Werkstoffe für die Mikrobearbeitung: Edelstahl, Titan, Messing, PEEK und mehr
Ein Mikroteil wiegt oft weniger als ein Gramm, daher fallen die Materialkosten im Angebot kaum ins Gewicht. Dennoch entscheidet die Werkstoffwahl, wie klein ein Merkmal sein kann, welche Toleranz realistisch ist, wie viel Entgraten nötig wird und wie viele Werkzeuge brechen. Dieser Leitfaden vergleicht die Metalle und Kunststoffe, die für mikrozerspante Teile am häufigsten eingesetzt werden, und zeigt, was jeder davon für Toleranz und Kosten bedeutet. Zur Verfahrensseite siehe den Leitfaden zu Merkmalgrößen und Toleranzen beim Mikrofräsen und Drehen.
Warum der Werkstoff im Mikrobereich stärker zählt
Drei Eigenschaften dominieren, sobald Merkmale unter 1 mm fallen.
- Spanbildung. Werkstoffe, die sauber Späne brechen, etwa Automatenmessing oder Edelstahl 303, lassen kleine Werkzeuge frei schneiden. Zähe Werkstoffe wie 316L oder reines Kupfer wickeln Späne um das Werkzeug und schmieren.
- Gratbildung. Duktile Werkstoffe schieben Material vor dem Werkzeug her und hinterlassen an jedem Austritt Grate. An einer Querbohrung von 0.3 mm kann ein Grat von 20 μm die Bohrung verschließen.
- Steifigkeit und Stabilität. Metalle behalten unter Spann- und Schnittkräften ihre Form. Kunststoffe federn aus, kriechen und ändern ihre Größe mit Temperatur und Feuchtigkeit.
Deshalb kann dieselbe Zeichnung in Messing Routine sein und in Titan schwierig.
Metalle für die Mikrozerspanung
| Werkstoff | Gängige Sorten | Mikrozerspanbarkeit | Grate | Typische Toleranz an ausgewählten Merkmalen | Typische Anwendungen |
|---|---|---|---|---|---|
| Automatenmessing | C36000 (CuZn36Pb3) | Ausgezeichnet | Gering | ±0.005 mm | Steckverbinder, Uhrenteile, Instrumentenstifte |
| Kupfer | C11000, C10100 | Schlecht, zäh | Stark | ±0.01 mm | Elektroden, HF-Teile, Wärmespreizer |
| Edelstahl, Automatenstahl | 303 | Gut | Mäßig | ±0.005 mm | Stifte, Fittings, Allgemeinteile |
| Edelstahl, austenitisch | 304, 316, 316L | Mittel | Stark | ±0.005 bis ±0.01 mm | Medizin-, Lebensmittel- und Fluidikteile |
| Titan | Grade 2, Grade 5 (Ti-6Al-4V) | Mittel, Hitze und Verschleiß | Mäßig | ±0.005 bis ±0.01 mm | Implantate, Dental, Luftfahrt |
| Aluminium | 6061-T6, 7075-T6 | Gut | Mäßig bis stark | ±0.005 mm | Gehäuse für Halbleiter und Optik |
| Werkzeugstahl | D2, H13, SKD11 | Mittel im geglühten Zustand, schwierig im gehärteten | Gering | ±0.005 mm, für engere Werte Schleifen | Formeinsätze, Stempel, Verschleißteile |
Bewertungen und Toleranzen sind typische Erfahrungswerte aus Fertigungsbetrieben für kleine Teile, keine Spezifikationen.
Messing und Kupfer
Messing C36000 ist der Bezugspunkt für die Zerspanbarkeit. Es ist der Werkstoff der Wahl, sofern die Funktion es zulässt, denn jedes andere Metall wird an ihm gemessen. Kupfer ist das Gegenteil. Reines Kupfer ist weich und zäh, setzt das Werkzeug zu und bildet starke Grate. Wo die Leitfähigkeit es erlaubt, lässt sich Tellurkupfer (C14500) deutlich besser zerspanen.
