DE102014005543B3

DE102014005543B3 - Verfahren und Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes, Formeinsatz sowie ein damit hergestelltes optisches Element

Info

Publication number: DE102014005543B3
Application number: DE102014005543.4A
Authority: DE
Inventors: Rainer Klar
Original assignee: INNOLITE GmbH
Current assignee: INNOLITE GmbH
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2034-04-17
Also published as: WO2015158318A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes (7) für die replikative Herstellung eines optischen Elements mit einer entsprechend gewölbten optisch funktionalen Positivfläche, aufweisend die folgenden Schritte: Fixieren des Formeinsatzes (7) in einer Werkstückaufnahme (5) einer Bearbeitungsmaschine (1), spanendes Bearbeiten der Negativfläche des Formeinsatzes (7) mit einer Werkzeugschneidkante (11) eines monokristallinen Diamanten, wobei die Werkzeugschneidkante mittels Ultraschall in Schwingungen versetzt wird und abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zuführung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, vorzugsweise mehr als 0,5 Hz gesteuert wird.Weiter betrifft die Erfindung eine dafür geeignete Vorrichtung, einen Formeinsatz sowie ein damit hergestelltes optisches Erzeugnis.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes für die replikative Herstellung eines optischen Elements mit einer entsprechend gewölbten optisch funktionalen Positivfläche, einen Formeinsatz sowei ein damit hergestelltes optisches Element. Die Negativfläche kann dabei konvex oder konkav sein.
Insbesondere für die replikative Herstellung optischer Elemente aus Kunststoff für LED-Fahrzeugscheinwerfer zum definierten Ausleuchten der Fahrbahn werden Formeinsätze benötigt, mit denen optische Elemente kostengünstig mit einer sehr hohen Oberflächengüte hergestellt werden können. Die Rauheit (hier definiert als mittlere Rauheit R_a, d. h. als arithmetisches Mittel der Abweichungen von einer Mittellinie über mehrere Messpunkte einer Oberfläche) solcher optischer Flächen mit sehr hoher Oberflächengüte darf nicht mehr als 20 nm betragen. Entsprechend ultrapräzise muss daher die Negativfläche eines Formeinsatz bearbeitet werden, damit mit solch einem Formeinsatz beispielsweise im Spritzgussverfahren, Spritzprägeverfahren oder Overmoulding-Verfahren Kunststofflinsen für LED-Leuchtmittel replikativ hergestellt werden können.
Die konventionelle Fertigungstechnik zur Herstellung von optischen Formeinsätzen ist das Drehen bzw. Fräsen von Stahlformen mit Präzisionsmaschinen und das anschließende, oft manuelle, Polieren der Oberfläche. Durch diese Prozesskette lassen sich kontinuierliche Oberflächen in ausreichend guter Qualität herstellen. Durch den manuellen Polierschritt bestehen allerdings Variationen in der erzielbaren Qualität.
Aus den Dokumenten DE 10 2004 020 990 A1 , US 7 788 998 B2 und US 7 730 815 B2 sind Verfahren zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten Negativfläche eines Formeinsatzes für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten optisch funktionalen Positivfläche bekannt, bei denen die Negativfläche eisenhaltig ist und mit einer Werkzeugschneidkante mit einem Diamenten spanend bearbeitet wird und wonach die Werkzeugschneidkante mittels Ultraschall in Schwingungen versetzt wird.
Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden ist allerdings, dass beispielsweise für LED-Fahrzeugscheinwerfer auf den optisch funktionalen Oberflächen Mikrostrukturen unterhalb von 100 μm benötigt werden, um das Scheinwerferlicht zu homogenisieren. Die Krümmung der Oberfläche an sich richtet das LED-Licht, während die Mikrostruktur beispielsweise das Kontrastverhältnis zwischen Hell- und Dunkelbereichen in definierter Weise aufweicht. Dies ist für Fahrzeugscheinwerfer von besonderer Bedeutung, da es Sicherheitsvorgaben gibt, wie die Fahrbahn ausgeleuchtet werden muss, während der Gegenverkehr nicht geblendet werden darf.
Aus Produktionssicht ist dabei zu beachten, dass ein typisches Spritzguss- oder Spritzprägewerkzeug und alle dabei verwendeten Einzelkomponenten in der Regel aus einem eisenhaltigen Material wie etwa Stahl gefertigt sind, um den hohen Drücken und Kräften in der Spritzgussmaschine Stand halten zu können. Da beim Replikationsprozess hohe Temperaturschwankungen von beispielsweise ΔT = 80°C zwischen Aufwärmphase, Einspritzphase und Abkühlphase entstehen, ist ein homogener Wärmedehnungskoeffizient der verwendeten Materialien im Werkzeug sehr wichtig. Andernfalls würde es aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zum Klemmen von Komponenten kommen, insbesondere von bewegten Komponenten beim Spritzprägen. Daher müssen die Formeinsätze für typischerweise bekannte Spritzguss- oder Spritzprägewerkzeuge notwendigerweise ebenfalls aus einem eisenhaltigem Material wie etwa Stahl gefertigt sein.
