Als glad niet glad genoeg is

In het werk van Nobby Assmann draait het om µm’s. Vaak zelfs om nanometers. Af en toe zelfs om tienden van nanometers; zover weet hij de Ra-waarden van metalen onderdelen te verlagen. Voor die laatste stap valt hij terug op CMP, Chemical Mechanical Polishing (ook wel Chemical Mechanical Planarisation genoemd). Een technologie om snel extreem lage ruwheden te realiseren. Alleen, je moet wel eerst alle andere stappen doorlopen.

Met onbekend Chemical Mechanical Polishing haalt Nobby Assmann Ra waarden van 0,54 nanometer

Actieve vloeistof

“De bewerking ziet eruit als leppen. Alleen gebeurt CMP op een doek, net als vlakpolijsten”, steekt hij van wal. De bewerking wordt op een lepmachine gedaan. Het verschil zit zowel in het abrasief als in de vloeistof. Het abrasief, nanodeeltjes tussen 10 en 100 nanometer groot, is vaak kwarts of korund in plaats van diamant bij leppen. “Het grootste verschil is dat de vloeistof agressief is: zuur of basisch”, legt Nobby uit. CMP’en is een speciaal polijstproces met een vloeistof die tijdens het polijsten het oppervlak etst; een gelijktijdige chemische en mechanische bewerking dus. De chemische vloeistof zorgt ervoor dat de ‘dalen’ in het oppervlak, die je met polijsten niet weg krijgt, egaal vlak worden. De microstructuur van staal kan namelijk bij polijsten ertoe leiden dat de zachte delen sneller worden weg gepolijst dan de harde, waardoor het ruwheidsprofiel niet beter wordt. De chemicaliën bij CMP maken het oppervlak egaal vlak. Hierdoor ontstaat een superglad oppervlak met in het geval van het onderdeel waarmee Nobby Assmann de Zeiss competitie heeft gewonnen, een Ra waarde van 0,54 nanometer. Enkele minuten CMP’en zoals Nobby zelf zegt, is voldoende om tot zulke Ra waarden te komen.

Als laatste stap

Zo eenvoudig als het klinkt, is het echter niet. Een cruciale voorwaarde is namelijk dat je eerst de andere stappen doorloopt: leppen en vlakpolijsten. Nobby Assmann: “Je moet met een net oppervlak starten. Als je direct na het vlakslijpen CMP toepast, haal je wel de toppen weg maar blijven de dalen. Het ruwheidsprofiel blijft dan slecht.” Tot welke ruwheidswaarde hij komt, hangt mede af van het materiaal dat bewerkt wordt. De materiaalstructuur is hierop van invloed. Hoe homogener de samenstelling, des te beter het eindresultaat. Monokristallijne materialen zijn het meest geschikt. Gesinterde materialen zoals wolfraamcarbide en keramiek, zijn in principe ook goed te bewerken, maar een grove korrelstructuur kan roet in het eten gooien. In staal kunnen legeringselementen een super glad oppervlak verhinderen. Daarom is CMP zo populair bij het bewerken van wafers, die vaak van silicium, siliciumcarbide en saffier zijn. Dergelijke materialen hebben allemaal een prettige structuur om te CMP’en.

Als je de voordelen van andere processen dan draaien en frezen inziet, kun je er gebruik van maken als leppen, CMP, vonken of honen beter en of goedkoper zijn

In zijn werkplaats kan Nobby Assmann kiezen uit een hele reeks bewerkingen, van CNC frezen, draad- en zinkvonken via vlakslijpen en vlakpolijsten tot leppen en uiteindelijk CMP. Elke bewerkingstechnologie heeft zijn voor- en nadelen. Het gaat om de juiste toepassingen ervoor vinden. Die kennis ontbeert de maakindustrie wel eens, merkt hij. “Met alleen een hamer in je gereedschapskist, lijken al je problemen op spijkers.” Vlakslijpen en leppen hebben het imago van ‘te duur’. Toch durft Nobby Assmann de stelling aan dat deze technologieën concurrerend kunnen zijn met CNC-frezen, bijvoorbeeld als een vlakheid van een honderdste wordt geëist. “Wat de frezer met veel moeite bereikt, haal ik met leppen makkelijk.” Als techneuten de voordelen kennen van andere processen dan draaien en frezen inzien, kunnen ze er gebruik van maken in die gevallen dat leppen, CMP, vonken of honen beter of goedkoper zijn.” Die gevallen zijn er, weet hij. “Dat is het bestaansrecht van Assmann Verspaningstechniek.” Er moet veel meer naar de integrale kosten worden gekeken, vindt hij. Als je het werkstuk stabiel kunt opspannen, ben je met vlakfrezen vele malen sneller en goedkoper dan met andere bewerkingstechnieken. Maar als het werkstuk bij het opspannen tweehonderdste vervormt, haal je de specificatie van een honderdste vlakheid nooit of te nimmer op een freesmachine. “Je moet de beperkingen kennen als je freest of slijpt.” Polijsten, leppen, CMP: in bepaalde toepassingen zijn het niet alleen technisch maar ook economisch betere keuzes om voor deze technieken te kiezen. Tegelijkertijd vraagt hij zich ook regelmatig af of engineers de beperkingen van de technieken nog wel kennen? En of ze zich bewust zijn van de kosten die bepaalde nauwkeurigheidseisen veroorzaken. Waarom kun je een as van 10H5 niet op een gewone CNC draaibank draaien? Of waarom is een gat van 50H7 niet rond genoeg als je het freest? Constructeurs missen vaak de diepgang of de praktijkervaring. “Een honderdste vlakheid betekent een wereld van verschil in nauwkeurigheid maar ook in prijs.”

Het meetrapport - Linksboven het oppervlak – gescand door de Zeiss LSM 900 - Rechtsboven de golving eruit gefilterd. En handmatig een zig-zaglijn getekend. Voor de award-competitie werd de Ra en Rz ruwheid gevraagd langs een lijn van tenminste 1,25 mm. De lengte van de zig-zag-lijn is 3,4 mm. - In het midden: het ruwheidsprofiel langs de zig-zag-lijn. - Onderaan: de ruwheid volgens verschillende methodes berekend: Ra, Rz en vele andere.