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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Inbetriebnahme einer neuen Ultrapräzisions-Bearbeitungsmaschine

06.12.2017

Die Fertigungsmöglichkeiten in der PTB wurden durch ein ultrapräzises 5-Achs-Bearbeitungszentrum erweitert (Typ 650 FG des Herstellers Moore Nanotechnology Systems). Neben der Erhöhung der Fertigungskapazitäten werden mit der neuen Maschine weitere ultrapräzise Bearbeitungsverfahren ermöglicht. Die spezielle Maschinen-Kinematik erlaubt nun das Schwenken des Werkzeugs und eine zusätzliche Arbeitsspindel ermöglicht zusätzlich noch eine Fräs- und Schleifbearbeitung in 5 Achsen.

Ultrapräzises 5-Achs Bearbeitungszentrum

Abb. 1: Die neue Ultrapräzisionsmaschine im Wissenschaftlichen Gerätebau der PTB. Die 5-achsige Maschine 650 FG des Herstellers Moore Nanotechnology Systems, hier bei einer Drehbearbeitung

Die Maschine besitzt in ihren drei orthogonalen translatorischen Achsen Verfahrwege von 350 mm, 300 mm und 150 mm. Die Hauptspindel besitzt einen nutzbaren Drehzahlbereich von 50 U/min bis zu 10.000 U/min bei einem Rundlauf von besser als 12,5 nm. Alternativ kann die Spindel als geregelte Achse zum Positionieren bei der Fräs- und Schleifbearbeitung sowie komplexen nicht rotationssymmetrischen Drehbearbeitungen genutzt werden; z.B. für die sog. Fast-tool Bearbeitung.

Am Werkstück können bei komplexen Geometrien Formabweichungen von deutlich unter einem Mikrometer bei Mittenrauwerten bis hin zu 5 nm erreicht werden. Einfache rotationssymmetrische Werkstücke können standardmäßig mit einem Formfehler geringer als 15 nm und Mittenrauwerten von Ra ≤ 3 nm gefertigt werden.

Blick in den Arbeitsraum der Maschine mit Schleifspindel

Abb. 2: Blick in den Bearbeitungsraum mit zusätzlicher Schleifspindel (Bildmittig, hinten)



Als Beispiel einer anspruchsvollen Bearbeitung zeigt Abb. 3 Geometrie und Messergebnis einer nicht rotationssymmetrischen Freiformfläche. Die Fläche besteht aus acht Abschnitten von Kugeln mit abwechselnd 39,5 mm und 40 mm Radius, welche jeweils stetig miteinander verbunden sind. Zusätzlich sind vier Marker unterschiedlicher Größe eingearbeitet. Das Design wurde in der AG 4.21 der PTB entwickelt. Dort wurden auch die optischen Messungen durchgeführt. Durch die enge Zusammenarbeit von Messtechnik und Fertigung konnten diese optimierten Prüfkörper entwickelt werden.

Arbeitsergebnis Freiformfläche mit Visualisierung der Solldaten      Arbeitsergebnis Freiformfläche mit Visualisierung der Solldaten

Abb. 3: Freiformfläche. Links: Geometriedaten (überhöhte Darstellung), rechts Messergebnis Darstellung der Abweichung der gemessenen Oberfläche von der Sollgeometrie in nm.

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