Photonikproduktion durch intelligente Technologie 27.05.2019, 00:00 Uhr

Effiziente Produktion von komplexen Kunststoffoptiken

Kunststoffoptik ist Innovationstreiber in zahlreichen Produkten, um Sensorik, Kameratechnik, Beleuchtung oder auch beispielsweise Augmented- und Virtual-Reality-Anwendungen zu ermöglichen. Kurze Entwicklungszeiten, kosteneffiziente Produktion in der Serie und komplexe Gestaltungsfreiheit sind Anforderungen, die sich aus der Produktgestaltung an die Kunststoffoptikproduktion ableiten lassen.

LED-Frontscheinwerfer (Audi A8)
Bild: Hella

LED-Frontscheinwerfer (Audi A8) Bild: Hella

Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projekts „ePiTec“ konnten maßgebliche Verbesserungen entlang der Prozesskette zur replikativen Herstellung von Kunststoffoptiken erarbeitet werden.

1 Der LED-Frontscheinwerfer Pionier moderner Kunststoffoptik

Die Ablösung des Xenon-Automobilfrontscheinwerfers durch die Erstvorstellung von LED-Systemen auf der IAA im Jahre 2005 durch Hella geschah rasanter, als ursprünglich angenommen. Während im Audi R8 als einem der ersten Serienfahrzeuge mit LED-Frontscheinwerfertechnik die Stückzahlanforderungen im Hintergrund standen, ist die Technologie heutzutage in der unteren Mittelklasse und bei Kleinwagen in höchsten Volumina angekommen. Kurze Entwicklungszyklen und kosteneffiziente Serienfertigung sind charakteristische Anforderungen an die Scheinwerfer.

Das kompakte Leuchtmittel LED in Kombination mit der Möglichkeit der präzisen Lichtführung durch Kunststoffoptik hat, anders als bei der vereinheitlichten Xenon-Lichtquelle, vielseitigen Designgestaltungsraum eröffnet, der von den Automobilherstellern aufgegriffen und genutzt wurde. Bereits wenige Jahre nach der Markteinführung existieren bis dato für die Industrie ungewohnt vielseitige Varianten. Die Kunststoff­linsen, die als Herzstück zur Lichtverteilung im Scheinwerfer zum Einsatz kommen, weisen komplexe Freiformgeometrien mit überlagerten Mikrostrukturen auf. Die Beurteilung der für das jeweilige optische System charakteristischen Lichtverteilung (Hell-/Dunkel-Bereich), der Gradienten zwischen den Bereichen und auch die Farbsäumung geschieht auf optischen Bänken in Entfernungen von 25 m und mehr. Aufgrund derartiger optischer „Hebelverhältnisse“ existieren höchste Präzisions­anforderungen an Linsen und Mikrostruktur, insbesondere bei Projektionsoptiken.

Vor dem wirtschaftlichen und auch dem technischen Hintergrund sind LED-Frontscheinwerferlinsen ein prädestiniertes Anwendungsbeispiel für die übergreifende Betrachtung der fertigungstechnischen Abläufe mit besonderem Augenmerk auf den Datenfluss von Design hin zur Fertigung und zurück zur Simulation aus real aufgenommenen Messwerten. Sie sollen den weiteren Ausführungen als Beispiel dienen.

2 Datenaufbereitung und Rückführung im Mittelpunkt der Aktivitäten

Die Produktentwicklung einer LED-Frontscheinwerferlinse beginnt mit der Auslegung des optischen Systems und hierbei vornehmlich der Linse zur Lichtverteilung. Das hybride optische System besteht aus einer Grundform asphärischer oder frei geformter Geometrie, um eine Intensitätsverteilung einzustellen. Die so entstehende Lichtverteilung muss jedoch aufgeweicht werden, um lokale Gradienten zu reduzieren und somit ein zu schnelles Ermüden des Fahrers bei Nachtfahrt zu verhindern. Diese Funktion übernehmen Mikrostrukturen, die der Grundform überlagert sind.

