DE102011121695A1

DE102011121695A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines optischen Bauteils, mittels Urformen und ein derartig hergestelltes Bauteil

Info

Publication number: DE102011121695A1
Application number: DE201110121695
Authority: DE
Inventors: Lars Dick
Original assignee: Jenoptik Polymer Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2013-06-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zum Herstellen eines Bauteils mittels Urformen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst a) Bereitstellen einer mathematischen Beschreibung oder eines CAD Modells des herzustellenden Bauteils und/oder der herzustellenden Fläche; b) Herstellen eines Urformwerkzeugs mittels der mathematischen Beschreibung oder des CAD Models; c) Fertigen (110) mindestens eines ersten Abformteiles mittels des Urformwerkzeugs; d) Dreidimensionales Vermessen (120) des/der Abformteile/s, welches eine 3D-Punktewolke liefert und bestimmen einer Formabweichung des Abformteils anhand eines Vergleiches der 3D-Punktewolke des Abformteils mit der mathematischen Beschreibung oder dem CAD Modell; e) Bestimmen (130) einer Formabweichung einer Fläche des Urformwerkzeuges; f) Nachbearbeiten oder Neuerstellen (135) des Urformwerkzeuges analog Schritt b); g) Bestimmen (140) einer Formabweichung der Fläche des Urformwerkzeuges aus Schritt f); h) Berechnen (150) einer neuen Fläche des Urformwerkzeugs anhand den Formabweichungen gemäß d) und e) und g); i) Nachbearbeiten oder Neuerstellen (160) eines Urformwerkzeuges anhand der neuen Fläche;

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines optischen Bauteils, mittels Urformen und ein derartig hergestelltes Bauteil.
Für die Fertigung von komplexen polymerbasierten optischen Komponenten in hohen Stückzahlen stellen die Replikationsverfahren wie Spritzgießen und Spritzprägen und auch Heißprägen die klassischen Verfahren der Wahl dar. Für hochgenaue optische Replika eignen sich dabei vor allem amorphe Polymere. Dabei sind die Bauteilgeometrien (Größe, Dicke, Materialverteilungen), das Urformwerkzeug, die Spritzgussmaschine, die Spritzgießprozessdaten und auch das verwendete Polymer entscheidende Faktoren, die die Genauigkeit der optischen Fläche am Abformteil beeinflussen und jeweils hohen Anteil an systematischen Formfehlern mit sich bringen. Polymere haben die Eigenschaft, während und nach dem Spritzgussprozess abhängig vom jeweiligen Werkstoffverhalten (pvt – Verhalten) und den Prozessparametern zu Schwinden (d. h. ihr Volumen zu ändern) und zu verziehen, wodurch ihre Form gegenüber dem Urformwerkzeug systematisch negativ beeinflusst wird. Daher ergibt sich eine Differenz zwischen Formgenauigkeit der abzuformenden Fläche am Formeinsatz und der abgeformten Fläche am Spritzgussbauteil. Zudem gibt es in den Fertigungsprozessen zufällige, nicht kalkulierbare Fehlergrößen. Vor allem der systhematische Schrumpf und Verzug stellt heute die Grenze der erreichbaren Genauigkeit bei den Replikationsverfahren dar.
Die Materialangaben der jeweiligen Polymere geben es her, eine prozentuale globale Schwindung in alle Raumrichtungen am Abformwerkzeug zu berücksichtigen und damit die mechanischen Abmessungen bei herkömmlichen Teilen im Vorfeld durch ein entsprechendes Aufmaß am 3D Modell in der Konstruktion der Form zu kompensieren. Diese Vorgehensweise ist im Bereich Replikation von polymeren Werkstoffen Stand der Technik und für typische Toleranzanforderungen aus dem Bereich Mechanik durchaus akzeptabel.
Für optische Anwendungen sind zum einen symmetrische Flächen (z. B. Planflächen, sphärische Flächen) und auch zunehmend asymmetrische Flächen ohne Symmetrie von großer Relevanz. Dabei schwinden symmetrische Flächengeometrien sowie Bauteilgeometrien in einem hohen Maße rotationssymmetrisch und asymmetrische Flächengeometrien sowie Bauteilgeometrien aufgrund der inhomogenen Masseverteilung am Bauteil in hohem Maße asymmetrisch.