Die benötigten Mikrostrukturen in der Größenordnung von weniger als 100 μm sind mit einem Polierschritt nicht erzielbar. Ohne einen Polierschritt lässt sich jedoch bei einem Stahlformeinsatz nicht die Oberflächengüte mit einer Rauheit von weniger als 20 nm erzielen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen eisenhaltigen Formeinsatz für die replikative Herstellung eines optischen Elements derart ultrapräzise bearbeiten zu können, sodass die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 20 nm aufweist als auch eine Mikrostruktur unterhalb von 100 μm.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9, einen Formeinsatz gemäß Patentanspruch 12 sowie ein optisches Element gemäß Patentanspruch 14. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen bzw. der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten Negativfläche eines Formeinsatzes für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten vorzugsweise optisch funktionalen Positivfläche, aufweisend die folgenden Schritte:

– Fixieren des Formeinsatzes in einer Werkstückaufnahme einer Bearbeitungsmaschine,
– spanendes Bearbeiten der Negativfläche des Formeinsatzes, wobei die Negativfläche eisenhaltig ist und mit einer Werkzeugschneidkante mit einem monokristallinen Diamanten spanend bearbeitet wird, die Werkzeugschneidkante mittels Ultraschall in Schwingungen versetzt wird und abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zustellung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, vorzugsweise mehr als 0,5 Hz gesteuert wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt beim monokristallinen Diamanten als Werkzeugschneidkante die Möglichkeit eines extrem geringen Schneidkantenradius von weniger 50 nm, idealerweise unterhalb von 20 nm, die hohe Härte des Diamanten und die damit einhergehende Schnittfreudigkeit aus. Damit lässt sich bei nicht-eisenhaltigen Materialien eine Oberflächenrauheit von weniger als 20 nm Ra ohne nachträgliches Polieren erzielen.
Als Bearbeitungsmaschinen eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren Maschinen zum Drehen, Hobeln und/oder Stoßen.
Das Werkzeug wird durch die Interpolation der Maschinenachsen auf einer Bahn geführt, um eine Grundkontur herzustellen. Dieser Bahn wird eine auf die Negativfläche gerichtete Zustellbewegung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, vorzugsweise mehr als 0,5 Hz überlagert. Hierdurch entsteht eine Negativfläche mit einer Grundkontur und einer Mikrostruktur.
Somit ist es möglich durch eine derartige dynamische Zustellbewegung des Diamantwerkzeugs, mittels Diamantzerspanung eine Mikrostruktur der Grundkontur einer optischen Oberfläche zu überlagern.
Dadurch wird die relative Position der Werkzeugschneidkante gegenüber dem Formeinsatz während des spanenden Bearbeitens abhängig von der lateralen Relativlage zwischen Werkzeug sowie Werkstück und abhängig von einer auf der Negativfläche aufzubringenden Mikrostruktur dynamisch gesteuert.
Eine derartige Mikrostruktur entsteht, wenn abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche während eines Zyklus der Bearbeitung die Richtung der Zustellung auf einer bestimmten Strecke mehrmals geändert wird. Ein Zyklus der Bearbeitung ist bei einem Drehprozess die Bewegung des Diamanten auf einer Spiralbahn auf der Negativfläche. Beim Hobeln ist es die Bewegung des Diamanten in einer oder mehreren Richtungen über die Negativfläche. Während einer derartigen Bewegung wird der Diamant in einer Richtung auf die Negativfläche zugestellt oder in einer Position zur Negativfläche gehalten. Dies ermöglicht es, eine Grundkontur in der Negativfläche auszubilden. Dabei ist die Bewegung ohne ein Hin und zurück des Diamanten zur Erzeugung der Grundkontur vorzugsweise das Bewegen des Diamanten über eine Strecke von weniger als 10 mm in der Ebene der Negativfläche.
Der Grundkontur wird eine Mikrostruktur überlagert, indem auf der Strecke der Bewegung zur Erzeugung der Grundkontur – d. h. vorzugsweise auf der Strecke von 10 mm abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zustellrichtung des Diamanten vor und zurückbewegt wird und dies mindestens einmal wiederholt wird. Dadurch wird einerseits durch die Zustellbewegung eine hochpräzise Grundkontur erzeugt und zusätzlich durch die überlagerte Zustellbewegung eine hochpräzise Mikrostruktur.
