Bei der Produktion von Spritzgussteilen wie optischen Linsen spielt Genauigkeit bis in den Bereich des einzelnen Mikrometers eine immer grössere Rolle. Dies bedingt höhere Anforderungen an die Genauigkeit der Schliessbewegung der Formhälften. Hierbei ist Präzision eine Systemeigenschaft, für die mehrere Partner und Technologien zusammenwirken müssen. Entsprechende Grundlagenuntersuchungen werden beim Aachen Center for Optics Production (ACOP) der Fraunhofer-Gesellschaft durchgeführt.
«Bei der Produktion hochpräziser optischer Komponenten kommt dem Zusammenspiel der Einzelprozesse eine besondere Bedeutung zu.» erläutert Hendrik Naumann, M.Sc., wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen. Hier leitet er die Arbeitsgruppe Ultrapräzisionstechnik, die sich mit der Digitalisierung und Optimierung der Prozesskette zur Herstellung von spritzgegossenen optischen Linsen befasst. An der Durchführung entsprechender Grundlagenuntersuchungen beteiligen sich im Rahmen des Aachen Center for Optics Production – ACOP – insgesamt neun namhafte Industrieunternehmen. Zu diesen gehört auch die Agathon AG, ein Hersteller von Präzisionskomponenten für den Formenbau. Besonderes Augenmerk galt dabei Fragen der dauerhaften Sicherstellung der exakten Ausrichtung der Formhälften zueinander. Angesichts der geringen Abmessungen der Teile können hier schon kleinste Abweichungen zu Ausschuss führen. Nachteile von Flachzentrierungen
Festkörperreibung führt zu Ungenaugikeit Feinzentrierungen mit Wälzkörpern Vor allem für grössere Werkzeuge > 120 x 120 mm werden Feinzentrierungen mit höherer Tragkraft benötigt. Immerhin wächst bei solchen Formen die Masse mit allen drei Dimensionen L x B x H enorm an. Für solche Anwendungen wurde die vorgespannte Feinzentrierung Plus entwickelt. Als Wälzkörper dienen hier statt der Kugeln hochpräzise gefertigte Rollen, die eine deutlich höhere Tragkraft gewährleisten und einen verschleissarmen Betrieb bei gleichzeitig höchster Präzision ermöglichen. Im Vergleich zur Feinzentrierung mit Kugeln der Normreihe 7981 zeichnet sich diese Baureihe durch eine wesentlich höhere Anfangstragkraft bereits beim Erreichen der Vorspannung von zwei Rollenreihen aus: Die Anfangstragkraft von zwei Rollenreihen entspricht derjenigen von 16 Kugelreihen. Vorteile bieten die Feinzentrierungen mit Rollen zudem auch beim Einsatz im Reinraumbereich.
Maximale Tragkraft im Vergleich zu Flachzentrierung
Weitere Vorteile Konzepte im Vergleich
Kooperation zur Optimierung der Genauigkeit Zweiter Faktor ist dann die Beratung des Kunden bei der Herstellung der benötigten Schnittstellen bzw. Anschlussgeometrien der Formbestandteile. Ein besonderer Aspekt ist hierbei die Herstellung der Bohrungen. Hier spielen Gesichtspunkte wie Ebenheit der Flächen, Rechtwinkligkeit sowie Oberflächenqualität der Bohrungen und sogar das Material eine Rolle. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass die Herstellung von Aufnahmebohrungen direkt in der Gegenplatte in der Regel zu geringerer Genauigkeit führt. Grund hierfür ist die Tatsache, dass diese Bohrungen in aller Regel kubisch – d.h. durch Linearbewegungen von zwei Achsen – erzeugt werden. Die Maschinensteuerung muss dabei eine angenäherte Kreisbewegung durch die Kombination linearer Schritte der X- und Y-Achsen darstellen. Die Fertigung von Buchsen durch Präzisionsschleifen erfolgt dagegen mithilfe einer echten Drehachse. Eine so hergestellte Buchse kann daher in der Regel die nahezu unvermeidlichen Abweichungen einer kubisch hergestellten Aufnahmebohrung zumindest teilweise kompensieren. Bestmögliche Lösungen ergeben sich daher bei partnerschaftlicher Zusammenarbeit beider Parteien.
