Um Lichtjahre voraus

Im Rahmen des E-ELT-Projekts (European Extremely Large Telescope) wird derzeit ein Teleskop gebaut, mit dessen Hilfe die Forscher dann unvorstellbare 13 Mrd. Lichtjahre (1 Lichtjahr = 9,46 Billionen km) weit ins Weltall blicken können. Um dieses Projekt zu realisieren, müssen viele verschiedene Bereiche zuverlässig Hand in Hand arbeiten. Unter anderem sind sogenannte asphärische Teleskopspiegel (primäre Astrospiegel) unabdingbar. Im Rahmen des vom bayerischen Wissenschaftsministerium unterstützen IFasO-Projekts (Integrierte Fertigung asphärischer Optik) ist die Hochschule Deggendorf damit betraut, Technologieentwicklung für die Bearbeitung von Astrospiegeln zu betreiben.

Das Wissenschaftsteam war sich schnell einig, dass zum wirtschaftlichen Erreichen einer entsprechend hohen Präzision eine komplexe Kombimaschine notwendig sein wird. Roland Mandler, Gründer und Geschäftsführer der OptoTech Optikmaschinen GmbH, Wettenberg, erklärt: „Beim Umspannen von einer auf die andere Maschine geht Zeit und Genauigkeit verloren. Das gilt es bei solch präzisen Bearbeitungsvorgängen zu vermeiden. Deshalb haben wir in unserer Sinumerik-gesteuerten Ultrapräzisions-Schleif- und Poliermaschine UPG 2000 CNC alle notwendigen Bearbeitungen und darüber hinaus auch das Messen integriert.“

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Oben: Feierliche Übergabe der Maschine an die Hochschule Deggendorf am 09.01.2013 (v. r. n. l.): Roland Mandler, Geschäftsführer der OptoTech Optikmaschinen GmbH; Egbert Reitz, Geschäftsführer
Reitz Natursteintechnik; Norbert Volk, Siemens
Niederlassungsleiter Frankfurt.
Mitte: Siemens-Vertriebsberater Michael Simmer (links) und
OptoTech-Konstruktionsleiter Jochen Franz sind sich einig, dass
Maschinenanwender mit der Sinumerik 840D sl die bestmögliche Steuerungslösung bekommen. „Kein anderer namhafter Steuerungsanbieter hat eine ähnlich offen skalierbare und modular aufgebaute Premium-CNC wie Siemens“, erläutert Jochen Franz einen der Gründe.
Unten: Beim Aufbau der UPG 2000 CNC in den Werkshallen der Reitz Natursteintechnik in Aßlar, einem Partner der OptoTech Optikmaschinen GmbH: Das aus dem glaskeramischen Werkstoff Zerodur bestehende Werkstück mit einem Durchmesser von rund 1,5 m wird auf einer speziellen Aufnahme spannungsfrei ausgerichtet, bevor der Schleifvorgang startet.

Der Fertigungsablauf für einen Astrospiegel klingt in der Kurzbeschreibung relativ überschaubar: vorschleifen – feinschleifen – messen – vorpolieren – messen – feinpolieren – fertig. Durch die extremen Genauigkeitsanforderungen ist der Vorgang in der Praxis jedoch extrem komplex.

Das aus dem glaskeramischen Werkstoff Zerodur bestehende Basiswerkstück mit einem Durchmesser von 1,5 m wird auf einer speziellen Aufnahmevorrichtung spannungsfrei ausgerichtet und eingespannt. Dann beginnt das Vorschleifen, gefolgt von dem Arbeitsschritt Feinschleifen mittels spezieller Diamantkugelwerkzeuge. Anschließend werden etwaige Unregelmäßigkeiten mit einem integrierten Messtaster erfasst, auf die Sinumerik-CNC übertragen und mit einem weiteren Feinschleifvorgang optimiert, so dass eine P-V-Zielgenauigkeit von ± 2 μm auf dem gesamten Durchmesser erzielt wird.

Danach wechselt das Werkstück von der Schleif- auf die Polierseite, wo laut OptoTech-Konstruktionsleiter Jochen Franz ein mehrtägiger Vorpoliturprozess beginnt. Er erklärt weiter: „Ist dieser beendet, vermisst ein hochdynamisches Laserinterferometer die gesamte Spiegelfläche innerhalb weniger Minuten. Die Ergebnisse werden schließlich wieder auf die CNC übertragen, und die Feinpolitur mit im Poliermittelstrom geführten Werkzeugen beginnt.“ Mit mehreren Iterationsschleifen soll schließlich das final gewünschte Ergebnis mit Genauigkeiten von P-V ≤ 30 nm erreicht werden.