In der Regel erfolgt das Design in zwei Schritten. Über klassische Ray-Tracing-Verfahren wird zuerst die Grundform ausgelegt. Danach werden die Mikrostrukturen zur Aufweichung separat ausgelegt. Es gibt unterschiedliche geometrische Strukturgrundformen, zu denen gekreuzte Sinuswellen, Taschenstrukturen oder aber stochastische Strukturen gehören. Die lateralen Dimensionen der überlagerten Strukturen liegen im Bereich einiger 100 µm bis hin zu 1 mm. Die Tiefe der Strukturen variiert in der Regel zwischen 1 µm und 5 µm.

In einem folgenden Schritt werden Grundform und Mikrostruktur als Datensatz kombiniert.

Datensatz einer mikrostrukturierten Oberfläche Bild: Innolite

Datensatz einer mikrostrukturierten Oberfläche Bild: Innolite

Lange Zeit war eine Simulation der kombinierten Oberfläche, bestehend aus Grundkörper und Mikrostruktur, mittels Ray-Tracing-Verfahren nicht oder zumindest nur mit extremem Zeitaufwand von bis zu einer Woche pro Rechnung möglich. Grund ist die hohe Anzahl an Strahlen, die zur realen Abbildung einer mikrostrukturierten Oberfläche unter Berücksichtigung von Farbverläufen nötig ist. Somit konnte keine zuverlässige Aussage über Funktionalität der Gesamtoptik aus Sicht des Designs gemacht werden. Auch konnten keine Messwerte real gefertigter Linsen für Simulationszwecke herangezogen werden, um Toleranzbetrachtungen durchzuführen. Im Rahmen der Entwicklungen im Projekt ePiTec ist es der Firma Hella gelungen, die notwendige Algorithmik derart zu optimieren, dass vollständige Simulationen in Zeitintervallen von einigen zehn Minuten bis hin zu wenigen Stunden durchgeführt werden können.

Dies ist als entscheidender Entwicklungsschritt zu werten, um die Auslegung von LED-Frontscheinwerfern deterministisch zu gestalten. Vergleichend sind hierbei Oberflächenbeschreibungen auf Basis von Punktewolken (HDF5-Format) sowie Polynom basierte Verfahren verglichen worden.

Ein entscheidender Folgeschritt ist die Aufbereitung der simulationstechnisch verifizierten Designdaten zur Übergabe in CAD-/CAM-Programme. Im CAD-/CAM-Programm wird die kinematische Werkzeugbahnplanung für die drehende Zerspanung mit monokristallinem Diamant durchgeführt. Diese Technologie hat sich zur Herstellung der optischen Hybridflächen durchgesetzt. Ein üblicher Formeinsatz für LED-Scheinwerfer mit überlagerter Mikrostruktur und einem Durchmesser von 70 mm wird typischerweise mit etwa 30 Millionen Datenpunkten aus dem Design beschrieben. An dieser Schnittstelle ist eine sehr genaue Rohdatenqualität bei hoher Auflösung sowie das exakte Verständnis über Interpolationsroutinen erforderlich. Dies gilt insbesondere für Strukturen mit stärkeren Oberflächengradienten oder Designs mit aneinandergrenzenden unterschiedlichen Strukturen.

Das nachfolgende Bild zeigt exemplarisch den Vergleich von Designdaten (Soll-Daten, orange) und den entsprechend aufbereiteten Daten zur Bahnplanung mittels kommerzieller CAD Software (Ist-Daten, blau).