Edelstähle
303 enthält Schwefel, der Einschlüsse bildet und Späne bricht. Es ist der am einfachsten mikrozerspanbare Edelstahl, hat jedoch eine geringere Korrosionsbeständigkeit und wird für Implantate meist nicht akzeptiert. 316L ist der Standard für medizinische Teile, bei Implantaten häufig nach ASTM F138. Er ist härter zu den Werkzeugen und verlangt sorgfältiges Entgraten. 17-4 PH kommt zum Einsatz, wo Festigkeit zählt, und lässt sich im Zustand H900 oder H1025 vernünftig zerspanen.
Titan
Ti-6Al-4V, auch Grade 5 genannt, ist die gängige Wahl für Implantate und hochfeste Kleinteile, in der ELI-Variante nach ASTM F136 für die Implantatqualität. Titan leitet Wärme schlecht, sodass die Hitze an der Schneide bleibt und kleine Werkzeuge schnell verschleißen. Betriebe fahren niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und wechseln Werkzeuge häufiger, was sich in der Zykluszeit zeigt. Grade 2, handelsübliches Reintitan, ist weicher und zäher und neigt stärker zur Gratbildung.
Aluminium
6061-T6 und 7075-T6 lassen sich schnell zerspanen und halten das Maß gut, weshalb Aluminium für Gehäuse in Halbleitertechnik, Optik und Elektronik beliebt ist. Das Hauptproblem im Mikrobereich sind Grate an dünnen Kanten und die Weichheit beim Handhaben fertiger Teile. Anodisieren trägt pro Oberfläche einige Mikrometer auf, daher brauchen enge Merkmale ein Aufmaß in der Zeichnung.
Werkzeugstähle
D2, H13 und SKD11 werden geglüht bearbeitet und anschließend gehärtet, oder mit Spezialwerkzeugen hart bearbeitet. Das Härten kann dünne Mikromerkmale verziehen. Für die engsten Toleranzen an gehärteten Teilen schließen Betriebe mit Schleifen, Drahterodieren oder Hartfräsen ab.
Kunststoffe für die Mikrozerspanung
| Kunststoff | Stabilität | Typische Toleranz an kleinen Merkmalen | Hinweise |
|---|---|---|---|
| PEEK | Beste der Gruppe | ±0.01 mm, ±0.005 mm an ausgewählten Merkmalen | Biokompatible Sorten, hohe Temperatur, getempertes Halbzeug bevorzugt |
| POM (Acetal, Delrin) | Gut | ±0.01 bis ±0.02 mm | Lässt sich sauber zerspanen, geringe Reibung |
| PTFE | Schlecht, kriecht | ±0.02 bis ±0.05 mm | Weich, bewegt sich unter Spannkraft und Temperatur |
| PEI (Ultem) | Gut | ±0.01 mm | Steif, amorph, gut für Isolatoren |
| PMMA | Mittel | ±0.02 mm | Optische Teile, neigt an kleinen Merkmalen zu Rissen |
Typische Werte für kleine Teile, keine Garantie.
Kunststoffe dehnen sich bei Temperatur weit stärker aus als Metalle, etwa 5 bis 10 Mal so stark wie Stahl. Ein PTFE-Teil, das bei 25 °C gemessen wird, kann bei 20 °C außerhalb der Toleranz liegen. Kunststoffe relaxieren zudem nach dem Zerspanen, wenn sich Eigenspannungen abbauen. Gute Praxis ist getempertes Halbzeug, Bearbeitung in Stufen und Messen, nachdem sich das Teil gesetzt hat.
Weniger gängige Werkstoffe
Manche Mikroteile erfordern Werkstoffe außerhalb der üblichen Liste. Sie sind im kleinen Maßstab zerspanbar, doch weniger Betriebe haben Erfahrung damit, was die Auswahl an Lieferanten einengt.
- Nitinol (Nickel-Titan). Wird wegen Superelastizität und Formgedächtnis für Medizinprodukte verwendet. Es verfestigt sich schnell, verschleißt Werkzeuge rasch und wird oft per Laser oder Drahterodieren geschnitten statt gefräst. Der Wärmeeintrag kann die Umwandlungstemperatur verändern, daher müssen Betriebe ihn kontrollieren.
