Die Nachfrage nach hochgenauen Miniaturbauteilen für optische Anwendungen in der Mikromechanik, Medizintechnik und im Werkzeug- und Formenbau wächst und wirkt sich damit auf den gesamten Markt der Mikrosystemtechnik aus. Die Herstellung komplexer Mikrobauteile umfasst häufig Dreh-, Fräs- und Schleifprozesse, die Konturgenauigkeiten deutlich unter 1 µm und Oberflächenqualitäten unterhalb von 100 nm Ra aufweisen müssen. Da die Komplexität der Bearbeitungsaufgabe bei hohem Kostendruck immer weiter ansteigt, ist eine Weiterentwicklung der hochpräzisen 5-Achs-Bearbeitung aus technischer und wirtschaftlicher Sicht unerlässlich.

Die am Markt verfügbaren Maschinensysteme sind aber nicht präzise genug, um den Hauptvorteil der 5-Achs-Bearbeitung gegenüber der 3-Achs-Bearbeitung, nämlich die Einsparung von Umspannvorgängen, ausschöpfen zu können. Viele komplexe Hochpräzisionsbauteile lassen sich auf diese Weise nicht wirtschaftlich herstellen.

Die Mehrzahl der 5-achsigen Maschinensysteme setzt auf wälzgelagerte, seriell aufeinander aufbauende Achsen, die konstruktionsbedingt viel Raum einnehmen und mit ihren großen beschleunigten Massen auch hohe Energiekosten mit sich bringen. Werden diese Achsen zu Mehrachssystemen gestapelt, treten große Abbé-Fehler auf – Fehler, die aufgrund von Achsversatz zu Genauigkeitsverlusten führen.

Die tatsächlichen Genauigkeiten des Bauteils sind zudem stark begrenzt durch die schwachen Dämpfungseigenschaften, eine limitierte Rundlaufgenauigkeit und Stick-Slip-Effekte der Wälzlagerung. Kompaktere Achssysteme mit hochgenauen Führungen sollen deshalb den steigenden Anforderungen an die Maschinensysteme gerecht werden. In 5-Achs-Maschinen sind es besonders die Rundachsen, die einer höheren Präzision entgegenstehen: Ihre großen Dreh-Schwenkeinheiten fordern viel Bauraum und durch Verkippungen kommt es zu Präzisionsverlusten.

Ziel des Fraunhofer IPT im AiF-geförderten Forschungsprojekt »MHydroLAS – Miniaturisierte Lager-Antriebssysteme« war es deshalb, die erreichbare Maschinengenauigkeit von 5-Achs-Mikrofräsmaschinen und Mikroschleifmaschinen durch kleinere Hebelarme und Integralbauweise deutlich zu verbessern. Zur Optimierung der statischen und dynamischen Leistungsfähigkeit der Dreh-Schwenkeinheiten wurde eine Drehachse in Integralbauweise entwickelt und aufgebaut.

In einem ersten Schritt zur Voruntersuchung der Machbarkeit entwickelte das Fraunhofer IPT miniaturisierte hydrostatische Lager und berücksichtigte dabei auch Skalierungseffekte. Anhand umfangreicher Berechnungen und Simulationen wurde zunächst die Machbarkeit der Integration hydrostatischer Lager in rotative Direktantriebe nachgewiesen. Hier ließen sich bereits wichtige Erkenntnisse über die Werkstoffwahl und die konstruktive Gestaltung des Gesamtsystems sammeln. Die Ergebnisse dienten dann zur Konstruktion eines Prototyps einer integralen Dreheinheit.
 

Dazu wurde ein hydrostatisches Radiallager in den Antriebsspalt eines Torquemotors und das hydrostatische Axiallager zwischen Rotorstirnfläche und Werkstücktisch integriert. Eine entscheidende Entwicklung ist eine Hülse aus Faserverbundkunststoff mit eingearbeiteten Lagertaschen, die in das Primärteil eines Torquemotors eingepresst wird. Vervollständigt wird die integrale Lager-Antriebseinheit durch eine Gegenlagerfläche aus einer Abformmasse aus Epoxidharz, die auf dem Rotorgrundkörper und den Magneten des Sekundärteils angebracht wird.
 

Mit der integralen Anordnung konnte der Rundlauffehler unterhalb von 0,25 µm verkleinert und der Planlauffehler unter 0,80 µm reduziert werden. Die Achse weist mit 500 N/µm eine sehr hohe axiale Steifigkeit auf. Die thermische Stabilität der integralen Drehachse konnte das Fraunhofer IPT bereits in entsprechenden Versuchen nachweisen.

Das IGF-Vorhaben 15678N der Forschungsvereinigung Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.