Herstellung von diskontinuierlichen Mikrostrukturen durch Ultrapräzisionszerspanung

ISBN-13: 9783863591090 / Niemiecki / Miękka / 2013 / 158 str.

Frank Niehaus

Opis

In vielen Anwendungsfeldern gewinnen Mikrostrukturen an Bedeutung. In der Biomedizintechniksorgen Mikrostrukturen für ein gerichtetes Zellwachstum von Nerven-, Muskel- oder Hautzellen.In der Beleuchtungs- und Displaytechnik werden mikrostrukturierte, lichtleitende Folienmit LEDs kombiniert. Die Strukturen dienen dabei der Lichtauskopplung und variieren in Längeund Abstand, um eine homogene Ausleuchtung zu erreichen. Aufgrund der Anforderungenan die Geometrie und die Oberflächengüte lassen sich derartige Strukturen nicht sinnvoll mitklassischen Mikrostrukturierungsverfahren, wie der Lithographie, fertigen. Die ultrapräzise Zerspanungmit monokristallinen Diamantwerkzeugen unter Verwendung von Fast-Tool-Servo-Systemen (FTS) stellt grundsätzlich eine alternative Fertigungsmethode für Mikrostrukturendar. Allerdings ist es erforderlich, die Diamantzerspanung für die Fertigung von Strukturen mitDimensionen im einstelligen Mikrometerbereich zu befähigen. Einschränkungen für die prozesssichereHerstellung liegen in der Maschinentechnik und im Fertigungsprozess.Hinsichtlich der Maschinentechnik sorgt die begrenzte Dynamik derzeit industriell eingesetzterFTS für überlange Prozesszeiten. Abhängig von den Strukturdetails und dem Bauteildurchmesserdauern Bearbeitungen oft bis zu mehreren Tagen. Dies ist sowohl aus wirtschaftlicherSicht als auch hinsichtlich der Präzision der Mikrostrukturen zu vermeiden. Im Rahmen dieserArbeit werden daher die dynamischen Einschränkungen von FTS-Systemen mit Piezoantrieberörtert. Hierzu wird unter anderem die Integration einer Dämpfungseinheit und eines Massenausgleichsdiskutiert.Die ultrapräzise Mikrostrukturierung mittels Diamantwerkzeugen erfordert im Vergleich zurBearbeitung kontinuierlicher optischer Oberflächen ein neuartiges Prozessverständnis. Durchdie Fertigung der Nutstrukturen im Einstechdrehprozess kommt es vermehrt zu Gratbildung.Zusätzlich wirkt sich der Werkstoff bei der Mikrozerspanung deutlich stärker als in der Makrobearbeitungauf den Fertigungsprozess und das Ergebnis aus. Vor diesem Hintergrund werdenin dieser Arbeit Analysen und Parameterstudien zur Untersuchung der prozessseitigen Einflussfaktorenauf die Gratbildung und die Strukturqualität sowie der Eignung von verschiedenenWerkstoffen zur Mikrostrukturierung durchgeführt.Abschließend wird das erarbeitete FTS-System bei der Fertigung von Mastergeometrien für dieReplikation von diskontinuierlichen Mikrostrukturen erprobt.