Abweichung von aufbereiteten CAM-Daten Bild: Fraunhofer IPT

Abweichung von aufbereiteten CAM-Daten Bild: Fraunhofer IPT

Obwohl rein geometrisch betrachtet die Formabweichungen < 300 nm liegen, führen die Überschwinger in den Soll-Daten der blauen Fertigungsdaten zu einer um den Faktor 10 erhöhten dynamischen Anregung der Diamantdrehmaschine im nachgelagerten Fertigungsprozess bei entsprechend präzise abgestimmter Lageregelung und ausreichend dynamischer Achse. Im Rahmen des Projekts ePiTec sind Softwarebausteine durch die Firma Innolite entwickelt worden, um derartige Datenvergleiche anzustellen und gegebenenfalls lokale Geometrieadaptionen in Form von Glättungen vorzunehmen.

Auf Basis der geometrischen Rohdaten wird durch den CAM-Schritt unter Berücksichtigung von Werkzeugradiuskompensationen und anderen maschinen- und prozessspezifischen Randbedingungen ein neuartiger Pfad für den Tool Center Point des Werkzeugs berechnet. Auch hier entscheidet die Anzahl der Stützpunkte zur Beschreibung des Pfads über die mögliche Auflösung und geometrische Abweichung zwischen tatsächlicher Soll-Geometrie und resultierender Ist-Geometrie der Werkzeugbahn. Da CAM-Routinen in der Regel offline berechnet werden, ist die Auflösung je nach verwendeter Software lediglich eine Frage von Rechenleistung, Speicher und Zeit. Hochwertige CAM-Routinen für optische Oberflächen entsprechen dem Stand der Technik und stellen keinen grundlegenden Engpass dar.

3 Neue Steuerungstechnik für Ultrapräzisionsmaschinen

Um mikrostrukturierte Freiformflächen in optischer Qualität mit Formhaltigkeiten < 500 nm und Rauheiten < Ra 5 nm herstellen zu können, ist die Unrunddrehbearbeitung mit monokristallinem Naturdiamant das technologisch geeignetste Verfahren.

Die hierzu verwendeten Maschinen zeichnen sich durch hydrostatische Linearführungen mit eisenlosen Direktantrieben und zerodurbasierten, offenen Positionsmesssystemen aus. Geradheitsabweichungen von < 100 nm/100 mm Verfahrweg und Positionierschrittweiten von < 3 nm sind typisch. Um thermische Einflüsse bei höheren Relativgeschwindigkeiten zu vermeiden, sind die eingesetzten Spindeln aerostatisch ausgeführt. Rundlaufgenauigkeiten < 10 nm entsprechen dem Stand der Technik. In Summe lassen sich beispielsweise für rotationssymmetrische Drehteile ohne besondere Anforderungen an die CNC-Steuerung beziehungsweise an die Maschinendynamik Formhaltigkeiten < 150 nm PV für Bauteildurchmesser von 50 mm realisieren. Die Wiederholgenauigkeiten liegen < 80 nm.

Die notwendige Dynamik zur Diamantzerspanung der mikrostrukturierten LED-Frontscheinwerfergeometrie ist jedoch signifikant höher als bei einer von den Dimensionen her vergleichbaren rotationssymmetrischen Linse. Maßgeblich limitierender Faktor aus Sicht der Maschinentechnik ist die der CNC zugrundeliegenden Mathematik in Kombination mit der zur Verfügung stehenden Rechenleistung.

Die Aufgabe der CNC ist es, die im Koordinatenraum liegenden Stützpunkte der zuvor berechneten CAM-Werkzeugbahn in Verfahranweisungen der interpolierenden Einzelachsen aufzuteilen. Diese Verfahranweisungen werden Führungsgrößen genannt. Neben der rein geometrischen Betrachtung während des CAM-Schrittes müssen für die Führungsgrößen der Einzelachsen der Ultrapräzisionsmaschine die jeweiligen lokalen Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Rucke berechnet und nach Vorgaben optimiert werden. Nach dem Stand der Technik erfolgen diese Berechnungen iterativ vorausschauend entlang einer Anzahl an Punkten, dem sogenannten Look Ahead. Diese Berechnungen werden in der CNC-Steuerung online während der Bearbeitung durchgeführt. Die hierzu verwendeten mathematischen Routinen sehen keine parallele Berechnung auf mehreren Kernen eines modernen IPCs vor, sondern beschränken sich auf einen einzelnen Kern.

