Fertigen von Mikrostrukturen erfordert spezielle Prozessführung

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Der Fast-Tool-Servosystem ist direkt im Slow-Tool-Servo montiert und wird somit über die Kontur der Freiformfläche geführt, während er die Bewegung von wenigen Mikrometern zur Herstellung der diskontinuierlichen Mikrostrukturen ausführt. Eingesetzt wird ein piezobetriebener Fast-Tool-Servosystem mit einer Regelungsbandbreite von 1500 Hz und einem maximalen Hub von 35 µm.

Die Werkzeugführung im Fast-Tool-Servosystem wird mittels einer Festkörper-Gelenkführung (FKG) mit integriertem Massenausgleich und Dämpfungssystem realisiert. Auf diese Weise wird neben der hohen Dynamik eine hervorragende Konturschärfe und Formtreue der Mikrostrukturen ermöglicht.

Mikrostrukturen auf einer Planfläche erzeugen

Für die nachfolgenden Untersuchungen werden Mikrostrukturen auf einer Planfläche erzeugt. Das fertige Bauteil dient als Prägewerkzeug für lichtauskoppelnde Folien, die zur Hintergrundbeleuchtung in der Displaytechnik eingesetzt werden (Bild 2). Lichtauskoppelnde Folien vereinen die Effekte Totalreflexion, Brechung und Beugung.

Das Licht wird seitlich in die Folie eingekoppelt und an den Mikrostrukturen durch eine Kombination der genannten Effekte gezielt und gerichtet aus dem Medium herausgelenkt. Hierdurch wird eine homogene Ausleuchtung bei gleichzeitiger Ressourceneffizienz erreicht.

Die vorgestellten Mikrostrukturen werden im Einstechdrehprozess mit spitzwinkligen Formdrehwerkzeugen aus Naturdiamant erzeugt. Nur so sind scharfkantige Nutgründe zu realisieren, die für die optische Funktion entscheidend sind.

Gratbildung hat beim Einstechdrehen größeren Einfluss als beim Konturdrehen

Aus diesem Prozess heraus ergeben sich neue Randbedingungen. Die Thematik der Gratbildung hat eine deutlich höhere Bedeutung als beim Konturdrehen mit Radienwerkzeugen. Außer entsprechenden Fertigungsstrategien sind im Rahmen der Untersuchungen vor allem Werkstoffe und Prozessparameter optimiert worden. Qualitativ hochwertige, gratfreie Mikrostrukturen sind dabei mit angepassten Schnittparametern in NiP-Schichten gefertigt worden.

Generell hat sich gezeigt, dass geringe Vorschübe im Einstechdrehprozess notwendig sind, um Grate an den spitzwinkligen Strukturen zu vermeiden. Vorschübe von deutlich unterhalb eines Mikrometers pro Umdrehung sorgen bei Strukturtiefen zwischen 5 und 10 µm für sehr lange Bearbeitungszeiten. In Abhängigkeit von der zu strukturierenden Fläche und der Dichte der Strukturen in radialer Richtung auf dem Bauteil kann die Bearbeitung bis zu mehrere Tage in Anspruch nehmen.

Temperaturveränderungen während der Bearbeitung minimieren

Neben den wirtschaftlichen Aspekten wie Maschinenkosten sind besonders qualitative Gesichtspunkte bei derartigen Langzeitbearbeitungen zu berücksichtigen. Temperaturänderungen der Maschine oder der Maschinenumgebung sind während einer Bearbeitung zu minimieren.

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