Bearbeitung optischer Bauteile aus Stahl
Die Fertigung komplexer optischer Flächen in gehärtetem Stahl auf einer 3- bis 5-Achs-Maschine erschließt neue Möglichkeiten in der Optik-Herstellung. Moderne Maschinen erzielen dabei eine hohe Produktivität und erweitern das Produktportfolio in der Fertigung hochkomplexer Bauteile.
Innenraum der Kugler ›Micromaster‹ mit einer montierten Frässpindel mit HSK25-Aufnahme, einem ausfahrbaren Messtaster und dem angestellten ultraschallunterstützten Diamantwerkzeug.
Kunststoff-Optiken finden sich heute in vielen verschiedenen Anwendungen. Diese reichen von optischen Elementen für LED-Taschenlampen bis hin zu Linsen für Kfz-Beleuchtungen, welche im Mehrlagenspritzguss hergestellt werden. Den meisten dieser Optiken ist gemein, dass sie eine Spritzgussform oder einen entsprechenden Formeinsatz benötigen. Ein entscheidendes Kriterium hierbei ist die Lebensdauer der Form respektive des Formeinsatzes.
Zur Fertigung der optischen Formen für den Spritzguss dienen verschiedene Verfahren. Gehärtete Stahlformen werden bisher zuerst gefräst oder erodiert und anschließend bis zur optischen Qualität poliert. Die Politur wird häufig von Experten von Hand durchgeführt, allerdings leidet beim Polierprozess die Form des Einsatzes. Eine maschinelle Politur verringert die Formabweichungen durch den Polierprozess, kann sie aber nicht komplett vermeiden. Insbesondere, wenn der eigentlichen Bauteilform noch eine besondere Oberflächenform (zum Beispiel eine Mikrostruktur) überlagert ist, kann durch das Polieren die Formabweichung erhebliche Ausmaße annehmen.
Die direkte optische Bearbeitung der Form oder des Formeinsatzes findet entweder in Messing, in Neusilber, in hochfesten Aluminiumlegierungen oder in chemisch vernickelten Stahlformen statt. Dabei wird die optische Form mittels Diamantbearbeitung direkt in den Einsatz oder die Spritzgussform eingebracht. Die Standzeit des Spritzgusswerkzeugs ist naturgemäß geringer als bei vergleichbaren Werkzeugen in Stahl. Bei der Verwendung von heterogenen Spritzgussformen ergeben sich außerdem thermische Probleme aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten und Wärmeleitwerte der Materialien.
Es wäre daher von Vorteil, gehärtete Stahlformen direkt diamantbearbeiten zu können. Leider ist die direkte Bearbeitung eisenhaltiger Legierungen mit Diamantwerkzeugen nicht möglich. Beim Drehen entstehen an der Schneide Temperaturen zwischen 500 und 700 Grad Celsius. Bei diesen Temperaturen reagiert der Kohlenstoff des Schneiddiamanten mit dem Eisen des Stahls und bildet dabei Eisencarbide. Die Standzeit der Diamantwerkzeuge verkürzt sich dadurch erheblich.
Um dieser Standzeitproblematik zu begegnen, wurden bisher verschiedene Ansätze verfolgt. Der im Moment wohl beste Ansatz besteht darin, das Diamantwerkzeug auf einer elliptischen Bahn mit einer Frequenz von mehreren zehn Kilohertz schwingen zu lassen. [...]
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