MICROSTRUCT

Problemstellung
Mikrostrukturierte Oberflächen werden häufig in der Bionik benötigt, wie z.B. Haifischhautstrukturen zur Senkung des Strömungswiderstands, oder in der Optik. So beeinflussen Licht lenkende Folien an Fenstern die Erwärmung von Räumen je nach Einfallswinkel des Sonnenlichts. Strukturierte Folien zum optimierten Ausleuchten von Displays für Computer oder Mobiltelefone verbessern die Lesbarkeit und reduzieren den Stromverbrauch. In biomedizinischen Anwendungen können mikrostrukturierte Folien als Medikamentenreservoir dienen oder ermöglichen ein gerichtetes Zellwachstum.
Allen genannten Beispielen ist gemeinsam, dass die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von mikrostrukturierten Folien erst durch eine Endlosfertigung sichergestellt werden kann. Durch die Verwendung von mikrostrukturierten Walzen mit großem Durchmesser wird ein schnelles und endloses Abprägen von Strukturen in Folie ermöglicht. Die bisher zur Walzenstrukturierung genutzten Verfahren, wie z.B. das Molettieren, das funkenerosive Abtragen oder die Laserablation, sind für die Herstellung funktioneller Mikrostrukturen nur bedingt geeignet. Die genannten Techniken sind nicht in der Lage, die für viele Anwendungen erforderlichen optischen Oberflächengüten zu erzeugen.
Für die Herstellung komplexer optischer Funktionsflächen und Mikrostrukturen ist die Ultrapräzisionszerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide besonders gut geeignet. Als Schneidstoff kommt Naturdiamant zum Einsatz. Mit diesem Verfahren werden Strukturgrößen im Bereich weniger Mikrometer bei Oberflächenrauheiten von unter 10 nm Ra erreicht. Eine Ultrapräzisionsdrehmaschine zur Strukturierung großer Prägewalzen bietet im Gegensatz zu anderen Verfahren die Möglichkeit, die gewünschten Mikrostrukturen direkt, durchgängig und in höchster Präzision zu erzeugen. Die Mikrostrukturierung großflächiger Walzen war auf bisher verfügbaren Maschinen nicht möglich.

Projektziele
Aufgrund des steigenden Bedarfs an großflächigen Mikrostrukturen mit optischen Oberflächen sollte eine Maschine entwickelt werden, mit der Walzen mit einem Durchmesser von 175 bis 800 mm und Längen von 500 bis 2500 mm mit Strukturgrößen von 5 bis 150 µm mittels Ultrapräzisionsbearbeitung versehen werden. Mit der Integration einer konfokalen Oberflächenmesstechnik, eines automatischen Werkzeugwechslersl und der Werkzeugeinmessung in die Bearbeitungsmaschine sollte der Prozess der Ultrapräzisionsbearbeitung automatisiert und die Qualität gesichert werden.

Vorgehensweise und Ergebnisse
Die Abmaße der zu strukturierenden Walzen erforderten ein neues Maschinenkonzept. Um hohe Steifigkeiten und gute Dämpfungseigenschaften zu erzielen, wurden sowohl die Führungen der Linearachsen als auch die Lagerung der Walze hydrostatisch ausgeführt. Für den Antrieb der Schlitten wurden Linearmotoren eingesetzt. Damit auch nicht-rotationssymmetrische Mikrostrukturen hergestellt werden können, kann die Zustellachse, die auch das automatische Werkzeugspannsystem beinhaltet, dynamisch bewegt werden.
Zur Qualitätssicherung wurde in die Maschine ein konfokales 3D-Messsystem integriert, mit dem die hergestellten Mikrostrukturen auf der Walze direkt charakterisiert werden. Aufgrund der erwarteten langen Bearbeitungszeiten zur Walzenstrukturierung waren ein automatischer Werkzeugwechsler und eine Einmessung der Werkzeuge mit Hilfe einer Kamera in der Maschine erforderlich. Diese mussten den extremen Genauigkeitsanforderungen der Ultrapräzisionstechnik (Winkelgenaui
gkeit: 0,5¿(arcmin); Positionsgenauigkeit: 1µm) genügen. Die Oberflächenmessung auf der zu bearbeitenden Walze löst den automatischen Werkzeugwechsel aus, sobald die Oberflächenqualität nicht mehr den Anforderungen entspricht.
Der aufgebaute Maschinendemonstrator mit den integrierten Systemen zur Qualitätssicherung und Prozessautomatisierung wurde erfolgreich bei der Ultrapräzisionsbearbeitung von Walzen gestestet.
Außerdem wurde der Extrusionsprägeprozess von PMMA -Folien mit mikrostrukturierten Walzen technologisch untersucht.

Anwendungspotenzial
Wegen des modularen Maschinenaufbaus können die entwickelten Teilkomponenten zum Aufbau von weiteren Maschinen und Anlagen im gesamten Gebiet der Präzisions- und Ultrapräzisionsbearbeitung eingesetzt werden:
- konfokales Oberflächenmessgerät zur In-Situ-Messung von Mikrostrukturen
- Optisches Messsystem für die Werkzeugeinmessung
- Automatisiertes Werkzeugwechselsystem für Diamantwerkzeuge
Die erzielten Ergebnisse werden in weiteren Schritten dazu genutzt, aus dem Demonstrator eine produktionstaugliche Maschine für die Herstellung großflächig mikrostrukturierter Prägewalzen zu entwickeln. Eine dadurch erreichte prozesssichere, automatisierte Herstellung bedeutet ein enormes Rationalisierungspotenzial. Die Folien verarbeitende Industrie wird durch die hohe Oberflächengüte der Mikrostrukturen in die Lage versetzt, neue Produkte mit optischen Eigenschaften herzustellen und zu vermarkten.