5-Achs-Ultrapräzisionswerkzeugmaschine
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die beschaffte Maschine Nanotech 350FG wurde schwerpunktmäßig im transregionalen Sonderforschungsbereich SFB/TR4 „Prozessketten zur Replikation komplexer Optikkomponenten“ eingesetzt. Hier stand im Teilprojekt F1 „Entwicklung ultrapräziser Fräs- und Schleifverfahren zur Herstellung komplexer Abformwerkzeuge in optischer Qualität“ die Entwicklung neuer Diamantbearbeitungsprozesse für die Herstellung von Abformwerkzeugen für die Kunststoffabformung im Vordergrund der wissenschaftlichen Arbeiten. Im Teilprojekt F6 „Mikroschneiden prismatischer Mikrokavitäten in optischer Qualität“ konnte das auf einer älteren Maschine entwickelte Verfahren des Mikroschneidens erfolgreich auf die Nanotech 350FG übertragen werden. Dies führt auf Grund der höheren Genauigkeit der Maschine zu einer besseren Ausrichtung der gefertigten Mikrokavitäten und zu einer Steigerung der Oberflächenqualität. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz der Nanotech 350FG die Fertigung von Referenzstrukturen durch Diamantdrehen. Dies kann zu einer weiteren Verbesserung der Strukturqualität genutzt werden. Außerdem wurde die Maschine im Teilprojekt F7 „Diamantbearbeitung nitrocarburierter Stähle für die Formeinsatzherstellung“ eingesetzt. Ein entscheidender Faktor bei der Diamantbearbeitung von gehärteten Stählen ist die Steifigkeit der eingesetzten Werkzeugmaschine. Die Bearbeitungsversuche an der Nanotech 350FG zeigen, dass durch die höhere Steifigkeit im Vergleich zu anderen ultrapräzisen Werkzeugmaschinen deutlich bessere Oberflächenqualitäten erreicht werden können. Aus diesem Projekt ist auch eine Zusammenarbeit mit den amerikanischen Partnern Lawrence Livermore National Laboratory und General Atomics entstanden. Innerhalb dieser Zusammenarbeit konnte die Mikrostrukturierbarkeit von nitrocarburierten Stählen durch Diamantdrehen nachgewiesen werden. Die mit einer Sinus-Struktur (Amplitude A = 4 µm und Wellenlänge λ = 50 µm) versehenen Werkstücke werden zum Prägen von metallischen Targets aus, beispielsweise Tantal, in der Fusionsforschung eingesetzt. Des Weiteren wurde die Maschine in einer Vielzahl von industriell finanzierten Projekten eingesetzt. Ein großes Forschungsfeld stellt dabei die Herstellung asymmetrischer optischer Oberflächen dar. Diese erlangen eine immer höhere Bedeutung, da sie im Optik-Design neue Möglichkeiten bieten. Durch die Beschaffung der Nanotech 350FG konnte das am Labor für Mikrozerspanung vorhandene Spektrum der Bearbeitungsprozesse um die Verfahren Slow-Tool-Servo-Drehen (STS) und Fast-Tool-Servo-Drehen (FTS) erweitert werden. Dieses ermöglichte die wirtschaftliche Fertigung von Prototypen für Head-up-Displays und Sensoroptiken, die sonst in zeitaufwendigen und kostenintensiven Fräsprozessen gefertigt werden müssen. Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld stellt die Fertigung von Teleskopspiegeln für astronomische Anwendungen dar. So wurden beispielsweise für die Landessternwarte Heidelberg und das Max-Planck-Institut Garching konvexe und konkave asphärische Teleskopspiegel durch Diamantdrehen und Slow-Tool- Servo-Drehen hergestellt. Auch die Fertigung mesoskopischer Optiken, die aus verschachtelten Kleinoptiken aufgebaut sind, konnte durch die Beschaffung der Maschine realisiert werden. In Kooperation mit der TU Clausthal wurde beispielsweise der Formeinsatz zur Replikation eines Mikro-Linsen-Arrays durch Kugelkopffräsen gefertigt. Solche Arrays kommen verstärkt in der Beleuchtungsoptik zum Einsatz, wo sie zur Lichtführung eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Diamantformgebung durch Meteallkontakt.“ wt-online, Heft 11/12 2010
E. Brinksmeier, O. Riemer, M. Klopfstein, H. Schulte
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“Manufacturing Ultra-Precision Meso-scale Products by Coining.” Proc. of euspen Int. Conf. Delft, The Netherlands, June 2010
R.M . Seugling , P.J. Davis, K. Rickens, J. Osmer, E. Brinksmeier
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“Process Forces in Diamond Machining with Consideration of Unbalances.” Proc. CIRP - 2nd Int. Conf. Process Machine Interaction PMI 2010, 10th - 11th June 2010, Vancouver, Canada
A. Krause, E. Brinksmeier
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„Ultra Precision Machining of Nitrocarburized Steels.” Proc. of SPIE Vol. 7655, 5th Int. Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies, 26-29 April 2010, Dalian, China
J. Osmer, R. Gläbe, O. Riemer, E. Brinksmeier
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“Kinematics in ultra-precision grinding of WC moulds.” Int. J. of Nanomanufacturing, Vol. 7, Nos. 3/4, pp.199–213, 2011
E. Brinksmeier, O. Riemer, K. Rickens, K. Meiners
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„Chip formation in Ultra-Precision Machining of Nitrocarburized Steels.” Proc. of the 4th Int. Conf. of Asian Society for Precision Engineering and Nanotechnology, 16-18 Nov. 2011, Hong Kong
J. Osmer, R. Gläbe, E. Brinksmeier
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„Replication of precise polymeric microlens arrays combining ultra-precision diamond ball-end milling and micro injection molding.” Microsystem Technologies, Springer-Verlag, online first, 13.01.2012
S. Kirchberg, C. Lei, L. Xie, G. Ziegmann, B. Y. Jiang, K. Rickens, O. Riemer
