Erhöhte Genauigkeit von Freiformflächen durch fertigungsintegrierte optische Mess- und Prüfverfahren in der Ultrapräzisions-Zerspanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Freigeformte spiegelnde Bauteile werden in optischen Anwendungen eingesetzt, um die Anzahl notwendiger optischer Flächen zu vermindern oder neue Funktionen zu erschließen. Aufgrund technologischer Weiterentwicklungen und verstärkten Kostendrucks steigt der Bedarf an freigeformten Optiken. Die flexible Herstellung nicht-rotationssymmetrischer Bauteile mit spiegelnden Oberflächen, beispielsweise als Werkzeuge für die Massenfertigung von optischen Komponenten durch Abformverfahren, ist eine fertigungs- und messtechnische Herausforderung. Die hohen Anforderungen an die Oberfläche machen im Anschluss an die messtechnische Beurteilung eine Korrekturbearbeitung notwendig. Die Messung erfolgt dabei meist maschinenextern, was ein Wiedereinspannen des Werkstückes mit entsprechendem Genauigkeitsverlust bzw. die Verwendung eines neuen Halbzeuges erfordert. Die Formmessung freigeformter spiegelnder Oberflächen ist nur stark eingeschränkt mit den üblichen in der Optikproduktion eingesetzten Verfahren, wie Interferometrie oder Profilometrie möglich. Bisherige optische Verfahren weisen nicht die erforderliche Dynamik auf; mit berührenden Systemen sind lediglich Punkt- bzw. Linienmessungen verfügbar, die zudem oft die Oberfläche zerstören. Außer einfachen Tastsystemen zur Linienmessung werden von den Maschinenherstellern keine maschinenintegrierten Messsysteme angeboten. Allerdings stellt gerade die Maschinenintegration geeigneter Messtechnik und die Nutzung des Messergebnisses für eine anschließende Korrekturbearbeitung ein hohes Einsparpotenzial hinsichtlich Bearbeitungsdauer und Materialverbrauch dar. Ziel der von den Antragstellern geplanten und durchgeführten Arbeiten war die Erforschung, Entwicklung und Anwendung von Technologien, mit denen die Fertigung von spiegelnden Freiformen insbesondere bezüglich der Formgenauigkeit optimiert werden kann. Es werden grundlegende messtechnische, technologische und maschinentechnische Fragestellungen hinsichtlich der Einsetzbarkeit des Ultrapräzisionsdrehens mit Slow-Slide-Servo-Technologie und der Phasenmessenden Deflektometrie erarbeitet und bewertet. Im Projekt wurden die Ultrapräzisionsbearbeitung mit Slow-Slide-Servo analysiert und die Einflüsse auf das Fertigungsergebnis identifiziert. Haupteinflüsse auf die Bauteilform sind die temperaturbedingte Verlagerung und das dynamische Verhalten des z-Schlittens. Beide Effekte sind reproduzierbar und damit mittels Formmessung korrigierbar. Für die maschinenintegrierte Formmessung wurde mit dem Mini-PMD ein auf der Phasenmessenden Deflektometrie basierendes Messgerät entwickelt. Die durchgeführten Arbeiten zeigen, dass durch die weiterentwickelten Mess- und Auswertealgorithmen sowie die Nutzung der Maschinenachsen, die Messunsicherheit von PMD-Geräten gesenkt werden kann. Für die Messung von rotationssymmetrischen Spiegeln mit geforderten Formabweichungen von P-V < 250 nm ist PMD noch zu ungenau. Eine weitere Reduzierung der Messunsicherheit ist hierfür unabdingbar. Die gezeigten Korrekturmöglichkeiten bieten hierfür Ansätze. Für die Messung und Korrektur von Freiformoptiken stellt PMD eine Erweiterung der bisherigen Möglichkeiten dar. Im Projekt konnte durch die Korrektur die Formabweichung an Musterbauteilen um ca. 50 %, bezogen auf die Extremwerte gesenkt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Machine-Integrated Measurement of Specular Free-Formed Surfaces Using Phase Measuring Deflectometry. In: Proceedings of the 9th International Conference of the euspen, San Sebastian, 2009, S.90-93.
Richter, C.; Kurz, M.; Knauer, M.; Faber, C.; Olesch, E.; Häusler, G.; Oberschmidt, D.; Essmann, J.; Uhlmann, E.
- Technological Investigations on Slow-Slide-Servo for Ultra Precise Freefrom Machining; In: 24th American Society for Precision Engineering Annual Meeting, Monterey, CA, USA, 2009.
Uhlmann, E.; Kurz, M.; Essmann, J.; Oberschmidt, D.
- Deflectometry for Ultra Precision Machining - Measuring without Rechucking. In: Proceedings of the 112th DGaO Conference, P28, 2011.
Röttinger, Ch,; Faber, Ch.; Olesch, E.; Häusler, G.; Kurz, M.; Uhlmann,E.
- Machine Integrated Measurement of Ultra Precision Machined Specular Non-Rotational Symmetrical Surfaces. 2. WGP Jahreskongress, Berlin, 2012. Advanced Materials Research, Vol. 907. 2014, pp. 277-289.
Uhlmann, E.; Häusler, G.; Röttinger, Ch.; Olesch, E.; Faber, Ch.; Kurz, M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.907.277)
