Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »MANUNET UP Sting«
Die Integration von hochpräzisen Optiken ist Treiber zahlreicher neuer Produkte – zur kostengünstigen, replikativen Herstellung solcher Optiken werden ultrapräzise Formeinsätze benötigt.
Sowohl die Formeinsätze als auch das Werkzeug werden vorzugsweise aus Stahl gefertigt, da dieses Material zwei entscheidende positive Eigenschaften gegenüber anderen Materialkombinationen besitzt:
- Hohe Lebensdauer: Stahlformen sind resistenter gegen Beschädigung und Verschleiß und können somit länger eingesetzt werden als die meisten anderen für Formeinsätze verwendeten Materialien und weisen damit signifikante Kostenvorteile auf.
- Gleichmäßige thermische Ausdehnung zwischen Werkzeug und Formeinsatz: Die Temperatur des Spritzgussmaterials verteilt sich gleichmäßig im Inneren der Form. Dies hat einen entscheidenden Einfluss auf das Endprodukt in Form von hoher Oberflächengüte, hoher Formgenauigkeit und Fehlerfreiheit.
Die Produktion von Stahleinsätzen mit hoher Oberflächengüte (Rauheit von wenigen Nanometern) und hoher Formgenauigkeit (im Sub-Mikrometer Bereich) ist komplex. Zurzeit werden vordergründig nicht-optische Formeinsätze aus Stahl hergestellt – im Bereich der optischen Formeinsätze wird oft auf Nicht-Eisenmetalle wie Messing oder mit Nickel-Phosphor beschichtete Stahl-Basiskomponenten zurückgegriffen.
Die Hauptursache hoher Kosten von Stahlformen liegt nicht nur im langen Auswahlprozess adäquater Stahllegierungen, sondern auch in der hohen Anzahl von Arbeitsschritten, die für die Herstellung hochqualitativer Stahlformen benötigt werden. Der Bearbeitungsprozess beginnt mit der Grobbearbeitung (Drehen oder Fräsen) des Stahls, gefolgt von bis zu fünf Arbeitsschritten, bestehend aus Hartdrehen/Fräsen, Läppen und manuellem Polieren. Ein durch die hohe Anzahl an Arbeitsschritten häufig auftretendes Problem ist die Änderung der Formgenauigkeit resultierend in einem defekten Endprodukt (z.B. unzureichende Linsenfunktion), für Mikrostrukturen ist eine nachträgliche Politur zumeist nicht möglich und eine Fertigung in Stahl somit verhindert.
Dies war der Ansatzpunkt des Projektes UP Sting: Neuartige Stahllegierungen und Substitute sowie eine völlig neue Herangehensweise an die Bearbeitung sollten zu einer drastischen Reduktion der nötigen Prozessschritte und der damit verbundenen Kosten führen.
Das Projekt untersuchte hierzu zwei Ansätze:
- Ansatz 1 basierte auf der Kombination der Stahlbearbeitung mit CBN (kubischem Bornitrid) und der automatisierten Politur durch Einsatz eines Roboters. Durch die Vorbearbeitung mit CBN Werkzeugen können Oberflächenkennwerte von etwa 40 nm Ra und Formgenauigkeiten im Bereich von < 2 µm P‑V erzielt werden. Die anschließende, automatisierte Politur verbessert diese Oberflächenkennwerte auf < 10 nm Ra und verändert dabei kaum die Formhaltigkeit des Werkstücks.
- Ansatz 2 war hochinnovativ und zielte auf das direkte Drehen von Stahl mit Diamantwerkzeugen durch das Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Stahlwerkstück und Diamantwerkzeug ab. Eine konventionelle Bearbeitung von Stahl mit Diamantwerkzeugen ist auf Grund extremer Verschleißerscheinungen nicht möglich. Die elektrische Spannung wird hier zur Vermeidung der chemischen Reaktion des Stahls mit den Diamantwerkzeugen eingesetzt.
Dieser Ansatz ist hocheffizient, da er die auf Nicht-Eisenmetallen erreichbaren Oberflächenkennwerte auf Stahl übertragen kann und dadurch den zuvor nachgelagerten Schritt der Politur erübrigt.
Projekt Konsortium
- Datapixel
- Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
- Innolite GmbH
- Mateck GmbH
- Protoshop Oy
- VTT Technical Research Centre of Finland
Projekt Koordination
M. Eng. Daniel De Simone (ehemaliger Mitarbeiter des Fraunhofer IPTs)
Projekt Management
Dipl.-Ing. (FH) Dorothee Weisser
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Förderhinweis
Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.