DE102020211589A1

DE102020211589A1 - DEVICE FOR APPLYING A MAGNETORHEOLOGICAL LIQUID WITH A MAGNETIC FIELD, SYSTEM AND METHOD FOR PROCESSING A WORKPIECE WITH THE MAGNETORHEOLOGICAL LIQUID

Info

Publication number: DE102020211589A1
Application number: DE102020211589.3A
Authority: DE
Inventors: Jan Streckenbach; Ives Kuche; Julian Polte; Christian Hegger; Christian Lahoda; Valentin Schreiner; Eckart Uhlmann; Jürgen Maas
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-09-16
Filing date: 2020-09-16
Publication date: 2022-03-17
Also published as: EP3970914A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen einer magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld, umfassend einen Behälter zum Aufnehmen einer magnetorheologischen Flüssigkeit, aufweisend eine vorzugsweise nach oben gerichtete Öffnung zum zumindest teilweisen Eintauchen des Werkstücks und/oder Werkzeugs in die magnetorheologische Flüssigkeit, zumindest einen an dem Behälter angeordneten Elektromagneten zum Anlegen eines Magnetfeldes an den Behälter, wobei der Elektromagnet einen magnetischen Leiter und eine um den Leiter gewickelte Spule umfasst und eine mit der Spule elektrisch verbundene Stromquelle. Ferner betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Werkzeugs mittels der magnetorheologischen Flüssigkeit.The present invention relates to a device for applying a magnetic field to a magnetorheological fluid, comprising a container for receiving a magnetorheological fluid, having a preferably upward-facing opening for at least partially immersing the workpiece and/or tool in the magnetorheological fluid, at least one on the An electromagnet arranged in a container for applying a magnetic field to the container, the electromagnet comprising a magnetic conductor and a coil wound around the conductor, and a power source electrically connected to the coil. Furthermore, the invention relates to a system and a method for processing a workpiece and/or tool using the magnetorheological fluid.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine Vorrichtung zum Beaufschlagen einer magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld. Ferner betrifft sie ein System und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Werkzeugs mittels der magnetorheologischen Flüssigkeit.The present application relates to a device for applying a magnetic field to a magnetorheological fluid. Furthermore, it relates to a system and a method for processing a workpiece and/or tool using the magnetorheological fluid.

In nahezu allen technischen Bereichen haben mikroelektronische und mechanische Systeme (MEMS) Einzug gehalten, die mittels Mikrofertigung hergestellt werden. Einen zentralen Bestandteil der Mikrofertigung stellt das Mikrofräsen dar. Beim Mikrofräsen handelt es sich um einen Zerspanvorgang mit geometrisch bestimmter Schneide. Das Mikrofräsen bietet die Möglichkeit Präzisionsbauteile mit hoher geometrischer Vielfalt in Kombination mit einer großen Werkstoffbandbreite fertigen zu können. Aufgrund der Anforderungen an Form- und Maßgenauigkeit der generierten Bauteile wird für eine prozesssichere Zerspanung eine spezielle Werkzeugvorbereitung benötigt. Einen zentralen Bestandteil dieser Werkzeugvorbereitung stellt die Schneidkantenpräparation von Mikrofräswerkzeugen dar. Zur gezielten Schneidkantenpräparation kommen eine Vielzahl von Präparationsverfahren zum Einsatz, beispielsweise Bürsten, Strahlspanen, Laserstrahlabtragen, Magnetfinishing oder Tauchgleitläppen.Microelectronic and mechanical systems (MEMS), which are manufactured using micro-manufacturing, have found their way into almost all technical areas. Micro-milling is a central component of micro-manufacturing. Micro-milling is a machining process with a geometrically defined cutting edge. Micro milling offers the possibility of manufacturing precision components with a high degree of geometric diversity in combination with a wide range of materials. Due to the requirements for shape and dimensional accuracy of the generated components, special tool preparation is required for process-reliable machining. A central part of this tool preparation is the cutting edge preparation of micro milling tools. A large number of preparation processes are used for the targeted preparation of cutting edges, for example brushing, blasting, laser ablation, magnet finishing or immersion sliding lapping.

Sowohl die Schneidkantenpräparation von Mikrofräswerkzeugen als auch das Mikroentgraten vereint die Schwierigkeit, Werkstückkanten definiert und reproduzierbar zu präparieren. Aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge von Einflussfaktoren, wie Bewegungskinematik, Bearbeitungsmedium und Eingriffsverhältnissen, gelang es bis jetzt nur unzureichend eine genaue und anforderungsgerechte Kantenpräparation zu ermöglichen.Both the cutting edge preparation of micro milling tools and micro deburring combine the difficulty of preparing workpiece edges in a defined and reproducible manner. Due to the complex interrelationships of influencing factors such as movement kinematics, processing medium and engagement conditions, it has so far only been possible to make an accurate and requirement-oriented edge preparation insufficient.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die gegenüber diesem Stand der Technik eine alternative, vorzugsweise verbesserte, Mikrobearbeitung, insbesondere eine verbesserte Schneidkantenpräparation, ermöglicht. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes System und ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, das eine alternative, vorzugsweise verbesserte, Werkstück- oder Werkzeugbearbeitung ermöglicht. Insbesondere kann es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung sein, eine Präparation von Werkzeugen mit Durchmessern 100 µm ≤ D ≤ 1.000 µm zu verbessern.It is therefore the object of the present invention to propose a device which, compared to this prior art, enables an alternative, preferably improved, micromachining, in particular an improved cutting edge preparation. Furthermore, it is an object of the present invention to propose a corresponding system and a corresponding method that enable alternative, preferably improved, workpiece or tool processing. In particular, it can be an object of the present invention to improve the preparation of tools with diameters of 100 μm≦D≦1000 μm.

Die vorgeschlagene Vorrichtung dient zum Beaufschlagen einer magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld. So können ein Werkzeug oder Werkstück, das sich in der magnetorheologischen Flüssigkeit befindet, bearbeitet werden.The proposed device serves to apply a magnetic field to a magnetorheological fluid. A tool or workpiece located in the magnetorheological fluid can thus be processed.

Die Vorrichtung umfasst einen Behälter zum Aufnehmen einer magnetorheologischen Flüssigkeit, aufweisend eine vorzugsweise nach oben gerichtete Öffnung zum zumindest teilweisen Eintauchen des Werkstücks und/oder Werkzeugs in die magnetorheologische Flüssigkeit, zumindest einen an dem Behälter angeordneten Elektromagneten zum Anlegen eines Magnetfeldes an den Behälter, wobei der Elektromagnet einen magnetischen Leiter und eine um den Leiter gewickelte Spule sowie eine mit der Spule elektrisch verbundene Stromquelle umfasst.The device comprises a container for receiving a magnetorheological fluid, having a preferably upward-facing opening for at least partially immersing the workpiece and/or tool in the magnetorheological fluid, at least one electromagnet arranged on the container for applying a magnetic field to the container, the An electromagnet comprises a magnetic conductor and a coil wound around the conductor and a power source electrically connected to the coil.

Die Vorrichtung kann insbesondere dazu geeignet sein, in oder an einer Werkzeugmaschine zur Herstellung oder Bearbeitung von Werkstücken mit Funktionsmerkmalen im Mikrometerbereich oder Werkzeugen mit Funktionsmerkmalen im Mikrometerbereich angebracht zu werden.In particular, the device can be suitable for being installed in or on a machine tool for the production or processing of workpieces with functional features in the micrometer range or tools with functional features in the micrometer range.

Der Behälter ist typischerweise zumindest teilweise mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt. Dabei handelt es sich insbesondere um eine abrasive magnetorheologische Flüssigkeit. Die magnetorheologische Flüssigkeit kann insbesondere ein Trägeröl, insbesondere Polyalphaolefin-Öl, und ein Abrasivmedium, insbesondere Diamant, Korund und/oder Siliziumcarbonat, umfassen. Ferner kann die magnetorheologische Flüssigkeit stabilisierende Additive umfassen, beispielsweise Thixotropiemittel, Netz- und Dispergieradditiv und/oder Oxidationsinhibitoren. Die verwendete magnetorheologische Flüssigkeit kann mit abrasiven Diamantpartikeln mit einer Volumenpartikelkonzentration von bis zu CA = 15 % angereichert werden.The container is typically at least partially filled with a magnetorheological fluid. This is in particular an abrasive magnetorheological liquid. The magnetorheological fluid can in particular include a carrier oil, in particular polyalphaolefin oil, and an abrasive medium, in particular diamond, corundum and/or silicon carbonate. Furthermore, the magnetorheological fluid can comprise stabilizing additives, for example thixotropic agents, wetting and dispersing additives and/or oxidation inhibitors. The magnetorheological fluid used can be enriched with abrasive diamond particles with a volume particle concentration of up to CA = 15%.

