Entwicklungsgeschichte | Diatron 150 | Diatron 300 | Diatron CX


Entwicklungsgeschichte

Das Bearbeiten harter und härtester, vorzugsweise nichtmetallischer, spröder Werkstoffe durch Ultraschall ist seit vielen Jahren bekannt, und bereits über 50 Jahre lang baut KLN für derartige Zwecke speziell entwickelte "Ultraschall Bohrmaschinen".

Deren horizontale Bearbeitungsweise wurde von KLN wegen ihrer entscheidenden Vorteile schon Ende der fünfziger Jahre entwickelt und seitdem konsequent beibehalten.

Einen Rückblick auf die gesamte "DIATRON“ - Entwicklung bis zum derzeitigen Spitzenprodukt DIATRON CX geben die nachfolgenden Abbildungen.
Die grundlegenden Arbeiten im Bereich der Ultraschallbearbeitung liegen in den 30‘er und 40‘er Jahren.
Die Anfänge der industriellen Anwendung und des Maschinenbaus beginnen um 1948 durch die Firma Dr. Lehfeldt in Heppenheim, aus der später die
KLN-Ultraschall GmbH entstanden ist.
Die beiden folgenden Skizzen zeigen Originalunterlagen aus der Anfangszeit der Entwicklung industrieller Maschinenbaureihen.
Das Bild erklärt den Wirkmechanismus und zeigt einen Schnitt durch die Anordnung von Werkstück, Werkzeug und Sonotrode während des Bearbeitungsvorgangs.

Die Darstellung zeigt das grundlegende Prinzip der Maschinen, an dem sich bis heute – abgesehen von der Richtung der Bearbeitungsachse - nichts wesentliches geändert hat.
Die ersten Ultraschallbearbeitungsmaschinen arbeiteten analog zu üblichen Bohrmaschinen mit vertikaler Bearbeitungsrichtung. Der Massenausgleich des Ultraschallsystems zum Erreichen eines möglichst geringen Andrucks auf das Werkstück wurde damals mit aufwendigen Federsystemen oder Gegengewichten in der Säule über Umlenkrollen realisiert. Damals wurden zur Herstellung runder Profilbohrungen überwiegend rotierende Ultraschallsysteme eingesetzt, die, insbesondere in der Herstellung von Ziehsteinen für die Drahtherstellung eine weite Verbreitung gefunden haben. (Irgendwo war die konventionelle Bohrmaschine noch in den Köpfen der Konstrukteure).
Beginnend mit dem zunächst naheliegenden senkrechten Bohrverfahren mit dem DIATRON 1A, im Jahre 1954, wurden schon wenige Jahre später die Vorteile erkannt, die eine horizontale Bearbeitungsrichtung bietet. Durch die beschränkte Werkstoffauswahl hinsichtlich der Belastbarkeitsgrenzen und Fehlerfreiheit der wenigen, zur Verfügung stehenden Werkstoffe wurden den praktischen Versuchen relativ enge Grenzen gesetzt. Die Entwicklung wurde auch dadurch erschwert, daß die heute gängigen Verfahren zur Qualitätsprüfung der Werkstoffe nur im Ansatz vorhanden waren und als exotisch eingestuft wurden.
Bei diesem Modell wurde der Massenausgleich des Ultraschallsystems zum Erreichen eines möglichst geringen Andrucks auf das Werkstück mittels eines pneumatisch / hydraulischen Ausgleichssystems durchgeführt. Das bei den vorherigen Modellen verwendete Ausgleichsystem konnte den Andruck nur über einen relativ kurzen Weg konstant halten. Die Umwälzeinrichtung für die Schleifmittelsuspension und die Vakuumanlage waren herausziehbar im Maschinenfuss integriert.
Bedingt durch die damals im Generatorenbereich übliche Röhrentechnik, hatte ein Generator zum Betrieb eines Ultraschallbearbeitungsgeräts mit durchschnittlichen Leistungsdaten die Größe eines kleineren Schaltschrankes.

