Mikrozerspanung Fertigen von Mikrostrukturen erfordert spezielle Prozessführung

Autor / Redakteur: Christian Brecher und Andere / Bernhard Kuttkat

Die Herstellung von Strukturen im Mikrometerbereich, beispielsweise lichtauskoppelnde Mikrostrukturen für eine definierte Intensitätsverteilung moderner Beleuchtungssysteme, erfordert eine spezielle Prozessführung und hohe thermische Prozessstabilität der Diamantzerspanung.

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Die thermischen Einflüsse aus dem Prozess ergeben sich vorwiegend aus der Minimalmengenschmierung. Über eine Sprühdüse wird der Prozess geschmiert und ein sicherer Späneabtransport gewährleistet.
Die thermischen Einflüsse aus dem Prozess ergeben sich vorwiegend aus der Minimalmengenschmierung. Über eine Sprühdüse wird der Prozess geschmiert und ein sicherer Späneabtransport gewährleistet.
(Bild: IPT)

Komplexe optische Komponenten sind funktionsrelevante Bauteile in einer Vielzahl moderner Produkte. Beispiele sind miniaturisierte Beleuchtungssysteme mit lichtauskoppelnden Strukturen für Mobiltelefon- oder Notebook-Displays sowie LED-Vorsatzoptiken, beispielsweise in der Automobilindustrie.

Neben aufwendiger Maschinentechnik, die die Diamantzerspanung von mikrostrukturierten Freiformflächen ermöglicht, ist besonderes Know-how über die Prozessführung bei der Mikrostrukturierung und für die Erzielung der notwendigen thermischen Langzeitstabilität erforderlich. Dieser Beitrag fasst die Herausforderungen und Prozessfortschritte bei der Herstellung von Strukturen im Mikrometerbereich zusammen und beschreibt deren Fertigung am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (Fraunhofer-IPT) in Aachen.

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Ultrapräzisions-Drehmaschine mit Fast-Tool-Servosystemen

Die notwendigen Bestandteile für die Herstellung mikrostrukturierter Freiformflächen sind eine Ultrapräzisions-Drehmaschine (UP-Drehmaschine), ein Slow-Tool-Servosystem und ein Fast-Tool-Servosystem (FTS). Während die Ultrapräzisions-Drehmaschine für die geforderten exakten Positionierungen im Submikrometerbereich sorgt, fährt der Slow-Tool-Servo die winkel- und radiusabhängige Zustellung zur Generierung einer Freiformfläche ab. Der Fast-Tool-Servo dient der Herstellung der in Umfangsrichtung meist diskontinuierlichen Mikrostrukturen.

Am Fraunhofer-IPT werden dazu eine Ultrapräzisions-Drehmaschine LT Ultra MTC 410 und ein selbstentwickeltes hybrides Fast-Tool-Servosystem (Bild 1 – siehe Bildergalerie) eingesetzt. Der hybride Fast-Tool-Servosystem vereint die Fast-Tool- und Slow-Tool-Funktionalität.

Geringe bewegte Masse des hybriden Systems ermöglicht weit höhere Dynamik

Die Slow-Tool-Achse wird von einem Voicecoil-Motor angetrieben und ist hydrostatisch gelagert. Der Slow-Tool-Servo verfügt über einen maximalen Hub von 25 mm und eine Regelungsbandbreite von 60 Hz. Durch die geringe bewegte Masse von lediglich 10 kg (inklusive Fast-Tool-Servosystem) ist eine weitaus höhere Dynamik als bei Slow-Tool-Servosystemen in Form dynamischer Maschinenachsen möglich.

Dadurch wird die Fertigungszeit von Freiformflächen um ein Vielfaches reduziert und die Wirtschaftlichkeit entsprechend gesteigert. Ein weiterer Vorteil des hybriden Systems ist die Einsetzbarkeit auf nahezu jeder Ultrapräzisions-Drehmaschine.

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