach und weich (oft aus kohlenstoffarmem Stahl), verschleißen aber schnell; Maschinen ab einigen Zehntausend Dollar, mehr für CNC-Rotationsvarianten
Geschwindigkeit: Langsam: Das Werkzeug dringt typischerweise einen Bruchteil eines Millimeters bis etwa einen Millimeter pro Minute vor

Stärken und Grenzen

Stärken

Schneidet Glas, Keramik und Edelsteine, ohne sie zu zerbrechen
Jede Lochform, nicht nur runde
Keine Wärme, keine chemische Veränderung, keine Grate
Funktioniert bei elektrischen Isolatoren, anders als Erodieren (EDM) und elektrochemisches Abtragen (ECM)

Grenzen

Langsam, besonders bei tiefen Löchern
Das Werkzeug verschleißt und muss ersetzt oder neu geformt werden
Schlecht bei weichen, duktilen Metallen, die sich eindellen, statt abzusplittern
Tiefe Löcher werden konisch, und die Suspension erreicht den Boden nur schwer

Wo es eingesetzt wird

ElektronikLöcher und Schlitze in Keramiksubstraten, Ferrit- und Quarzteilen
OptikGeformte Löcher in Fenstern aus Glas, Quarz und Saphir
Luft- und RaumfahrtStrukturen in technischer Keramik und keramischen Verbundwerkstoffen
Uhrmacherei und SchmuckBohren von Edelsteinen und Saphirteilen
LaboreGlas- und Quarzteile für wissenschaftliche Instrumente

So erkennen Sie es

Nicht runde Löcher (Quadrate, Sterne, Schlitze) in Glas oder Keramik.
Lochwände mit einer feinen, mattierten Textur und ohne Wärmespuren.
Eine leichte Verjüngung in tiefen Löchern und winzige Ausbrüche entlang der Austrittskante.

Im Vergleich mit

Senkerodieren6.6kopiert ebenfalls ein geformtes Werkzeug in das Teil, aber mit Funken, daher funktioniert es nur bei leitenden Materialien.Wasserstrahlschneiden6.4nutzt ebenfalls Schleifkörner, aber ein Strahl trägt sie und schneidet Durchgangsprofile statt Sacklochhohlräume.Schleifen5.7ebenfalls abrasiv, aber die Körner sind in einer rotierenden Scheibe gebunden, statt lose eingehämmert zu werden.

Ansehen

ADTW Study · Eine Animation von schwingendem Werkzeug, Suspension und Kavität

Innovative learning of Engineering By MuthuKumar · Wandler, Horn, Werkzeug und Suspensionszufuhr erklärt

Berkness Company · Echtes Filmmaterial aus einer Bearbeitungswerkstatt

DMG MORI · Die moderne Rotationsvariante: ein rotierendes Diamantwerkzeug, das zusätzlich schwingt

Echte Fotos ansehen

Wikipedia: Ultraschallbearbeitung — Prinzip, Frequenzen, Schleifmittel und Varianten (überwiegend Text)
Fotosuche auf Wikimedia Commons

Merken

Ein Werkzeug, das etwa 20.000-mal pro Sekunde schwingt, hämmert Schleifkörner, die sprödes Material abplatzen lassen.
Es ist das Verfahren für geformte Löcher in Glas, Keramik und Edelsteinen, mit denen Bohren und Funken nicht zurechtkommen.
Achten Sie auf ungewöhnlich geformte Löcher in Glas oder Keramik mit mattierter Wand.