Die Charakteristik und die Absolutwerte des Fehlerbildes lassen sich durch eine Vielfalt der Abform-Prozessparameter abhängig von den jeweiligen Replikationsverfahren (z. B. Druckwirkzeiten, Werkzeugtemperatur, Kühlzeit, etc.) beeinflussen. Dieser Weg ist jedoch sehr resourcenbelastend sowie zeitintensiv und zudem nicht exakt genug vorhersagbar und für hohe Genauigkeiten mit deutlichen Grenzen behaftet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Verfügung zu stellen, durch das insbesondere eine erhöhte Genauigkeit des Bauteils erreicht wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen werden durch die abhängigen Ansprüche näher definiert.
Hierbei ist erfindungsgemäß Folgendes vorgesehen: Zunächst wird eine exakte mathematische Beschreibung der zu fertigenden optischen Fläche bereitgestellt, woraus ein hochgenaues CAD-Modell des herzustellenden Bauteils erzeugt werden kann. Anschließend wird mittels der exakten mathematischen Beschreibung der optischen Fläche oder des hochgenauen CAD-Modelles ein erstes Urformwerkzeug erzeugt beziehungsweise hergestellt. Mit dem auf diese Weise hergestellten Urformwerkzeug wird mindestens ein erstes Abformteil hergestellt. Das Urformwerkzeug sowie mindestens ein Abformteil werden nun mittels hochauflösender Messtechnik dreidimensional vermessen, wodurch eine 3D-Punktewolke generiert wird. Diese 3D-Punktewolke wird nun erfindungsgemäß mit der mathematischen Beschreibung oder dem hochgenauen CAD-Modell verglichen und somit eine Formabweichung des/der Abformteiles bestimmt. Erfindungswesentlich ist nun, dass in die Berechnung einer neuen Fläche des Urformwerkzeuges anhand der Formabweichung neben der Formabweichung des/der Abformteiles auch eine Differenz von Formabweichungen des Urformwerkzeuges einbezogen wird. Diese Differenz resultiert insbesondere daher, dass sich die Form eines Urformwerkzeuges, insbesondere in einem Neuzustand, im Submikrometerbereich bis einstelligen Mikrometerbereich, abhängig von der Größe des Urformwerkzeuges, ändern kann. Die erhöhten Arbeitsdrücke beim Urformen, die typischerweise bei 1000–2000 bar liegen können, können zu einer Deformation des Werkzeuges und somit zu einer daraus resultierenden Formabweichung des Abformteiles führen, vor allem bei einem ersten Replikationsprozess mit einem neuen Urformwerkzeug. Weiterhin können sich zufällige Fehler (z. B. thermische, Druckschwankungen, ...) vor allem innerhalb langer Zeitdifferenzen zwischen der ersten Abformung der Sollfläche am Urformwerkzeug und der Fertigung der neu berechneten Fläche ergeben.
Mittels der neu berechneten Fläche wird abschließend ein neues Urformwerkzeug hergestellt oder das alte Urformwerkzeug nachbearbeitet.
Bevorzugt wird die Formabweichung der Fläche des Urformwerkzeugs bestimmt aus einer Differenz einer 3D-Punktewolke des Urformwerkzeuges in einem ersten Zustand nach Fertigen mindestens eines ersten Abformteiles, welches durch ein dreidimensionales erstes Vermessen des Urformwerkzeugs generiert wird und einer 3D-Punktewolke in einem zweiten, zeitlich späteren Zustand nach einem Nachbearbeiten oder Neuerstellen eines Urformwerkzeuges, welche durch ein dreidimensionales zweites Vermessen des Urformwerkzeuges generiert wird. Dabei ist dasselbe Urformwerkzeug oder ein neues Urformwerkzeug kurz vor der Bearbeitung der neu berechneten Fläche mit denselben Maschineneinstellungen und Parametern wie beim ersten Zustand bearbeitet worden. Weiterhin kann im Anschluss an die Bearbeitung der neu berechneten Fläche die Formabweichung zur neu berechneten Fläche bestimmt werden, die dann zusätrlich in die Berechnungsvorschrift einfließt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens ein Abformteil in einem spannungsbehafteten Zustand vermessen. Ein derartiges Verfahren eignet sich insbesondere dann, wenn das Abformteil als Teil eines optischen Systems weitererarbeitet wird. Bei dieser Weiterverarbeitung treten bevorzugt Montagekräfte auf, die durch ein Vermessen in einem spannungsbehafteten Zustand kompensiert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Urformwerkzeug zumindest teilweise, bevorzugt zur Gänze, gehärteten Stahl, wobei der gehärtete Stahl bevorzugt eine Beschichtung aus amorphen Nickel Phosphor aufweist, wobei der Phosphor Anteil bevorzugt zwischen 10% und 15% beträgt. Ein derartiges Urformwerkzeug eignet sich besonders gut für amorphe Thermoplaste, wobei sich die Nickel Phosphor-Schicht besonders gut mittels eines Diamantenwerkzeuges auf Ultrapräzisionsmaschinen bearbeiten lässt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden zunächst mehrere Abformteile mittels des Urformwerkzeuges gefertigt, wobei mittels der Formabweichung jedes Abformteiles eine mittlere Formabweichung berechnet wird und diese mittlere Formabweichung in die Berechnung eines neuen Urformwerkzeuges eingeht.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen einer neuen Fläche des Urformwerkzeuges eine mathematische Modellierung der Formabweichungen der Fläche des Urformwerkzeuges und der Formabweichung mindestens eines Abformteiles einschließt. Eine derartige Modellierung muss mittels dreidimensionalen Flächenbeschreibungen erfolgen. Das kann beispielsweise durch Splines, NURBS (Non uniform Rational B – Splines), B – Splines, Zernike Polynomen, erweiterte Polynome (extended polynomials) Taylor Reihenentwicklungen, Fourier und Chebyshev Polynomen erfolgen.