Bei eisenhaltigen Werkstoffen kommt es jedoch normalerweise zu übermäßigem Verschleiß des Diamantwerkzeugs und damit einhergehend zu Prozessausfällen nach bereits wenigen Sekunden. Grund hierfür ist die Tatsache, dass Diamant aus Kohlenstoff in kubisch flächenzentrierter Anordnung besteht. Kommt es in der extrem kleinen Schnittkontaktfläche zu hohen Drücken und Temperaturen, zerfällt der kubisch flächenzentrierte Kohlenstoff (Diamant) und graphitisiert. Der graphitisierte Kohlenstoff diffundiert in die eisenhaltige Oberfläche und härtet damit das eisenhaltige Werkstück. Abhilfe schafft hier der Einsatz eines Ultraschallschwingers, welcher das Diamantwerkzeug vorzugsweise mit einer Frequenz von mindestens 50, vorzugsweise mindestens 70 kHz oszillieren lässt (beispielsweise 50–200 kHz, vorzugsweise 50 bis 100 kHz, Amplituden zwischen 0,5 und 10 μm). Durch die Ultraschallschwingung kommt es periodisch zum Eingriff des Diamanten in das Werkstück und zur Freischwingung ohne Kontakt zwischen Diamant und Werkstück. Die zeitliche Unterbrechung des Kontakts zwischen Diamant und Werkstück reduziert die Diffusionsvorgänge derart, dass ausreichende Standzeiten des Diamantwerkzeugs bei der Zerspanung von eisenhaltigen Werkstücken realisiert werden können. Mit der ultraschallunterstützten Diamantbearbeitung lässt sich daher auch bei eisenhaltigen Materialien eine Oberflächenrauheit von weniger als 50 nm Ra erzielen. Je nach Prozessführung und eisenhaltigem Material können sogar direkt Rauheiten von < 20 nm Ra erzielt werden, womit der Formeinsatz direkt verwendet werden kann. Alternativ bei Rauheiten < 50 nm ist ein Feinstpolierschritt möglich und notwendig, der keine Kontourveränderung bewirkt, lediglich die Rauheit auf Werte kleiner 20 nm reduziert, um den Formeinsatz optisch nutzbar zu gestalten.
Erfindungsgemäß wird nun für die Erzeugung der Mikrostruktur in eisenhaltigen Oberflächen die ultraschallunterstützte Diamantbearbeitung mit einer dynamischen Ansteuerung in Werkzeugzustellrichtung (Zustelltiefe) verbunden. Durch die Kombination der Ultraschallschwingung mit einer Unrunddrehbearbeitung (Drehen mit Werkzeugzustellbewegung) bzw. Hobeln/Stoßen zur Mikrostrukturierung von Oberflächen existieren vier relevante gerichtete Bewegungen im Prozess. Die Ultraschallschwingbewegung ist annähernd gleichgerichtet mit der Schnittbewegung des Diamantwerkzeugs und steht annähernd senkrecht auf der Spanfläche des Diamantwerkzeugs. Dies gilt sowohl für Dreh- als auch für Hobel-/Stoßprozesse. Im Falle des Drehens ergibt sich die Schnittbewegung des Diamantwerkzeugs aus der Bauteilrotation bei jeweiligem Radius. Beim Hobeln/Stoßen ergibt sich die Schnittbewegung durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug, wobei der Hauptanteil der Schnittgeschwindigkeit nicht durch eine Rotation des Werkstücks sondern durch eine Linearbewegung hervorgerufen wird. Die zur Mikrostrukturierung relevante und geregelte Zustellbewegung ist senkrecht zur Schnitt- und Schwingbewegung orientiert und zeigt auf das Bauteil. Die Vorschubbewegung der Werkzeugschneide ist senkrecht zu der Schnitt- und Schwingbewegung und senkrecht zur Zustellbewegung. Die Zustellbewegung der Werkzeugschneide mit Ultraschallschwinger wird dabei in Abhängigkeit der jeweiligen Werkzeugposition auf der Bauteiloberfläche (r, φ: Drehen; x, y: Hobeln/Stoßen) dynamisch gesteuert, um Mikrostrukturen in Stahl mit optischer Oberflächenqualität direkt zu fertigen. Je nach Geometrie der kontinuierlichen Basisfläche bzw. Mikrostruktur sind die hieraus resultierenden Eingriffsverhältnisse am Formeinsatz nicht senkrecht orientiert.
