• Land: Deutschland
  • Autor(en): Christian Schindler, Jens Bliedtner
  • Artikel vom: 18 August 2011
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Schleifen
  • Schlüsselbegriffe: Optikindustrie
  • 5-Achs Simultanschleifen von optischen Funktionsflächen

    Für die Herstellung optischer Bauelemente werden oft einfache Werkstückgeometrien gewählt, da sich Bauteile aus Kombinationen von planen und sphärischen Flächen für optische Systeme einfach und billig herstellen lassen. Durch den wachsenden Konkurrenz- und Innovationsdruck in der Optikindustrie geht der Trend jedoch stärker in Richtung Asphären- und Freiformoptiken.

    Durch Freiformgeometrien können optische Systeme in Bauform, Gewicht und vor allem Funktionalität stark optimiert werden und bieten deswegen eine Fülle an Anwendungen. So sind in den letzten 15 Jahren die Patentanmeldungen in Zusammenhang mit Freiformoptiken um mehr als 100 % gestiegen [1]. Während Freiformflächen in der Metallbearbeitung schon länger Stand der Technik sind, stellen diese, durch die hohen Anforderungen an Form und Oberflächengüte im Submikrometerbereich, derzeit nicht gelöste Probleme in Design, Fertigung und Messtechnik dar.


    Axialsymmetrische Asphären stellen für die Optik die erste Stufe komplexer Geometrien dar. Diese lassen sich durch eine einfache 2D-Bahn beschreiben und messen. Die nächst höhere Stufe sind Freiformen, die sich ohne symmetrischen Bezug darstellen lassen und deren gesamte Fläche zur Bearbeitung und Vermessung erfasst werden muss [2], [3]. Die Verwendung von Freiformflächen im Design optischer Systeme kann maßgeblich deren Leistungsfähigkeit steigern, Gewicht und Anzahl der Bauelemente reduzieren sowie Abbildungsfehler beheben. Im Bereich der Standardoptik wird das mechanische System durch die Abstände der einzelnen optischen Bauelemente zueinander bestimmt. Mit dem Einsatz von Freiformbauteilen können die Systemkomponenten so ausgelegt werden, dass sie an mechanisch günstigen Positionen platzierbar sind. Der Nutzen dieser Freiformgeometrien kann in günstigen Massenoptiken zu Beleuchtungszwecken (low-cost Optik) bis hin zu Einzelstücken für große Raumfahrtprojekte (Highend Optik) gesehen werden. So könnte beispielsweise die aufwendige Justage / Montage von aus bis zu 7 Linsen bestehenden Handykameraobjektiven durch die Verwendung einer Freiformlinse wegfallen oder der Aufbau von Hochleistungsspektroskopen für die Raumfahrt um viele Kilo leichter und somit der Transport in den Orbit einfacher werden.

    Aktuelle Optikbearbeitungsmaschinen sind zunehmend moderne CNC- Bearbeitungszentren, die für vielfältige Herstellungsprozesse der Rund- und Planoptik entwickelt wurden. Die Maschinenkinematik erlaubt es fünfachsige Schleifbearbeitungen durchzuführen, was jedoch für die NC-Programmgenerierung eine wesentliche HerausforAbb. 1: Prozesskette zur Fertigung von Freiformoptiken basierend auf CAD/CAMSystemen [1] derung darstellt. Die aus der Metallbearbeitung bekannten CAD/CAM-Systeme liefern hierfür Strategien und Wege, beliebige Werkstückgeometrien in 5-Achs-Bearbeitungsmaschinen zu fertigen. Übliche Schruppund Schlichtstrategien der Metallbearbeitung können allerdings für die Vor- und Feinschleifanforderungen von sprödharten Werkstoffen der Optik in Hinblick auf Genauigkeit, Formabweichungen nur teilweise oder gar nicht übernommen werden.

    Generell sind Freiformflächen sehr aufwändig zu fertigen. Sie werden von Optikdesignern bisher eher weniger bis gar nicht verwendet, da die Grenzen der Fertigung nur schwer beschreibbar sind. Durch Ultrapräzisionsbearbeitung (Diamantdrehen und –fräsen) werden zwar bereits erfolgreich Freiformgeometrien in Metall oder Kunststoff gefertigt, doch können selbst mit diesen Fertigungsverfahren nicht immer die notwendigen Formgenauigkeiten für eine Mehrzahl optischer Anwendungen erreicht werden.

    Weiterhin ist die Bearbeitung silikatischer Gläser durch Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide aufgrund der sprödharten Materialeigenschaften nur sehr begrenzt möglich. Diese Notwendigkeit ist Motivation für die Untersuchungen, deren Ziel ist, den Bereich der konventionellen Optikschleifbearbeitung zu verlassen und die Fertigungsstrategien aus der 5-Achs-Metallbearbeitung zur Herstellung von Freiformflächen auf Basis von CAD/CAMSystemen zu ergründen und zu prüfen, wie sich diese auf die Herstellung von Präzisionsoptiken übertragen lassen.

