Entwicklung einer Fertigungsstruktur für thermisch stabile Luftlager und Spindeln für die Ultra-Präzisions-Bearbeitung (THESTALA)

Problemstellung
Ultrapräzisionsbearbeitung ist die Fertigung von komplexen Bauteilen mit höchsten Anforderungen bezüglich geometrischer Genauigkeit und Oberflächenqualität. Anwendungsgebiete finden sich bspw. in der Optik für Mikroskope und Laser. Neben dem vibrationsarmen Aufbau der Drehmaschinen (Fundament und Rahmen werden aus speziellem Granit gefertigt) spielt der Wärmehaushalt während der Produktion eine erhebliche Rolle. Die Maschinen werden mit einer Genauigkeit von 0,02 °C klimatisiert, um Wärmedehnungen zu minimieren. Kritische Komponenten sind die eingesetzten Spindel- und Lagereinheit. Durch die im Bearbeitungsprozess entstehende Reibungswärme dehnen sich diese Komponenten aus, wodurch es zu kleinsten Welligkeiten und Maßabweichungen im Bauteil im Nanometerbereich kommen kann. Bei diesen hohen Qualitätsansprüchen ist eine Nacharbeit nach dem heutigen Stand der Technik momentan nicht möglich.

Ziel
Ziel des KMU-innovativ-Projekts THESTALA ist die Entwicklung einer digitalisierten Prozesskette von thermisch stabilen Luftlagern für die Ultrapräzisionsbearbeitung bestehend aus Rohling, Beschichtung, Oberflächenbearbeitung, Härtung und Qualitätssicherung.

Vorgehensweise
Die Prozesskette wird digitalisiert, um die Qualitätsprüfung und Nachbearbeitung des Werkstücks zukünftig in der Maschine zu realisieren. Hierzu wird im Forschungsprojekt eine Drehmaschine bezüglich Messtechnikanforderungen und Digitalisierungsstrategie weiterentwickelt. Anschließend werden Materialversuche für die Herstellung von thermisch stabilen Luftlagern und Spindeln, basierend auf einer neuartigen Materialkombination, durchgeführt. Mit den neuen Lagern werden umfangreiche Praxistests absolviert, um die hohen Qualitätsansprüche für die Ultrapräzisionsbearbeitung gewährleisten zu können.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Bei einer erfolgreichen Umsetzung dieses Projekts ergibt sich ein doppelter Nutzen. Zum einen soll die neu entwickelte Lager- und Spindeleinheit in Serie produziert werden. Zusätzlich können die Spindeln im Sondermaschinenbau integriert oder als eigenständige Baugruppe auf dem Markt angeboten werden. Zum anderen bietet die Digitalisierung der Prozesskette ein repräsentatives Beispiel dafür, wie bisher manuell geprägte Fertigungsschritte mit hohen Ausschussraten erheblich verbessert werden können.