Hierin kann „dynamisch” bedeuten, dass bei Drehgeschwindigkeiten von mehr als 10 U/min um die Bearbeitungsachse die Zustellung der Werkzeugschneidkante gegenüber dem Formeinsatz während des spanenden Bearbeitens abhängig von der lateralen Relativlage zwischen Werkzeug sowie Werkstück und abhängig von einer auf der Negativfläche vorgesehenen Mikrostruktur dynamisch gesteuert wird.
Für ultraschallgestützte Hobel-/Stoßprozesse existiert keine für die Schnittgeschwindigkeit relevante rotative Bewegung des Werkstücks. Das Diamantwerkzeug wird linear über das Werkstück geführt. Hier gilt als „dynamisch”, insbesondere wenn mit dem Werkzeug Schnittgeschwindigkeiten > 10 cm/min realisiert werden.
Als dynamische Achssysteme für die Zustellbewegung können sogenannte Slow Tool Servos bzw. Fast Tool Servos zum Einsatz kommen. Bei einem Slow Tool Servo gibt es in der Regel mindestens eine normale Maschinenachse mit dynamischer Ansteuerung über ein G-Code Maschinenprogramm bzw. eine Programmierung über Skriptsprache. Beim Fast Tool Servo gibt es zur Erhöhung der Beschleunigung oft eine jeweilige Zusatzachse mit stark reduziertem und dynamisch bewegtem Achsgewicht und eigenständiger Steuerungsarchitektur, die mit der Maschinengrundsteuerung synchronisiert wird.
Vorzugsweise weist die Negativfläche des Formeinsatzes Stahl auf. Dies ist von Vorteil, denn man benötigt keine aufwändig galvanisch aufgebrachte Schicht aus Nickel-Phosphor (NiP), um den Diamant vor dem eisenhaltigen Material zu schützen. Solch eine NiP-Schicht kann stellenweise abplatzen und weist nicht die benötigte Stabilität für den Replikationsprozess auf. NiP beschichtete Stahleinsätze stellen den derzeitigen Stand der Technik bei mikrostrukturierten Formeinsätzen für die Großserienfertigung dar.
Die Mikrostruktur weist vorzugsweise mindestens ein oder zwei Ordnungen auf, wobei eine erste Ordnung der Mikrostruktur Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung der Mikrostruktur überlagert sind. Die erste Ordnung der Mikrostruktur kann dabei eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 10 mm und die zweite Ordnung der Mikrostruktur eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 100 μm aufweisen. Die einzelnen Flächen der zweiten Ordnung der Mikrostruktur in der Größenordnung von unter 100 μm haben dabei eine Rauheit von weniger als 50 nm Ra. Je nach optischem Design kann die Mikrostruktur der ersten Ordnung entfallen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten Negativfläche eines Formeinsatzes für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten vorzugsweise optisch funktionalen Positivfläche, aufweisend:

– eine Bearbeitungsmaschine zum Drehen eines Formeinsatzes um eine Bearbeitungsachse, wobei die Bearbeitungsmaschine eine Werkstückaufnahme zum Fixieren des Formeinsatzes hat,
– eine Steuereinheit und
– ein Werkzeug mit einer Werkzeugschneidkante, die einen monokristallinen Diamanten aufweist, wobei das Werkzeug. dazu eingerichtet ist, die Negativfläche eines in der Werkstückaufnahme fixierten Formeinsatzes spanend zu bearbeiten, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die relative Position der Werkzeugschneidkante gegenüber dem Formeinsatz abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zuführung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, vorzugsweise mehr als 0,5 Hz dynamisch in einer Zustellrichtung zu steuern, und die Vorrichtung eine Ultraschalleinheit zum Anregen von Schwingungen der Werkzeugschneidkante aufweist.

Vorzugsweise ist die Ultraschalleinheit dazu eingerichtet, die Werkzeugschneidkante zu Schwingungen senkrecht zur Vorschubrichtung anzuregen.
Die Ultraschalleinheit kann dabei einen Transversal-Ultraschallschwinger oder einen Longitudinal-Ultraschallschwinger aufweisen. Der Transversal-Ultraschallschwinger hat gegenüber dem Longitudinal-Ultraschallschwinger den Vorteil, dass bei stark konkaven Negativflächen eine größere Eindringtiefe realisierbar ist. Dagegen ist der Longitudinal-Ultraschallschwinger im Aufbau prinzipiell simpler und bedarf einer weniger genauen Abstimmung der verwendeten Komponenten zueinander. Daher kann je nach Anwendungsfall der Transversal-Ultraschallschwinger oder der Longitudinal-Ultraschallschwinger von Vorteil sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Formeinsatz bereitgestellt mit einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten vorzugsweise optisch funktionalen Positivfläche, wobei die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 20 nm Ra aufweist als auch eine Mikrostruktur unterhalb von 100 μm. Der Rauheitswert kann auch durch die Kombination einer Ultraschallbearbeitung (Rauheit < 100 nm) und einer kombinierten Feinstnachpolitur erreicht werden.
