Ultrapräzisionsschleifen von optischen Bauteilen

Ultrapräzisionsschleifen von Formwerkzeugen für das Präzisionsblankpressen von optischen Gläsern

Die Zerspanung von sprödhalten Werkstoffen geschieht oftmals mit geometrisch undefinierter Schneide. Das Schleifen mit Diamantschleifwerkzeugen ist hierbei ein etabliertes Verfahren. Immer höhere Anforderungen an Werkstoffe, Prozesse und Bauteile erfordern eine kontinuierliche Weiterentwicklung. Bei der Fertigung von optischen Bauteilen werden höchste Anforderungen an Formgenauigkeit und Oberflächenqualität gestellt. Das Ultrapräzisionsschleifen versucht diesen Anforderungen durch den Einsatz hochpräziser Maschinen und feinstkörniger Diamantschleifwerkzeuge gerecht zu werden.

Optische Komponenten finden sich heute in zahlreichen Anwendungen. Nahezu jedes Smartphone verfügt über eine oder mehrere Kameras und benötigt daher optische Elemente. Im Bereich Automotive ist durch die Entwicklung zum autonomen Fahren und den zunehmenden Einsatz von Kameras und optischen Sensoren mit einem verstärkten Wachstum an optischen Komponenten zu rechnen. Um eine hohe Funktionalität bei geringen Bauteilabmessungen zu erreichen, werden zunehmend komplexe Geometrien in Form von Asphären oder Freiformflächen genutzt. Die Toleranzen und Genauigkeitsanforderungen der Bauteile bewegt sich nicht selten im Sub-Mikrometerbereich. Die Fertigung von solchen Bauteilen aus Glas erfolgt entweder mittels Schleifen und Polieren oder durch Umformprozesse. Das Präzisionsblankpressen hat sich in diesem Zusammenhang als geeignetes Verfahren zur replikativen Herstellung optischer Komponenten aus Glas in großer Stückzahl bewährt. Dabei werden die Glasrohlinge innerhalb einer Presse erwärmt und bei Temperaturen leicht oberhalb der Transformationstemperatur (400-800 °C, je nach Glassorte) in die fertige Endform umgeformt. Die in diesem Prozess eingesetzten Presswerkzeuge bzw. Umformwerkzeuge („Molds“) werden mittels eines cluktilen, ultrapräzisen Schleifprozesses gefertigt {Abb.l). Dabei werden Formgenauigkeiten und Oberflächengüten erreicht. die eine Nachbearbeitung der gepressten optischen Komponenten überflüssig machen. Der optische Werkzeugbau für das Präzisionsblankpressen zählt zu den größten Anwendungsfeldern für das Ultrapräzisiensschleifen. Daneben können auch hochpräzise Bauteile in mechanischen Anwendungen, wie z.B. Hülsen, mittels Ultrapräzisionsschleifen gefertigt werden.

WERKSTOFFE

Als Werkstoff für die beim Präzisionsblankpressen eingesetzte“ Formwerkzeuge hat sich nahezu binderfreies, ultrakleinkörniges Wolfcamcarbid-Hartmetall etabliert. Um Kornausbrüche zu verhindern und die erreichbare Oberflächenqualität zu steigern, werden Nanokörner mit Korngrössen von < 0,2 mm eingesetzt. Im Gegensatz zu den vielen Industriebranchen Verwendeten Hartmetallen liegt hier der Anteil des Kobaltbinders bei < 0,20. Dies führt zu einer großen Härte und zu Werkstoffeigenschaften, die de facto mit keramischen Werkstoffen vergleichbar sind.

BEARBEITUNGSMASCHINEN UND KINEMATIK

Zur Bearbeitung der Werkstoffe wer. den UP-Schleifmaschinen mit bis zu 5-Achsen eingesetzt. An die Maschinen werden höchste Anforderungen bezüglich Positioniergenauigkein Steifigkeit und Präzision der Achsen gestellt. Eine Positioniergenauigkeit im Bereich von 1 nm wird durch linear angetriebene Achsen in Kombination mit hochpräzisen Glasmaßstäben gewährleistet. Die luftgelagerte Schleifspindel zeichnet sich durch eine hohe Wuchtgüte, eine geringe Wärmeentwicklung und eine hohe Steifigkeit, selbst bei hohen Drehzahlen. aus. Das zu bearbeitende Werkstück wird mithilfe einer Vakuumaufnahme auf der ebenfalls luftgelagerten Werkstückspindel positioniert. die numerisch angesteuert werden kann und dann als C-Achse dient. Die luftgelagerten Spindeln verfügen über eine extrem hohe Rundlaufgüte bei Schwingungsamplituden von weniger als 20 nm. Durch die gezielte Steuerung der C-Achse wird neben der Bearbeitung von sphärischen und asphärischen Oberflächen auch das Schleifen nichtrotationssystemmetrischer Flächen und Freiformflächen ermöglicht.