Erfindungsgemäß ist auch ein optisches Bauteil vorgesehen, das gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird.
Es versteht sich, dass die eben beschriebenen Ausführungsformen in Alleinstellung oder in Kombination untereinander dargestellt werden können. Weitere wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Ansprüchen und Figuren. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben und mittels der Figuren näher erläutert.
1 schematischer Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 schematischer Ablaut eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
1 zeigt schematisch den prinzipiellen Ablauf eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens 100 zum Herstellen eines optischen Bauteils. Hierbei werden zunächst in einem Spritzgussprozess 110 mehrere Abformteile mittels eines ersten Urformwerkzeuges hergestellt. Erfindungsgemäß wird mit dem Vermessen 120 der Abformteile so lange gewartet, bis sich der Replikationsprozess in einen thermodynamischen Gleichgewichtszustand eingeschwungen hat. Typischerweise sind hierbei je nach Bauteilvolumen und Spritzgießprozess ca. 20 Replikationen oder mehr notwendig, bis man sich in dem gewünschten Prozessregime befindet.
Anschließend werden die Abformteile mittels eines hochauflösenden Messsystems dreidimensional vermessen 120. Die Formabweichung wird als 3D Punktewolke von dem Messgerät exportiert. Aufgrund von Ausreißermesspunkten oder anderen Messeffekten ist die exportierte 3D Punktewolke nicht regelmäßig beziehungsweise mit Lücken behaftet. Diese 34 Punktewolke wird nun zur mathematischen Sollfläche oder dem hochgenauen CAD Modell rückgeführt, um die Formabweichung zu bestimmen. Zusätzlich ist nun erfindungsgemäß vorgesehen, dass in die Berechnung 150 der neuen Fläche des Urformwerkzeuges auch eine prozessual bedingte Differenz von Formabweichungen des Urformwerkzeuges eingeht. Diese Differenz der Formabweichungen des Urformwerkzeuges kann dadurch bestimmt werden, dass zeitlich nacheinander gemessene 3D Punktewolken miteinander verglichen werden und daraus eine Differenz gebildet wird. Dabei ist der Zustand 130 die bestimmte Formabweichung des Urformwerkzeuges (bearbeitet mit der Sollfläche des Abformbauteiles) nach dem ersten Replikationsprozess 110 und der Zustand 140 die zeitlich deutlich spätere Bestimmung der Formabweichung des deutlich später nochmals nachbearbeiteten 135 Urformwerkzeuges oder neuen Urformwerkzeuges direkt vor der Bearbeitung der neu berechneten Fläche. Damit werden die zufälligen Fehler in großen Zeiträumen in Form von Differenzen der Formabweichungen von zwei Zuständen (130 und 140) erfasst. Der dann deutlich kürzere Zeitraum zwischen den Zuständen 140 und 160 minimiert dann die Wahrscheinlichkeit zufälliger Fehler deutlich. Zu Bemerken ist, dass die Vorgänge 120 und 130 auch vertauscht werden können.
