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Optimierung der Kunststoffbearbeitung für Halbleiteranlagen
Durch die Integration spezieller, leichter Fräswerkzeuge von MAPAL konnte die M-O-T Mikro- und Oberflächentechnik GmbH die Bauteilfertigung ins eigene Haus holen, um kritische Qualitätsmängel in der Lieferkette zu beseitigen.
mapal.com
©MAPAL
Der Sondermaschinenbauer M-O-T hat in Zusammenarbeit mit dem Werkzeughersteller MAPAL eine spezielle Fly-Cutting-Technologie für die Herstellung nasschemischer Prozessanlagen implementiert. Die Integration dieser diamantbestückten Fräser ermöglicht eine Bearbeitung von Industriekunststoffen mit extrem hoher Oberflächengüte und gewährleistet so eine leckagefreie Chemikalienlagerung in Halbleiter-Reinraumumgebungen.
Betriebliche Herausforderungen bei der Produktion von Halbleiteranlagen
M-O-T konstruiert modulare Anlagen für die Mikrosystem- und Halbleiterbranche und verwendet dabei hauptsächlich thermisch verschweißte Kunststoffplatten, um Prozesszellen und Lagertanks für Säuren, Basen und Lösungsmittel zu bauen. Abhängig von der chemischen Beständigkeit und den thermischen Anforderungen verwendet das Unternehmen Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE). In der Vergangenheit verließ sich das Unternehmen bei diesen gefrästen Kunststoffbauteilen auf externe Lieferanten. Wiederkehrende Qualitätsprobleme, insbesondere Leckagen in den fertigen Chemieanlagen, zwangen den Hersteller jedoch dazu, die Produktion ins eigene Haus zu holen, um eine strenge Qualitätskontrolle sicherzustellen. Gleichzeitig erforderte die Marktnachfrage, dass das Unternehmen seine Produktion von fünf Anlagen pro Jahr im Jahr 2021 auf bis zu dreißig Anlagen jährlich skalierte.
Technische Einschränkungen und Fräsanforderungen
Die Verlagerung der Produktion ins eigene Haus erforderte die Überwindung spezifischer fertigungstechnischer Einschränkungen. Das Unternehmen betreibt eine offene T-Rex-Portalfräsmaschine, die mit einer SK30-Werkzeugschnittstelle und einem Vakuumspanntisch mit den Maßen 1.000 mal 1.000 Millimeter ausgestattet ist. Um sichere thermische Schweißnähte an den Kunststofftanks zu erzielen, erforderten die bearbeiteten Oberflächen eine außergewöhnlich hohe Oberflächengüte. Es erwies sich als schwierig, ein Fräswerkzeug zu finden, das dieses Finish bei verschiedenen Kunststoffen liefern konnte. Darüber hinaus verbieten die strengen Sauberkeitsstandards der Halbleiterindustrie die Verwendung herkömmlicher ölbasierter Kühlschmierstoffe, da diese pH-Werte verändern oder Prozessparameter verunreinigen könnten. Die Fertigung ist daher auf schnell verdunstendes Isopropanol oder wasserbasierte Kühlmittel angewiesen, was das Wärmemanagement während des Fräsprozesses erschwert.
Der NeoMill-Diamond-FlyCutter mit drei PKD-bestückten Fräskassetten wurde speziell für instabile Bearbeitungsbedingungen und kleine Schnittstellen entwickelt. ©MAPAL
Integration spezieller Zerspanungstechnologie
Das Ingenieurteam identifizierte auf der Messe AMB 2024 in Stuttgart eine praktikable Werkzeuglösung und arbeitete mit MAPAL zusammen, um den NeoMill-Diamond-FlyCutter einzusetzen. Dieser leichte, dreischneidige Fräser wurde ursprünglich für das Planfräsen von Aluminium in der Elektronikindustrie entwickelt und verfügt über eine spezielle Schneidengeometrie, die den Schnittdruck senkt und die Spanabfuhr beschleunigt. Der geringe Schnittdruck macht das Werkzeug mit einem Durchmesser von 63 Millimetern äußerst kompatibel mit der eher leistungsschwachen Spindel und dem Vakuum-Spannaufbau der Anlage. Die Anwendungstechniker von MAPAL halfen dabei, den Schneidstoff des Werkzeugs so anzupassen, dass er die besonderen Eigenschaften von Industriekunststoffen anstelle von Metallen bewältigen kann. Für die Seitenbearbeitung und das Konturschlichten wurde zusätzlich ein komplementärer Schaftfräser aus polykristallinem Diamant (PKD) integriert.