Der Generator III war als Tischmodell ausgeführt und hatte bei Abmessungen von 500 x 330 x 290 mm eine HF-Leistung von 200 Watt. Die Betriebsfrequenz lag bei 22 kHz. Die Stromaufnahme betrug 400 W bei einer abgegebenen Ultraschall-Leistung von 130 W.
Der Generator II war als Anbaumodell zur Montage an der Wand oder seitlich an der Maschine ausgeführt und hatte bei Abmessungen von 560 x 285 x 830 mm eine HF-Leistung von 400 Watt. Die Betriebsfrequenz lag bei 22 kHz. Die Stromaufnahme betrug 800 W bei einer abgegebenen Ultraschall-Leistung von 250 W.
Der Generator I war als Standmodell ausgeführt und hatte bei Abmessungen von 420 x 520 x 1.000 mm eine HF-Leistung von 600 Watt. Die Betriebsfrequenz lag bei 22 kHz. Die Stromaufnahme betrug 1.200 W bei einer abgegebenen Ultraschall-Leistung von 400 W.
Im Gehäuse war eine Duschkopfähnliche Anordnung eingebaut, mit deren Hilfe der Erreger mit Wasser gekühlt wurde. In Verbindung mit den vorgenannten Generatoren wurden magnetostriktive Erregersysteme in geschlossenen Schallkopfgehäusen eingesetzt.
Die magnetostriktiven Systeme hatten eine Reihe Vorteile. Es bestand die Möglichkeit einer Leistungsabstimmung – (Schwingweite ab 0) und einer Frequenzanpassung über einen sehr weiten Bereich. Jedoch war die Herstellung sehr aufwendig und der Betrieb mit einem relativ hohen Aufwand verbunden. Durch die Induktion der Spule erwärmte sich das Joch und erforderte eine Flüssigkeitskühlung. Bei den Maschinen der Firma Lehfeldt wurde diese Kühlung durch eine drucklose Wasserdusche mit Ablauf realisiert. Spätere Maschinen - zum Beispiel der Firma MEL - hatten Erregersysteme, die von einem flüssigen Dielektrikum umgeben waren. Die Wärme wurde über das Gehäuse abgeleitet, das System dadurch natürlich entsprechend bedämpft.
Für die Herstellung von Ziehsteinen entstand - wegen der Beibehaltung der Werkzeugrotation und der erforderlichen Pendelbewegung des Werkstücks - eine getrennte Maschinenreihe.
Dieses Tischmodell beihaltet ein rotierendes Ultraschallsystem mit einer Leistung von 100 W in Verbindung mit einer rotierenden Ziehsteinaufnahme. Die Werkzeuge - nadelähnliche Stifte - wurden meist in einer Spannzangensonotrode aufgenommen. Optional konnte zusätzlich eine Pendeleinrichtung, rechts auf dem Gehäuse aufgesetzt werden. Für diese Anwendung war die rotierende Bearbeitungstechnik in Verbindung mit schnell rotierenden Schallköpfen / Werkzeugaufnahmen durchaus berechtigt. Nur so konnte der Verschleiss des Werkzeugs an der Front- und Umfangsfläche gleichmässig gehalten werden.
In gemeinsamer Entwicklungsarbeit mit der Firma Schaaf in Mittenahr entstand eine elektropneumatisch gesteuerte Maschine zur weitgehend vollautomatischen Herstellung von Ziehsteinen.
Das Gerät arbeitet mit einer Betriebsfrequenz von 22 kHz und einem rotierenden piezoakustischen Ultraschallsystem.
Damit wurden Ziehsteine mit Profilabmessungen im Durchmesserbereich zwischen 0,05 und 6 mm Durchmesser bearbeitet.
Die Bewegungen:
Schallkopf +/-
Konsole Weg +/-
Konsole pendeln
Werkzeug Rotation
Werkstück Rotation
konnten unabhängig voneinander über eine elektromechanische Steuerung geregelt werden. Des weiteren war eine Schleifvorrichtung zum Nachschleifen des Werkzeugs (Stirn- oder Mantelschliff) integriert. Bei Abmessungen von 505 x 400 x 1.050 mm hatte die Maschine ein Gewicht von 78 kg.

 

