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Ganzheitliche Prozesskettenbetrachtung

Beherrschung der Prozesskette als unabdingbare Vorraussetzung

Ein erfolgreicher Einsatz des Präzisionsblankpressens erfordert die Beherrschung einer Prozesskette, die aus mehreren Einzelschritten besteht. Bezogen auf das Optikdesign und der Glasspezifikationen werden im Rahmen des Engineering und Designs die Glasrohlingform, das Werkzeug- sowie das Werkzeugsystem abgeleitet. Anschließend erfolgt der Werkzeugbau, der sich im Wesentlichen aus der Präzisionsbearbeitung und Werkzeugbeschichtung zusammensetzt. Nach Abschluss des Werkzeugbaus wird der zum zähflüssigen Zustand erhitzte Glasrohling in die gewünschte Form gepresst und vermessen. Die Messergebnisse sind Grundlage für weitere mögliche Iterationszyklen der im Folgenden beschrieben Prozesskettenschritte.

Engineering und Design
Die Prozesskette zum Präzisionsblankpressen ist komplex und durch zwei Stränge gekennzeichnet: Das Glas und das Werkzeug. Zudem sind Iterationen, d.h. Rückschritte in der Prozessverkettung notwendig
Prozesskette Präzisionsblankpressen
Werkzeugsystem mit zwei asphärischen Formeinsätzen
Werkzeugsystem
FEM-Analyse

Preform Design, FEM-Analyse und Werkzeugsystemdesign

Basierend auf der technischen Spezifikation der der Glasoptik muss im ersten Schritt ein geeignetes Werkzeugsystem- sowie ein Glasrohlingsdesign abgeleitet werden. Zur Erreichung höchster Zentriergenauigkeiten kommt einem optimalen Toleranzmanagement dabei eine wichtige Rolle zu. Form- und Maßgenauigkeiten liegen in aller Regel im Mikrometerbereich, da hierdurch z.B. die Zentriergenauigkeiten der späteren Optik signifikant beeinflusst wird. Bei der Materialauswahl stehen die Anforderungen des Glasumformprozesses bei hohen Temperaturen den Möglichkeiten der Fertigungstechnik gegenüber. Eine Kombination aus unterschiedlichen Hochleistungswerkstoffen ist daher unabdingbar.

Aufgrund des hohen fertigungstechnischen Aufwands wird der Glasumformprozess am Fraunhofer IPT durch die Finite Elemente Methode FEM simuliert. Zunächst erfolgt die Erstellung eines Prozessmodells. Der eigentliche Glasumformvorgang unter hohen Temperaturen wird mit Hilfe eines viskos-elastischen Simulationsmodells nachgebildet. Verknüpft mit den Aufheiz- und Abkühlphasen besteht nun die Möglichkeit, das Verhalten des heißen Glases in den unterschiedlichen Prozessphasen zu untersuchen. Zudem erlaubt die Simulation, bei Vorhandensein ausreichender Materialdaten eine Vorhersage der resultierenden Glasgeometrie. Diese Information erlaubt das Vorhalten der Glasschwindung im Werkzeug und reduziert damit den Iterationsaufwand erheblich. Verschiedene Beispiele haben bewiesen, dass Formfehler in der Genauigkeit von ca. 1 µm prognostiziert werden können.

Werkzeugbau
Quelle: Fraunhofer IPT
Werkzeugsatz Linsenarray
Diamandwerkzeuge
Diamandwerkzeuge

Präzisionbearbeitung und Beschichtung

Die Werkzeugformeinsätze, die das Glas umformen und damit im kontinuierlichen Kontakt zum heißen Glas stehen, müssen ein komplexes Anforderungsprofil erfüllen. Aufgrund der hohen Reaktivität der technischen Gläser in diesem Temperaturbereich und der oftmals hohen Flächenpressungen müssen die Werkstoffe korrosionsbeständig, warmfest, hart und verschleißbeständig sein. Zudem müssen sie extrem dicht und in optischer Oberflächengüte bearbeitbar sein. Diesen Anforderungen werden binderarme Hartmetalle auf Wolframcarbidbasis sowie einige ausgewählte Hochleistungskeramiken gerecht.

Anschließend werden die Formeinsätze durch das Ultrapräzisionsschleifen mit Punktkontaktkinematik gefertigt und manuell poliert . Hier liegt auf Grund des abbildenden Charakters der Presstechnologie liegt der Schlüssel zum Erfolg im Werkzeugbau. An die Umformwerkzeuge werden die selben Anforderungen hinsichtlich Form und Oberfläche gestellt, wie an die Glasoptik selbst - dies jedoch in wesentlich schwerer zu zerspanenden Werkstoffen. Jeder Mikrodefekt, jede kleinste Formabweichung würde auf die Glasoberfläche repliziert und unerwünschte Nacharbeiten an den Glasoptiken erforderlich machen.

Da sich keiner der genannten Werkstoffe beim Pressen vollständig inert verhält, werden auf den Werkzeugoberflächen zusätzlich optische Schichtsysteme aufgebracht, die eine Diffusionsbarriere zwischen Glas und Form darstellen. Diese Schichtsysteme werden mittels CVD- oder PVD Sputtertechnologien abgeschieden und basieren je nach Anwendungsfall auf Edelmetallen oder Keramiken. Neben der Inertheit ist die essentielle Anforderung an das Schichtsystem der Erhalt der hochwertigen Oberflächengüte sowie die hervorragende Anbindung an den Grundwerkstoff. Zudem müssen die Schichten extrem dünn (Submikrometerbereich) und homogen sein, um die hohe Formgenauigkeit der Grundform zu erhalten.
Links
Werkzeugbau Ultrapräzisionsschleifmaschine ULG-100 D

Präzisionsblankpressen
Pressprozess
GMP 207 HV

Pressen und Vermessen

Durch das Präzisionsblankpressen, wird nun der zum zähflüssigen Zustand erhitzte Glasrohling in die gewünschte Form gepresst und anschließend vermessen. Gerade im Zusammenhang mit der hochgenauen Bearbeitung im Rahmen sehr kleiner Toleranzen ist eine ebenso präzise Messtechnik unverzichtbar. So kann bestimmt werden welche Iterationsschritte von Nöten sind, die dann entsprechende Folgeprozessschritte auslösen.
Links
Präzisionsblankpressen Präzisionsblankpressmaschine Toshiba GMP 207 HV

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