Der Behälter kann quaderförmig oder würfelförmig sein. Ein Innenraum des Würfels oder Quaders ist typischerweise hohl zum Aufnehmen der magnetorheologischen Flüssigkeit. Insbesondere ist eine obere Seitenfläche des Quaders bzw. Würfels geöffnet oder enthält eine Öffnung. In einer anderen Ausführungsform ist der Behälter um seine Längsachse rotationssymmetrisch und weist insbesondere die Form eines Hohlzylinders auf. Dieser kann eine kreisrunde Bodenplatte aufweisen und nach oben geöffnet sein. Insbesondere ist eine obere Seitenfläche des Zylinders bzw. Hohlzylinders geöffnet oder enthält eine Öffnung.The container can be cuboid or cube-shaped. An interior of the cube or cuboid is typically hollow for containing the magnetorheological fluid. In particular, an upper side surface of the cuboid or cube is open or contains an opening. In another embodiment, the container is rotationally symmetrical about its longitudinal axis and in particular has the shape of a hollow cylinder. This can have a circular base plate and be open at the top. In particular, an upper side surface of the cylinder or hollow cylinder is open or contains an opening.

Die Behälterwände können eine konstante Dicke oder unterschiedliche Materialstärken aufweisen. Die Bodenplatte des Behälters kann die gleiche oder eine sich von der Wanddicke unterscheidende Dicke aufweisen. Vorzugsweise umfasst der Behälter PVC und/oder einen anderen dia- oder paramagnetischen Werkstoff.The container walls can have a constant thickness or different material thicknesses. The bottom plate of the container can have the same or a different thickness than the wall thickness. The container preferably comprises PVC and/or another dia- or paramagnetic material.

Eine Wandstärke bzw. Bodenstärke des Behälters kann insbesondere mindestens 0,5 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, besonders bevorzugt mindestens 3 mm betragen und/oder kann höchstens 5 mm, bevorzugt höchstens 4,5 mm, besonders bevorzugt höchstens 4 mm betragen.A wall thickness or base thickness of the container can be in particular at least 0.5 mm, preferably at least 2 mm, particularly preferably at least 3 mm and/or can be at most 5 mm, preferably at most 4.5 mm, particularly preferably at most 4 mm.

Der Behälter kann eine Höhe und/oder Breite und/oder Länge und/oder einen Bodenplattendurchmesser von insbesondere mindestens 10 mm, bevorzugt mindestens 20 mm, besonders bevorzugt mindestens 30 mm aufweisen und/oder kann eine Höhe und/oder Breite und/oder Länge und/oder einen Bodenplattendurchmesser von insbesondere höchstens 200 mm, bevorzugt höchstens 150 mm, besonders bevorzugt höchstens 120 mm betragen. Beispielsweise kann der Behälter eine Höhe und/oder Breite und/oder Länge und/oder einen Bodenplattendurchmesser von insbesondere 100 mm aufweisen.The container can have a height and/or width and/or length and/or a base plate diameter of in particular at least 10 mm, preferably at least 20 mm, particularly preferably at least 30 mm and/or can have a height and/or width and/or length and /or a base plate diameter of in particular at most 200 mm, preferably at most 150 mm, particularly preferably at most 120 mm. For example, the container can have a height and/or width and/or length and/or a base plate diameter of, in particular, 100 mm.

In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Mehrzahl von Elektromagneten. Die Elektromagneten sind typischerweise ausgebildet wie der oben beschriebene zumindest eine Elektromagnet. Die Elektromagneten können - vorzugsweise außen - an dem Behälter angeordnet sein. Der Elektromagnet und/oder zumindest einige oder alle der Mehrzahl von Elektromagneten kann/können an einer Außenseite, insbesondere an einer Außenwand oder an mehreren Außenwänden des Behälters angeordnet sein. Der Elektromagnet bzw. die Elektromagnete können beispielsweise an eine Außenwand oder an mehrere Außenwände des Behälters geklebt sein und oder mit dieser verschraubt sein. Auch andere Fixierungsmöglichkeiten, beispielsweise mittels Klammern sind denkbar. Die Außenwände bzw. die Außenwand des Behälters kann, insbesondere integrale, Vorsprünge aufweisen, die der Halterung der Elektromagnete dienen, auf die die Elektromagneten beispielsweise aufsteckbar sind. Vorzugsweise sind die Elektromagneten mit dem Behälter unbeweglich verbunden. Die jeweilige Spule der Elektromagneten der Mehrzahl von Elektromagneten kann mit der Stromquelle oder mit jeweils einer weiteren Stromquelle verbunden sein.In one embodiment, the device includes a plurality of electromagnets. The electromagnets are typically designed like the at least one electromagnet described above. The electromagnets can - be arranged on the container - preferably outside. The electromagnet and/or at least some or all of the plurality of electromagnets can be arranged on an outside, in particular on an outside wall or on several outside walls of the container. The electromagnet or the electromagnets can, for example, be glued to an outer wall or to several outer walls of the container and/or screwed to it. Other fixation options, for example by means of clamps, are also conceivable. The outer walls or the outer wall of the container can have projections, in particular integral ones, which are used to hold the electromagnets, onto which the electromagnets can be plugged, for example. Preferably, the electromagnets are immovably connected to the container. The respective coil of the electromagnets of the plurality of electromagnets can be connected to the power source or to a further power source in each case.

Die Mehrzahl von Elektromagneten kann eine erste Anzahl von Elektromagneten in einer ersten Ebene umfassen. Die erste Ebene ist vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Behälters angeordnet. Die erste Ebene kann auch in einem spitzen oder stumpfen Winkel zur Längsachse des Behälters angeordnet sein. Eine zweite Anzahl von Elektromagneten kann in einer zweiten Ebene, vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Behälters, angeordnet sein. Die zweite Ebene kann parallel zur ersten Ebene angeordnet sein. Es kann auch vorgesehen sein, dass die erste und die zweite Ebene einen sich in einer Geraden schneiden. Eine dritte Anzahl von Elektromagneten kann in einer dritten Ebene vorzugsweise senkrecht zur Längsachse des Behälters, angeordnet sein. Die dritte Ebene kann parallel zur ersten Ebene und/oder zweiten Ebene angeordnet sein. Es können weitere Ebenen mit Elektromagneten vorgesehen sein. Vorzugsweise umfasst jede Ebene zumindest ein Spulenpaar.The plurality of electromagnets may include a first number of electromagnets in a first level. The first plane is preferably perpendicular to the longitudinal axis of the container. The first plane can also be arranged at an acute or obtuse angle to the longitudinal axis of the container. A second number of electromagnets can be arranged in a second plane, preferably perpendicular to the longitudinal axis of the container. The second plane can be arranged parallel to the first plane. Provision can also be made for the first and the second plane to intersect in a straight line. A third number of electromagnets can be arranged in a third plane, preferably perpendicular to the longitudinal axis of the container. The third level can be arranged parallel to the first level and/or second level. Additional levels with electromagnets can be provided. Each level preferably comprises at least one pair of coils.

Die Mehrzahl von Elektromagneten kann rotationssymmetrisch um die Längsachse des Behälters angeordnet sein. Insbesondere können die Elektromagneten einer Ebene, beispielsweise der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Ebene, rotationssymmetrisch um die Längsachse des Behälters angeordnet sein.The plurality of electromagnets can be arranged rotationally symmetrically around the longitudinal axis of the container. In particular, the electromagnets of one plane, for example the first and/or the second and/or the third plane, can be arranged rotationally symmetrically around the longitudinal axis of the container.

In einer Ausführungsform sind die Elektromagneten einer Ebene gegenüber den Elektromagneten einer weiteren Ebene übereinander angeordnet und/oder versetzt zueinander angeordnet. Die Elektromagneten einer Ebene können zu den Elektromagneten einer anderen Ebene übereinander angeordnet sein und gegenüber den Elektromagneten einer weiteren Ebene versetzt angeordnet sein. Die erste Anzahl von Elektromagneten und/oder die zweite Anzahl von Elektromagneten und/oder die dritte Anzahl von Elektromagneten kann übereinander angeordnet sein. Die erste Anzahl von Elektromagneten und/oder die zweite Anzahl von Elektromagneten und/oder die dritte Anzahl von Elektromagneten kann versetzt zueinander angeordnet sein.In one embodiment, the electromagnets of one level are arranged one above the other and/or offset from one another in relation to the electromagnets of another level. The electromagnets of one level can be arranged one above the other in relation to the electromagnets of another level and can be arranged offset in relation to the electromagnets of another level. The first number of electromagnets and/or the second number of electromagnets and/or the third number of electromagnets can be arranged one above the other. The first number of electromagnets and/or the second number of electromagnets and/or the third number of electromagnets can be offset from one another.

