Hochpräzision Nur noch Nanometer vom Oberflächen-Ideal entfernt

Redakteur: Peter Königsreuther

Wie lassen sich recht schwach gekrümmte und auch noch eloxierte Oberflächen hochpräzise spanend bearbeiten? Diese Frage können Forschende aus Jena jetzt beantworten.

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Susanne Sandkuhl und Volker Herold sind Materialwissenschaftler an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena. Sie haben eine Möglichkeit entwickelt, mit der leicht gekrümmte und eloxierte Oberflächen präzise bearbeitet werden können.
Susanne Sandkuhl und Volker Herold sind Materialwissenschaftler an der Friedrich-Schiller-Universität in Jena. Sie haben eine Möglichkeit entwickelt, mit der leicht gekrümmte und eloxierte Oberflächen präzise bearbeitet werden können.
(Bild: J. Meyer / Uni Jena)

Die Materialwissenschaftler Susanne Sandkuhl und Dr. Volter Herold gingen der Frage nach, wie sich Zylinder- und Torusoberflächen mit Krümmungsradien von 200 bis 20.000 Millimetern präzise bearbeiten lassen. Den Impuls dazu kam einmal mehr aus der Weltraumforschung. Und zwar von einem Präzisionswerkzeug, das für die Röntgen-Spiegel-Montage der Athena-Mission gebraucht wird.

Die Bearbeitung, heißt es, wurde dadurch erschwert, dass die Komponenten für das Werkzeug eine rund 25 Mikrometer „dicke“ Harteloxalschicht tragen. Klingt nicht dramatisch, doch sind die Oberflächen dadurch zerklüftet, was die optische Messung der Bearbeitungsergebnisse mit interferometrischen Standardverfahren aus der Optik erschwert, erklären die Jenaer. Es verblüfft, aber sie umschifften das Problem mit der berührenden, also taktilen, Messmthode per 3D-Profilometer. Denn diese, betont das Forscher-Team, löst bei Höhenmessungen auf 10 Nanometer auf. Das ist, wie die beiden veranschaulichen, der 5.000ste Teil eines Menschenhaars.

Mit CNC-Maschine und Formübertragungs-Werkzeug

Die Werkstücke werden in mehreren Schritten bearbeitet, vermessen und weiter bearbeitet, bis die Präzision passt, heißt es dazu. Die Experten nehmen dafür eine NC-gesteuerte Werkzeugmaschine mit einem hochgenauen formübertragenden Werkzeug nebst einer Diamantsuspension als Abrasiv. Es wurden dabei im Vergleich zur Idealoberfläche Formabweichungen von ± 300 Nanometer gemessen. Die Radienabweichung beträgt unter 0,1 Prozent. In der Optik, merkt Herold an, geht es zwar noch genauer, doch mit Blick auf die Randbedingungen in puncto Geometrie, Material und Beschichtung, hat man durchaus Anspruchsvolles geleistet.

Zoomt man das Ergebnis, wird`s einem erst klar...

Die Grundflächen der Bauteile sind etwa halb so groß wie eine Postkarte. Würde man diese Fläche auf die Größe eines Fußballfeldes zoomen, ergebe sich bei einer Länge von 100 Metern am Ort der stärksten Durchbiegung eine Höhe von rund 1,45 Metern. Die Eloxalschicht wäre dann 25 Millimeter stark! Die im Mikrometerbereich von den Jenaern erzielte Formabweichung, auf dieses Beispiel bezogen, würde nur ± 0,3 Millimeter betragen. Und die Bearbeitung könnte sogar noch genauer sein, sagt Herold. Die Präzision würde lediglich durch die Messmethode begrenzt. Die Ironie: noch genaueres Arbeiten ist wahrscheinlich möglich, aber nicht mehr zu beweisen!

Gemeinsam mit weiteren Projektpartnern wird jetzt untersucht, ob mit dem Einsatz ionenstrahlbasierter Bearbeitungsverfahren nach der Zerspanung noch genauere Oberflächen entstehen.

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