Formgedächtnistechnik – Tiefbohren und Mikrofräsen von NiTi

Petzoldt, V.

In der Formgedächtnistechnik nehmen Legierungen auf Basis von NiTi einen besonderen Stellenwert ein. Neben den außergewöhnlichen Eigenschaften wie Pseudoelastizität oder Pseudoplastizität weisen diese Werkstoffe eine hohe Biokompatibilität auf. Dies macht den Funktionswerkstoff NiTi für zahlreiche Anwendungsgebiete interessant. Legierungen auf Basis von NiTi sind jedoch aufgrund ihrer hohen Duktilität und ihrer Neigung zu starker Kaltverfestigung bei Verformung sehr schwer zerspanbar. Ein hoher Werkzeugverschleiß und eine schlechte Bauteilqualität sind die Folge. Eine angepasste Prozessgestaltung zur spanenden Bearbeitung ist daher erforderlich, um eine wirtschaftliche Bauteilfertigung zu gewährleisten. Wichtige Bearbeitungsverfahren stellen das Tiefbohren zur Herstellung von Rohrhalbzeugen sowie das Mikrofräsen zur Fertigung miniaturisierter Bauteile dar. Für diese beiden Fertigungsverfahren existieren bislang für die Bearbeitung von NiTi-Formgedächtnislegierungen keine wissenschaftlichen Erkenntnisse.

In der vorliegenden Dissertation werden daher Grundlagen zur spanenden Bearbeitung von NiTi-Legierungen durch Tiefbohren mit Einlippenbohrern sowie das Fräsen mit Schaftfräswerkzeugen erarbeitet. Ausgehend von einem kurzen Überblick über die Formgedächtnistechnik gliedert sich die Arbeit in zwei Teile. Im ersten Teil wird die Tiefbohrbearbeitung unter Variation des Werkzeugkonzepts und der prozessrelevanten Schnittdaten untersucht. Darüber hinaus erfolgt eine Analyse der Spanbildung beim Tiefbohren mit Einlippenbohrern mit Hilfe von Schnittunterbrechungsversuchen. Im zweiten Teil werden ausgehend von 1-mm-Schaftfräswerkzeugen der Fräserdurchmesser auf 0,4 mm reduziert und einfache Strukturen durch Nut- und Konturfräsen in eine pseudoelastische NiTi-Formgedächtnislegierung eingebracht. Hierbei wird neben der Trockenbearbeitung auch der Einfluss einer Trockeneiskühlung sowie einer Minimalmengenkühlschmierung untersucht. Die Beurteilung der Zerspanbarkeit erfolgt anhand des Werkzeugverschleißes, der Prozesskräfte und der Bearbeitungsqualität. Die Versuchsergebnisse zeigen, dass eine prozesssichere Tiefbohr- und Mikrofräsbearbeitung von NiTi möglich ist. Die günstigen Schnittdatenbereiche sind jedoch stark eingeschränkt. Qualitativ hochwertige Bohrungen mit einem Längen-zu-Durchmesser-Verhältnis von l/D = 73 können in ein pseudoelastisches NiTi-Material eingebracht werden. Beim Mikrofräsen müssen geringe Werte für Schnitttiefe und seitliche Einstellung gewählt werden, während der Fräsprozess weniger sensibel auf eine Erhöhung des Vorschubs reagiert. Zur Erzielung einer guten Bearbeitungsqualität und hoher Werkzeugstandzeiten ist der Einsatz einer Minimalmengenkühlschmierung beim Mikrofräsen von großer Bedeutung.

Veröffentlicht als

Dissertation Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2006, ISBN 3-8027-8737-4, 978-3-8027-8737-9