Neues Bearbeitungsverfahren Hochpräzise Bearbeitung sprödharter Werkstoffe

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Bei der Bearbeitung von Linsen oder anderen Strukturen aus Glas oder Keramik dominiert die dreigeteilte Technologiekette aus Schleifen, Läppen und Polieren in unterschiedlichen Anlagen. Ein Start-up in Jena führt dagegen die Bearbeitung in nur einer hochpräzisen CNC-Maschine durch.

«Zusammen kommen Annett Jahn und ich auf mehr als 26 Praxisjahre im Bereich Glasverarbeitung für die optische Industrie», sagt Maschbau.-Ing. Oliver Seidel, Geschäftsführer der Shapefab GmbH & Co. KG in Jena. Der gelernte Zerspanungsmechaniker kennt sich mit den Eigenschaften und Bearbeitungsverfahren von Glas- und Keramikwerkstoffen bestens aus. Auf Anregung von Co-Geschäftsführerin Dipl. Ing. Annett Jahn, die schon lange über solche Fragen nachgedacht hatte, entwickelten beide im Laufe der Jahre nach und nach Ideen, wie sich die Bearbeitung spröder Werkstoffe durch den Einsatz moderner, leistungsfähiger Werkzeugmaschinen, wie sie im Bereich der Metallverarbeitung routinemässig eingesetzt werden, rationeller und effizienter durchführen liesse als mit der herkömmlichen Technologiekette. Diese besteht aus den Arbeitsgängen Schleifen, Läppen und Polieren, die auf jeweils unterschiedlichen Anlagen und teils sogar in unterschiedlichen Räumlichkeiten durchgeführt werden. Das sei nicht nur zeitraubend, sondern berge auch die Gefahr von Genauigkeitseinbussen aufgrund des mehrfachen Wechsels der Aufspannung. Ihnen habe daher schon länger die Idee vorgeschwebt, alle drei Arbeitsgänge in nur einer Aufspannung auf ein und derselben Werkzeugmaschine durchzuführen

Werkzeug- und Formenbau

So gelingt der Weg zur vollautomatisierten Bearbeitungszelle

Werkzeuge mit definierter Geometrie in allen drei Prozessabschnitten

«Im Unterschied zur üblichen Vorgehensweise bei der Glasbearbeitung arbeiten wir in allen drei Prozessabschnitten mit Werkzeugen, die eine definierte Geometrie aufweisen», ergänzt Anett Jahn. Bei der konventionellen Glasbearbeitung erfolgt nur der erste Arbeitsgang mit diamantkornbesetzten Schleifstiften, die eine definierte Geometrie aufweisen. Die beiden folgenden Arbeitsgänge Läppen und Polieren erfolgen dagegen mit losem Korn, wodurch zahlreiche Einflussfaktoren zu berücksichtigen sind. Das Läppen erfolgt mit ungebundenen Schleifkörnern einheitlicher Grösse, die sich in einer Suspension in einem engen Spalt zwischen dem Werkstück und einem Gegenwerkzeug befinden. Ständige gleitende Relativbewegungen beider Körper sorgen dafür, dass winzige Materialmengen abgetragen werden. Das Ergebnis sind sehr matte Oberflächen mit einer Formgenauigkeit bis hinab zu 0,5 µm und Rautiefen Rz bis unter 0,05 µm. Beim anschliessenden Polieren werden dagegen Suspensionen, die sehr feine Poliermittelkörner enthalten, mithilfe nachgiebiger Textilien oder Filze unter leichtem Druck an der Oberfläche entlanggeführt. Damit soll die Oberfläche mit möglichst wenig Materialabtrag geglättet werden. Die Oberflächen sind danach hochglatt, transparent und glänzend. Bei komplexen Geometrien oder gar bei Freiformflächen können diese beiden Verfahren jedoch nicht ohne weiteres eingesetzt werden.

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Im Unterschied hierzu werden bei Shapefab alle Arbeitsgänge mit Schleifkörpern durchgeführt, deren Schleifmittelkörner fest gebunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die gewünschte Geometrie ebenso exakt der CAD-Vorgabe entspricht, wie dies bei der CNC-Bearbeitung von Metallen möglich ist. Mit speziell ausgewählten Schleifwerkzeugen sind hierbei Oberflächengüten bis 8 nm Ra erreichbar.

Geometrisch anspruchsvolle Strukturen bis zum Einzelstück möglich

«Die besondere Stärke unseres Verfahrens liegt darin, dass wir Strukturen erzeugen können, die geometrisch oft wesentlich anspruchsvoller sind als jene, die mit den herkömmlichen Verfahren bisher möglich waren», verdeutlicht Wirtsch.-Ing. Adrian Helming, Prokurist bei Shapefab. Im Prinzip könne man damit Strukturen darstellen, die andere bisher nur mit Metall erreichen. Beispiele sind Bauteile mit 3D-Freiformflächen, Linsenarrays, fassungsfreie Bauteile mit integrierten Befestigungspunkten oder -bohrungen, Mikrofluidik-Komponenten für die Labortechnik, Sensoroptiken oder Teile mit selektiv polierten Flächen auch an schwer erreichbaren Positionen. Da die Fertigung hoch automatisiert abläuft und die Teile unter CNC-Kontrolle und zumeist mithilfe von Standardwerkzeugen gefertigt werden, können Sonderanfertigungen bis hinab zum Einzelstück wirtschaftlich hergestellt werden. Dank des Einsatzes moderner, hochpräziser fünfachsiger Fräsmaschinen mit Ausstattung zum Schleifen von Röders verfüge man über interessante Freiheitsgrade bei der konstruktiven Auslegung komplexer dreidimensionaler Geometrien. So komme der Kunde zu Bauteilen, die bisher in dieser Form als nicht wirtschaftlich herstellbar galten. Erreichbar sind auch hohe Aspektverhältnisse bis zu 5:1, Stichmassabweichungen unter 5 µm, Abmessungstoleranzen unter 3 µm, minimale Strukturabmessungen von 300 µm und Oberflächenrauigkeiten Ra von weniger als 8 nm. Bei Bohrungen seien Rundheitsabweichungen von lediglich 2 µm selbst bei grosser Tiefe darstellbar.