Wegen der Sedimentation des Schleifmittels im Behälter der Werkstückaufnahme erfolgte in den 60’er Jahren ein Übergang zur horizontalen Bearbeitung, wobei durch den Einsatz einer einstellbaren schiefen Ebene als Andruckmechanismus, die Regelprozesse für die vertikale Bearbeitung entfallen konnten.
Im Laufe der Zeit entwickelten sich unterschiedliche Begriffe für die gleiche Verfahrenstechnik. Die überwiegende Anwendung zur Herstellung von Bohrungen prägte den Begriff "Ultraschall-Bohren".
Auch der Begriff Diatron-Verfahren, abgeleitet von den Maschinen war insbesondere in der Edelsteinbearbeitung weit verbreitet. Durch die verfahrensbedingte Ähnlichkeit wurde die Bezeichnung "Stoßläppen" auch in der Fachliteratur zum Begriff.
Die Inbetriebnahme und die Arbeit mit diesen Geräten erforderte Spezialisten, die in der Branche über die Grenzen Ihrer Betriebe hinaus bekannt waren.
In neuerer Zeit wurden Wortschöpfungen wie "Ultraschall-Erosion" oder "Ultrasonic-Erosion" zu Bezeichnungen für die Ultraschallbearbeitung.
Die horizontale Bearbeitungsweise wurde von KLN wegen ihrer entscheidenden Vorteile schon Ende der fünfziger Jahre entwickelt und seitdem konsequent beibehalten.
Das Diatron C war die erste horizontal arbeitende Ultraschallbearbeitungsmaschine. Die Abbildung zeigt das Funktionsprinzip der Maschine.
Das Arbeitsprinzip ist sehr einfach. Die Montierung des Werkstückaufbaus erfolgt wie bisher durch Kitten auf einer Stahlunterlage.
Diese wird mit Hilfe der Permanentmagnetspannvorrichtung auf der Maschine fixiert. Durch die Verwendung von Permanentmagneten wird eine Erwärmung der Kittstellen vermieden.
Der Schallkopf ist in einer leichtgängigen Präzisionsführung winklig zur Werkstückaufnahme gelagert.
Die gesamte Führung ist um eine Achse schwenkbar angeordnet und ermöglicht so die Einstellung des Andrucks im Bereich zwischen ca. –2 kp und +2 kp.
Der wesentlichste Vorteil dieser Anordnung besteht jedoch darin, dass die Vorschubbewegung ausschliesslich vom erreichten Abtrag abhängig ist und keinerlei zusätzliche Mechanismen benötigt. Der Bearbeitungsweg wird durch eine, an der Maschine justierbar montierte Messuhr überwacht.
Damit entstand 1958 die erste Horizontal- Ultraschall- Bohrmaschine DIATRON CN, die sich zusammen mit ihrem Schwestertyp DIATRON CS in Hunderten von Exemplaren gut bewährt hat.
Das Diatron CN 90 (1963) verfügte über ein wassergekühltes, magnetostriktives Ultraschallsystem, eine im Intervall arbeitende Schleifmittelsuspensionsabsaugung und war in der Edelsteinbearbeitung weit verbreitet im Einsatz.
Das Diatron CS (1959) wurde auf dem gleichen Untergestell wie das Diatron CN 90 aufgebaut, jedoch mit dem Unterschied, daß die Werkstückaufnahme in der Bearbeitungsachse beweglich gelagert war und der Schallkopf in einer Prismenaufnahme frei drehbar aufgenommen wurde. Hierdurch wurde die Ausrichtung des Werkzeugs gegen das Werkstück, insbesondere beim Einsatz von Formwerkzeugen, für den Anwender wesentlich vereinfacht.
Durch die offene Konstruktion konnte der Anwender den Raum für beliebige Werkstückgrössen und Werkstückaufnahmen nutzen.
Die Verfügbarkeit von Leistungshalbleitern und stabiler Piezokeramiken führte in den 60’er Jahren zur Entwicklung piezoakustischer Ultraschallsysteme, die vom Anwender erheblich weniger Aufwand erforderten und wesentlich kostengünstiger hergestellt werden konnten.
Die kontinuierliche Verbesserung und die Entwicklung neuer Werkstoffe ermöglichten im Lauf der Jahre erhebliche Leistungssteigerungen der Geräte. Die Entwicklung der Halbleitertechnik, bei der die Ultraschallbearbeitung zur Vereinzelung von Substraten eine wesentliche Rolle spielte, erlaubte die Entwicklung von leistungsfähigen Generatoreinheiten, mit einer handhabbaren Baugröße.
Magnetostriktive Systeme haben trotz des höheren Aufwandes auch noch heute ihre Liebhaber, zum Beispiel dann wenn es um Anwendungen mit besonders kleinen Schwingweiten oder einen grossen Regelbereich geht.

