Nibbelbohrer – präzise Langlöcher in Leiterplatten herstellen
Ein Nibbelbohrer ist ein spezielles Bohrwerkzeug zur Herstellung schmaler Langlöcher, Schlitze und begrenzter Innenkonturen. Das Werkzeug wird vor allem in der Leiterplattenfertigung eingesetzt.
Im Gegensatz zu einem Fräser wird der Nibbelbohrer nicht kontinuierlich seitlich durch das Material bewegt. Stattdessen erzeugt er eine Reihe eng nebeneinanderliegender und sich überlappender Bohrungen. Aus diesen einzelnen Bohrungen entsteht schrittweise ein zusammenhängendes Langloch.
Was bedeutet Nibbeln?
Beim Nibbeln führt das Werkzeug mehrere aufeinanderfolgende Bohrbewegungen aus. Der Abstand zwischen den einzelnen Bohrpositionen ist kleiner als der Werkzeugdurchmesser. Dadurch überschneiden sich die Bohrungen.
Der grundsätzliche Ablauf ist:
- Der Nibbelbohrer erzeugt die erste vollständige Bohrung.
- Das Werkzeug wird aus dem Material zurückgezogen.
- Die CNC-Maschine fährt um einen kleinen seitlichen Abstand weiter.
- Der Bohrer erzeugt eine zweite, teilweise überlappende Bohrung.
- Dieser Vorgang wird entlang der programmierten Kontur wiederholt.
- Die überlappenden Bohrungen verbinden sich zu einem Langloch.
Je kleiner der Abstand zwischen den Bohrpositionen gewählt wird, desto gleichmäßiger wird normalerweise die Wand des Langlochs. Gleichzeitig steigen Bearbeitungszeit und Werkzeugbelastung.
Warum wird ein spezieller Nibbelbohrer benötigt?
Bei der ersten Bohrung greifen die Schneiden weitgehend gleichmäßig in das Material ein. Die nachfolgenden Bohrungen schneiden dagegen teilweise in eine bereits vorhandene Öffnung.
Dadurch entsteht eine einseitige und unterbrochene Belastung. Auf den Bohrer wirken neben der axialen Vorschubkraft auch seitliche Kräfte. Ein gewöhnlicher Mikrobohrer kann sich dabei durchbiegen, verlaufen oder brechen.
Ein Nibbelbohrer besitzt deshalb eine auf diesen Bearbeitungsprozess abgestimmte Schneiden- und Spitzengeometrie. Entscheidend sind außerdem:
- hohe Rundlaufgenauigkeit,
- ein steifer Werkzeugquerschnitt,
- eine möglichst kurze freie Werkzeuglänge,
- verschleißfestes Schneidstoffmaterial,
- ein zur Leiterplatte passender Spitzenanschliff.
Werkstoff und Aufbau
Nibbelbohrer für die Leiterplattenbearbeitung werden überwiegend aus Vollhartmetall hergestellt. Dieser Schneidstoff bietet eine hohe Härte, gute Formstabilität und ausreichende Verschleißfestigkeit für die Bearbeitung glasfaserverstärkter Leiterplattenwerkstoffe.
Insbesondere die Glasfasern in FR4 wirken stark abrasiv. Werkzeuge aus weniger verschleißfesten Schneidstoffen verlieren deshalb vergleichsweise schnell ihre Schneidkantenqualität.
Typische Merkmale eines Nibbelbohrers sind:
- Vollhartmetallausführung,
- kleiner Werkzeugdurchmesser,
- kurze und stabile Schneidengeometrie,
- spezieller Spitzenanschliff,
- präzisionsgeschliffener Schaft,
- hohe Rundlauf- und Maßgenauigkeit.
Nibbelbohrer, Leiterplattenbohrer und Fräser im Vergleich
| Merkmal | Leiterplattenbohrer | Nibbelbohrer | Leiterplattenfräser |
|---|---|---|---|
| Hauptbewegung | axiales Bohren | wiederholtes axiales Bohren | kontinuierliche seitliche Bewegung |
| Ergebnis | rundes Loch | Langloch oder schmaler Schlitz | Schlitz oder freie Kontur |
| Werkzeugbelastung | überwiegend axial | axial und teilweise radial | überwiegend radial |
| Kontur | kreisförmig | aus überlappenden Kreisen | frei programmierbar |
| Wandqualität | glatte Bohrungswand | leicht segmentierte Wand möglich | weitgehend durchgehende Fräsfläche |
| Bevorzugter Einsatz | einzelne Bohrungen | besonders schmale Langlöcher | breitere Schlitze und Konturen |
Typische Anwendungen
Nibbelbohrer werden eingesetzt, wenn ein rundes Bohrloch nicht ausreicht und ein sehr schmaler Schlitz benötigt wird.
