Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »ePiTec«
Die wachsende Nachfrage der Medizin-, Optik- oder Automobilindustrie nach integrierten, miniaturisierten und individualisierten Ultrapräzisionsprodukten fordert neue und effizientere Produktionstechnik, die eine Fertigung großer Stückzahlen erlaubt. Hier sind Konzepte zur Steigerung des Automatisierungsgrads von Ultrapräzisionsmaschinen und zur durchgängigen Fertigung von Prä-, In- und Post-Prozessschritten gefragt.
Ziel des Forschungsprojekts »ePiTec – Effiziente Photonikproduktion durch intelligente Technologie« war es, Technologien für die Fertigung optischer Hightech-Produkte zu entwickeln und diese in eine vollständig automatisierte Prozessführung zu integrieren. Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelten die Projektpartner eine ultrapräzise Produktionsanlage samt Simulationssoftware und Messtechnik, durch die die Herstellung hochpräziser optischer Bauteile hinsichtlich Effizienz und Genauigkeit verbessert werden sollte. Um den Prozess zu automatisieren, wurde die gesamte Prozesskette, angefangen vom Design und der Vorbearbeitung eines Formeinsatzes über dessen Diamantzerspanung bis hin zur Qualitätssicherung, durch einheitliche Schnittstellen vernetzt. Darüber hinaus unterstützen einheitliche Datenformate die reibungslose Kommunikation innerhalb des Prozesses. Die neue Anlage sollte den Materialausschuss und die Personalkosten verringern, die Durchlaufzeiten in der Produktion verkürzen und einen deutlichen Beitrag zur Ressourceneffizienz und Nachhaltigkeit leisten.
Die vollständige Automatisierung und Vernetzung der Prozesskette setzten die Projektpartner am Beispiel zur Herstellung optischer Komponenten für einen LED-Frontscheinwerfer um. Später sollte das Prinzip auf weitere Anwendungsfelder übertragen werden.
Das Fraunhofer IPT übernahm im Projekt die Aufgaben zur Automatisierung der geplanten Ultrapräzisionsmaschine und entwickelte aus den Einzellösungen der Industriepartner eine robuste und autarke Fertigungslösung.
Entwicklungsziele ePiTec entlang der Prozesskette
Aufgabenpakete
- Schnellere Datenverarbeitung: Die Effizienz der Fertigung mikrostrukturierter Bauteile wurde um den Faktor 4 erhöht: Innerhalb einer Sekunde können anstatt der üblichen rund 2500 Sätze nun bis zu 10 000 Sätze verarbeitet werden.
- Softwareentwicklung: Eine Software zur autonomen, bauteilindividuellen Optimierung der Dynamik- und Servoparameter wurde erfolgreich entwickelt.
- Nullpunktspannsystem: Ein integriertes und hochpräzises Spannsystem wurde in Verbindung mit einer Software zur Positionskompensation entwickelt. Durch die durchgängige, eingebundene Spanntechnik zwischen Vorbearbeitungs-, Ultrapräzisions- und Messmaschine können Offsets zwischen den einzelnen Stationen automatisiert verrechnet werden. Dadurch lassen sich Absolut-Genauigkeiten unter 2 µm sowie Wiederholgenauigkeiten kleiner als 0,5 µm erzielen.
- Steuerungsintegration eines Ultraschallschwingers: Die integrierte Steuerung für die Bearbeitung von Stahlformeinsätzen mittels Diamant flexibilisiert die Prozesse zwischen Vorbearbeitung und dem Finishing (Plug & Produce).
- Datenmanagement-System: Um Freiformflächen und Mikrostrukturen zu überlagern, entwickelten die Projektpartner unter der Leitung der HELLA KGaA Hueck & Co. eine neue Simulationssoftware. Im Gegensatz zu konventionellen CAD-Systemen kann die weiterentwickelte Software HELIOS in Verbindung mit einer implementierten Datenschnittstelle zur Fertigung und Messtechnik die resultierenden Datenmengen handhaben.
- Optisches Messsystem: Zur Charakterisierung hybrider Optikoberflächen wurde ein optisches Messsystem entwickelt und in die Steuerung einer Ultrapräzisionsmaschine integriert.
- Mess- und Qualitätssicherungstechnik: Um rechnergestützt Bauteile analysieren zu können, wurde ein Algorithmus entwickelt, mit dem sich Messdaten aufbereiten und mit den Solldaten vergleichen lassen.
Probleme der Sollwert-Generierung in CAD/CAM-Systeme für Freiformflächen mit überlagerten Mikrostrukturen
Projektkonsortium
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
- Hella KGaA Hueck & Co.
- Innolite GmbH (Projektkoordinator)
- Mahr GmbH