Die anschließende Berechnung 150 der neuen Fläche des Urformwerkzeuges erfolgt mittels mathematischer Modellierung durch Splines, NURBS (Non uniform Rational B – Splines), B – Splines, Zernike Polynomen, erweiterte Polynome (extended polynomials) Taylor Reihenentwicklungen, Fourier und Chebyshev Polynomen, die dem Fachmann für eine derartige Modellierung geläufig sind. Die Übertragung an die Maschinensteuerung der Ultrapräzisionsmaschine erfolgt dann meist mittels Punktewolken, die direkte Übertragung der oben genannten Flächenbeschreibungen ist aber auch denkbar. Damit lassen sich die ausgewerteten 3D Punktewolken durch Flächen mit sehr geringen Genauigkeitsverlusten mathematisch beschreiben. Die Genauigkeit kontrolliert man, indem man die Differenz der mathematischen Modellierung zur ursprünglichen 3D Messpunktewolke berechnet. Dabei eignen sich gerade die oben genannten Reihenentwicklungen beziehungsweise Polynome und Splines sehr gut, da die systematischen Fehler während des Spritzgießprozesses typischerweise keine sprunghaften Krümmungsradien aufweisen, Für strukturierte Flächen am Abformbauteil sind jedoch Flächentypen notwendig, die sprunghaft ihre Krümmung ändern können, z. B. NURBS.
Die Fertigung (Neuerstellen) der berechneten Fläche beziehungsweise das Nachbearbeiten 160 an dem ursprünglichen Urformwerkzeug kann mittels Ultrapräzisionsverfahren in Verbindung mit einem Diamantwerkzeug und mehreren CNC-gesteuerten Achsen erfolgen. Als Verfahren eignen sich hierbei insbesondere slow tool servo oder fast tool servo-Bearbeitung, Ultrapräzisionsfräsen und Ultrapräzisionshobeln, wobei auch kombinierte Verfahren denkbar sind.. Diese Verfahren können typischerweise Formgenauigkeiten p-v (peak to valley) < 1 Mikrometer erreichen. Noch höhere Genauigkeiten können in einer anderen erfindungsgemäßen Variante mittels Ionenstrahlglätten oder Magnetorheologischen Finish-Verfahren erreicht werden. Um die Genauigkeit der neu berechneten Fläche am Urformwerkzeug weiter zu steigern ist ein solches Verfahren 180 ansetzend an 160 denkbar.
Abhängig vom erreichten Ergebnis kann in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform eine weitere Iteratiorsschleife durchgeführt, beziehungsweise der eben beschriebene Prozess wiederholt werden 170, bis die Formabweichung innerhalb vorgebbarer Toleranzwerte liegt. Dabei ersetzt jedoch immer die berechnete Fläche 150 des vorherigen Zyklus die Fläche am Urformwerkzeug 110 des aktuellen Zyklus. Diese liegen typischerweise bei einem Bauteil mit 40 mm Durchmesser nach einem Iterationsschritt im Bereich von 2 μm und bei Ausführung weniger Iterationsschleifen < 1 μm, wobei die Spritzgießprozessschwankung deutlich unter dem Zielwert liegen muss. Damit lassen sich also Genauigkeitssteigerungen um einen Faktor 10 gegenüber dem Weg nach dem nach dem Stand der Technik hergestellten Bauteilen erzielen. Die Auswertung der Oberflächenmessdaten kann durch einen mathematischen Iterationsprozess erfolgen, in dem die Punktewolke der Sollfläche angepasst wird, bis beispielsweise die Summe der kleinsten Fehlerquadrate minimiert wird. Weiterhin ist die Auswertung der eigentlichen Fläche bezüglich geeigneter Referenzflächen möglich und auch teilweise erforderlich.
Insgesamt wird durch dieses Verfahren eine erhöhte Genauigkeit bei der Herstellung von Bauteilen, insbesondere optischen Bauteilen, durch das Urformen erreicht. Insbesondere im Spritzgussverfahren entstehen oftmals Konflikte zwischen sehr guten Materialeigenschaften des Bauteils und geringen Formabweichungen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gütekriterium Formabweichung bei der Prozessfindung vernachlässigt, so dass bessere Materialeigenschaften des Bauteils die Folge sind.