In einer Ausführungsform ist die Stromquelle zum Steuern der magnetischen Flussdichte regelbar. Die Stromquelle kann insbesondere ausgebildet sein, eine Erregerfrequenz zu regeln. Die Stromquelle kann derart ausgebildet sein, dass Erregerfrequenzen von zumindest 30 Hz, bevorzugt zumindest 40 Hz, besonders bevorzugt zumindest 50 Hz und/oder Erregerfrequenzen von insbesondere höchstens 170 Hz, bevorzugt höchstens 160 Hz, besonders bevorzugt 150 Hz einstellbar sind. Besonders bevorzugt kann ein Frequenzbereich von 50 Hz ≤ f ≤ 150 Hz einstellbar sein.In one embodiment, the power source is adjustable to control the magnetic flux density. In particular, the power source can be designed to regulate an excitation frequency. The power source can be designed in such a way that excitation frequencies of at least 30 Hz, preferably at least 40 Hz, particularly preferably at least 50 Hz and/or excitation frequencies of in particular at most 170 Hz, preferably at most 160 Hz, particularly preferably 150 Hz, can be set. A frequency range of 50 Hz≦f≦150 Hz can particularly preferably be set.

Zumindest ein Permanentmagnet kann ferner an dem Behälter, vorzugsweise an einer Außenseite des Behälters angeordnet sein. Mit dem Permanentmagnet kann die magnetorheologische Flüssigkeit mit einem Magnetfeld beaufschlagt werden. Die Magnetfelder des Elektromagnets bzw. der Elektromagnete und/oder des Permanentmagnetes bzw. der Permanentmagnete können sich überlagern.At least one permanent magnet can also be arranged on the container, preferably on an outside of the container. With the permanent magnet, the magnetorheological fluid can be subjected to a magnetic field. The magnetic fields of the electromagnet or the electromagnets and/or the permanent magnet or the permanent magnets can overlap.

Die Vorrichtung kann sich insbesondere eignen in eine Werkzeugmaschine, beispielsweise eine Werkzeugmaschine zum Mikrofräsen, eingesetzt zu werden.The device can be particularly suitable for being used in a machine tool, for example a machine tool for micro-milling.

Die vorliegende Anmeldung betrifft ferner ein System zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Werkzeugs, vorzugsweise eines Werkstücks mit Funktionsmerkmalen im Mikrometerbereich, nachfolgend Mikrowerkstück genannt, oder Werkzeugs mit Funktionsmerkmalen im Mikrometerbereich, nachfolgend Mikrowerkzeug genannt, mittels einer magnetorheologischen Flüssigkeit.The present application also relates to a system for machining a workpiece and/or tool, preferably a workpiece with functional features in the micrometer range, hereinafter referred to as a micro workpiece, or a tool with functional features in the micrometer range, hereinafter referred to as a microtool, using a magnetorheological fluid.

Die Abmessungen eines Mikrowerkstücks und/oder Mikrowerkzeugs können sich insbesondere dadurch auszeichnen, dass sie eine Ausdehnung, beispielsweise entlang einer Längsachse und/oder entlang einer Achse senkrecht zur Längsachse, von maximal 10 000 µm, vorzugsweise maximal 5000 µm, besonders bevorzugt maximal 2000 µm aufweisen. Eine Ausdehnung, beispielsweise entlang einer Längsachse und/oder entlang einer Achse senkrecht zur Längsachse, kann minimal 50 um, vorzugsweise minimal 80 µm, besonders bevorzugt minimal 100 µm betragen. Die maximale Ausdehnung des Mikrowerkstücks oder Mikrowerkzeugs entlang einer Geraden kann maximal 2000 um, vorzugsweise maximal 1500 µm, besonders bevorzugt maximal 1000 um und/oder minimal 50 um, vorzugsweise minimal 80 µm, besonders bevorzugt minimal 100 µm betragen.The dimensions of a micro-workpiece and/or micro-tool can be characterized in particular by the fact that they have an extension, for example along a longitudinal axis and/or along an axis perpendicular to the longitudinal axis, of at most 10,000 μm, preferably at most 5000 μm, particularly preferably at most 2000 μm . An extent, for example along a longitudinal axis and/or along an axis perpendicular to the longitudinal axis, can be at least 50 μm, preferably at least 80 μm, particularly preferably at least 100 μm. The maximum extent of the micro-workpiece or micro-tool along a straight line can be a maximum of 2000 μm, preferably a maximum of 1500 μm, particularly preferably a maximum of 1000 μm and/or a minimum of 50 μm, preferably a minimum of 80 μm, particularly preferably a minimum of 100 μm.

Das System umfasst typischerweise eine Vorrichtung gemäß obiger Ausführung. Ferner umfasst das System eine Werkstückaufnahme zum Aufnehmen eines zu bearbeitenden Werkstücks und/oder Werkzeugs, insbesondere eines Mikrowerkstücks und/oder Mikrowerkzeugs. Die Werkstückaufnahme kann derart zwischen einer ersten und einer zweiten Position verfahrbar sein, dass das Werkstück und/oder das Werkzeug in einer ersten Position außerhalb eines Innenraums des Behälters, nachfolgend Behälterinnenraum, angeordnet ist und zumindest in einer zweiten Position teilweise in dem Behälterinnenraum, insbesondere zumindest teilweise in einer darin angeordneten magnetorheologischen Flüssigkeit, angeordnet ist. Die Werkzeugaufnahme kann ferner in weitere Positionen verfahrbar sein. Vorzugsweise sind die weiteren Positionen so lokalisiert, dass in den weiteren Positionen das Werkstück und/oder Werkzeug teilweise in dem Behälterinnenraum, insbesondere zumindest teilweise in einer darin angeordneten magnetorheologischen Flüssigkeit, angeordnet ist.The system typically includes a device according to the above embodiment. Furthermore, the system includes a workpiece holder for receiving a workpiece and/or tool to be machined, in particular a micro workpiece and/or micro tool. The workpiece holder can be moved between a first and a second position in such a way that the workpiece and/or the tool is/are arranged in a first position outside of an interior space of the container, hereinafter the interior space of the container, and in a second position at least partially in the interior space of the container, in particular at least partially in a magnetorheological fluid arranged therein. The tool holder can also be moved to other positions. The further positions are preferably localized in such a way that in the further positions the workpiece and/or tool is/are partially arranged in the interior of the container, in particular at least partially in a magnetorheological fluid arranged therein.

Das System kann zumindest eine weitere Werkstückaufnahme zum gleichzeitigen Einbringen von zwei Werkzeugen und/oder Werkstücken in den Behälterinnenraum aufweisen.The system can have at least one additional workpiece holder for the simultaneous introduction of two tools and/or workpieces into the interior of the container.

Zumindest eine Werkstückaufnahme kann entlang einer Achse, vorzugsweise entlang zweier Achsen, besonders bevorzugt entlang dreier Achsen verfahrbar sein. Die Achsen können insbesondere senkrecht zueinander stehen. Zusätzlich oder alternativ kann zumindest eine oder dieselbe Werkzeugaufnahme um zumindest eine Achse und/oder um zumindest zwei Achsen und/oder um zumindest drei Achsen rotierbar sein.At least one workpiece holder can be moved along one axis, preferably along two axes, particularly preferably along three axes. In particular, the axes can be perpendicular to one another. Additionally or alternatively, at least one or the same tool holder can be rotatable about at least one axis and/or about at least two axes and/or about at least three axes.

In einer Ausführung weist das System einen Mehrachsroboter, vorzugsweise einen Fünf-Achs-Roboter oder einen Sechs-Achs-Roboter auf. Insbesondere kann die Werkstückaufnahme oder zumindest eine der Werkstückaufnahmen an dem Mehrachsroboter angeordnet sein. Der Mehrachsroboter kann beispielsweise als Industrieroboter ausgebildet sein, umfassend einen Roboterarm.In one embodiment, the system has a multi-axis robot, preferably a five-axis robot or a six-axis robot. In particular, the workpiece holder or at least one of the workpiece holders can be arranged on the multi-axis robot. The multi-axis robot can be designed, for example, as an industrial robot, comprising a robot arm.

