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Werkzeugbau

Ultrapräzise Werkzeuge als Schlüsselelement

Die Aixtooling GmbH nutzt als Feinbearbeitungstechnologie das Ultrapräzisionsschleifen mit Punktkontaktkinematik, was aufgrund der großen geometrischen Flexibilität, je nach Achskonfiguration, die Erzeugung von asphärischen, torischen oder freigeformten Konturen ermöglicht.

Ultrapräzisionsbearbeitung
luftgelagerte Werkzeugspindeln der Toschiba ULG-100 D (SH3)<br>Source: Toshiba Machine Co.Ltd.
Werkzeugspindeln
Schleifbearbeitung

Prinzip

Das Ultrapräzisionsschleifen ist die wichtigste Produktionstechnologie, die die Aixtooling GmbH intensiv entwickelt und erarbeitet hat und mit der eine Vielzahl hochpräziser Umformwerkzeuge gefertigt wird.

Zur Erzeugung der für die optischen Komponenten geforderten hohen Oberflächenqualitäten ist ein duktiler Zerspanungsprozess notwendig. Hierzu dringt das Schleifkorn bei der Spanbildungin die Werkstückoberfläche ein und führt als Reaktion an dieser Stelle zunächst zu einer elastischen Verformung des Werkstoffs. Die Spanbildung setzt ein, wenn die Phase der elastischen Verformung in eine plastische Verformung des Werkstoffes übergeht. Dieser Vorgang entsteht nur beim Unterschreiten einer kritischen Spanungsdicke. Kleine Diamantkorngrößen in hoher Konzentration, geringe Vorschubgeschwindigkeiten und Zustellungen sowie hohe Schnittgeschwindigkeiten fördern diesen Spanbildungsmechanismus.

Je nach Werkstückgeometrie ergeben sich beim Schleifen unterschiedliche Eingriffsbedingungen für die Schleifscheibe. Diese können mitunter Auswirkungen auf das Ergebnis des Schleifprozesses in Form von Form- und Maßungenauigkeit sowie Oberflächenqualität und Randzonenbeeinflussung haben.

Der Schleifprozess unterliegt mehreren Faktoren, die dazu führen, dass die erzeugte Oberflächenkontur von der Idealkontur abweicht. Im Einzelnen sind dies:

  • die Schleifwerkzeuggeometrie
  • die relative Achsposition
  • die Nachgiebigkeit der Schleifbeläge
  • der Verschleiß der Schleifbeläge
  • die Nachgiebigkeit der Spindellagerung
  • die Nachgiebigkeit der Schleifscheibenaufnahmen
  • die thermische Ausdehnung der am Prozess beteiligten Komponenten

Im Ergebnis bedeutet dies, dass es unabdingbar ist, die jeweils erzeugte Form zunächst durch geeignete Messsysteme (2D, 3D) zu erfassen, die gewonnenen Daten und Informationen aufzubereiten und an die Maschinensteuerung für eine Korrekturbearbeitung zurückzuführen. Auf diese Weise gelingt es, sich iterativ einem Formoptimum anzunähern, wobei die Herausforderung darin liegt, auch alle übrigen Forderungen, z.B. hinsichtlich Rauheit oder mittelfrequenter Fehler, zu erfüllen.

Maschinentechnik

Um die Erfordernisse der abbildenden Optik zu befriedigen, müssen im Werkzeugbau Formgenauigkeiten von bis zu 100 nm PV (< 15 nm RMS) erreicht werden. Hierfür sind extrem präzise Bearbeitungsmaschinen notwendig, die weltweit nur wenige Anlagenhersteller anbieten können. Diese Maschinen zeichnen sich durch höchste Achsgenauigkeiten (z.B. < 200 nm Ebenheit über der Verfahrlänge 300 mm) und höchste Rundlaufgenauigkeiten (< 50 nm) der eingesetzten aerostatischen Spindelsysteme aus. Ein Antrieb der dynamischen Achsen durch Linearmotoren erlaubt heute zudem eine hochgenaue Simultanbearbeitung in mehreren Achsen, was zur Erzeugung komplexer nichtrotationssymmetrischer Geometrien notwendig ist.