Insbesondere kann erfindungsgemäß in einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 2 vorgesehen sein, dass für die Herstellung ultrapräziser Freiformoptiken im Replikationsverfahren, welche als Transmissionsoptiken aber auch Reflektionsoptiken vorgesehen sind, die Materialeigenschaften im Replikationsverfahren 70 (Spritzgießen, Spritzprägen) auf geringste Brechzahlunterschiede, Materialspannungen (welche zu unerwünschten polarisationsoptischen Spannungsdoppelbrechungen führen), Materialhomogenität (Vermeidung von Blasen, Schlieren, Einschlüssen und thermischen Schädigungen), ... optimiert werden 90 und ausdrücklich nicht auf die auch entscheidende Formgenauigkeit der optischen Fläche geachtet wird. Der Optimierung dieser Materialeigenschaften 90 geht eine entsprechende Messung 80 voraus. Es kann damit mit geringeren Druck- und Temperaturbelastungen des Materials beim Replizieren gearbeitet werden.
Die entstehende Formabweichung wird durch das erfindungsgemäße Verfahren anschließend drastisch reduziert.

Claims

Verfahren (100) zum Herstellen eines Bauteils mittels Urformen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst a) Bereitstellen einer mathematischen Beschreibung oder eines CAD Modells des herzustellenden Bauteils und/oder der herzustellenden Fläche; b) Herstellen eines Urformwerkzeugs mittels der mathematischen Beschreibung oder des CAD Models; c) Fertigen (110) mindestens eines ersten Abformteiles mittels des Urformwerkzeugs; d) Dreidimensionales Vermessen (120) mindestens eines Abformteiles, welches eine 3D-Punktewolke liefert und bestimmen einer Formabweichung des/der Abformteile/s anhand eines Vergleiches der 3D-Punktewolke des Abformteils mit der mathematischen Beschreibung oder dem CAD Modell; e) Bestimmen (130) einer Formabweichung einer Fläche des Urformwerkzeuges; f) Nachbearbeiten oder Neuerstellen (135) des Urformwerkzeuges analog Schritt b); g) Bestimmen (140) einer Formabweichung der Fläche des Urformwerkzeuges aus Schritt f); h) Berechnen (150) einer neuen Fläche des Urformwerkzeugs anhand den Formabweichungen gemäß d) und e) und g); i) Nachbearbeiten oder Neuerstellen (160) eines Urformwerkzeuges anhand der neuen Fläche;
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formabweichung der Fläche des Urformwerkzeugs bestimmt (140) wird aus einer Differenz einer 3D-Punktewolke des Urformwerkzeuges in einem ersten Zustand nach Fertigen eines ersten Abformteiles gemäß c), weiche durch ein dreidimensionales erstes Vermessen des Urformwerkzeugs generiert wird und einer 3D-Punktewolke in einem zweiten, zeitlich späteren Zustand nach einem Nachbearbeiten oder Neuerstellen eines Urformwerkzeuges (135), welche durch ein dreidimensionales zweites Vermessen des Urformwerkzeuges generiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreidimensionale Vermessen (120) des/der Abformteiles gemäß d) in einem spannungsbehafteten Zustand erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Urformwerkzeug zumindest teilweise gehärteten Stahl umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der gehärtete Stahl zumindest bereichsweise mit einer Schicht aus amorphem Nickel-Phosphor überzogen ist, wobei der Phosphor Anteil bevorzugt zwischen 10% und 15% beträgt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Nachbearbeitens gemäß Schritt f) mittels eines Präzisionsverfahrens in Verbindung mit einem Diamantwerkzeug erfolgt, insbesondere mittels Slow- oder Fast Tool Servo oder auch Präzisionsfräsen oder Präzisionshobeln,
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nachbearbeiten oder Neuerstellen (160) eines Urformwerkzeuges ein erstes Bearbeiten mit einem ersten Bearbeitungsverfahren und zumindest ein zweites Bearbeiten (180) mit einem zweiten Bearbeitungsverfahren umfasst, wobei das zweite Bearbeitungsverfahren ein präziseres Bearbeitungsverfahren als das erste Bearbeitungsverfahren ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte c) bis i) solange wiederholt (170) werden, bis die Formabweichung innerhalb vorgebbarer Toleranzwerte liegt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) mehrere Abformteile mittels des Umformwerkzeugs gefertigt werden und die jeweilige Formabweichung des Abformteiles anhand eines Vergleiches der 3D-Punktewolke des Abformteiles mit der mathematischen Beschreibung oder dem CAD Modell bestimmt wird und daraus eine mittlere Formabweichung berechnet wird und im Schritt h) eine neue Fläche des Urformwerkzeuges anhand der mittleren Formabweichung berechnet wird.
Verfahren gemäß einem dervorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Berechnen einer neuen Fläche gemäß Schritt h) eine mathematische Modellierung der Formabweichungen gemäß den Schritten d), e) und g) einschließt.
Optisches Bauteil hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.