Ultrapräzisionsstoßmaschine
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Mikrostrukturierung von hochqualitativen optischen Komponenten ist heute ein schnell wachsender Markt mit Anwendungen im Bereich der Solarindustrie, der optischen Spektroskopie und der Lichtverteilungsstrukturen. Aktuell werden diese Komponenten bzw. deren Abformwerkzeuge hauptsächlich mittels Ultrapräzisionsbearbeitung durch Fly-Cutting oder Konturfräsen hergestellt. Bedingt durch die geringen Vorschübe und die geringen Materialabtragsraten ergeben sich bei diesen mechanischen Mikrostrukturierungsmethoden je nach zu bearbeitendem Werkstück und Struktur Prozesszeiten von bis zu mehreren Tagen. Die Stoßbearbeitung stellt hier eine vielversprechende Alternative zur großflächigen Oberflächenstrukturierung dar. Da es sich beim Stoßen um eine mechanische Bearbeitungsart mit nichtrotierenden Werkzeugen handelt, können im Gegensatz zu den konventionellen Methoden Vorschübe von bis zu mehreren Metern pro Sekunde erreicht werden und dies bei vergleichbaren Oberflächengüten im Bereich von wenigen Nanometern. Die Ultrapräzisionsbearbeitung stellt im Rahmen der Erstellung von Werkzeugen für hochpräzise Optiken eine wesentliche Technologie dar. Bisherige Vorgehensweisen sind zeitaufwändig und meist auf Buntmetalle beschränkt. Im Rahmen eines Promotionskollegs wurde das Konzept des Stoßens hin zu einem Gesamtkonzept für eine Ultrapräzisionsstoßvorrichtung entwickelt und mit Laboraufbauten verifiziert. Um dieses Konzept als Forschungsplattform zur Oberflächenstrukturierung weiter zu erforschen, wurde eine spezifische Stoßanlage beschafft. Die Forschungsplattform wurde als reine Rohplattform angeschafft und die benötigte Software zur Ansteuerung und Vermessung wurde am Lehrstuhl für Prozesstechnologie entwickelt. Die Forschungsplattform besteht aus drei Linearachsen (bidirektionale Wiederholbarkeit ± 350 nm), einer Drehachse (bidirektionalen Wiederholbarkeit von 1.5“) und einer indizierten Spindel. Für die Spindel wurde eine Werkzeugaufnahme zum Stoßen entwickelt, bei der der Schnittwinkel eingestellt werden und über einen kleinen XY-Tisch die Spitze in das Rotationszentrum der Spindel gesetzt werden kann. Dies ist insbesondere für das Konturstoßen relevant, da ein außermittiges Werkzeug die Formtreue der Bahn beeinflusst. Die Stoßwerkzeugaufnahme ist hierbei mittels eines hochpräzisen Schnellwechselsystems an die Spindel adaptiert. Anstelle der Stoßwerkzeug-aufnahme kann hierdurch auf einen Fly-Cutter (Ø 300 mm) gewechselt werden, um große Flächen effizient planfräsen zu können. Zur 3D Strukturierung ist eine integrierte Erfassung der Bearbeitungsposition und die Beurteilung der Bearbeitungsqualität notwendig, die durch Integration eines Metrologiesystems und eines Systems zur Erfassung der Werkzeugspitze im Bearbeitungsraum erfolgt. Das konfokale Messsystem ist auf einem zweiten Linearläufer der X-Achse mit einer eigenen Z-Achse montiert. Dies ermöglicht es die Bearbeitung zu unterbrechen und die Strukturen ohne umspannen des Werkstücks zu vermessen. Zur Bestimmung der Werkzeugposition im Bearbeitungsraum wird das konfokale System mit einem eigens entwickeltem Werkzeugvermessungssystem kombiniert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2014): Optical Components Structured by Contour Shaping, International workshop on microfactories
Schroeer, S.; Müller, C.; Reinecke, H.
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(2016): Rapid Prototyping of Polymer Waveguides by Contour Shaping, DGaO 2016
Schroeer, S.; Müller, C.