Vorzugsweise weist die Mikrostruktur mindestens ein oder zwei Ordnungen auf, wobei eine erste Ordnung der Mikrostruktur Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung der Mikrostruktur überlagert sind. Die erste Ordnung der Mikrostruktur kann dabei eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 10 mm und die zweite Ordnung der Mikrostruktur eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 100 μm aufweisen. Die einzelnen Flächen der zweiten Ordnung der Mikrostruktur in der Größenordnung von unter 100 μm haben dabei eine Rauheit von weniger als 20 nm. Je nach optischem Design kann die Mikrostruktur der ersten Ordnung entfallen.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Element aus Kunststoff für LED-Fahrzeugscheinwerfer zum definierten Ausleuchten der Fahrbahn bereitgestellt, wobei das optische Element mittels eines zuvor beschriebenen Formeinsatzes replikativ hergestellt ist und eine gewölbte optisch funktionale Oberfläche aufweist mit einer Rauheit von weniger als 20 nm und einer Mikrostruktur unterhalb von 100 μm zur Beeinflussung des Übergangs eines mittels LEDs ausgeleuchteten Fahrbahnbereichs zu einem nicht ausgeleuchteten Fahrbahnbereich.
Vorzugsweise weist auch hier die Mikrostruktur mindestens ein oder zwei Ordnungen auf, wobei eine erste Ordnung der Mikrostruktur Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung der Mikrostruktur überlagert sind. Die erste Ordnung der Mikrostruktur kann dabei eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 10 mm und die zweite Ordnung der Mikrostruktur eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 100 μm aufweisen. Die einzelnen Flächen der zweiten Ordnung der Mikrostruktur in der Größenordnung von unter 100 μm haben dabei eine Rauheit von weniger als 20 nm.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes;
2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes;
3 einen Transversalschwinger für die Ultraschallanregung der Werkzeugschneidkante;
4 einen Longitudinalschwinger für die Ultraschallanregung der Werkzeugschneidkante;
5a, 5b und 5c schematisch Formeinsätze mit verschiedenen Formen einer Negativfläche;
6 eine schematische Detailansicht einer Freiformoberfläche mit zwei Beispielen einer Mikrostruktur; und
7a, 7b eine Darstellung der Bewegungen im kombinierten Prozess beim Drehen 7a und Hobeln/Stoßen 7b.
In 1 ist schematisch eine Bearbeitungsmaschine 1 mit einer mittels einer Spindel um eine Bearbeitungsachse 3 drehbaren Werkstückaufnahme 5 gezeigt. In der Werkstückaufnahme 5 ist ein Formeinsatz 7 als zu bearbeitendes Werkstück eingespannt und somit zum Drehen des Formeinsatzes 7 um die Bearbeitungsachse 3 fixiert. Die Bearbeitungsmaschine 1 weist ferner ein Werkzeug 9 mit einer Werkzeugschneidkante 11 auf. Das Werkzeug 9 ist auf einer Werkzeugwechselplatte 13 befestigt. Die Werkzeugwechselplatte 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel an einer Sonotrode 15 eines Transversal-Ultraschallschwingers 17 befestigt, wobei die Sonotrode 15 mittels eines Piezo-Erregers 19 in Ultraschallschwingungen versetzt werden kann. Die Art der Ausbreitung der Ultraschallschwingungen vom Piezo-Erreger 19 über die Sonotrode 15 bis zur Werkzeugwechselplatte 13 ist in einer gestrichelten Sinuswelle 21 schematisch und zum Zweck der Darstellung stark übertrieben angedeutet. Die tatsächliche Frequenz der Ultraschallwelle beträgt 50 bis 100 kHz, wobei sich am Werkzeug eine Schwingungsamplitude von 0,5 bis 10 μm einstellt. Die entsprechende Schwingungsrichtung 23 der Werkzeugschneidkante 11 ist ebenfalls aus Darstellungszwecken stark übertrieben durch einen gestrichelten Doppelpfeil gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sonotrode 15 an einem leichten Schlitten 25 im Sinne eines Fast Tool Servos angebracht. Der leichte Schlitten 25 kann zur Erzeugung von Mikrostrukturen mit Beschleunigungen von über 10 m/s² bewegt werden. Der leichte Schlitten 25 ist wiederum auf einem trägeren Maschinenschlitten 27 angeordnet. Sowohl der leichte Schlitten 25 als auch der Maschinenschlitten 27 sind in Richtung der Bearbeitungsachse 3 auf einem Maschinenbett 29 beweglich. Der leichte Schlitten 25 wird mit einer eigenständigen Steuerungsarchitektur angesteuert, die mit der Maschinengrundsteuerung synchronisiert ist. Alternativ dazu könnte die Sonotrode 15 auch direkt an dem Maschinenschlitten 27 angeordnet sein. Dann würde die Werkzeugschneidkante 11 im Sinne eines Slow Tool Servos direkt über einen G-Code der Maschinengrundsteuerung zur Erzeugung einer Mikrostrukturierung in Richtung der Bearbeitungsachse 3 bewegt. Wenngleich in 1 nicht gezeigt, so ist die Spindel mit der Werkstückaufnahme 5 und dem eingespannten Formeinsatz 7 senkrecht zur Papierebene (aufgespannt durch die Bearbeitungsachse 3 und die Schwingungsrichtung 23) beweglich.