Ferner betrifft die Anmeldung ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Werkzeugs, vorzugsweise eines Mikrowerkstücks oder Mikrowerkzeugs mittels einer magnetorheologischen Flüssigkeit.The application also relates to a method for machining a workpiece and/or tool, preferably a micro workpiece or micro tool, using a magnetorheological fluid.

Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte, die vorzugsweise in der nachfolgenden Reihenfolge ausgeführt werden.

I. Bereitstellen eines zuvor beschriebenen Systems,
II. Einsetzen, insbesondere Einspannen, eines Werkstücks und/oder Werkzeugs in die Werkstückaufnahme,
III. Verfahren der Werkstückaufnahme mit eingesetztem Werkstück und/oder Werkzeug in eine zweite Position, in der das Werkstück und/oder das Werkzeug zumindest teilweise in die magnetorheologische Flüssigkeit eingetaucht ist,
IV. Beaufschlagen der in dem Behälter angeordneten magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld, insbesondere durch Versorgen von zumindest einem Elektromagneten mit Strom durch die Stromquelle.

The method comprises the following steps, which are preferably carried out in the following order.

I. Provision of a previously described system,
II. Insertion, in particular clamping, of a workpiece and/or tool in the workpiece holder,
III. Moving the workpiece holder with the workpiece and/or tool inserted into a second position in which the workpiece and/or the tool is at least partially immersed in the magnetorheological fluid,
IV. Applying a magnetic field to the magnetorheological liquid arranged in the container, in particular by supplying at least one electromagnet with current through the current source.

Im ersten Schritt ist der Behälter vorzugsweise zumindest teilweise mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt. Der Behälter kann jedoch auch erst nach dem zweiten Schritt mit der magnetorheologischen Flüssigkeit gefüllt werden.In the first step, the container is preferably at least partially filled with a magnetorheological fluid. However, the container can also only be filled with the magnetorheological fluid after the second step.

Im zweiten Schritt befindet sich die Werkstückaufnahme vorzugsweise in einer ersten, außerhalb des Behälters angeordneten Position.In the second step, the workpiece holder is preferably in a first position, arranged outside of the container.

Das Werkstück/Werkzeug kann in dem Behälter verfahren werden, um eine Relativgeschwindigkeit und somit eine Werkstofftrennung zu erzeugen.The workpiece/tool can be moved in the container in order to generate a relative speed and thus a material separation.

Durch die Beaufschlagung der magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld kann das in der magnetorheologischen Flüssigkeit angeordnete Werkstück und/oder Werkzeug bearbeitet werden.This can be achieved by applying a magnetic field to the magnetorheological fluid workpiece and/or tool arranged in the magnetorheological fluid.

Das Werkstück/Werkzeug kann durch die geschaltete, d.h. mit einem Magnetfeld beaufschlagte, magnetorheologischen Flüssigkeit geführt werden. So kann eine Werkstofftrennung bewirkt werden. Durch die Beaufschlagung mit dem Magnetfeld können sich die magnetischen Partikel in der magnetorheologischen Flüssigkeit, beispielsweise Eisenpartikel, entlang der magnetischen Feldlinien ausrichten. Diese Partikel können für ein „Festhalten“ der Abrasivpartikel sorgen. Die geschaltete magnetorheologische Flüssigkeit kann dabei ruhend sein.The workpiece/tool can be guided through the switched, i.e. subjected to a magnetic field, magneto-rheological fluid. In this way, a material separation can be effected. By being subjected to the magnetic field, the magnetic particles in the magnetorheological fluid, for example iron particles, can align themselves along the magnetic field lines. These particles can "hold" the abrasive particles. The switched magnetorheological fluid can be at rest.

Alternativ kann die magnetorheologische Flüssigkeit und/oder darin befindliche abrasive Teilchen durch die Beaufschlagung mit dem Magnetfeld bewegt werden, sodass zumindest teilweise ein Abtrag einer Werkstück- und/oder Werkzeugoberfläche bewirkt wird.Alternatively, the magnetorheological fluid and/or the abrasive particles contained therein can be moved by being acted upon by the magnetic field, so that a workpiece and/or tool surface is at least partially removed.

In einer Ausführungsform kann im vierten Verfahrensschritt die magnetorheologische Flüssigkeit mit einem homogenen oder inhomogenen Magnetfeld beaufschlagt werden. Ein homogenes Magnetfeld kann den Vorteil haben, dass hierdurch eine homogene Werkstofftrennung und somit eine homogene Bearbeitung gewährleistet werden kann.In one embodiment, in the fourth method step, the magnetorheological fluid can be subjected to a homogeneous or inhomogeneous magnetic field. A homogeneous magnetic field can have the advantage that a homogeneous material separation and thus a homogeneous processing can be guaranteed.

In einer Ausführung umfasst Schritt IV eine Änderung der magnetischen Flussdichte des Magnetfelds. Insbesondere kann die magnetische Flussdichte durch Ändern des angelegten Stroms zum Versorgen des zumindest einen Elektromagneten geändert werden. Zusätzlich oder alternativ können gleichzeitig oder nacheinander unterschiedliche Elektromagnete der Mehrzahl von Elektromagneten mit Strom versorgt werden. Vorzugsweise werden zumindest zwei Elektromagnete gleichzeitig als Spulenpaar betrieben. Nacheinander können verschiedene Spulenpaare betrieben werden.In one embodiment, step IV includes changing the magnetic flux density of the magnetic field. In particular, the magnetic flux density can be changed by changing the current applied to power the at least one electromagnet. Additionally or alternatively, different electromagnets of the plurality of electromagnets can be supplied with current simultaneously or one after the other. At least two electromagnets are preferably operated simultaneously as a pair of coils. Different pairs of coils can be operated one after the other.

In Schritt IV können gleichzeitig zumindest ein Elektromagnet der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Ebene betrieben werden. Vorzugsweise können gleichzeitig zumindest zwei Elektromagneten der ersten und/oder der zweiten und/oder der dritten Ebene betrieben werden.In step IV, at least one electromagnet of the first and/or the second and/or the third level can be operated at the same time. Preferably, at least two electromagnets of the first and/or the second and/or the third level can be operated at the same time.

So können je nach Anforderungen an das zu bearbeitende Werkstück oder Werkzeug verschiedene magnetische Flussdichten realisiert werden, die einen entsprechenden Materialabtrag oder eine Materialtrennung an der Werkstück- und/oder Werkzeugoberfläche zur Folge haben. Je nach Intensität der magnetischen Flussdichte kann die Oberfläche des Werkstücks und/oder Werkstücks lokal verschieden stark abgetragen und/oder Werkstoff abgetrennt werden.Depending on the requirements of the workpiece or tool to be machined, different magnetic flux densities can be implemented, which result in a corresponding material removal or material separation on the workpiece and/or tool surface. Depending on the intensity of the magnetic flux density, the surface of the workpiece and/or workpiece can be locally removed to varying degrees and/or material can be separated.

In einer Ausführung können die Elektromagneten in Schritt IV pulsierend betrieben werden, sodass sich das Magnetfeld zeitlich ändert. So kann die magnetorheologische Flüssigkeit mit einem inhomogenen Magnetfeld beaufschlagt werden, wodurch ein variabler Bearbeitungsdruck P_B in Abhängigkeit einer Eintauchtiefe t des in die magnetorheologische Flüssigkeit eingetauchten Werkstücks oder Werkzeugs eingestellt werden kann.In one embodiment, the electromagnets can be operated in a pulsating manner in step IV, so that the magnetic field changes over time. An inhomogeneous magnetic field can thus be applied to the magnetorheological fluid, as a result of which a variable processing pressure P _B can be set as a function of an immersion depth t of the workpiece or tool immersed in the magnetorheological fluid.

In einer Ausführung kann, insbesondere während die magnetorheologische Flüssigkeit mit einem Magnetfeld beaufschlagt wird, das Werkstück und/oder Werkzeug durch die magnetorheologische Flüssigkeit geführt werden. So kann beispielsweise eine Eintauchtiefe des Werkstücks und/oder Werkzeugs verändert werden. Das Werkstück und/oder Werkzeug kann entlang einer oder mehrerer translatorischer Achsen durch die magnetorheologische Flüssigkeit geführt werden. Beispielsweise kann es entlang einer helixförmigen Bahn geführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Werkstück und/oder Werkzeug in der magnetorheologischen Flüssigkeit um zumindest eine Achse rotiert werden. Eine Drehzahl in 1/min kann dabei zumindest 10, bevorzugt zumindest 100, besonders bevorzugt zumindest 1000 und/oder höchstens 100.000, bevorzugt höchstens 50.000, besonders bevorzugt höchstens 10.000 betragen.In one embodiment, the workpiece and/or tool can be guided through the magnetorheological fluid, in particular while the magnetorheological fluid is being subjected to a magnetic field. For example, an immersion depth of the workpiece and/or tool can be changed. The workpiece and/or tool can be guided through the magnetorheological fluid along one or more translatory axes. For example, it can be guided along a helical path. Additionally or alternatively, the workpiece and/or tool can be rotated about at least one axis in the magnetorheological fluid. A speed in rpm can be at least 10, preferably at least 100, particularly preferably at least 1000 and/or at most 100,000, preferably at most 50,000, particularly preferably at most 10,000.