Die Aixtooling GmbH arbeitet mit UP-Anlagentechnik verschiedener Hersteller - im Schwerpunkt mit Maschinen von Toshiba Machine Co. bzw. von Moore Nanotechnologies.

Werkzeugtechnik

Neben der Maschinentechnik kommt der Werkzeugtechnik beim Ultrapräzisionsschleifen eine enorm hohe Bedeutung zu. Um bereits nach dem Schleifprozess Oberflächenrauheiten von < 3 nm Ra zu erreichen, muss die Oberflächenrandzone vollkommen duktil zerspant werden, d.h. die Einzelkornspanungsdicken müssen wie oben beschrieben auf ein Minimum reduziert werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die eingesetzten Schleifwerkzeuge zunächst intensiv für den Einsatz vorbereitet werden müssen, d.h. es werden intensive und hochgenaue Abricht- und Auswuchtvorgänge durchgeführt, die das Ziel verfolgen, jegliche impulsartige Belastung der Schleifscheibe zu vermeiden und dennoch eine schneidfreudige Scheibentopographie zu erhalten. Durch die extreme Härte der Werkstückstoffe kommt es zu Verschleißmechanismen am Schleifwerkzeug. Um die Zerspanung überhaupt erst zu ermöglichen, werden fast ausnahmslos Diamantschleifwerkzeuge eingesetzt.

Bearbeitungskinematik

Aixtooling fertigt heute Werkzeuge in vielfältiger Ausprägung. Die Werkzeuge können sowohl in Größe als auch Form stark variieren. Aus diesem Grund wurden verschiedene Schleifkinematiken entwickelt und für die optischen Anforderungen qualifiziert. Im folgenden sind einige exemplarische Kinematikvarianten benannt:

  • Punktkontaktschleifen mit X-Z Kinematik
  • Punktkontaktschleifen mit Y-Z Kinematik
  • 4-achs Einstechschleifen mit Linienkontakt und X-Y-Z-C Kinematik
  • Profilschleifen mit X-Z oder Y-Z Kinematik
  • 4-achs Slow Tool Servo Schleifen mit X-Y-Z-C Kinematik
  • u.a.m.

Finishbearbeitung - Polierprozesse optimieren die Oberflächentopographie
Formprüfinterferometerische Messung

Letzte Finish-Bearbeitung für feinste Oberflächen

Grundsätzlich wird angestrebt durch den UP-CNC-Schleifprozess die Form- und Maßgenauigkeitsspezifikationen zu erreichen sowie feinste Oberflächengüten zu erzielen. Dennoch sind die Oberflächen aufgrund der gebundenen Korneingriffe durch mikroskopisch kleine, aber gerichtete Spuren gekennzeichnet. Diese Mikrospuren können im optischen Einsatzfall zu negativen Beleiterscheinungen führen, z.B. Streu- oder Beugungseffekte, und müssen daher in vielen Fällen entfernt werden.

Durch den Polierprozess werden die fertig geschliffenen Werkzeuge daher einer Finish-Bearbeitung unterzogen, indem die durch den Schleifprozess entstandene Topographie auf den Bauteiloberflächen eingeebnet wird. Ein Poliermittelträger nimmt ein Abrasivmittel auf und wird mit Druck und Relativgeschwindigkeit mit dem Werkstück in Kontakt gebracht. Gemäß der Abtrags-Verschleiß- Hypothese wird durch eine Mikrospanbildung die gewünschte Oberflächenqualität erzeugt.

Da für die Bearbeitung derartig komplexer geometrischer Oberflächen keine maschinellen Polierkonzepte vorhanden sind, bzw. aus wirtschaftlicher Sicht nicht sinnvoll sind, wird in vielen Anwendungen auf das manuelle Polieren zurückgegriffen. Hierbei ist ein hohes Maß an Erfahrungswissen notwendig, um beim Polieren die bereits vorher erzielte Präzision nicht zu gefährden.

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