2 zeigt eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine 1, bei der das Werkzeug 9 senkrecht zur Bearbeitungsachse 3 beweglich ist und die Spindel mit der Werkstückaufnahme 5 und dem eingespannten Formeinsatz 7 in Richtung der Bearbeitungsachse 3. Hier verläuft die Ultraschall-Schwingungsrichtung 23 senkrecht zur Papierebene, die von einer Bearbeitungsachse 3 und einer lateralen Bewegungsrichtung 31 eines Maschinenschlittens 27 aufgespannt wird. Die Ausführungsform der 2 entspricht ansonsten der Ausführungsform in 1.
3 zeigt einen Transversal-Ultraschallschwinger 17 für die Ultraschallanregung der Werkzeugschneidkante 11. Das Werkzeug 9 ist wie in 1 auf einer Werkzeugwechselplatte 13 befestigt. Die Werkzeugwechselplatte 13 ist an einer Sonotrode 15 eines Transversal-Ultraschallschwingers 17 befestigt, wobei die Sonotrode 15 mittels eines Piezo-Erregers 19 in Ultraschallschwingungen versetzt werden kann. Die Art der Ausbreitung der Ultraschallschwingungen vom Piezo-Erreger 19 über die Sonotrode 15 bis zur Werkzeugwechselplatte 13 ist in einer gestrichelten Sinuswelle 21 schematisch und zum Zweck der Darstellung stark übertrieben angedeutet. Die tatsächliche Frequenz der Ultraschallwelle beträgt 50 bis 100 kHz, wobei sich am Werkzeug eine Schwingungsamplitude von 0,5 bis 10 μm einstellt. Die entsprechende Schwingungsrichtung 23 der Werkzeugschneidkante 11 ist ebenfalls aus Darstellungszwecken stark übertrieben durch einen gestrichelten Doppelpfeil gezeigt.
4 zeigt einen Longitudinal-Ultraschallschwinger 33 für die Ultraschallanregung der Werkzeugschneidkante 11. Hierbei überträgt die Sonotrode 15 die Ultraschallwellen im Gegensatz zum Transversal-Ultraschallschwinger 17 aus 3 nicht durch Verbiegung, sondern mittels Ultraschalldruckwellen 35, die sich in der Sonotrode 15 vom Piezo-Erreger 19 zur Werkzeugwechselplatte 13 ausbreiten. Die Werkzeugwechselplatte 13 mit dem Werkzeug 9 und der Werkzeugschneidkante 11 schwingt dann in Schwingungsrichtung 23.
Die Schwingungsrichtung 23 in 3 und 4 ist gleich. Der Transversal-Ultraschallschwinger 17 hat dabei gegenüber dem Longitudinal-Ultraschallschwinger 33 den Vorteil, dass bei stark konkaven Negativflächen eine größere Eindringtiefe realisierbar ist. Dagegen ist der Longitudinal-Ultraschallschwinger 33 im Aufbau prinzipiell simpler und bedarf einer weniger genauen Abstimmung der verwendeten Komponenten zueinander. Daher kann je nach Anwendungsfall der Transversal-Ultraschallschwinger 17 oder der Longitudinal-Ultraschallschwinger 33 von Vorteil sein.
5a zeigt eine um die Bearbeitungsachse 3 rotationssymmetrisch konkave Grundform 37 einer Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Die Grundform 37 der Negativfläche bestimmt die später im Replikationsprozess mit dem Formeinsatz 7 herstellbare optisch funktionale Fläche eines optischen Elements und damit die prinzipielle Lichtlenkung. In diesem Fall ergäbe sich eine konvexe Positivfläche des optischen Elements, die LED-Licht bezüglich der optischen Achse (entspricht hier der Bearbeitungsachse 3) bündelt. Zur Lichthomogenisierung bzw. zur Definition der Hell/Dunkel-Übergänge benötigt diese Grundform 37 allerdings überlagerte Mikrostrukturen, die in 6 gezeigt sind.