Typische Anwendungen sind:
- Langlöcher für flache Anschlussstifte,
- schmale Steckverbinderöffnungen,
- durchkontaktierte Schlitze,
- kleine Befestigungs- und Führungsschlitze,
- schmale Innenkonturen,
- spezielle Bauteilanschlüsse,
- Langlöcher mit sehr geringer Breite.
Besonders interessant ist das Verfahren bei Schlitzbreiten, für die ein Fräser zu dünn und damit nicht ausreichend stabil wäre.
Durchkontaktierte Langlöcher
Langlöcher in Leiterplatten können ebenso wie runde Bohrungen metallisierte Wandflächen erhalten. Dafür muss das Langloch in den entsprechenden Fertigungsprozess der Leiterplatte integriert werden.
Bei der anschließenden Metallisierung wird Kupfer auf der Wand des Langlochs abgeschieden. Der fertige Schlitz wird dadurch geringfügig schmaler als die zuvor erzeugte Werkzeugkontur. Diese Maßänderung muss bei der Konstruktion und Fertigungsplanung berücksichtigt werden.
Zusätzlich benötigt ein durchkontaktiertes Langloch eine ausreichend große umlaufende Kupferfläche. Dadurch bleibt nach dem Nibbeln und Metallisieren eine sichere elektrische Verbindung bestehen.
Vorteile des Nibbelns
Das Nibbelverfahren bietet mehrere technische Vorteile:
- Herstellung besonders schmaler Langlöcher,
- Verwendung steifer Bohrwerkzeuge anstelle sehr dünner Fräser,
- gute Positionierbarkeit auf CNC-Bohrmaschinen,
- geeignete Bearbeitung durchkontaktierter Schlitze,
- einfache Umsetzung gerader Langlöcher,
- kontrollierbare Konturlänge durch die Anzahl der Bohrpositionen,
- Bearbeitung kleiner Leiterplattenstrukturen.
Grenzen des Verfahrens
Die aus einzelnen Bohrungen zusammengesetzte Kontur kann an den Seiten leicht segmentiert erscheinen. Je größer der Abstand zwischen den Bohrpositionen ist, desto deutlicher werden diese Übergänge sichtbar.
Weitere mögliche Nachteile sind:
- längere Bearbeitungszeit durch zahlreiche Bohrhübe,
- erhöhte Belastung durch einseitigen Schneideneingriff,
- Gefahr des Werkzeugverlaufens,
- höhere Bruchgefahr bei zu großer freier Werkzeuglänge,
- möglicher Grat an Ein- und Austrittsseite,
- begrenzte Eignung für große oder komplexe Konturen.
Für breitere Schlitze und umfangreiche Konturen ist das Fräsen häufig wirtschaftlicher.
Auswahl des passenden Nibbelbohrers
Werkzeugdurchmesser
Der Durchmesser des Nibbelbohrers bestimmt im Wesentlichen die Breite des hergestellten Langlochs. Bei durchkontaktierten Schlitzen muss zusätzlich die spätere Metallisierung berücksichtigt werden.
Schneidenlänge
Die nutzbare Schneidenlänge muss zur Leiterplattendicke und zu eventuell gleichzeitig bearbeiteten Nutzen oder Unterlagen passen. Eine unnötig lange Schneide verringert jedoch die Stabilität.
Schaftdurchmesser
Der Schaftdurchmesser muss zur Spannzange beziehungsweise Werkzeugaufnahme der Maschine passen. In der Leiterplattenbearbeitung sind präzisionsgeschliffene Standardschäfte üblich.
Gesamtlänge
Die Gesamtlänge beeinflusst die Einbausituation, die erreichbare Bearbeitungstiefe und die freie Auskragung. Das Werkzeug sollte so kurz und steif wie möglich gespannt werden.
Spitzengeometrie
Der Spitzenanschliff muss für das wiederholte Bohren in teilweise bereits entferntes Material geeignet sein. Nicht jeder gewöhnliche Leiterplattenbohrer ist für diese Belastung ausgelegt.
Bedeutung des Bohrabstands
Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bohrpositionen beeinflusst das Bearbeitungsergebnis entscheidend.
Ein kleiner Abstand führt zu:
- stärkerer Überlappung,
- gleichmäßigerer Schlitzwand,
- höherer Anzahl an Bohrungen,
- längerer Bearbeitungszeit,
- häufig höherem Werkzeugverschleiß.
Ein größerer Abstand führt zu:
- kürzerer Bearbeitungszeit,
- deutlich sichtbaren Übergängen,
- stärker unterbrochenem Schneideneingriff,
- möglicherweise höherer seitlicher Belastung,
- gröberer Schlitzkontur.
Der optimale Abstand hängt vom Werkzeugdurchmesser, Leiterplattenmaterial, Maschinenrundlauf und geforderten Arbeitsergebnis ab.