Prozessoptimierung und Wärmemanagement
Der Einsatz der neuen Werkzeuge erforderte präzise Anpassungen der Bearbeitungsparameter, um den Wärmestau zu kontrollieren. Kunststoffe stellen im Vergleich zu Metallen einzigartige thermische Herausforderungen dar und erfordern eine sorgfältige Kalibrierung von Vorschub und Drehzahl. Robin Kollmann, bei M-O-T für die Fräsbearbeitung verantwortlich, wies auf die technische Hürde hin: „Kunststoffe nehmen weniger Wärme auf als Aluminium. Die Wärme kann also nicht schnell genug aus dem Bauteil abfließen. In der Folge können die Späne verschmelzen oder verklumpen, wodurch sich noch mehr Druck aufbaut und die Schneide womöglich beschädigt wird.“
Um einen Wärmestau zu vermeiden und die PKD-Schneiden zu schützen – insbesondere bei der Bearbeitung starrer und spröder Materialien wie PVDF – arbeitet die Maschine mit einer konservativen Drehzahl von 6.000 Umdrehungen pro Minute und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1.200 Millimetern pro Minute. Der Prozess trägt 0,3 Millimeter pro Schnitt ab und ermöglicht Aufmaße von bis zu einem Millimeter.
Quantifizierbare Ergebnisse und Produktionsskalierung
Durch diese Werkzeugintegration konnte der Hersteller erfolgreich von der reinen Bearbeitung von Gehäusetüren zur kompletten Eigenfertigung von Chemikalien-Lagertanks übergehen und so die mit externen Lieferanten verbundenen Leckagemängel vollständig beseitigen. Nach dem Erfolg der anfänglichen Einrichtung testete und bestellte der Betrieb eine 100-Millimeter-Version des Fräskopfs, um die Flächenabdeckung pro Durchgang zu erhöhen. Da das Werkzeugsystem einen modularen Fräsdorn verwendet, der Durchmesser von 63 bis 160 Millimetern unterstützt, kann der Betrieb seine Schnittgröße skalieren, um die Produktivität weiter zu steigern, ohne dass zusätzliche Änderungen an der Maschinenschnittstelle erforderlich sind.
Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.
www.mapal.com
Der Sondermaschinenbauer M-O-T hat in Zusammenarbeit mit dem Werkzeughersteller MAPAL eine spezielle Fly-Cutting-Technologie für die Herstellung nasschemischer Prozessanlagen implementiert. Die Integration dieser diamantbestückten Fräser ermöglicht eine Bearbeitung von Industriekunststoffen mit extrem hoher Oberflächengüte und gewährleistet so eine leckagefreie Chemikalienlagerung in Halbleiter-Reinraumumgebungen.
Betriebliche Herausforderungen bei der Produktion von Halbleiteranlagen
M-O-T konstruiert modulare Anlagen für die Mikrosystem- und Halbleiterbranche und verwendet dabei hauptsächlich thermisch verschweißte Kunststoffplatten, um Prozesszellen und Lagertanks für Säuren, Basen und Lösungsmittel zu bauen. Abhängig von der chemischen Beständigkeit und den thermischen Anforderungen verwendet das Unternehmen Polypropylen (PP), Polyvinylchlorid (PVC), Polyetheretherketon (PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF) und Polytetrafluorethylen (PTFE). In der Vergangenheit verließ sich das Unternehmen bei diesen gefrästen Kunststoffbauteilen auf externe Lieferanten. Wiederkehrende Qualitätsprobleme, insbesondere Leckagen in den fertigen Chemieanlagen, zwangen den Hersteller jedoch dazu, die Produktion ins eigene Haus zu holen, um eine strenge Qualitätskontrolle sicherzustellen. Gleichzeitig erforderte die Marktnachfrage, dass das Unternehmen seine Produktion von fünf Anlagen pro Jahr im Jahr 2021 auf bis zu dreißig Anlagen jährlich skalierte.