5b zeigt eine um die Bearbeitungsachse 3 rotationssymmetrisch konvexe Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Hier ergäbe sich also eine konkave Positivfläche des optischen Elements, die LED-Licht bezüglich der optischen Achse (entspricht hier der Bearbeitungsachse 3) streut.
In 5c ist eine beliebige nicht-rotationssymmetrische Freiform als Grundform 37 der Negativfläche gezeigt, die im Replikationsprozess eine entsprechende Freiform der Positivfläche des optischen Elements definiert. Mit einer Freiform eines optischen Elements kann LED-Licht eines Fahrzeugscheinwerfers einen beliebig definierbaren Fahrbahnbereich ausleuchten.
6 zeigt zwei Beispiele einer Mikrostruktur 39, 41 auf einer Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Die erste Mikrostruktur 39 befindet sich direkt auf der Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Die erste Mikrostruktur 39 hat eine Größenordnung von weniger als 100 μm. Die einzelnen Flächen der Mikrostruktur 39 können je nach Bedarf in genau definierter Weise zur Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7 erzeugt werden oder zufällig stochastisch verteilt und ausgerichtet werden.
Die zweite Mikrostruktur 41 weist zwei Ordnungen 43, 45 auf, wobei eine erste Ordnung 43 der Mikrostruktur 41 Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung 45 der Mikrostruktur 41 überlagert sind. Die erste Ordnung 43 der Mikrostruktur 41 hat eine Größenordnung von unter 10 mm und die zweite Ordnung 45 der Mikrostruktur 41 hat eine Größenordnung von weniger als 100 μm. Die erste 43 und/oder zweite Ordnung 45 kann in genau definierter Weise zur Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7 erzeugt werden oder zufällig stochastisch verteilt und ausgerichtet werden.
7a zeigt die Bewegungsrichtungen beim Drehprozess. Das Diamantwerkzeug 11 führt angeregt durch den Ultraschallschwinger eine Schwingbewegung 23 parallel zur Schnittbewegung 47 aus. Durch die überlagerten Bewegungen kommt es zum zyklischen Eingriff und Freischwingen des Diamantwerkzeugs. Der kontinuierliche Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück wird in Schnittrichtung unterbrochen. Die Schnittbewegung resultiert aus der Bauteildrehung 49 und der jeweiligen Werkzeugposition. Diese resultiert aus der Vorschubbewegung 48, wahlweise von außen nach innen oder von innen nach außen. Die dynamische Zustellbewegung 46 des Diamantwerkzeugs zur Erzeugung der Mikrostruktur steht senkrecht zu Vorschub- und Schnittbewegung.
7b zeigt die Verhältnisse für den Hobel-/Stoßprozess. Anders als beim Drehen resultiert die Schnittbewegung 47 aus einer Relativbewegung zwischen Bauteil und Werkzeug, die primär durch eine Linearbewegung charakterisiert ist. Die Schwingbewegung 23 ist ebenfalls gleich zur Schnittbewegung orientiert. Die dynamische Zustellbewegung 46 des Diamantwerkzeugs zur Erzeugung der Mikrostruktur steht senkrecht zur Schnitt- und Vorschubbewegung.
Es sei hier angemerkt, dass die Merkmale von bestimmten beschriebenen Ausführungsformen auch in jeweils anderen Ausführungsformen zum Einsatz kommen können. Mit der hierin beschriebenen Erfindung wird es ermöglicht, einen eisenhaltigen Formeinsatz für die replikative Herstellung eines optischen Elements derart ultrapräzise zu bearbeiten, sodass die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 50 nm aufweist als auch eine Mikrostruktur unterhalb von 100 μm.