In einer Ausführung kann vor der Durchführung von Schritt IV ein Winkel zwischen einer Werkstücklängsachse und/oder einer Werkzeuglängsachse und der Behälterlängsachse eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ kann während der Durchführung von Schritt IV ein Winkel zwischen einer Werkstücklängsachse und/oder einer Werkzeuglängsachse und der Behälterlängsachse verändert werden. Hierdurch kann die Werkstofftrennung gezielt beeinflusst werden.In one embodiment, an angle between a longitudinal axis of the workpiece and/or a longitudinal axis of the tool and the longitudinal axis of the container can be set before carrying out step IV. Additionally or alternatively, an angle between a longitudinal axis of the workpiece and/or a longitudinal axis of the tool and the longitudinal axis of the container can be changed while performing step IV. As a result, the material separation can be influenced in a targeted manner.

Durch die Bewegung des Werkstücks und/oder Werkzeugs in der magnetorheologischen Flüssigkeit und/oder eine Variation der Eintauchtiefe und/oder des Eintauchwinkels kann Einfluss auf die herrschenden Druck- und Strömungsverhältnisse in der magnetorheologischen Flüssigkeit genommen werden. So kann die Bearbeitung einzelner Kanten ermöglicht werden.The movement of the workpiece and/or tool in the magnetorheological fluid and/or a variation of the immersion depth and/or the immersion angle can influence the prevailing pressure and flow conditions in the magnetorheological fluid. This makes it possible to process individual edges.

Zusätzlich oder alternativ zu der geometrischen Variation der Bewegungsbahn des Werkstücks und/oder Werkzeugs können über die Steuerung der magnetischen Flussdichte B mittels der regelbaren Stromquelle die rheologischen Eigenschaften der magnetorheologischen Flüssigkeiten beeinflusst werden. Auf diese Weise kann eine gepulste Bearbeitung erreicht werden, wodurch das Bearbeitungsergebnis verbessert werden kann. Die Vorteile der gepulsten Bearbeitung sind kürzere Bearbeitungsdauern und/oder geringere Oberflächenrauheiten.In addition or as an alternative to the geometric variation of the movement path of the workpiece and/or tool, the rheological properties of the magnetorheological fluids can be influenced by controlling the magnetic flux density B using the controllable current source. In this way one can pulsed processing can be achieved, whereby the processing result can be improved. The advantages of pulsed processing are shorter processing times and/or lower surface roughness.

Zum Entnehmen des Werkzeugs bzw. Werkstücks kann die Werkstückaufnahme mit eingesetztem Werkstück und/oder eingesetztem Werkzeug in eine Position außerhalb des Behälters, insbesondere in die erste Position, verfahren werden.To remove the tool or workpiece, the workpiece holder with the workpiece and/or the tool inserted can be moved to a position outside the container, in particular to the first position.

Die Einsatzmöglichkeiten des Verfahrens, des Systems und der Vorrichtung können in der Schneidkantenpräparation und bei nahezu allen Bearbeitungen, die eine Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide benötigen, bestehen. Die Schneidkantenpräparation findet in nahezu allen technischen Bereichen Anwendung. Unter anderem in der Dental- und Medizintechnik, der Elektroindustrie, der optischen Industrie sowie im Formen- und Werkzeugbau. Es kann beispielsweise eine Präparation der Schneidkanten von Fräswerkzeugen zur Zerspanung von Werkzeugelektroden aus Graphit erfolgen. Die damit gefertigten präzisen Spritzgussformen können hochkomplexe und mikrostrukturierte Kunststoffbauteile, wie zum Beispiel Endoskoplinsen und Mikrozahnräder gefertigt werden. Neben der Schneidkantenpräparation kann ein weiteres Anwendungsgebiet die Entgratung der gefertigten Mikrobauteile sein. Sowohl bei der Mikrozerspanung als auch beim Mikrospritzguss treten feine Grate oder Anspritzpunkte auf, die zu einem fehlerfreien Betrieb des Bauteils entfernt werden müssen. Dies kann ebenfalls mit dem beschriebenen Verfahren bzw. der Vorrichtung und/oder des Systems realisierbar sein. Darüber hinaus kann eine Nachbearbeitung additiv gefertigter Bauteile möglich sein. Diese weisen aufgrund des schichtweisen Aufbaus einen höheren Mitterauwert Ra als konventionell gefertigte Bauteile auf. Mit dem beschriebenen Verfahren bzw. der Vorrichtung und/oder des Systems kann eine Glättung der Oberfläche sowie eine definierte Rundung der Kanten realisiert werden.The application possibilities of the method, the system and the device can exist in the preparation of cutting edges and in almost all machining operations that require machining with a geometrically defined cutting edge. Cutting edge preparation is used in almost all technical areas. Among other things, in dental and medical technology, the electrical industry, the optical industry and in mold and tool making. For example, the cutting edges of milling tools for machining tool electrodes made of graphite can be prepared. The precise injection molds produced with it can be used to manufacture highly complex and microstructured plastic components, such as endoscope lenses and micro gears. In addition to cutting edge preparation, another area of application can be the deburring of the manufactured micro-components. Fine burrs or injection points occur in both micro-machining and micro-injection molding, which must be removed for the component to operate correctly. This can also be implemented with the described method or the device and/or the system. In addition, post-processing of additively manufactured components may be possible. Due to the layered structure, these have a higher mean roughness value Ra than conventionally manufactured components. With the described method or the device and/or the system, a smoothing of the surface and a defined rounding of the edges can be realized.

Die vorliegende Anmeldung umfasst mehrere Ausführungsformen. Die folgende detaillierte Beschreibung zeigt und beschreibt weitere, exemplarische Ausführungsformen der Erfindung. Dementsprechend sind die Zeichnungen und die detaillierte Beschreibung als illustrativ und nicht einschränkend zu betrachten.The present application encompasses several embodiments. The following detailed description shows and describes further exemplary embodiments of the invention. Accordingly, the drawings and detailed description are to be regarded in an illustrative rather than a restrictive sense.

Es zeigen

1 ein System zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Werkzeugs mittels einer magnetorheologischen Flüssigkeit,
2a eine schematische Querschnittsansicht durch den Behälter des Systems der 1,
2b eine schematische Längsschnittansicht durch den Behälter des Systems der 1 mit eingezeichnetem Mikrofräswerkzeug,
2c eine schematische Längsschnittansicht durch den Behälter des Systems der 1 mit eingezeichnetem Mikrofräswerkzeug sowie einen Vergleich zum Tauchgleitläppen,
3 eine Querschnittansicht einer Vorrichtung zum Beaufschlagen einer magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld, und
4 die Vorrichtung gemäß 3 in einem Längsschnitt.

Show it

1 a system for processing a workpiece and/or tool using a magnetorheological fluid,
2a a schematic cross-sectional view through the container of the system of FIG 1 ,
2 B a schematic longitudinal sectional view through the container of the system of 1 with marked micro milling tool,
2c a schematic longitudinal sectional view through the container of the system of 1 with a micro-milling tool drawn in and a comparison to immersion sliding lapping,
3 a cross-sectional view of a device for applying a magnetic field to a magnetorheological fluid, and
4 the device according to 3 in a longitudinal section.

1 zeigt ein System 100 zum Bearbeiten eines Werkstücks und/oder Werkzeugs mittels einer magnetorheologischen Flüssigkeit 1. Das System 100 ist schematisch dargestellt, sodass Dimensionen und Dimensionsverhältnisse von realen Dimensionen abweichen können. Ferner sind die einzelnen Komponenten nicht zwingend wirklichkeitsgetreu abgebildet, sondern im Wesentlichen schematisch zum Zwecke der Funktionserläuterung. Das System 100 umfasst eine Vorrichtung 10 zum Beaufschlagen der magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld. 1 shows a system 100 for processing a workpiece and/or tool using a magnetorheological fluid 1. The system 100 is shown schematically so that dimensions and dimensional ratios can deviate from real dimensions. Furthermore, the individual components are not necessarily shown realistically, but essentially schematically for the purpose of explaining the function. The system 100 includes a device 10 for applying a magnetic field to the magnetorheological fluid.