Entwicklungspartnerschaft mit den Kunden

«Wir beschäftigen uns mit einer Fertigungstechnologie, die für die meisten Konstrukteure noch Neuland ist. Deshalb unterstützen wir unsere Kunden mit unserem speziellen Know-how», sagt O. Seidel. Ermöglicht werde dies ungeachtet des noch kleinen Teams dank der Tatsache, dass die ganze Prozesskette weitgehend automatisiert wurde. Alle Abläufe von der CAD-Konstruktion über die CAM-Umsetzung und Bearbeitung bis zur Qualitätssicherung seien vollständig digitalisiert. Die Werkstücke sind auf den Trägern eines Nullpunktspannsystems von Erowa fixiert, das eine hohe Wiederholgenauigkeit gewährleistet, und können somit ohne Präzisionseinbussen von den Bearbeitungszentren zum Koordinatenmesssystem und auch wieder zurück transferiert werden. Das Messsystem von Werth verfügt nicht nur über die üblichen Taster, sondern zusätzlich über einen Weisslichtsensor sowie einen Fasertaster, der auch polierte Flächen nicht beschädigt.

Aufgrund langjähriger Beschäftigung mit der Bearbeitung von Gläsern und Sprödmaterialien mithilfe von 5-Achs-Bearbeitungszentren, an die man bereits lange vor der Gründung der Firma heranging, verfüge man über weitreichendes Know-how bezüglich Anlagen, Software und Einsatzmöglichkeiten. Beispiele hierfür seien Fixiergeometrien, die direkt in optische Funktions- und Freiformflächen integriert wurden. Dadurch lassen sich die Bauteile auch ohne Justierelemente mikrometergenau in die Endanwendung integrieren. Auch könne man in Glas nicht nur Bohrungen, sondern sogar Gewinde durch fünfachsige Schleifbearbeitung erzeugen.

Weiterer Vorteil für Abnehmer sei die Möglichkeit, Schleifwerkzeuge nach eigenen Designs zu verwenden. Damit seien beispielsweise auch Hinterschneidungen oder Löcher mit komplexerer Geometrie kein Problem. Ebenso beherrsche man auch die oft problematische Herstellung scharfkantiger Übergänge, ohne dass es zu Kantenaussprüngen komme.

Gute Erfahrungen mit Röders

«Mit dem Hersteller Röders als Partner auf der Maschinenseite haben wir seit Jahren gute Erfahrungen gemacht», betont A. Jahn. Begonnen habe die Zusammenarbeit mit einem Praktikum, das sie im Zusammenhang mit ihrer systematischen Vorbereitung auf die Firmengründung vor Jahren bei Fa. Röders absolvierte. Hier habe man ihr eine umfassende Weiterbildung bezüglich der Einsatzmöglichkeiten und der Handhabung der Röders-Anlagen und ihrer Steuerung zuteil werden lassen und sie auch bezüglich der Umsetzung ihrer Ideen zur Bearbeitung von spröden Werkstoffen unterstützt. Die Programmierung der von Röders selbst entwickelten Steuerung RMS6 auf Windows-Basis sei intuitiv und deshalb erfreulich einfach zu erlernen gewesen. Auch eigene Bearbeitungszyklen seien mit der RMS6 einfach umsetzbar gewesen, da diese umfangreiche Funktionen für eine leistungsfähige Programmierung biete für die Fälle, bei denen die vorhandenen Heidenhain-Zyklen nicht ausreichten. Das habe ihr dabei geholfen, recht schnell ihre ersten Bearbeitungsprogramme mit vergleichsweise geringem Zeitaufwand zu erstellen.

Auf solider Basis in die Zukunft

«Wir haben bei der Gründung unseres Unternehmens sehr auf gründliche Vorbereitung und solide Finanzierung geachtet», verrät A. Helming. Das Team habe sich über Jahre hinweg systematisch auf die Start-up-Phase vorbereitet. Entscheidende Impulse gab es vom Exist-Gründerstipendium des Bundes, durch die Ernst-Abbe-Hochschule in Jena und durch tatkräftige Unterstützung seitens der Firma Röders. Dort habe man im Verlauf der Zusammenarbeit das Potenzial erkannt und beschlossen, die Gründer zu unterstützen. In der schwierigen Anfangsphase der Unternehmensgründung, als noch gar nicht an einen Kauf zu denken war, war Röders deshalb bereit, eine Maschine auf Mietbasis zur Verfügung zu stellen. Dies habe es der Firma ermöglicht, sehr früh erste Kunden zu beliefern, Einnahmen zu generieren und einen Kundenstamm aufzubauen sowie auch die Bearbeitungstechnologie weiterzuentwickeln. Inzwischen habe man bereits eine zweite Maschine, einen breiten und rasch wachsenden Kundenstamm und eine gute Auslastung. «Besonders zuversichtlich stimmen uns die zahlreichen Entwicklungsprojekte, die von Indus­triekunden an uns herangetragen werden, denn dahinter steckt noch enormes Potenzial für Serien­anwendungen», freut sich A. Helming. SMM

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