- Edelmetalle. Gold, Platin und Platin-Iridium-Legierungen finden sich in medizinischen Elektroden, Steckverbindern und Uhrenteilen. Sie sind weich und zäh, und die Materialkosten werden erheblich. Betriebe erfassen Späne und Reste meist getrennt, weil sie Schrottwert haben.
- Wolfram und Wolframlegierungen. Dicht und hart, eingesetzt für Strahlenabschirmung, Gewichte und Elektroden. Mit Hartmetallwerkzeugen bei niedrigen Drehzahlen zerspanbar und oft durch Schleifen oder Erodieren fertiggestellt.
- Berylliumkupfer. Wird für Federn und Kontakte verwendet. Es lässt sich gut zerspanen, doch Staub und Späne sind gesundheitsgefährdend, weshalb nur Betriebe mit den passenden Schutzmaßnahmen es verarbeiten.
- Keramik und Glas. Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Quarzglas werden üblicherweise nicht wie Metall zerspant. Sie werden geschliffen, geläppt, lasergeschnitten oder im Grünzustand vor dem Sintern bearbeitet. Betrachten Sie sie als eigene Lieferkette, getrennt von der Mikro-CNC-Zerspanung.
| Werkstoff | Typisches Verfahren | Lieferantenkreis |
|---|---|---|
| Nitinol | Laserschneiden, Drahterodieren, vorsichtiges Fräsen | Spezialisten |
| Platin-Iridium, Gold | Langdrehen, Mikrofräsen | Spezialisten, Regeln zur Materialhandhabung |
| Wolframlegierungen | Drehen und Fräsen bei niedriger Drehzahl, Schleifen | Mittel |
| Berylliumkupfer | Langdrehen, Fräsen mit Staubabsaugung | Begrenzt durch Sicherheitsanforderungen |
| Aluminiumoxid, Zirkonoxid | Schleifen, Grünbearbeitung, Laser | Gesonderte Keramiklieferanten |
Typische Praxis zur Orientierung.
Wenn Ihr Teil einen dieser Werkstoffe verwendet, nennen Sie ihn in der ersten Zeile der Anfrage (RFQ). Das schließt die meisten Betriebe aus, die sonst anbieten und anschließend absagen würden.
Werkstoff, Toleranz und Kosten abstimmen
Hilfreich ist es, den Werkstoff als kombinierten Faktor aus Zykluszeit, Werkzeugverschleiß und Entgratungsaufwand zu betrachten.
| Werkstoff | Relativer Zerspanungsaufwand (Messing = 1.0) |
|---|---|
| Messing C36000 | 1.0 |
| Aluminium 6061 | 1.1 bis 1.3 |
| Edelstahl 303 | 1.5 bis 2 |
| POM | 1.2 bis 1.5 |
| PEEK | 1.5 bis 2 |
| Edelstahl 316L | 2 bis 3 |
| Titan Grade 5 | 2.5 bis 4 |
| Gehärteter Werkzeugstahl | 3 bis 5 |
Veranschaulichende Verhältnisse für kleine Teile, keine Preisliste. Die tatsächlichen Kosten hängen von Geometrie, Toleranzen und Stückzahl ab.
Hypothetisches Beispiel: Ein Sensorstift wurde aus Gewohnheit in 316L konstruiert. Die Funktion verlangt nur mäßige Korrosionsbeständigkeit und keinen Körperkontakt. Der Wechsel auf 303 senkt Zerspanungsaufwand und Gratentfernung spürbar, während die Durchmesser bei ±0.005 mm bleiben. Bei einem Implantat ist derselbe Wechsel nicht zulässig, und der Mehraufwand für 316L nach ASTM F138 ist schlicht Teil des Produkts.
So spezifizieren Sie den Werkstoff in einer Anfrage
- Sorte und Norm. „Ti-6Al-4V ELI nach ASTM F136“, nicht „Titan“.
- Zustand. Geglüht, T6, H900, nach der Bearbeitung auf einen angegebenen HRC-Wert gehärtet.