Dafür weist die Vorrichtung 10 einen Behälter 2 zum Aufnehmen der magnetorheologischen Flüssigkeit 1 auf. Der Behälter 2 hat eine Längsachse L. In 1 ist der Behälter 2 in einem Schnitt entlang der Längsachse L gezeigt. Der Behälter 2 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, wobei er Seitenwände 21 und einen Boden 22 aufweist. Nach oben ist der Behälter 2 geöffnet, weist also eine Öffnung 23 auf, die im Wesentlichen der Fläche des Bodens 22 entspricht. Die Seitenwände 21 und der Boden 22 definieren einen Behälterinnenraum 24, der zumindest teilweise mit der magnetorheologischen Flüssigkeit 1 gefüllt ist. Die gezeigte magnetorheologische Flüssigkeit 1 umfasst ein Trägeröl, vorliegend ein Polyalphaolefin-Öl, mit einem Abrasivmedium 11, vorliegend Diamant. Die magnetorheologische Flüssigkeit 1 füllt etwa 80 % des Behälterinnenraums 24 aus.For this purpose, the device 10 has a container 2 for receiving the magnetorheological liquid 1 . The container 2 has a longitudinal axis L. In 1 the container 2 is shown in a section along the longitudinal axis L. The container 2 is essentially cuboid, having side walls 21 and a bottom 22 . The container 2 is open at the top, ie it has an opening 23 which essentially corresponds to the area of the bottom 22 . The side walls 21 and the bottom 22 define a container interior 24 which is at least partially filled with the magnetorheological fluid 1 . The magnetorheological fluid 1 shown comprises a carrier oil, in this case a polyalphaolefin oil, with an abrasive medium 11, in this case diamond. The magnetorheological fluid 1 fills approximately 80% of the interior space 24 of the container.

Ein Elektromagnet 3 ist außen an dem Behälter angeordnet. Der Elektromagnet 3 umfasst einen magnetischen Leiter 31 und eine um den magnetischen Leiter 31 gewickelte Spule 32. Der magnetische Leiter 31 umfasst 11Smn30. Die Spule 32 umfasst Kupfer. Die Spule 32 hat typischerweise zwischen 300 und 1000 Windungen. Die Spule 32 ist elektrisch mit einer Stromquelle 4 verbunden. Die Stromquelle 4 ist regelbar, sodass eine magnetische Flussdichte des Elektromagneten 3 regelbar ist. Mit der regelbaren Stromquelle 4 können Erregerfrequenzen f von 50 Hz bis 150 Hz eingestellt werden.An electromagnet 3 is arranged on the outside of the container. The electromagnet 3 includes a magnetic conductor 31 and a coil 32 wound around the magnetic conductor 31. The magnetic conductor 31 includes 11Smn30. The coil 32 comprises copper. The coil 32 typically has between 300 and 1000 turns. The coil 32 is electrically connected to a power source 4 . The power source 4 can be regulated, so that a magnetic flux density of the electromagnet 3 can be regulated. The controllable power source 4 can be used to set excitation frequencies f from 50 Hz to 150 Hz.

Ferner umfasst das System 100 eine verfahrbare Werkstückaufnahme 5, in die ein Werkstück, vorliegend ein Mikrofräswerkzeug 6, eingespannt ist. Die Werkstückaufnahme 5 ist vorliegend eine Werkzeugspindel einer 5-Achs-Fräsmaschine.Furthermore, the system 100 includes a movable workpiece holder 5, in which a workpiece, in this case a micro-milling tool 6, is clamped. In the present case, the workpiece holder 5 is a tool spindle of a 5-axis milling machine.

Wiederkehrende Merkmale werden zur besseren Übersichtlichkeit und Verständlichkeit in den nachfolgenden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Recurring features are provided with the same reference symbols in the following figures for better clarity and comprehension.

In 2a ist der Behälter 2 in einem Querschnitt senkrecht zur Längsachse I gezeigt. Der Behälter 2 ist mit der magnetorheologischen Flüssigkeit 1 gefüllt. Schematisch ist mittels Pfeilen eine Bewegungsbahn 7 dargestellt, die zeigt, wie das Mikrofräswerkzeug zur Schneidkantenpräparation durch die magnetorheologische Flüssigkeit 1 bewegt werden kann. Dabei wird die Bewegung entlang der Bewegungsbahn 7 durch Verfahren der Werkzeugaufnahme 5 entlang zumindest einiger der fünf Achsen der 5-Achs-Fräsmaschine realisiert. Ferner wird das Mikrofräswerkzeug 6 mit einer Drehzahl ns um eine Längsachse des Mikrofräswerkzeugs 6 rotiert. Im gezeigten Beispiel beträgt die Drehzahl beispielsweise 10.000 1/min.In 2a the container 2 is shown in a cross section perpendicular to the longitudinal axis I. The container 2 is filled with the magnetorheological liquid 1. A movement path 7 is shown schematically by means of arrows, which shows how the micro milling tool can be moved through the magnetorheological liquid 1 for the preparation of the cutting edge. The movement along the movement path 7 is realized by moving the tool holder 5 along at least some of the five axes of the 5-axis milling machine. Furthermore, the micro-milling tool 6 is rotated at a speed ns about a longitudinal axis of the micro-milling tool 6 . In the example shown, the speed is 10,000 rpm, for example.

In 2a ist der Behälter 2 der 1 und 2a in einem Längsschnitt entlang der in 2a eingezeichneten Linie A-A gezeigt. Das Mikrofräswerkzeug 6 ist gegenüber der Behälterlängsachse L um einen Winkel α_E angestellt. Dieser beträgt im vorliegenden Beispiel 45°, kann jedoch variiert werden. Insbesondere kann der Winkel auch während des Schneidkantenpräparationsverfahrens variiert werden. Ferner wird eine Eintauchtiefe T_E variiert, sodass neben der in 2a dargestellten Bewegungsbahn 7 in horizontaler Ebene die Bewegungsbahn 7' in vertikaler Ebene wie in 2b dargestellt verläuft.In 2a is the container 2 the 1 and 2a in a longitudinal section along the in 2a shown line AA. The micro-milling tool 6 is set at an angle α _E relative to the longitudinal axis L of the container. In the present example, this is 45°, but can be varied. In particular, the angle can also be varied during the cutting edge preparation process. Furthermore, an immersion depth T _E is varied, so that in addition to the in 2a illustrated trajectory 7 in the horizontal plane, the trajectory 7 'in the vertical plane as in 2 B shown runs.

Bei der Präparation des Mikrofräsers 6 kann dieser somit direkt in die Spindel der Werkzeugmaschine 5 eingespannt werden. Dadurch wird das spätere Umspannen des Werkzeugs obsolet und ein Verfahrensschritt eingespart. Im Anschluss wird das Werkzeug, hier das Mikrofräswerkzeug 6, mithilfe der Antriebsachsen der Werkzeugmaschine innerhalb der magnetorheologischen Flüssigkeit 1 bewegt, sodass auch hochkomplexe Bewegungsstrategien realisierbar sind. Darüber hinaus kann die Bewegung je nach Geometrie des zu bearbeitenden Werkstücks um eine Variation der Eintauchtiefe T_E sowie des Eintauchwinkels α_E ergänzt und so Einfluss auf die herrschenden Druck- und Strömungsverhältnisse genommen werden. Somit wird auch die Bearbeitung einzelner Kanten ermöglicht. Zusätzlich zu der geometrischen Variation der Bewegungsbahn können über die Steuerung der magnetischen Flussdichte B mittels einer regelbaren Stromquelle die rheologischen Eigenschaften der magnetorheologischen Flüssigkeiten beeinflusst werden. Auf diese Weise kann eine gepulste Bearbeitung erreicht werden, wodurch das Bearbeitungsergebnis signifikant verbessert wird. Über die regelbare Stromquelle sind Erregerfrequenzen im Bereich von 50 Hz ≤ f ≤ 150 Hz realisierbar.When preparing the micro milling cutter 6 , it can thus be clamped directly into the spindle of the machine tool 5 . This means that later re-clamping of the tool becomes obsolete and one process step is saved. The tool, here the micro-milling tool 6, is then moved within the magnetorheological fluid 1 using the drive axles of the machine tool, so that highly complex movement strategies can also be implemented. Depending on the geometry of the workpiece to be machined, the movement can also be supplemented by varying the immersion depth T _E and the immersion angle α _E , thereby influencing the prevailing pressure and flow conditions. This also enables the processing of individual edges. In addition to the geometric variation of the trajectory, the rheological properties of the magnetorheological fluids can be influenced by controlling the magnetic flux density B using a controllable power source. In this way, pulsed processing can be achieved, which significantly improves the processing result. Excitation frequencies in the range of 50 Hz ≤ f ≤ 150 Hz can be realized via the controllable power source.