Bezugszeichenliste

1: Bearbeitungsmaschine
3: Bearbeitungsachse
5: Werkstückaufnahme
7: Formeinsatz
9: Werkzeug
11: Werkzeugschneidkante
13: Werkzeugwechselplatte
15: Sonotrode
17: Transversal-Ultraschallschwinger
19: Piezo-Erreger
21: Sinuswelle
23: Schwingungsrichtung
25: leichter Schlitten
27: Maschinenschlitten
29: Maschinenbett
31: laterale Bewegungsrichtung
33: Longitudinal-Ultraschallschwinger
35: Ultraschalldruckwellen
37: Grundform der Negativfläche
39: erste Mikrostruktur
41: zweite Mikrostruktur
43: erste Ordnung der zweiten Mikrostruktur
45: zweite Ordnung der zweiten Mikrostruktur
46: Zustellbewegung des Diamantwerkzeugs zur Mikrostrukturierung
47: Schnittrichtung
48: Vorschubrichtung
49: Bauteildrehung

Claims

Verfahren zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes (7) für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten Positivfläche, aufweisend die folgenden Schritte: – Fixieren des Formeinsatzes (7) in einer Werkstückaufnahme (5) einer Bearbeitungsmaschine (1), – spanendes Bearbeiten der Negativfläche des Formeinsatzes (7), wobei die Negativfläche mit einer Werkzeugschneidkante (11) mit einem monokristallinen Diamanten spanend bearbeitet wird, wobei die Werkzeugschneidkante (11) mittels Ultraschall in Schwingungen versetzt wird und abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zustellbewegung (46) des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Positivfläche optisch funktional ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zustellung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,5 Hz gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werkzeugschneidkante (11) im Wesentlichen senkrecht zu der Vorschubrichtung (48) der Werkzeugschneidkante (11) schwingt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei beim spanenden Bearbeiten ein Materialabtrag durch Drehen des Formeinsatzes (7) um die Bearbeitungsachse (3) gegen die Werkzeugschneidkante (11) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim spanenden Bearbeiten ein Materialabtrag durch lineares Hobeln des Formeinsatzes (7) gegen die Werkzeugschneidkante (11) und/oder lineares Stoßen der Werkzeugschneidkante (11) gegen den Formeinsatz (7) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stahl aufweisende Negativfläche des Formeinsatzes (7) bearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mikrostruktur (41) auf einer Grundform (37) der Negativfläche des Formeinsatzes (7) erzeugt wird, wobei die Mikrostruktur (39) eine Ordnung und die Mikrostruktur (41) zwei Ordnungen (43, 45) aufweist, wobei die erste (43) Ordnung der Mikrostruktur (41) Flächen aufweist, die mit der zweiten Ordnung (45) der Mikrostruktur (41) überlagert sind.
Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes (7) für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten Positivfläche, aufweisend: – eine Bearbeitungsmaschine (1) zum Drehen des Formeinsatzes (7) um eine Bearbeitungsachse (3), wobei die Bearbeitungsmaschine (1) eine Werkstückaufnahme (5) zum Fixieren des Formeinsatzes (7) hat, – eine Steuereinheit und – ein Werkzeug (9) mit einer Werkzeugschneidkante (11), die einen monokristallinen Diamanten aufweist, wobei das Werkzeug (9) dazu eingerichtet ist, die Negativfläche des in der Werkstückaufnahme (5) fixierten Formeinsatzes (7) spanend zu bearbeiten, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die relative Position der Werkzeugschneidkante (11) gegenüber dem Formeinsatz (7) abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche dynamisch in einer Zustellrichtung mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz zu steuern, und die Vorrichtung eine Ultraschalleinheit zum Anregen von Schwingungen der Werkzeugschneidkante aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Ultraschalleinheit dazu eingerichtet ist, die Werkzeugschneidkante zu Schwingungen senkrecht zur Vorschubrichtung anzuregen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Ultraschalleinheit einen Transversal-Ultraschallschwinger (17) oder einen Longitudinal-Ultraschallschwinger (33) aufweist.
Formeinsatz (7) mit einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten funktionalen Positivfläche, der mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist, wobei die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 20 nm aufweist als auch eine Mikrostruktur (39, 41) unterhalb von 100 μm.
Formeinsatz nach Anspruch 12, wobei die Mikrostruktur (39) eine Ordnung und die Mikrostruktur (41) zwei Ordnungen (43, 45) aufweist, wobei die erste Ordnung (43) der Mikrostruktur (41) Flächen aufweist, die mit der zweiten Ordnung (45) der Mikrostruktur (41) überlagert sind.
Optisches Element aus Kunststoff für LED-Fahrzeugscheinwerfer zum definierten Ausleuchten der Fahrbahn, wobei das optische Element mittels eines Formeinsatzes (7) gemäß Anspruch 12 oder 13 replikativ hergestellt ist und eine gewölbte optisch funktionale Oberfläche aufweist mit einer Rauheit von weniger als 20 nm und einer Mikrostruktur (39, 41) unterhalb von 100 μm zur Beeinflussung des Übergangs eines mittels LEDs ausgeleuchteten Fahrbahnbereichs zu einem nicht ausgeleuchteten Fahrbahnbereich.
Optisches Element nach Anspruch 14, wobei die Mikrostruktur (39) eine Ordnung und die Mikrostruktur (41) zwei Ordnungen (43, 45) aufweist, wobei die erste Ordnung (43) der Mikrostruktur (41) Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung (45) der Mikrostruktur (41) überlagert sind.