Drehzahl und Vorschub
Nibbelbohrer werden aufgrund ihrer kleinen Durchmesser meist mit hohen Spindeldrehzahlen eingesetzt. Die zulässige Drehzahl und der Vorschub müssen jedoch immer auf Werkzeugdurchmesser, Schneidstoff, Leiterplattenmaterial und Maschinensteifigkeit abgestimmt werden.
Zu niedrige Vorschubwerte können zu verstärkter Reibung und vorzeitigem Verschleiß führen. Ein zu hoher Vorschub erhöht dagegen die Axialkraft und kann den Bohrer beschädigen.
Für die Einstellung sollten deshalb die Schnittdaten des jeweiligen Werkzeugherstellers als Ausgangspunkt verwendet und durch kontrollierte Bearbeitungsversuche überprüft werden.
Häufige Fehler beim Nibbeln
Verwendung eines gewöhnlichen Mikrobohrers
Ein normaler Leiterplattenbohrer ist nicht automatisch für die einseitige Belastung beim Nibbeln geeignet. Werkzeugbruch oder verlaufende Langlöcher können die Folge sein.
Zu großer Abstand zwischen den Bohrungen
Bei zu geringem Überlappungsgrad bleibt eine stark gewellte beziehungsweise segmentierte Schlitzwand zurück.
Zu große Werkzeugauskragung
Eine unnötig lange freie Werkzeuglänge vermindert die Steifigkeit. Dadurch können Maßabweichungen und Werkzeugbruch entstehen.
Unzureichender Rundlauf
Schon kleine Rundlauffehler wirken sich bei Mikrobohrern deutlich aus. Sie erhöhen die Belastung und vergrößern die erzeugte Kontur.
Ungeeignete Unterlage
Eine nicht passende Bohrunterlage kann Gratbildung, Faserausriss oder Beschädigungen an der Austrittsseite verursachen.
Fehlende Staubabsaugung
Bei der Bearbeitung von FR4 entsteht feiner, glasfaserhaltiger Staub. Eine wirksame Maschinenabsaugung und eine geschlossene Bearbeitungszone sind deshalb wichtig.
Nibbeln oder Fräsen?
Die Entscheidung richtet sich vor allem nach Schlitzbreite, Kontur, Oberflächenanforderung und Wirtschaftlichkeit.
Nibbeln ist besonders sinnvoll, wenn:
- sehr schmale Langlöcher benötigt werden,
- ein entsprechend dünner Fräser nicht ausreichend stabil wäre,
- gerade oder kurze Schlitzkonturen hergestellt werden,
- das Langloch in einen bestehenden Bohrprozess integriert werden soll.
Fräsen ist meist günstiger, wenn:
- breitere Schlitze hergestellt werden,
- eine gleichmäßigere Seitenwand gefordert ist,
- komplexe oder gekrümmte Konturen entstehen sollen,
- eine hohe Bearbeitungsgeschwindigkeit erforderlich ist.
Häufig gestellte Fragen
Kann ein normaler Leiterplattenbohrer als Nibbelbohrer verwendet werden?
Das ist nicht grundsätzlich empfehlenswert. Beim Nibbeln entstehen einseitige und unterbrochene Belastungen, für die ein gewöhnlicher Leiterplattenbohrer nicht zwingend ausgelegt ist.
Warum besteht die Schlitzwand aus kleinen Rundungen?
Die Rundungen entstehen durch die einzelnen, sich überschneidenden Bohrungen. Eine stärkere Überlappung reduziert die sichtbare Segmentierung.
Kann ein genibbeltes Langloch durchkontaktiert werden?
Ja. Das Langloch muss dafür passend in den Herstellungs- und Metallisierungsprozess der Leiterplatte eingebunden werden.
Ist Nibbeln dasselbe wie Fräsen?
Nein. Beim Nibbeln wird das Werkzeug wiederholt axial in das Material eingetaucht. Beim Fräsen bewegt sich das rotierende Werkzeug kontinuierlich seitlich entlang der Kontur.
Wovon hängt die Standzeit ab?
Wesentliche Einflussgrößen sind Leiterplattenmaterial, Glasfaseranteil, Werkzeugdurchmesser, Rundlauf, Vorschub, Drehzahl, Überlappung und freie Werkzeuglänge.
Zusammenfassung
Ein Nibbelbohrer ist ein spezialisiertes Werkzeug für die Herstellung schmaler Langlöcher und Schlitze in Leiterplatten. Die gewünschte Kontur entsteht durch eine Reihe überlappender Bohrungen.
Das Verfahren verbindet die präzise Positionierung eines Bohrprozesses mit der Möglichkeit, längliche Öffnungen herzustellen. Entscheidend für ein zuverlässiges Ergebnis sind eine geeignete Werkzeuggeometrie, hohe Rundlaufgenauigkeit, eine kurze Einspannung und korrekt abgestimmte Bearbeitungsparameter.