Effiziente Fertigung von Funktionsmustern im Bereich der Ultrapräzisionszerspanung

Bei der Entwicklung von Baugruppen oder Systemen, die hoch- und ultrapräzise Komponenten enthalten, ist die Fertigung von Prototypen zur Funktionsbemusterung nach wie vor von zentraler Bedeutung. Dies trifft insbesondere auf optische Systeme zu.

Mit dem Wunsch, die Prototypenphase eines Entwicklungsprojekts mit der Fertigung von Parabolspiegeln zu unterstützen, kam die Leica Geosystems AG aus Heerbrugg daher auf RhySearch zu.

 

Herausforderung

Parabolspiegel werden typischerweise zur Fokussierung von kollimiertem Licht eingesetzt. Bei der Fertigung sind drei Aspekte von zentraler Bedeutung: die Formgenauigkeit der Spiegelfläche, eine ausreichend kleine Rauheit, um diffuse Reflexion zu vermeiden, sowie die Lageabweichungen bezüglich definierter Features am Bauteil, mit deren Hilfe die positionsgenaue Montage des Spiegelbauteils im optischen Gesamtsystem sichergestellt wird. Vor allem Letzteres erfordert ein durchdachtes Prozessdesign, das Fehlerquellen minimiert. Kern der Aufgabenstellung von Leica Geosystems war allerdings eine zusätzliche Mikrostruktur, die in die Parabolfläche eingelassen sein und die genannten drei Aspekte ebenfalls erfüllen sollte. Ultrapräzisionsdrehen, auch als Diamantdrehen bezeichnet, ist eine verbreitet eingesetzte Technologie zur Fertigung von Metallspiegeln und bietet die Voraussetzungen, die genannten Herausforderungen zu bewältigen. RhySearch verfügt schweizweit als einziges Forschungsinstitut über entsprechende Maschineninfrastruktur und bietet damit verbundene Dienstleistungen an.

 

Prozessdesign und Umsetzung

Die Mikrostruktur erforderte eine Abkehr von der klassischen Konfiguration zum Drehen von Parabolspiegeln, bei welcher die Parabolachse mit der Spindelachse der Drehmaschine zusammenfällt. Das Werkstück wird dabei, sofern erforderlich, ausserhalb der Spindelachse («off-axis») montiert. Jede andere Positionierung auf der Spindel bringt das Erfordernis von drei simultan eingesetzten NC‑Achsen, damit auch eine anspruchsvollere Maschinenprogrammierung sowie eine durch die Maschinendynamik begrenzte Fertigungsgeschwindigkeit mit sich. In engem Austausch zwischen Leica Geosystems und RhySearch entschied man sich für die On‑axis‑Komplettbearbeitung der Spiegelfläche inklusive der Mikrostruktur in Kombination mit einem ausgeklügelten Vorrichtungsdesign.

RhySearch verfügt am Standort Buchs über ein klimatisiertes Fertigungslabor mit Maschineninfrastruktur für das Diamantdrehen und das 5‑Achsen‑Simultanfräsen gemäss dem aktuellsten Stand der Technik in Bezug auf die erreichbaren Genauigkeiten. Die gesamte Prozesskette bestehend aus Prozessdesign, Vorrichtungskonstruktion und -fertigung sowie Ultrapräzisionszerspanung ist somit in‑house verfügbar, um Prototypen- und Funktionsmusterfertigungen effizient umsetzen zu können.

Im Falle des Auftrags von Leica Geosystems ist genau das geschehen: Abbildung 1a zeigt die Vorrichtungsfertigung auf der 5‑Achsen‑Fräsmaschine vom Typ Kern Micro HD und Abbildung 1b die Vorrichtung inklusive Werkstück aus Aluminium montiert auf der Diamantdrehmaschine vom Typ LT‑Ultra MTC 650 UP. Beide Maschinen stehen nur wenige Meter voneinander entfernt und verwenden ein Nullpunktspannsystem gleichen Typs.