Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTAiF - Projekt 17359
Der aktuelle Trend der stetigen Miniaturisierung findet sich in den unterschiedlichen Märkten der Medizintechnik, der Optik und der Mikromechanik wieder. Neben immer kleineren Produkten, die höhere Genauigkeiten erfordern, wächst insbesondere das Produktionsvolumen für miniaturisierte und optische Komponenten stetig. Prominente Beispiele sind der ständig wachsende Markt der LED-Beleuchtungstechnik mit geometrisch komplexen Vorsatzoptiken sowie die fortschreitende Miniaturisierung der Projektionstechnik wie Head-Up-Displays (HUD) im Automobil oder mobile brillenintegrierte Projektoren als Unterhaltungsmedium. Ausgangspunkt für die mögliche Miniaturisierung sind Fortschritte in der Auslegung entsprechend komplexer Optiken mit Mikrostrukturen und Freiformflächenanteilen. Neben dem überwiegenden Einsatz von Polymeroptiken in den genannten Anwendungen kommen auch in nicht optischen Anwendungen wie biomedizinischen Analyseverfahren (Lab-on-a-chip) häufig Kunststoffbauteile zum Einsatz.
Die Komponenten werden vorwiegend in den Verfahren Kunststoffspritzguss, Spritzprägen und Heißprägen hergestellt. Da die Komponenten immer häufiger extrem hohe Struktur-, Oberflächen- und Präzisionsanforderungen enthalten, sind hochspezialisierte Fertigungsverfahren notwendig, um entsprechende Werkzeugformeinsätze für die replikative Produktherstellung zu ermöglichen.
Verbesserungspotential in der Ultrapräzisionstechnik
Größter und entscheidender Nachteil der heutigen Bearbeitungsverfahren für Werkzeugformeinsätze ist, dass Einsätze aus harten Materialien wie Stahl bei der geforderten geometrischen Komplexität nicht mit der notwendigen Präzision hergestellt werden können (Abbildung). Gründe dafür sind, dass die existierenden Herstellungsverfahren für Formeinsätze aus harten Materialien auf Zerspanungsprozessen mit geometrisch unbestimmten Schneiden (z.B. Schleifen) beruhen, welche nur einfache Geometrien zulassen. Demgegenüber fehlt hochflexiblen Verfahren wie dem Diamantdrehen die Befähigung zur Bearbeitung von harten Materialien. Formeinsätze aus Stahl weisen signifikante Standzeitverbesserungen und damit Kostenvorteile auf. Zudem passen Formeinsätze aus Stahl besser zu den übrigen Werkstoffen in einem Spritzgusswerkzeug, da sie gleiche thermische Dehnungen aufweisen.
Das Projekt sollte daher die Lücke in der Bearbeitung von Stahlwerkstoffen durch neue Werkzeugtechnik und angepasster Prozessführung schließen. Mit angepasster Maschinentechnik konnten dabei Werkzeuge mit der Ultrapräzisionstechnik entsprechenden Anforderungen gefertigt werden. Durch die optimierte Prozessführung während der Zerspanung konnte die Qualität der Ultrapräzisionszerspanung auf die Stahlbearbeitung übertragen werden.
Das IGF-Vorhaben 17359 der Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.