- Form. Geschliffene Stange, gezogene Stange, Platte oder Rundmaterial, dazu die geforderte Durchmessertoleranz für Langdrehteile.
- Zeugnisse. Werkszeugnis mit Rückverfolgbarkeit auf Schmelze oder Los, häufig für Medizin und Luftfahrt gefordert.
- Zugelassene Quellen. Wenn Ihr Qualitätssystem ein bestimmtes Walzwerk oder einen bestimmten Händler vorschreibt, nennen Sie das gleich zu Beginn.
- Oberflächenbehandlung. Passivieren, Anodisieren, Elektropolieren oder Beschichten, mit Aufmaßen für die Schichtdicke.
Der Einkäuferleitfaden zur Mikrozerspanung erklärt, wie der Werkstoff in eine vollständige Anfrage (RFQ) passt, und der Leitfaden zum Messen von Mikroteilen behandelt, warum Kunststoffe bei der Prüfung besondere Sorgfalt brauchen.
Nächster Schritt
Typische Sorten und Toleranzen sind in der Referenz zu Toleranzen und Werkstoffen zusammengefasst. Wenn Werkstoff und engste Toleranz feststehen, senden Sie eine Anfrage (RFQ). Micropartz vermittelt sie an bis zu 3 Betriebe, die diesen Werkstoff bereits im Mikromaßstab zerspanen, und antwortet innerhalb von 24 Geschäftsstunden.
Häufig gestellte Fragen
Welches Metall lässt sich am einfachsten mikrozerspanen?
Automatenmessing C36000. Es bildet kurze Späne, lässt sich mit kleinen Werkzeugen sauber schneiden und hinterlässt wenig Grate. Es ist der Referenzwerkstoff für Zerspanbarkeitsbewertungen und seit jeher das Material für Uhren- und Instrumententeile.
Ist 316L schwieriger mikrozerspanbar als 303?
Ja. 303 enthält Schwefel als Spanbrecher und gilt als gut zerspanbar. 316L ist zäh, verfestigt sich und bildet Grate, besonders an Querbohrungen. Es wird wegen Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität gewählt, nicht wegen der Zerspanbarkeit. Rechnen Sie daher mit einem höheren Preis pro Teil.
Kann PEEK bei kleinen Teilen ±0.01 mm halten?
An ausgewählten Merkmalen oft ja, wenn das Teil aus spannungsarmem oder getempertem Halbzeug gefertigt, schonend gespannt und bei stabiler Temperatur gemessen wird. PEEK ist der formstabilste unter den gängigen technischen Kunststoffen, bewegt sich aber bei Temperatur und Feuchtigkeit dennoch stärker als Metall.
Warum fragt der Betrieb nach der Toleranz des Stangenmaterials?
Langdrehautomaten benötigen Stangenmaterial, das eng in die Führungsbuchse passt, meist spitzenlos geschliffen auf h6 oder h7. Ist Ihr Werkstoff nur als gezogene Stange erhältlich, muss der Betrieb ihn unter Umständen zuerst schleifen oder ein anderes Verfahren wählen.
Geprüft anhand von
- ASTM F138, Wrought 18Cr-14Ni-2.5Mo Stainless Steel Bar and Wire for Surgical Implants (UNS S31673)
- ASTM F136, Wrought Titanium-6Aluminum-4Vanadium ELI Alloy for Surgical Implant Applications
- ASTM B16, Free-Cutting Brass Rod, Bar and Shapes for Use in Screw Machines
- Wikipedia: Ti-6Al-4V
Die Zahlen in diesem Ratgeber sind typische Werte zur Orientierung. Die Zeichnung, das Werkstoffzeugnis und der vermittelte Betrieb legen die tatsächlichen fest.
Einen Betrieb für Mikrozerspanung finden
Senden Sie Ihre Zeichnung einmal. Wir bringen sie mit bis zu 3 passenden Betrieben zusammen und antworten innerhalb von 24 Geschäftsstunden. Kostenlos für Einkäufer.
Anfrage senden