Hochpräzise und komplex geformte optische Linsen kommen heute in vielen Produkten zum Einsatz - von der Smartphone-Kamera bis zum Fahrerassistenzsystem im Automobil. Aber auch in Lasersystemen oder moderner Fertigungsmesstechnik, die hochgenaue Ergebnisse liefern muss, spielen sie eine wichtige Rolle. Bei der Herstellung solcher Optiken beschreiben numerische Daten, die Form der Linsen.
Im dem Verbundprojekt „KoDaRe“ (Konsistente Datenrepräsentation und Referenzierung in der Ultrapräzisionsbearbeitung) hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen gemeinsam mit vier Projektpartnern aus der Industrie die Datenverarbeitung sowie die physikalische Referenzierung der Messdaten optimiert, um die Optiken in Zukunft noch präziser und kostengünstiger zu fertigen.
Nach drei Jahren gemeinsamer Forschung zur direkten und replikativen Optikfertigung wurde das Projekt „KoDaRe“ erfolgreich beendet. Ziel des Projekts war die Herstellung optischer Freiformflächen sowie die Entwicklung der dazu benötigten Computer-Aided-Manufacturing-Methodik (CAM) und der erforderlichen Mess- und Spanntechnik.
Der KoDaRe-Verbund wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der „Hightech Strategie“ des Bundes im Programm „Photonik Forschung Deutschland“ mit rund 1 Million Euro gefördert. Projektpartner waren die Module Works GmbH, die Ingeneric GmbH, die Hirschmann GmbH, die Aixtooling GmbH und das Fraunhofer IPT.
Die Verbundpartner der themenübergreifenden Kooperation hatten die Zielstellung, dazu beizutragen, komplex geformte optische Elemente wie etwa Linsen für Smartphone-Kameras präziser und kostengünstiger zu fertigen. Die Verbesserung der Fertigungstoleranzen führen dazu, dass in Linsensystemen weniger Linsen integriert werden müssen, so dass Geräte leichter und kompakter werden.
Im Rahmen des Projekts, unter der Koordination des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT, wurde eine workflow-basierte Prozessplanung auf Freiformflächen mit einer numerischen Genauigkeit im Nanometerbereich entwickelt und in einer CAM-Software implementiert.
Die Einbeziehung von Messdaten in die Werkzeugwegberechnung erlaubt nun eine adaptive Fertigung, die Fertigungsfehler, die beispielsweise durch Achsfehlstellungen der Fertigungsmaschine entstehen, ausgleichen kann. Die Bereitstellung mehrerer Bearbeitungsstrategien und Werkzeugtypen erlaubt den Einsatz in zahlreichen Anwendungen von der direkten Schleifbearbeitung von Glasrohlingen bis zur Erzeugung von Hartmetalleinsätzen als Negativformen für die Optikreplikation.
Die Hirschmann GmbH hat im Rahmen dieses Projekts ein universell einsetzbares Spann- und Palettiersystem für die Mikrofunkenerosion, Ultrapräzisionszerspanung und mechanischen Feinstbearbeitung entwickelt, das die Anforderungen einer Wechselgenauigkeit von ca. 0,5 µm im räumlichen Koordinatensystem sowie der Durchgängigkeit in der gesamten Prozesskette erfüllt. Dies ermöglicht ein Umspannen des palettierten Bauteiles zwischen Fertigungs- und Messmaschine, ohne eine bisher übliche zeitaufwendige Einrichtung des Bauteiles in der Fertigungs- bzw. Messmaschine.
Die Aixtooling GmbH und die Ingeneric GmbH konnten mit neuen Referenzierungsmethoden die Demonstratorbauteile unter Anwendung der entwickelten adaptiven Bahnplanung und der Mess- und Spanntechnik mit hoher Genauigkeit fertigen. Die ModuleWorks GmbH entwickelte Algorithmen zur Ultrapräzisionsfertigung. Das Fraunhofer IPT integrierte diese Algorithmen in ein CAM-Softwaretool, zusammen mit Kompensationsalgorithmen zur adaptiven Fertigung.
Die Projektergebnisse werden den Optik-Fertigungsstandort Aachen stärken. Die ansässigen Projektpartner Aixtooling und Ingeneric können die Projektergebnisse und das dazugewonnene Know-how in ihre Kundenprojekte einfließen lassen. ModuleWorks hat mit den Algorithmen zur Ultrapräzisions-Fertigung von Freiformflächen ein neues Marktsegment erschlossen, Hirschmann kann das neu entwickelte und von der Physikalisch-technischen Bundesanstalt (PTB) charakterisierte Spannsystem für Kunden mit besonders hohen Genauigkeitsanforderungen anbieten.
Das Fraunhofer Institut IPT plant, die hinzugewonnenen Kenntnisse in weiteren Forschungs- und Entwicklungsprojekten und Industrieprojekten weiter vertiefen. Die assoziierten Projektpartner Qioptiq GmbH und die Zeiss AG haben im Projekt wertvolle Hinweise in Bezug auf Anforderungen aus Anwendersicht gegeben.