Fertigungsverfahren der Mechatronik, Feinwerk- und Präzisionsgerätetechnik

Durch die Fertigungstechnik werden mit ihren Verfahren und ihren Mitteln formschaffende, formverändernde und stoffeigenschaftsändernde Vorgänge realisiert. Sie bildet die Grundlage für die Hauptgeometrie (Teileform), die Fehlergeometrie (funktionsbedingte Toleranzen) und die Mengenleistung (Produktivität) bei der Herstellung industrieller Erzeugnisse. Als Fertigungsverfahren bezeichnet DIN ISO 8580 alle Verfahren, die zur Herstellung von geometrisch bestimmten festen Körpern dienen einschließlich der Verfahren zur Gewinnung erster Formen aus formlosem Stoff, Verfahren zur Veränderung der Form sowie zur Veränderung der Stoffeigenschaften, siehe Abb. 1.1.

Urformen ist nach DIN 8580 als formschaffendes Fertigungsverfahren das Fertigen eines festen Körpers aus formlosem Stoff durch Schaffen des Zusammenhaltes. Hierbei treten die Stoffeigenschaften des Werkstückes erstmalig bestimmbar in Erscheinung. Formlose Stoffe können z.B. Gase, Flüssigkeiten und Pulver oder deren Übergangszustände wie Dampf, Brei, Paste sein, ebenso wie Fasern, Späne oder Granulat.

Umformen ist Fertigen durch plastisches, d. h. bildsames Ändern der Form eines festen Körpers. Dabei werden sowohl die Masse als auch der Zusammenhalt des Körpers beibehalten, DIN 8580. Dieser Vorgang setzt voraus, dass der zu verarbeitendeWerkstoff unter der Einwirkung genügend großer äußerer Kräfte oder Momente seine Gestalt ändert, das heißt, das er plastisch verformbar oder bildsam ist. Die Bildsamkeit eines Körpers ist die Fähigkeit des Werkstoffes, ohne eine Änderung des inneren Zusammenhaltes die Form zu verändern. Die Bildsamkeit ist abhängig von dem Werkstoff, dem Spannungszustand, der Temperatur und der Umformgeschwindigkeit. Darauf beruht die Einteilung der Umformverfahren nach den Nennbeanspruchungen und den Hauptbewegungen, siehe Tab. 3.1. Hauptbewegungen sind durch äußere Betätigungskräfte oder -momente erzwungene Relativbewegungen zwischen Werkzeugelementen, welche in ihrem Zusammenwirken das Auftreten plastischer Formänderungen bewirken.

Trennen ist das Fertigen durch Änderung der Form eines festen Körpers, wobei der Zusammenhalt örtlich aufgehoben, d. h. im Ganzen vermindert wird. In der Hauptgruppe 3 Trennen der DIN 8580 sind die wesentlichen Verfahrensuntergruppen erfasst, Abb. 4.1. Im Rahmen dieses Kapitels werden die Verfahrensuntergruppen Zerlegen, Reinigen und Evakuieren nicht betrachtet. Für die im Weiteren betrachteten Trennverfahren Zerteilen und Spanen ist das Zusammenwirken eines Werkzeuges und eines Werkstückes charakteristisch, wobei eine Relativbewegung zwischen beiden existieren muss. Dabei sind Werkzeuge Fertigungsmittel, die durch Relativbewegungen gegenüber demWerkstück unter Energieübertragung die Bildung einer Form oder die Änderung einer Form oder Lage bewirken. Der Trennvorgang erfolgt immer auf mechanischemWege. Dagegen erfolgt bei der Verfahrensuntergruppe Abtragen die Trennung der Stoffteilchen vom Werkstück auf nichtmechanischemWege, z.B. chemisch oder physikalisch.