Resultierend ist hinsichtlich der lokalen Auflösung bei der dynamischen Fertigung mikrostrukturierter Freiformflächen durch Diamantunrunddrehen die Berechnungsgeschwindigkeit von Führungsgrößen gängiger CNC-Steuerungen das maßgebliche begrenzende Element. Dem Stand der Technik entsprechen 500 Pkt/s bis hin zu 2500 Pkt/s. Zwischen den Punkten wird in der Regel auf Basis von Polynomen interpoliert, um den Positionsreglern der Einzelachsen mehr Stützpunkte zur Verfügung zu stellen (< 10 000 Pkt/s). Derartige CNC-interne Interpolationsroutinen können gerade bei der Fertigung mikrostrukturierter Optiken zu lokalen Neigungsfehlern führen, die signifikante Auswirkungen auf die Intensitätsverteilung der Scheinwerferlinse haben.

Lokale Neigungsfehler aufgrund unzureichender Präzision bei Inter­polation Bild: Fraunhofer IPT

Lokale Neigungsfehler aufgrund unzureichender Präzision bei Inter­polation Bild: Fraunhofer IPT

Im Rahmen des Projekts ePiTec ist ein neuartiger Steuerungsansatz für Ultrapräzisionsmaschinen durch die Firma Innolite entwickelt worden, bei dem die Berechnung der Führungsgrößen offline und ohne Verwendung iterativer Rechenvorschriften in einer definierten Punkteanzahl des Look Aheads durchgeführt werden kann. Die neuartige Software „Direct­Drive3D“ ist in der Lage, alle zur Verfügung stehenden Kerne eines Rechners für die Operationen zu nutzen. Wahlweise lassen sich somit 10 000 oder 50 000 Pkt/s an Führungsgrößen berechneen und in Dateien schreiben. Die Anzahl an Stützpunkten entspricht dem 20-fachen gegenüber dem Stand der Technik. Eine typische Berechnung der Führungsgrößen für einen mikrostrukturierten Formeinsatz dauert etwa 5 min. Diese vorberechneten Führungsgrößen werden im Nachgang zur Offline Berechnung an die Lageregelkreise der Einzelachsen über einen digitalen Bus gestreamt. Grundvoraussetzung zur Nutzung dieser hohen Informationsdichte sind FPGA- (Field Programmable Gate Array) basierte Lage- und Stromregelkreise mit einer entsprechend ebenfalls höheren Taktfrequenz. Die seitens Innolite eingesetzten Servoantriebe mit integrierter Lage- und Stromregelung arbeiten bei einer Frequenz von 100 kHz.

Im Rahmen der Arbeiten im Projekt ePiTec sind auch vergleichende Analysen zur Datenqualität der Führungsgrößen für Ultrapräzisionsmaschinen durchgeführt worden. Das folgende Bild zeigt in gelb die Referenzdaten und in blau die Berechnung der Führungsgrößen durch eine konventionelle CNC-Maschine (2 kHz Interpolationstakt) sowie die Führungsgrößen unter der neuartigen DirectDrive3D-Technologie.

Abweichungen zwischen Führungsgrößen (konventionelle CNC versus DirectDrive3D) Bild: Fraunhofer IPT

Abweichungen zwischen Führungsgrößen (konventionelle CNC versus DirectDrive3D) Bild: Fraunhofer IPT

Konventionell resultierende Überschwinger konnten um mehrere 100 nm reduziert werden.

4 Ultraschall gestützte Diamantzerspanung von Stahl

Die Herstellung von LED-Frontscheinwerferlinsen erfolgt replikativ mittels Kunststoffspritzguss. Entsprechend wird die optische Oberflächengeometrie mit überlagerter Mikrostruktur in einen metallischen Formeinsatz als Negativ mittels Diamantzerspanung eingebracht. Aus Sicht der robusten Serienproduktion für Automobilanwendungen ist Stahl das bevorzugte Material für einen derartigen Einsatz. Mit dem klassischen Diamantzerspanung lassen sich jedoch keine eisenhaltigen Werkstoffe bearbeiten. Die ultraschallgestützte Zerspanung mit Diamant ermöglicht eine prozesstechnologische Erweiterung um die Zerspanung von Stahl.