    Werkzeugpfadgenerierung mittels CAM-System für Schleifprozesse

    Die Erstellung von Werkzeugpfaden für die Bearbeitung von Freiformflächen kann, aufgrund der Komplexität der zu bearbeitenden Geometrie, nur noch mit Hilfe von CAM-Systemen und leistungsstarker Rechentechnik erfolgen. Die manuelle Programmierung von komplexen Freiformflächen ist sehr aufwendig und würde wesentlich mehr Zeit benötigen. Dabei beruht die Generierung von Werkzeugpfaden maßgeblich auf Methoden der Metallbearbeitung, im Speziellen der 3-Achs- bzw. 5-Achs- Freiformbearbeitung. Für die Optikbearbeitung existieren noch keine optimalen Vorgehensweisen. Ausgehend von ähnlichen Ausgangspositionen lassen sich jedoch Teile davon auf die Bearbeitung von optischen Freiformen anwenden.


    CAD/CAM-Systeme

    Prinzipiell sind CAM-Systeme direkt an CAD-Systeme gekoppelt, da hier die Geometrieinformationen vollständig vorliegen. Die Einbindung erfolgt über zwei Varianten:

    • Nutzung eines Systems, welches CAD-System und NC-Programmiersystem in sich vereint,
    • Kopplung von einem CADSystem mit einem NC-Programmiersystem, welche durch Datenschnittstellen miteinander kommunizieren; diese Variante lässt die CAD-Systemwahl offen [4].

    Die NC-Code-Berechnung auf Freiformflächen in CAM-Systemen ist sehr rechen- und damit zeitintensiv. Eine Vielzahl moderner Metallbearbeitungssysteme rechnen analytisch die vorliegenden Flächen intern in Punktewolken oder Dreiecke um (Tessellierung) und reduzieren damit die Berechnungsdauer für den NC-Code und die Genauigkeit der Sollkontur [5]. Dieses Vorgehen ist für Genauigkeitsanforderungen der Metallbearbeitung hinreichend, jedoch grenzwertig für die Bearbeitung von optischen Flächen in abbildenden Systemen. Während der Tessellierung können Fehler auftreten und Normalenvektoren der Dreiecksflächen falsch angelegt werden [5]. Da CAM-Systeme kommerziell vertrieben werden, lassen sich nahezu keine Informationen finden, welchen Arten der Flächenverrechnung in einzelnen Systemen Verwendung finden [6]. Weiterhin fehlen zum Teil Einstellmöglichkeiten, um auf die Berechnung Einfluss nehmen zu können und geforderte Netzdichten und Genauigkeiten anzupassen. Für die konventionelle Optikbearbeitung lässt sich die Einteilung der CAD/ CAM- Kopplung nur begrenzt anwenden, da es hier keinen flächendeckenden Einsatz von CAM-Systemen gibt. Weiterhin liegen die Daten nicht unbedingt in einem CAD-System vor. Für die Erarbeitung von Prozessschritten der Bearbeitung von Freiformoptiken werden aktuell jedoch Anstrengungen unternommen, CAM-Systeme für die Optik nutzbar zu machen [7], [8], [9].


    Prozesskette

    Ausgehend von einem Rohteil, werden zur Bearbeitung bis zum polierfähigen Fertigteil verschiedene Prozessschritte durchlaufen und dabei in mehrere Vorschliffe und jeweils einen Fein- und Feinstschliff eingeteilt. Abhängig von der Bauteilgeometrie finden sich diese Schritte auf jeder zu bearbeitenden Fläche wieder. Technologische Abläufe müssen dabei festgelegt werden und unterteilen sich prinzipiell in:

    • Bearbeitungsstrategie und Bahnaufteilung,
    • Berechnung der Bahndaten,
    • Behandlung von Bauteilverletzungen und
    • Kollisionen.

    Zur Festlegung der Bearbeitungsstrategie müssen Parameter wie Zeilenabstände der Schleifbahnen, Form (spiralförmig, mäanderförmig, Zick- Zack), Offset oder Werkzeuganstellwinkel abhängig vom Prozessschritt, den vorliegenden Werkstück- und Werkzeugeigenschaften sowie den kinematischen Maschinengegebenheiten gewählt werden. Zur Bahnaufteilung zählt man die Parameter, welche Einfluss auf die Berechnung der Punkte auf der Werkzeugbahn haben. Um eine Freiform beschreiben zu können, werden einzelne Bahnen in Geradenstücken angenähert. Dabei legt man Werte, wie maximaler / minimaler Punkteabstand oder Toleranzwert für die maximale laterale Abweichung von der Sollkontur fest und beschreibt so entsprechend genau oder weniger genau mittels Geradeninterpolation die Kontur [6]. Zur Erzeugung der Bahndaten werden die Bahnpunkte des Werkzeugweges unter Beachtung der Kontaktpunktverrechnung in Werkzeugbezugspunkte berechnet. Zur Behandlung von Bauteilverletzungen und Kollisionen wird eine Bearbeitungssimulation verwendet. Dabei finden sich in CAM-Systemen verschiedene Möglichkeiten die grafisch sehr gut dargestellten Bewegungen zu kontrollieren [4]. Zum einen die Prüfung des Werkzeugweges auf der Kontur, in der der fehlerfreie Ablauf festgestellt wird. Bei dieser Art der Simulation findet die Maschinenkinematik keine Berücksichtigung, lediglich das Werkzeug bewegt sich dabei um die Kontur. Zum andern wird die maschinenseitige Kollisionskontrolle verwendet, siehe Abb. 5, bei der maschinenspezifische Kennwerte, wie maximale Verfahrwege oder Vorschübe hinterlegt sind und zur Prüfung einbezogen werden.

