Frank Niehaus - Herstellung von diskontinuierlichen Mikrostrukturen durch Ultrapräzisionszerspanung

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Produktbeschreibung

In vielen Anwendungsfeldern gewinnen Mikrostrukturen an Bedeutung. In der Biomedizintechnik sorgen Mikrostrukturen für ein gerichtetes Zellwachstum von Nerven-, Muskel- oder Hautzellen. In der Beleuchtungs- und Displaytechnik werden mikrostrukturierte, lichtleitende Folien mit LEDs kombiniert. Die Strukturen dienen dabei der Lichtauskopplung und variieren in Länge und Abstand, um eine homogene Ausleuchtung zu erreichen. Aufgrund der Anforderungen an die Geometrie und die Oberflächengüte lassen sich derartige Strukturen nicht sinnvoll mit klassischen Mikrostrukturierungsverfahren, wie der Lithographie, fertigen. Die ultrapräzise Zerspanung mit monokristallinen Diamantwerkzeugen unter Verwendung von Fast-Tool-Servo- Systemen (FTS) stellt grundsätzlich eine alternative Fertigungsmethode für Mikrostrukturen dar. Allerdings ist es erforderlich, die Diamantzerspanung für die Fertigung von Strukturen mit Dimensionen im einstelligen Mikrometerbereich zu befähigen. Einschränkungen für die prozesssichere Herstellung liegen in der Maschinentechnik und im Fertigungsprozess. Hinsichtlich der Maschinentechnik sorgt die begrenzte Dynamik derzeit industriell eingesetzter FTS für überlange Prozesszeiten. Abhängig von den Strukturdetails und dem Bauteildurchmesser dauern Bearbeitungen oft bis zu mehreren Tagen. Dies ist sowohl aus wirtschaftlicher Sicht als auch hinsichtlich der Präzision der Mikrostrukturen zu vermeiden. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher die dynamischen Einschränkungen von FTS-Systemen mit Piezoantrieb erörtert. Hierzu wird unter anderem die Integration einer Dämpfungseinheit und eines Massenausgleichs diskutiert. Die ultrapräzise Mikrostrukturierung mittels Diamantwerkzeugen erfordert im Vergleich zur Bearbeitung kontinuierlicher optischer Oberflächen ein neuartiges Prozessverständnis. Durch die Fertigung der Nutstrukturen im Einstechdrehprozess kommt es vermehrt zu Gratbildung. Zusätzlich wirkt sich der Werkstoff bei der Mikrozerspanung deutlich stärker als in der Makrobearbeitung auf den Fertigungsprozess und das Ergebnis aus. Vor diesem Hintergrund werden in dieser Arbeit Analysen und Parameterstudien zur Untersuchung der prozessseitigen Einflussfaktoren auf die Gratbildung und die Strukturqualität sowie der Eignung von verschiedenen Werkstoffen zur Mikrostrukturierung durchgeführt. Abschließend wird das erarbeitete FTS-System bei der Fertigung von Mastergeometrien für die Replikation von diskontinuierlichen Mikrostrukturen erprobt.