Derartige Ultraschall-Zusatzsysteme für die Diamantzerspanung werden untergliedert in longitudinale- und translatorische Schwinger. Für LED-Frontscheinwerferformeinsätze sind ausschließlich translatorische Systeme relevant, da sie die ausreichende geometrische Variabilität bieten, um auch in konkave Formeinsätze mit Pfeilhöhen von bis zu 70 mm einzutauchen. Dabei bestehen derartige translatorische Systeme aus einer Longitudinalsonotrode mit Piezoaktuator zur Anregung der Einheit in Eigenfrequenz bei typischerweise 100 kHz. Die Schwingung der Longitudinalsonotrode wird in eine senkrecht stehende Transversalsonotrode eingekoppelt. Das eigentliche Diamantwerkzeug ist an der auskragenden Transversalsonotrode aufgeschraubt, um ein Auskragen und somit eine kollisionsfreie Zugänglichkeit zu ermöglichen.

Nach dem Stand der Technik werden beide Teilsysteme, Longitudinalsonotrode und Transversalsonotrode, separat aufgebaut und abgestimmt. In einem Folgeschritt wird das Gesamtsystem miteinander verschraubt und als Einheit abgestimmt. Der positiven vereinfachten Auslegungsmethodik und Frequenzabstimmung steht der negative Einfluss gegenüber, dass Schwingungen bei Eigenfrequenzen von 100 kHz zu Setzungserscheinungen in der Verschraubung führen, die zu einer Verstimmung der Systeme führen. Eine ausreichende Langzeitstabilität für die automobile Serienfertigung war nicht gegeben. Im Rahmen des Projekts ePiTec konnte ein monolithisches System durch die Firma Innolite erfolgreich entwickelt, aufgebaut und getestet werden. Bei Schwingfrequenzen von etwa 100 kHz wird das Diamantwerkzeug um etwa ± 1 µm ausgelenkt.

„ILSonic“ – monolithischer Ultraschallschwinger zur Stahlbearbeitung mit Diamant Bild: Innolite

„ILSonic“ – monolithischer Ultraschallschwinger zur Stahlbearbeitung mit Diamant Bild: Innolite

5 Inline und externe Charakterisierung mikrostrukturierter Freiformflächen

Neben der Datenaufbereitung können geometrische Fehler in Mikrostruktur oder Grundform natürlich auch bedingt durch Maschinen- oder Prozesseinflüsse entstehen. Die Charakterisierung der optischen Oberfläche ist im Nachgang zur Zerspanung notwendig. Im Rahmen des Projekts ePiTec sind messtechnische Lösungen entwickelt worden, um auf einer separaten Messmaschine (Firma Mahr) beziehungsweise inline auf der Maschine (FHG IPT; Innolite) mikrostrukturierte Formeinsätze vollflächig zu vermessen.

Inline-Charakterisierung eines Formeinsatzes, vollflächig Bild: Fraunhofer IPT / Innolit

Inline-Charakterisierung eines Formeinsatzes, vollflächig Bild: Fraunhofer IPT / Innolit

In einer Spiral- oder Orbit­bewegung können optisch berührungslos messende Sensoren (faserbasiertes Interferometer (Firma Mahr), chromatisch konfokaler Sensor) über die Oberfläche geführt werden. Eine Rotationsachse ist in beiden Fällen in der Lage, den Sensor im Winkel zur Oberfläche anzustellen, um auch in steilen Oberflächenbereichen von bis zu 50° zur horizontalen in hoher Präzision Messwerte aufzunehmen.

