Schnelle Auslegungsmethode für ultraschallunterstützte Zerspanung

Anbieter zum Thema

Renishaw GmbH

isel Germany GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Genetischer Algorithmus ersetzt konventionelle Methode der Ultraschall-Zerspanung

Die vielen Iterationsschritte während der Optimierungsphase laufen hier automatisiert im Hintergrund ab. Weil das System dreidimensional rechnet, kann der Nutzer longitudinal und transversal schwingende Komponenten sowie Mischmodusschwinger auslegen.

Zur Auslegung werden die mathematische Software Matlab und die Strukturberechnungssoftware Ansys kombiniert. Die Anforderungen und Bedingungen, die sich aus dem jeweiligen Bearbeitungsprozess für eine Schwingerkomponente ergeben, werden festgelegt.

Dann wird in Matlab eine Startgeometrie mit definierten Materialparametern (E-Modul, Dichte, Querkontraktionszahl), Geometrievariablen (über vordefinierte Formen) und Lösungsvorgaben generiert. Diese Startgeometrie wird mittels genetischen Algorithmus automatisch optimiert, bis die Zielvorgaben erfüllt sind.

Der Algorithmus findet die optimale Lösung und führt die nötigen Iterationsschritte selbst durch – früher geschah das händisch. Die Geometrieoptimierung übernimmt Matlab und die Geometrieevaluierung erfolgt durch Ansys – alles ohne Nutzereingriff.

Herstellung von Freiformgeometrien bisher sehr zeit- und ressourcenaufwendig

Jede so gefundene richtige Lösung wird dem Anwender mit allen nötigen Parametern wie der Komponentengeometrie, der Schwingfrequenz, den Schwingmodi sowie Verschiebungen und Spannungen angezeigt. Je nach Komplexität der Aufgabe dauert die Berechnung wenige Minuten oder auch Stunden.

Schleifen und Polieren sind die etablierten Fertigungsverfahren für konventionelle sphärische Optiken. Komplexere Freiformoberflächen müssen aber durch aufwendige Replikationstechniken wie das Präzisionsblankpressen hergestellt werden. Dafür braucht es hochpräzise Negativformen, die meist aus Stahl gefertigt werden. Die optischen Oberflächenqualitäten der Formen werden durch Ultrapräzisionsbearbeitung mit monokristallinen Diamantwerkzeugen erreicht.

Die Diamanten verschleißen allerdings im Kontakt mit Stahl bereits nach sehr kurzem Einsatz. Zur Standzeiterhöhung der Werkzeuge werden die Formoberflächen daher mit einer teuren Nickel-Phosphor-Schicht ausgestattet. Die Freiformgeometrie wird dann unter Hitze und Druck auf Glasrohlinge abgeformt. Der letzte Prozessschritt ist die Bewertung der optischen Eigenschaften. Diese Herstellung ist zeit- und ressourcenintensiv.

Ultraschallunterstütztes Drehen von optischen Oberflächen senkt Kosten

Der hohe Werkzeugverschleiß und die teure Beschichtung der Stahlformen führen zu hohen Produktionskosten, die durch Ultraschalleinsatz reduziert werden können.

Der konventionellen Kinematik des Drehprozesses wird dazu eine axiale Schwingung überlagert (Bild 3). Das führt zu einer hochfrequenten Schnittunterbrechung, die die Schnittkräfte und die Kontaktzeit verringert. Der diskontinuierliche Eingriff des Werkzeugs erhöht die Standzeit. Dies ermöglicht die Bearbeitung von Stahl mit monokristallinen Diamantwerkzeugen. Das longitudinal angeregte Werkzeug sitzt dabei am Ende der Sonotrode (Resonanzkörper), die vom Konverter in Schwingung versetzt wird. So gelingt die Herstellung von Stahlformen in der für optische Teile nötigen Qualität auf Anhieb.

(ID:34756240)