    Ausgehend von der Prozesskette in Abb. 1 sind im Zuge der Untersuchung verschiedene 2- bis 5-Achs-Bearbeitungsstrategien für die Werkzeugpfaderstellung an dargestellter Kontur entstanden. Beispielhaft ist im Folgenden eine 5-Achs-Simultanbearbeitung dokumentiert, siehe auch Abb. 2:

    Das verwendete Kugelschleifwerkzeug (D18 C100 KBN ø=80mm) wird zur Kollisions- Abb. 2: 5-Achs- Vorbearbeitung mit D126 Vorschleifwerkzeug 28 SCHleifen vermeidung um 70° angestellt und kann so alle Bereiche der Fläche bearbeiten. Mittels vertikalem Abzeilen, sog. „Ziehen des Werkzeuges“, von unten nach oben auf der Fläche mit einem Bahnabstand von 0,1 mm und einer Zustellung im Feinbearbeitungsschritt von 0,02 mm wird das Teil bearbeitet. Zu beachten ist, dass bei dieser Art der Bearbeitung ein ständiger Verschleiß an einer Stelle am Schleifwerkzeug auftritt, da sich der Berührungspunkt zwischen Werkzeug und Werkstück während der 5-Achs- Bearbeitung nicht ändert. Dies hat zur Folge, dass sich über die Bearbeitungsdauer von rund 90 min im Feinschleifschritt ein konstant steigender Formfehler durch den sich konstant ändernden Footprint (sich ergebende Kontaktzone zwischen Schleifwerkzeug und Werkstückoberfläche) und den damit reduzierten Werkzeugdurchmesser einstellt. Hierfür sind Korrekturmaßnahmen bzw. spezielle Abrichtzyklen zwingend erforderlich.

    Für die 5-Achs-Bearbeitung sind CAM-Programmiertoleranzen von 1 μm bei einem Vorschub von 1000 mm/min und damit verbundener Punktedichte von 0,1 μm bei rund 16 m/s Schnittgeschwindigkeit möglich. Die sich ergebenden Rauheiten und Welligkeiten des in Bild 1 dargestellten Werkstückes sind in Abb. 3 und 4 dargestellt. Es ist anzumerken, dass sich hier ein niederfrequenter Fehleranteil durch die prozessbedingte kinematische Rauheit ergibt und in feineren Schleifschritten reduziert bzw. nachgelagert auspoliert werden kann.

    Zusammenfassung

    Insbesondere die 5-Achs Simultanbearbeitung stellt ein Novum für die Optikbearbeitung dar, ist aber für Bearbeitungszwecke aufgrund des sich nicht ändernden Werkzeugkontaktpunktes und damit einhergehendem punktuellen Werkzeugverschleißes und daraus resultierendem konstant wachsenden Formfehlers durchaus kritisch zu sehen. Mehr-Achs- Bearbeitung bedeutet immer, größere Fehleranteile auf die Fläche zu übertragen als bei der Verwendung von weniger gesteuerten Achsen. Für die Bearbeitung von Freiformen ist die 5-Achs-Bearbeitung jedoch häufig erforderlich. Es ist zu empfehlen, stets die maximal notwendige Achsanzahl in Hinblick auf Geometrie und Werkzeug zu prüfen. So wird beispielsweise für die Verwendung von Ringwerkzeugen zur Freiformbearbeitung immer eine zusätzliche Rotationsachse zur Kollisionsvermeidung benötigt, was durch die Wahl von Schleifscheiben umgangen werden kann.

    CAD/CAM-Systeme bieten die Möglichkeit Schleifbearbeitungsprozesse für optische Funktionsflächen durchzuführen, jedoch reichen die Genauigkeitswerte der Datenrepräsentation und -verarbeitung für optische Anwendungen nicht aus. Die Systeme sind vielmals auf intuitive Handhabbarkeit getrimmt und lassen zu Teilen für die Optik notwendige Funktionalität, gerade in Hinblick auf die interne Flächenverarbeitung und -verrechnung, offen. Eine fehlende Standardisierung von hinreichend genauen Datenformaten (im Submikrometerbereich) ist für Anwendungen in der Optik nur begrenzt zufriedenstellend.


    Danksagung

    Wir bedanken uns herzlich bei unserem Projektpartner, der Satisloh GmbH Wetzlar für die Unterstützung bei der Durchführung der Versuche in diesem Projekt.

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