Mit der Vorrichtung 10 bzw. dem System 100 und dem Verfahren können einzelne Schneiden oder Kanten und Flächen eines Werkstücks unterschiedlich stark bearbeitet werden. Dadurch ist eine genaue Einstellung einer Schneidkantenrundung r_β sowie einer Kantenverrundung an zu bearbeitenden Mikrobauteilen möglich. Dies kann durch anisotrope rheologische Eigenschaften der magnetorheologischen Flüssigkeit erreicht werden, da die maximale Fließgrenze τ und somit die Prozesskräfte F_P orthogonal zum magnetischen Fluss Φ auftreten. So kommt es im Vergleich zum Tauchgleitläppen vor allem bei Flächen und Kanten, die sich in einem Winkel α_E zwischen 60° und 90° zu den magnetischen Feldlinien befinden, zur erhöhten Werkstofftrennung.With the device 10 or the system 100 and the method, individual cutting edges or edges and surfaces of a workpiece can be machined to different extents. As a result, precise setting of a cutting edge rounding r _β and an edge rounding on micro-components to be machined is possible. This can be achieved through anisotropic rheological properties of the magnetorheological fluid, since the maximum yield point τ and thus the process forces FP _occur orthogonally to the magnetic flux Φ. In comparison to immersion slide lapping, there is increased material separation, especially on surfaces and edges that are at an angle α _E between 60° and 90° to the magnetic field lines.

In 2c ist links (I) die magnetorheologische Flüssigkeit 1 mit den Abrasivpartikeln 11 dargestellt und rechts (II) ein klassisches Läppmedium 1', hier Al₂O₃, dargestellt. Die bearbeiteten Kanten 6' sind durch stärkere Linien hervorgehoben. Magnetische Feldlinien 8 des Elektromagneten 3 sind links (I) eingezeichnet.In 2c on the left (I) the magnetorheological fluid 1 with the abrasive particles 11 is shown and on the right (II) a classic lapping medium 1′, here Al ₂ O ₃ , is shown. The machined edges 6' are emphasized by heavier lines. Magnetic field lines 8 of the electromagnet 3 are shown on the left (I).

Zusätzlich zur gezielten Bearbeitung können durch die steuerbare Fließgrenze τ_o höhere Bearbeitungsdrücke p_B als im klassischen Tauchgleitläppprozess erreicht werden, wodurch sich die Bearbeitungszeit t im Vergleich deutlich verkürzt. Durch die Höhe der magnetischen Flussdichte B kann somit eine individuelle Anpassung des Bearbeitungsdrucks p_B erfolgen, wodurch eine werkstoff- und geometriespezfische Bearbeitung erfolgen kann. Zudem bietet dieses Verfahren auch die Nutzung von Abrasivpartikeln 11 mit sehr geringen Korngrößen d, an, z.B. Diamantpartikel mit Korngröße 5 µm < d_K < 500 µm. Somit können auch empfindliche Bauteile mit Funktionsmerkmalen im Mikrometerbereich, nachfolgend Mikrobauteile, durch Anpassung der Fließgrenze τ_o präzise und mit einer hohen Oberflächengüte bearbeitet werden.In addition to targeted processing, the controllable yield point τ _o means that higher processing pressures p _B can be achieved than in the classic slide lapping process, which significantly reduces the processing time t in comparison. Due to the level of the magnetic flux density B, an individual adjustment of the processing pressure p _B can thus take place, as a result of which material and geometry-specific processing can take place. In addition, this method also offers the use of abrasive particles 11 with very small grain sizes d, for example diamond particles with a grain size of 5 μm<d _K <500 μm. Thus, even sensitive components with functional features in the micrometer range, hereinafter referred to as micro components, can be machined precisely and with a high surface quality by adjusting the yield point τ _o .

3 zeigt eine weitere beispielhafte Vorrichtung 10 zum Beaufschlagen einer magnetorheologischen Flüssigkeit mit einem Magnetfeld. 3 shows a further exemplary device 10 for applying a magnetic field to a magnetorheological fluid.

Der Behälter 2 ist hohlzylinderförmig mit einer nach oben gerichteten Öffnung. In dem Behälter ist eine magnetorheologische Flüssigkeit 1 angeordnet. Ein Mikrowerkzeug 6 ist in die magnetorheologische Flüssigkeit 1 eingetaucht. Ein magnetischer Leiter 31 ist kreisförmig und koaxial zu der Längsachse L des Behälters angeordnet. Vorsprünge 31' des magnetischen Leiters 31 ragen in Richtung des Behälters und sind an einer Außenwand des Behälters angeordnet. Die Vorsprünge 31' sind mit Spulen 32 umwickelt, die mit einer regelbaren Stromquelle (nicht gezeigt) elektrisch verbunden sind. Elektromagneten 3 umfassend den elektrischen Leiter 31' und die Spulen sind rotationssymmetrisch um die Längsachse des Behälters 2 angeordnet. In 3 ist ersichtlich, dass in einer ersten Ebene sechs Elektromagneten 3, markiert durch Großbuchstaben A, B, C, D, E, F, angeordnet sind. Die Elektromagneten A und D sind gegenüberliegend angeordnet. Die Elektromagneten C und F sind gegenüberliegend angeordnet. Die Elektromagneten B und E sind gegenüberliegend angeordnet. Aus 4, zeigend einen Schnitt entlang der Längsachse L des Behälters 2, wird deutlich, dass weitere Elektromagnete 3 in zwei weiteren Ebenen angeordnet sind, markiert durch Indizes 2, 3. Die Elektromagnete A, bzw. B, bzw. C, bzw. D, bzw. D bzw. E bzw. F der drei Ebenen sind jeweils untereinander angeordnet. In anderen Ausführungsbeispielen können die Elektromagnete A₁, A₂ und A₃ auch versetzt zueinander angeordnet sein. Dies gilt selbstverständlich auch für die Elektromagnete B, C, D, E, F oder mögliche weitere Elektromagnete.The container 2 is in the form of a hollow cylinder with an upwardly directed opening. A magnetorheological liquid 1 is arranged in the container. A micro tool 6 is immersed in the magnetorheological fluid 1 . A magnetic conductor 31 is circular and coaxial with the longitudinal axis L of the container arranged. Projections 31' of the magnetic conductor 31 protrude toward the container and are arranged on an outer wall of the container. The projections 31' are wound with coils 32 which are electrically connected to a controllable power source (not shown). Electromagnets 3 comprising the electrical conductor 31 ′ and the coils are arranged rotationally symmetrically around the longitudinal axis of the container 2 . In 3 it can be seen that six electromagnets 3, marked by capital letters A, B, C, D, E, F, are arranged in a first level. The electromagnets A and D are arranged opposite each other. The electromagnets C and F are arranged opposite each other. The electromagnets B and E are arranged opposite each other. the end 4 , showing a section along the longitudinal axis L of the container 2, it becomes clear that further electromagnets 3 are arranged in two further planes, marked by indices 2, 3. The electromagnets A, or B, or C, or D, or D or E or F of the three levels are each arranged one below the other. In other exemplary embodiments, the electromagnets A ₁ , A ₂ and A ₃ can also be offset from one another. Of course, this also applies to the electromagnets B, C, D, E, F or possible other electromagnets.