Technische Einschränkungen und Fräsanforderungen
Die Verlagerung der Produktion ins eigene Haus erforderte die Überwindung spezifischer fertigungstechnischer Einschränkungen. Das Unternehmen betreibt eine offene T-Rex-Portalfräsmaschine, die mit einer SK30-Werkzeugschnittstelle und einem Vakuumspanntisch mit den Maßen 1.000 mal 1.000 Millimeter ausgestattet ist. Um sichere thermische Schweißnähte an den Kunststofftanks zu erzielen, erforderten die bearbeiteten Oberflächen eine außergewöhnlich hohe Oberflächengüte. Es erwies sich als schwierig, ein Fräswerkzeug zu finden, das dieses Finish bei verschiedenen Kunststoffen liefern konnte. Darüber hinaus verbieten die strengen Sauberkeitsstandards der Halbleiterindustrie die Verwendung herkömmlicher ölbasierter Kühlschmierstoffe, da diese pH-Werte verändern oder Prozessparameter verunreinigen könnten. Die Fertigung ist daher auf schnell verdunstendes Isopropanol oder wasserbasierte Kühlmittel angewiesen, was das Wärmemanagement während des Fräsprozesses erschwert.
Der NeoMill-Diamond-FlyCutter mit drei PKD-bestückten Fräskassetten wurde speziell für instabile Bearbeitungsbedingungen und kleine Schnittstellen entwickelt. ©MAPAL
Integration spezieller Zerspanungstechnologie
Das Ingenieurteam identifizierte auf der Messe AMB 2024 in Stuttgart eine praktikable Werkzeuglösung und arbeitete mit MAPAL zusammen, um den NeoMill-Diamond-FlyCutter einzusetzen. Dieser leichte, dreischneidige Fräser wurde ursprünglich für das Planfräsen von Aluminium in der Elektronikindustrie entwickelt und verfügt über eine spezielle Schneidengeometrie, die den Schnittdruck senkt und die Spanabfuhr beschleunigt. Der geringe Schnittdruck macht das Werkzeug mit einem Durchmesser von 63 Millimetern äußerst kompatibel mit der eher leistungsschwachen Spindel und dem Vakuum-Spannaufbau der Anlage. Die Anwendungstechniker von MAPAL halfen dabei, den Schneidstoff des Werkzeugs so anzupassen, dass er die besonderen Eigenschaften von Industriekunststoffen anstelle von Metallen bewältigen kann. Für die Seitenbearbeitung und das Konturschlichten wurde zusätzlich ein komplementärer Schaftfräser aus polykristallinem Diamant (PKD) integriert.
Prozessoptimierung und Wärmemanagement
Der Einsatz der neuen Werkzeuge erforderte präzise Anpassungen der Bearbeitungsparameter, um den Wärmestau zu kontrollieren. Kunststoffe stellen im Vergleich zu Metallen einzigartige thermische Herausforderungen dar und erfordern eine sorgfältige Kalibrierung von Vorschub und Drehzahl. Robin Kollmann, bei M-O-T für die Fräsbearbeitung verantwortlich, wies auf die technische Hürde hin: „Kunststoffe nehmen weniger Wärme auf als Aluminium. Die Wärme kann also nicht schnell genug aus dem Bauteil abfließen. In der Folge können die Späne verschmelzen oder verklumpen, wodurch sich noch mehr Druck aufbaut und die Schneide womöglich beschädigt wird.“
Um einen Wärmestau zu vermeiden und die PKD-Schneiden zu schützen – insbesondere bei der Bearbeitung starrer und spröder Materialien wie PVDF – arbeitet die Maschine mit einer konservativen Drehzahl von 6.000 Umdrehungen pro Minute und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1.200 Millimetern pro Minute. Der Prozess trägt 0,3 Millimeter pro Schnitt ab und ermöglicht Aufmaße von bis zu einem Millimeter.
Quantifizierbare Ergebnisse und Produktionsskalierung
Durch diese Werkzeugintegration konnte der Hersteller erfolgreich von der reinen Bearbeitung von Gehäusetüren zur kompletten Eigenfertigung von Chemikalien-Lagertanks übergehen und so die mit externen Lieferanten verbundenen Leckagemängel vollständig beseitigen. Nach dem Erfolg der anfänglichen Einrichtung testete und bestellte der Betrieb eine 100-Millimeter-Version des Fräskopfs, um die Flächenabdeckung pro Durchgang zu erhöhen. Da das Werkzeugsystem einen modularen Fräsdorn verwendet, der Durchmesser von 63 bis 160 Millimetern unterstützt, kann der Betrieb seine Schnittgröße skalieren, um die Produktivität weiter zu steigern, ohne dass zusätzliche Änderungen an der Maschinenschnittstelle erforderlich sind.
Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.
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