Ergebnisse des ACOP-Projekts
Die Ergebnisse zeigen, dass die Bearbeitung beider Platten nacheinander in der gleichen Position auf dem Maschinentisch das bezüglich der Positionsabweichungen mit Abstand beste Ergebnis brachte. Dies ist damit zu erklären, dass das wiederholgenaue Einspannen der Platte (Fall 1) in der gleichen Position einen kleineren Fehler erzeugt, als der Spindelfehler an verschiedenen Positionen im Maschinenbett (Fall 2). Der Fehler, der sich aus dem stärkeren Verbiegen des Fräserschafts aufgrund der größeren benötigten Länge für das Bearbeiten zweier Platten übereinander (Fall 3) ergibt ist größer als in Fall 1. Die Untersuchung möglicher Abweichungen der Bohrungsachse von der Vertikalen ergab, dass diese Vorgehensweise zumindest gleichwertige Ergebnisse brachte. Die Bearbeitung der Formplatten aus dem Werkstoff 1.2083 erfolgte in vier Schritten: Schruppen auf einer konventionellen Fräsmaschine, Feinbearbeitung auf einer Hochpräzisions-Dreiachsfräse, Nitrierhärten auf 58 HRC mit einem sehr geringen Aufmass und hoher Genauigkeit und abschliessendes Finishen mit einer Genauigkeit im unteren einstelligen μm-Bereich. Nach der Bestückung mit Agathon-Feinzentrierungen, Wirbelstromsensoren für die Ermittlung von Distanzabweichungen sowie Thermoelementen zur Temperaturkontrolle wurden Versuchsreihen mit jeweils 60 Produktionszyklen gefahren.
Wie Bild 8 zeigt, liegen die Positionsabweichungen der Wirbelstromsensoren in einem engen Streuband von ± 0,5 μm. Bei der Betrachtung fällt auf, dass offenkundig Oszillationen auftreten. Gleichzeitig durchgeführte Temperaturmessungen ergaben, dass in der Form in diesem Zeitraum auch die Temperatur um bis zu 1,5 K oszillierte. Auch korrelierten die Schwankungen von Temperatur und Positionsabweichungen. Die ACOP-Forscher merkten hierzu an, dass keine der dokumentierten Abweichungen auf das Zentriersystem zurückgeführt werden konnte. Positive Zusammenarbeit Hendrik Naumann, M.Sc., wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT Naumann merkt an, dass die Mitarbeiter der Agathon AG ihre Technologie auf hohem Niveau beherrschen und die gesamte Entwicklung aktiv und mit grossem Interesse begleiteten. Bei Fragestellungen und Diskussionen habe es immer wieder wertvolle Tipps gegeben. Verfechter und Förderer von spielfreien und abwälzenden Führungs- und Zentriersystemen Stefan Nobs, Head of PM & BD Precision-Parts bei Agathon AG Firmenprofil Normalien, die ihresgleichen suchen Herausragende Qualität – erstklassiger Kundenservice Alle Agathon-Normalien sind eine höherwertige Alternative zu gleitenden, mit Spiel behafteten Zentrier- und Führungssystemen – erst recht zu kubischen Flachzentrierungen. Unsere spielfreien Feinzentrierungen sind aus Wälzlagerstahl gefertigt und stellen einen verschleissarmen Betrieb Ihrer Anwendungen sicher. Nicht ohne Grund sind wir schliesslich bereits seit Jahrzehnten der weltweite Innovationsführer, wenn es um die Entwicklung und Herstellung von hochpräzisen Maschinenelementen, speziell von spielfreien Führungssystemen geht. Agathon Führungselemente zeichnen sich durch hohe Verschleissfestigkeit und Präzision aus, sie erfüllen höchste Anforderungen dank bester Materialqualität und Oberflächengüte sowie engster Form- und Lagetoleranzen. |
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