Anhand der 3 und 4 wird nachfolgend das Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks, im vorliegenden Beispiel eines Mikrowerkzeugs 6, erläutert. Zunächst wird das zu bearbeitende Werkstück 6 in die Werkzeug- bzw. Präparationsmaschine 5 (hier nicht gezeigt) eingespannt. Zur Schneidkantenpräparation wird beispielsweise eine 5-Achs-Fräsmaschine genutzt, in deren Werkzeugspindel das zu bearbeitende Mikrofräswerkzeug eingespannt wird. Daraufhin wird das Werkstück 6 in den mit abrasiver magnetorheologischer Flüssigkeit 1 gefüllten Behälter 2 eingetaucht (siehe insbesondere 4). Beim Eintauchen wird die abrasive magnetorheologische Flüssigkeit 1 vorzugsweise noch nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt, um ungewünschte Präparationseffekte zu verhindern. Im nächsten Schritt wird die abrasive magnetorheologische Flüssigkeit mit einem Magnetfeld beaufschlagt. Dafür werden Elektromagnete 3 mit Strom der Stromquelle (nicht gezeigt) versorgt. Es können nur einige der Elektromagnete mit Strom versorgt werden. Beispielsweise werden die Elektromagnete A und C mit Strom versorgt, um den beispielhaft eingezeichneten magnetischen Fluss 9 zum Bearbeiten der Schneidkanten des Werkstücks 6 zu erreichen.Based on 3 and 4 the method for machining a workpiece, in the present example a microtool 6, is explained below. First, the workpiece 6 to be machined is clamped into the machine tool or preparation machine 5 (not shown here). A 5-axis milling machine, for example, is used for cutting edge preparation, in whose tool spindle the micro-milling tool to be machined is clamped. The workpiece 6 is then immersed in the container 2 filled with abrasive magnetorheological liquid 1 (see in particular 4 ). During immersion, the abrasive magnetorheological liquid 1 is preferably not yet exposed to a magnetic field in order to prevent undesired preparation effects. In the next step, a magnetic field is applied to the abrasive magnetorheological fluid. For this purpose, electromagnets 3 are supplied with power from the power source (not shown). Only some of the electromagnets can be powered. For example, the electromagnets A and C are supplied with current in order to achieve the magnetic flux 9 shown as an example for machining the cutting edges of the workpiece 6 .

In der durchgeführten Präparation wird ein homogenes Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von 0,5 T gewählt. Dieses kann mittels einer gezielten Steuerung und einem mehrspuligen Aufbau, wie in 3 und 4 gezeigt, dreidimensional durch Ansteuerung verschiedener Elektromagnete, auch in verschiedenen Ebenen, verändert werden. Zusätzlich ist auch eine zeitliche Veränderung des Magnetfelds möglich. Das Werkstück 6 wird durch die abrasive magnetorheologische Flüssigkeit 1 geführt, wie beispielsweise in Bezug auf 2a und 2b beschrieben wurde. Selbstverständlich sind auch andere Bewegungsbahnen als die der 2a und 2b möglich.A homogeneous magnetic field with a magnetic flux density of 0.5 T is selected for the preparation carried out. This can be done by means of a targeted control and a multi-coil structure, as in 3 and 4 shown, can be changed three-dimensionally by controlling different electromagnets, also in different levels. In addition, a change in the magnetic field over time is also possible. The workpiece 6 is passed through the abrasive magnetorheological fluid 1, such as with reference to FIG 2a and 2 B was described. Of course, other trajectories than those of the 2a and 2 B possible.

Mittels der 5-Achs-Fräsmaschine können innerhalb der MRF komplexe Bewegungskinematiken realisiert werden. Diese können gezielt an die Außengeometrie des zu bearbeitenden Werkstücks angepasst werden. Im gezeigten Beispielprozess wurde eine helixförmige Bahnführung in Kombination mit einer Spindeldrehzahl von ns = 10.000 1/min und einer Gesamtbearbeitungsdauer von t_B = 9 min gewählt. In anderen Verfahren kann die Bearbeitungsdauer bis zu 20 min, vorzugsweise bis zu 15 min andauern und/oder mindestens 2 min, vorzugsweise mindestens 5 min andauern.Using the 5-axis milling machine, complex movement kinematics can be realized within the MRF. These can be specifically adapted to the outer geometry of the workpiece to be machined. In the example process shown, a helical path was selected in combination with a spindle speed of ns = 10,000 rpm and a total processing time of t _B = 9 min. In other methods, the processing time can be up to 20 minutes, preferably up to 15 minutes, and/or at least 2 minutes, preferably at least 5 minutes.

Nachdem die Bearbeitungsdauer abgelaufen ist, können die Elektromagnete von der Stromversorgung getrennt werden. Das Werkstück wird in die Ausgangsposition, insbesondere außerhalb des Behälterinnenraums, gefahren und kann entnommen werden. Im beispielhaften Prozess konnte eine Steigerung der Schneidkantenrundung um 58 % auf r_β = 5,1 µm erzielt werden.After the processing time has expired, the electromagnets can be disconnected from the power supply. The workpiece is moved to the starting position, in particular outside the interior of the container, and can be removed. In the exemplary process, the rounding of the cutting edges was increased by 58% to r _β = 5.1 µm.

Claims

Device for applying a magnetic field to a magnetorheological liquid (1), comprising - a container (2) for receiving a magnetorheological fluid (1), having a preferably upward-facing opening (23) for at least partially immersing the workpiece and/or tool in the magnetorheological fluid (1), - at least one electromagnet (3) arranged on the container (2) for applying a magnetic field to the container (2), the electromagnet (3) having a magnetic conductor (31) and a coil (32) wound around the conductor (31) includes and - A power source (4) electrically connected to the coil (32).

Device according to claim 1 , characterized in that the container (2) is at least partially filled with a magnetorheological liquid (1), in particular an abrasive magnetorheological liquid (1), the magnetorheological liquid (1) in particular a carrier oil, in particular polyalphaolefin oil, and carbonyl iron particles and an abrasive medium, esp special diamond, corundum and/or silicon carbonate.

Device according to claim 1 or 2 , characterized in that the container (2) is cuboid or cube-shaped or is rotationally symmetrical about its longitudinal axis (L), in particular has the shape of a hollow cylinder which has a circular base plate and is open at the top.

Device according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of electromagnets (3) which - preferably on the outside - are arranged on the container (2) and are preferably immovably connected to the container (2), the respective coil (32) of the Electromagnet (3) of the plurality of electromagnets (3) with the power source (4) or each with a further power source (4) is connected.

Device according to claim 4 , characterized in that the plurality of electromagnets (3) comprises a first number of electromagnets (3) in a first plane perpendicular to the longitudinal axis (L) of the container (2) and/or a second number of electromagnets (3) in a second Plane perpendicular to the longitudinal axis (L) of the container (2) and / or a third number of electromagnets (3) in a third plane perpendicular to the longitudinal axis (L) of the container (2).

Device according to one of the preceding claims, characterized in that the power source for controlling the magnetic flux density can be regulated, in particular is designed to regulate an excitation frequency, in particular excitation frequencies of at least 50 Hz, preferably at least 60 Hz, particularly preferably at least 70 Hz and/or or excitation frequencies of in particular at most 150 Hz, preferably at most 140 Hz, particularly preferably 130 Hz, can be set.

System for processing a workpiece and/or tool by means of a magnetorheological fluid (1), comprising - a device according to any one of the preceding claims, - a workpiece holder for receiving a workpiece and/or tool to be machined, the workpiece holder being movable in such a way that the workpiece and/or the tool is arranged in a first position outside of the interior of the container (24) and in at least a second position partially in the Container interior (24), in particular at least partially in a magnetorheological liquid (1) arranged therein.

System according to the preceding claim, characterized by at least one further workpiece holder for the simultaneous introduction of two tools and/or workpieces into the container interior (24).

System according to one of the preceding claims, characterized in that at least one workpiece holder can be moved along one axis, preferably along two axes, particularly preferably along three axes and/or about at least one axis and/or about at least two axes and/or about at least three Axes can be rotated.

System according to one of the preceding claims, characterized by a multi-axis robot, preferably a five-axis robot or a six-axis robot, the at least one workpiece holder being arranged on the multi-axis robot.

Method for machining a workpiece and/or tool, comprising the following steps I. Providing a system according to one of Claims 10 until 13 , wherein the container (2) is at least partially filled with a magnetorheological fluid (1), II. Insertion, in particular clamping, of a workpiece and/or tool in a workpiece holder, the workpiece holder being arranged in a first one outside the container (2). Position is III. Method of picking up the workpiece with the workpiece and/or tool inserted into a second position in which the workpiece and/or the tool is at least partially immersed in the magnetorheological fluid (1), IV. 1) with a magnetic field, in particular by supplying at least one electromagnet (3) with current through the current source.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that step IV comprises changing the magnetic flux density of the magnetic field, in particular by changing the current for supplying the at least one electromagnet (3) and/or in that different electromagnets of the plurality of electromagnets (3 ) operate.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that in step IV the electromagnets (3) are operated in a pulsating manner, so that the magnetic field changes over time.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that - while the magnetorheological fluid (1) is subjected to a magnetic field - the workpiece and/or tool is guided through the magnetorheological fluid (1), in particular along one or more translatory axes through the magnetorheological fluid (1) is guided, in particular along a helical path, and/or is rotated about at least one axis in the magnetorheological fluid (1).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that before step IV is carried out, an angle is set between a longitudinal axis of the workpiece and/or a longitudinal tool axis and the longitudinal axis of the container (L) and/or that an angle is set between a longitudinal axis of the workpiece while step IV is being carried out and/or a tool longitudinal axis and the container (2) longitudinal axis (L) is changed.