Als 4. Hauptgruppe der Fertigungsverfahren wird Fügen nach DIN ISO 857-1 definiert als „das Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken geometrisch bestimmter fester Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff. Dabei wird jeweils der Zusammenhang örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt“. Die Fügetechnik hat die Aufgabe, die bis auf einfach gestaltete und wirtschaftlich zu fertigende Bauelemente aufgegliederte Konstruktion zu Bauteilen, Baugruppen und zum Erzeugnis zusammenzufügen und zwar so, dass alle Sicherheits- und Funktionsanforderungen erfüllt werden. Der Fügeprozess ist Teil des Fertigungsprozesses, wobei vor- und nachgelagerte Prozessstufen und Arbeitsgänge in einem bestimmten Verhältnis zum eigentlichen technologischen Teilprozess Fügen stehen, z.B. die notwendige Fügeflächenvorbehandlung oder die nachfolgendeWärmebehandlung. Eine Übersicht über die Realisierungsmöglichkeiten des Fügens zeigt Abb. 5.1.

Beschichten ist das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf festen Stoff. Dabei werden Schichten mit gezielt hergestellten Eigenschaften realisiert. Das können sein die Erhöhung der Verschleiß- oder Korrosionsbeständigkeit, dekorative Eigenschaften, definierte physikalische oder chemische Eigenschaften, z.B. elektrisch leitende oder isolierende Schichten oder bestimmte optische Eigenschaften oder Gleiteigenschaften. Nicht zuletzt können Beschichtungen auch zur Informationsübertragung genutzt werden. Einen Überblick über Beschichtungsverfahren gibt Abb. 6.1. Schichtwerkstoffe können Metalle, anorganische nichtmetallische Werkstoffe und organische Werkstoffe sein. Voraussetzung für das optimale Aufbringen von Schichten auf Werkstücke ist eine entsprechende Oberflächenvorbehandlung durch mechanische, physikalische oder chemische Verfahren, siehe dazu Abschn. 5.4.2. Im Folgenden soll nur auf ausgewählte Beschichtungsverfahren eingegangen werden. Die Beschichtung mit organischen Beschichtungswerkstoffen sowie das Beschichten aus dem festen Zustand und das Beschichten durch Schweißen werden nicht betrachtet.

Leiterplatten und ihre Abwandlungen bzw. Ausführungsformen sind das wesentliche Bauelement der Elektronik. Sie sind dadurch gekennzeichnet, dass sie die elektrisch leitende Verbindung der Bauelemente untereinander durch vorgefertigte Verbindungen herstellen. Diese vorgefertigtenVerbindungen sind fest haftend auf einem Isolierstoffträger mit reproduzierbarer Technologie in überwiegenderMassenfertigung erzeugt. Gleichzeitig dient die Leiterplatte der mechanischen Befestigung der Bauelemente. In zunehmendemMaße wird die Leiterplatte neben der Funktion als Informationsträger auch zur Wärmeableitung genutzt. Abgeleitet von dem Herstellungsprozess wird sie auch als „gedruckte Schaltung – printed circuit board PCB oder printed board“ bezeichnet. Nach VDI/VDE Richtlinie 3710 wird definiert: „Die Leiterplatte ist das am häufigsten eingesetzte Verbindungselement für elektronische Bauteile. Sie ist gekennzeichnet durch elektrisch leitende, fest haftende Verbindungen in oder auf einem Isolierstoff und dient zusätzlich als Bauteileträger. Es können Informationen für Montage, Prüfung und Service aufgedrucktwerden. Technische Anforderungen und dieWirtschaftlichkeit bestimmen die verschiedenen Ausführungen der Leiterplatte.“