Durch die Arbeiten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT ist die direkte Auswertung der Sensorwerte durch die FPGA-basierten Servoantriebe mit einer Messfrequenz von 10 kHz gelungen. Gängige Frequenzen zur Aufnahme von Messwerten lagen bis dato bei 1 kHz. Durch die signifikante Steigerung der Geschwindigkeit zur Messpunkteaufnahme können höhere Auflösungen während der Messung beziehungsweise kürzere Messzeiten zur Reduktion thermischer Einflüsse erreicht werden.

Beiden Systemansätzen (inline und externe Messung) gemeinsam ist die Überführung der Messwerte in das zur Simulation kompatible Format HDF5. Somit ist es im Rahmen der Arbeiten erstmals gelungen, real aufgenommene Messwerte eines hergestellten Formeinsatzes in die Simulation zurück­zuführen, um eine auf Ray-Tracing-Ansätzen basierende Einschätzung der optischen Qualität und Funktionalität durchführen zu können.

6 Zusammenfassung, Fazit und Ausblick

Das BMBF-geförderte Projekt ePiTec hat zur Effizienzsteigerung bei der replikativen Herstellung von komplexen Kunststoffoptiken am Beispiel LED-Frontscheinwerfer maßgeblich beigetragen. Auf Basis des HDF5-Datenformats konnte eine übergeordnete Datenkompatibilität zwischen Design, Fertigungsdaten und rückgeführten Messdaten erzielt werden. In der maschinentechnischen Weiterverarbeitung der Daten führt der neu entwickelte Steuerungsansatz DirectDrive3D zu einer 20-fach höheren Informationsdichte auf der optischen Ober­fläche, um wahlweise die Präzision oder die Bearbeitungs­geschwindigkeit zu erhöhen. Ein monolithisch ausgelegtes Ultraschallsystem ermöglicht die direkte Zerspanung mittels Diamant von Stahlformeinsätzen in industrieller Serientauglichkeit. Die messtechnischen Entwicklungsarbeiten haben eine externe und eine maschinenintegrierte Plattform hervor­gebracht, mit denen durch die scannende Bewegungsführung eines optischen Punktsensors die mikrostrukturierte Oberfläche des Formeinsatzes oder der replizierten Linse vollflächig gemessen werden kann. Die Messdaten werden zur Simulation kompatibel gespeichert, so dass eine Qualitätsbewertung der real gefertigten Oberfläche mittels Ray Tracing vorgenommen werden kann. Weiterführende Arbeiten fokussieren auf fresnelisierte Freiformlinsen.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt ePiTec wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ (Förderkennzeichen 02P14A100 bis 02P14A103) gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Von Dr. Christian Wenzel, Dipl.-Ing. Rainer Klar, Dr.-Ing. Philipp Kosse, Dipl.-Ing. Andreas Stockfisch, Dipl.-Phys. Dennis Zimmermann, Dr. Andreas Beutler, Dipl.-Ing. Thomas Weske, Dipl.-Ing. Daniel Zontar, Dipl.-Ing. Steffen Lowis

Dr. Christian Wenzel, Dipl.-Ing. Rainer Klar und Dr.-Ing. Philipp Kosse - Innolite GmbH
Campus Boulevard 79, 52074 Aachen
Tel. +49 (0)241 / 475708-12

Dipl.-Ing. Andreas Stockfisch und Dipl.-Phys. Dennis Zimmermann - Hella GmbH & Co. KGaA
Rixbecker Str. 75, 59552 Lippstadt
Tel. +49 (0)2941 / 38-7790

Dr. Andreas Beutler und Dipl.-Ing. Thomas Weske - Mahr GmbH Göttingen
Carl-Mahr-Str. 1, 37073 Göttingen
Tel. +49 (0)551 / 7073-99583

Dipl.-Ing. Daniel Zontar und Dipl.-Ing. Steffen Lowis - Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT
Steinbachstr. 17, 52074 Aachen
Tel. +49 (0)241 / 8904-520

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