In den 60’er Jahren wurde das magnetostriktive Ultraschallsystem bei KLN durch ein piezoakustisches System mit einem Transistor-Generator abgelöst.
Das piezoakustische Erregersystem ist an einen Booster gekoppelt und schwingt ansonsten frei im Schallkopfgehäuse. Es erfordert zwar vom Anwender eine relativ exakte Abstimmung der Sonotrode mit dem Werkzeugprofil auf die Resonanzfrequenz des Schallkopfes, erzeugt jedoch wesentlich weniger Wärme und ist bei sachgemässer Handhabung keiner weiteren Bedämpfung unterworfen. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des piezoakustischen Systems besteht in den wesentlich grösseren Koppelflächen, die eine
Das Erregersystem besteht aus zwei Piezokeramikscheiben mit einer dazwischengeklemmten Kontaktscheibe die durch die Abschlussmassen miteinander verschraubt sind. Der so entstehende Körper bildet einen l/2 Resonator mit hoher Schwingüte.
In Verbindung mit neu entwickelten Generatoren entstand eine neue Baureihe.
Das Bild zeigt ein Diatron CS mit piezoakustischem System. Eine weitere Entwicklungsstufe dieser Maschine sah den Einsatz einer Planschleifeinrichtung für Vielfachwerkzeuge vor. Da die Werkzeuge zur Vereinzelung von Halbleitern oft aus mehreren hundert Röhrchen aufgebaut waren und verfahrensbedingt bei der Bearbeitung zwischen den einzelnen Substraten kein Werkzeugverschleiss auftrat, mußten die Werkzeuge nach einer Anzahl von Bearbeitungsgängen nachgearbeitet werden. Dies geschah dadurch, daß der Schallkopf in seiner Aufnahme um 180° geschwenkt und arretiert wurde. Anschließend wurde mit der Topfschleifscheibe der Planschleifvorrichtung die Bearbeitungsfront der Sonotrode nachgeschliffen. Die beim Schleifvorgang entstandenen Grate an den Rändern der Röhrchen / Profile wurden durch kurzes Einbohren in eine Glasplatte problemlos entfernt.
Auf der Basis des Diatron CN 90 entstand 1965 bereits die erste rechnergesteuerte Ultraschall- Bohrmaschine. Die Maschine war mit einer numerischen Steuerung ausgerüstet, die das Werkstück vor dem Werkzeug positionierte und die einzelnen Positionen selbständig abarbeitete.
Gleichzeitig wurde die Zuschaltung von Schleifmittelsuspension, Ultraschall und Vakuum, sowie die Reinigung der Werkzeuginnenkontur von angesaugten Bohrkernen gesteuert.
Durch die industrielle Verfügbarkeit eines breiten Spektrums an Sensoren wurde schließlich eine weitgehende Vereinfachung der Systeme in der Bedienung möglich, die es erlaubt, die Ultraschallbearbeitungstechnik im breiten Rahmen industriell auch in teil- und vollautomatisierten Fertigungsbereichen einzusetzen. Durch die rasche Entwicklung im Bereich der technischen Keramik und den steigenden Anforderungen in der optischen Industrie entstanden bei KLN in den 80’er Jahren drei neue Maschinentypen.

Das Diatron CN 150, eine erweiterte Ausführung des Diatron CN 90,

Abweichend vom Diatron CN 90 besitzt das Diatron CN-150 eine kontinuierlich arbeitende Absaugung der Schleifmittelsuspension, was sich insbesondere bei lang andauernden oder tiefen Bohrungen positiv bemerkbar macht.

Des weiteren besitzt die Maschine einen wesentlich grösseren Schleifmitteltrichter und neben der Arbeitsachse eine parallel dazu stellbare Achse für die Werkstückaufnahme.

Optional ist eine Kühleinrichtung für die Schleifmittelsuspension erhältlich.

Das Diatron C-300, eine, in einer Arbeitszelle montierte Maschine mit einer komplett auswechselbaren Umwälzung der Schleifmittelsuspension und –absaugung in einem Einschub im Unterteil der Maschine. Hierdurch ist der Einsatz unterschiedlicher Schleifmittel und Schleifmittelkörnungen durch den einfachen Austausch des Moduls möglich.Die Maschine kann zusätzlich mit einem Zentriermikroskop ausgestattet werden, das eine kontaktlose Justierung der Werkzeugpositionierung erlaubt.In der Grundausstattung ist die Maschine mit einer Positioniersteuerung ausgerüstet. Optional ist eine Kühleinrichtung für die Schleifmittelsuspension erhältlich.

 

Das Diatron CX, eine größere Maschine mit frei programmierbarer Steuerung und auswechselbarer Schleifmittelsuspensionsumwälzung und –absaugung. Bei diesem Maschinentyp kam schon mal geballte Technik zum Einsatz. Die fertige Maschine wog 2 Tonnen.Die Maschine kann zusätzlich mit einem Zentriermikroskop ausgestattet werden, das eine kontaktlose Justierung der Werkzeugpositionierung erlaubt.
Die weitere Entwicklung der Verfahrens- und Maschinentechnik unterliegt wechselnd den Anforderungen, die durch neue Werkstoffe gestellt werden ebenso wie durch neue Anforderungen durch unsere Kunden.Der Einsatz der Ultraschallbearbeitungstechnik erfolgt überwiegend im Bereich der Bearbeitung von hart-spröden Werkstoffen. Die Bearbeitung von Metallen wird zum Beispiel bei Wolframcarbid, Molybdän, Hafnium, glasartigen Metallen und bestimmten Sintermetallen mit Erfolg angewendet, ebenso bei keramikfasergefüllten Metallen.


KLN Ultraschallbearbeitungsmaschinen werden seit Anfang 2003 nicht mehr hergestellt.
Bei eventuellen Rückfragen melden Sie sich bitte an die:
KLN Ultraschalltechnik
Siegfried Str. 124 in 64646 Heppenheim
Telefon: 06252 140 Fax: 06252 14277

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