Beim Bestückvorgang werden die Bauelemente, z.B. Widerstände, Kondensatoren, integrierte Schaltkreise usw., in einer bestimmten geometrischen Position auf dem Schaltungsträger positioniert. Sie müssen bauelementenrichtig und lagerichtig platziert werden. Die Bauelemente und der Schaltungsträger müssen so gegeneinander positioniert werden, dass beim Aufsetzen oder Einstecken der Bauelemente die elektrischen Anschlüsse auch in allen weiteren Prozessschritten gewährleistet werden. Damit ist deutlich, dass eine Vielzahl von Einflussgrößen auf die Bestückgenauigkeit und -geschwindigkeit wirkt. Dazu gehören die Art der Bestückung, die Größe und die Zahl sowie die Anordnung der zu kontaktierenden Anschlüsse, die Fertigungstoleranzen der Bauelemente und der Schaltungsträger, die geforderte Packungsdichte und viele weitere. Die Bestückungstechnologie als die Realisierung einer Verbindung von Bauelementen und dem Schaltungsträger in allen ihren unterschiedlichen Formen ist einem ständigen Wandel unterworfen. Durch die Forderung nach Miniaturisierung und hohen Packungsdichten sowie die vermehrte Integration von Funktionen und Mikrosystemen werden immer höhere Anforderungen an die Bestückungstechnologie gestellt.

Laser ist ein Akronym aus dem Englischen Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission. Das Laserbündel ist gekennzeichnet durch nahezu monochromatisches (gleiche Wellenlänge) und zeitlich und räumlich kohärentes (gleiche Frequenz und Phasenlage) Licht. Seit der ersten Umsetzung des physikalischen Effektes der Lichtverstärkung durch induzierte Strahlungsemission 1960 durch Maiman und Mitarbeiter in einem Rubinlaser hat das Werkzeug Laser eine sprunghafte Entwicklung genommen. Immer mehr entwickelte Laserarten führen bei immer höheren realisierten Laserleistungen zu einer immer breiteren Anwendung in der Materialbearbeitung, Messtechnik und Analytik, Medizin, Kommunikation und Forschung. Im Rahmen dieser Ausführungen ist es nicht möglich, auf die Probleme der Lasererzeugung und der optischen Probleme bei der Strahlformung und Strahlführung einzugehen. Es soll und kann im Folgenden nur ein allgemeiner Überblick zum Thema Materialbearbeitung mit Laser geboten werden. Die allgemeinen Vorteile des monochromatischen kohärenten Laserbündels sind folgende: die Möglichkeiten der Fokussierung auf sehr kleine Fokusdurchmesser infolge der Wellenlänge und dadurch die hohe Leistungsdichte im Fokuspunkt, die geringe Divergenz, die Unbeeinflussbarkeit von elektrischen und magnetischen Feldern und die gute Modellierbarkeit, z. B. durch Pulsen und Pulsformung.

Der Begriff Mikrostrukturtechnik wird hier bewusst verwendet, um eine Abgrenzung zur Halbleitertechnologie und der darauf basierenden Mikrosystemtechnik herzustellen. Es werden in diesem Kapitel keine Systembetrachtungen erfolgen. In den folgenden Ausführungen werden nur Technologien behandelt, die der Herstellung von Mikrostrukturen dienen, also von Strukturen mit mindestens einer Abmessung im Mikrometerbereich. Dazu gibt es je nach Zielstellung eine Vielzahl von verschiedenen technologischen Ansätzen, die hier nur auszugsweise behandelt werden können. Bewusst ausgeschlossen bleiben die Technologien der Mikroelektronik und der Mikrooptik. Die Miniaturisierung und die Fertigung hochpräziser Strukturen mit kleinsten Abmessungen gehören zu den wichtigsten Zukunftstrends. Dazu gehören die Steigerung der Komplexität und der Funktionsdichte der Baugruppen. Die Technologien der Mikrostrukturtechnik können generell eingeteilt werden in Technologien auf der Basis feinwerktechnischer Verfahren und in Technologien auf der Basis von Halbleitertechnologien, Abb. 10.1. Die Grundlagen der entsprechenden Technologien sind in den jeweiligen Kapiteln erläutert und gelten im Allgemeinen auch für die folgenden Ausführungen. Wo Abweichungen bestehen, werden diese genannt. Für die Herstellung von Systemen der Mikrotechnik – MEMS oder MEOMS – werden üblicherweise verschiedene technologische Ansätze kombiniert. MEMS sind elektrisch-mechanische Mikrosysteme (micro electro mechanical systems) und MOEMSintegrieren zusätzliche optische Systeme (micro opto electro mechanical systems).