Steifes Maschinenbett
Die wichtige konstruktive Basis der UPG 2000 CNC liegt im extrem steifen Maschinenbett mit Portalaufbau aus hochdichtem Granit. Jochen Franz ergänzt dazu: „Wir haben schon zu einem frühen Zeitpunkt eine Modalanalyse durch den Siemens-Mechatronic-Support durchführen lassen und dabei unter anderem festgestellt, dass die Maschine in der damaligen Entwicklungsstufe unzulässige Querschwingungen haben würde. Durch Versteifungsmaßnahmen am Maschinenportal und an den Seitenstützen und das gezielte Anbauen von zusätzlichen 20 t Granit haben wir dies verhindert und die Steifigkeit um 30 Prozent erhöht. Jetzt ist die UPG 2000 CNC mit rund 80 t ein echtes Schwergewicht, das an Stabilität und Steifigkeit kaum zu überbieten ist.“

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Darüber hinaus ist in allen acht Achsen höchste Präzision angesagt. Dementsprechend kommen primär hydrostatische Führungen und Rundlager mit Direktantrieben von Siemens zum Einsatz, welche rippeleffektfreie Bewegungen ausführen. In Zusammenarbeit mit der Premium-CNC Sinumerik 840D sl, die etwaige minimale Restfehler zuverlässig kompensiert, ist es nun möglich, beispielsweise die gesamte Länge von 3,5 m in der Y-Achse mit einer Abweichung von maximal 3 µm zu verfahren.

Neben der komplexen mechanischen Konstruktion spielt die eingesetzte Steuerung eine bedeutende Rolle. Nach einem speziellen Auswahlverfahren haben sich die Verantwortlichen rund um Konstruktionsleiter Jochen Franz für Siemens entschieden. Die Gründe dafür waren vielfältig. Die bereits seit 1996 anhaltende gute Zusammenarbeit habe die Entscheidung ebenso positiv beeinflusst wie die hilfreiche Entwicklungsunterstützung durch die Spezialisten des Mechatronic Supports.

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Premium-CNC Siemens
Sinumerik 840D: Neben der komplexen mechanischen Konstruktion spielt die eingesetzte Steuerung eine
bedeutende Rolle.

„Ausschlaggebend waren jedoch rein technische Faktoren“, bekräftigt Jochen Franz. „Kein anderer namhafter Steuerungsanbieter hat eine ähnlich offen skalierbare und modular aufgebaute Premium-CNC wie Siemens. Mit ihr können wir beispielsweise die Zahl der Achsen steuerungsseitig ganz einfach anpassen und die notwendigen Achsinterpolationen beliebig erstellen.“ Ebenso unkompliziert funktioniert laut dem Konstruktionsleiter die Anpassung der anwenderspezifischen Benutzeroberfläche. Softwareexperten von OptoTech generieren diese mit Hilfe von Siemens-Projekttools schnell und einfach.

Im Sinne der extremen Präzision sind bei dem Multi-Bearbeitungszentrum noch andere Faktoren wichtig. So ist etwa die technische Leistungsfähigkeit sehr gefragt und wird von der NCU 730.3 PN bestens erfüllt. Sie ist in der Lage, bis zu 31 Achsen zu steuern, bei minimalen Blockzykluszeiten von 0,4 ms. Das hervorragende Look-ahead trägt das Seine zur hohen Bearbeitungsqualität bei.

Fernwartung
Als einen weiteren Pluspunkt hebt Franz die Möglichkeit hervor, via Fernwartung auf die Siemens CNC zugreifen zu können. Dadurch kann OptoTech seinen Kunden im Bedarfsfall schnellst- und bestmöglich unterstützen. Denn auf diese Weise sind die Servicetechniker des Unternehmens in der Lage, vom eigenen Arbeitsplatz aus alle Sensoren, Druckwächter und ähnliches. auf etwaige Fehlfunktionen zu überprüfen und dem Kunden zielgerichtet bei der Reparatur zu helfen beziehungsweise die Maschine mit den richtigen Ersatzteilen schnellstmöglich wieder in Betrieb zu nehmen.

Die hohe Präzision, Produktivität und Zuverlässigkeit des Sinumerik-gesteuerten Kombizentrums UPG 2000 CNC ist für die Astro-Wissenschaftler der HDU Deggendorf enorm wichtig. Doch auch andere Branchen können von dieser Technologie profitieren, ist OptoTech-Geschäftsführer Roland Mandler überzeugt: „Ich denke beispielsweise an Unternehmen der Halbleiterlithographie. Auch hier wird Genauigkeit extrem großgeschrieben. Zwar werden sicherlich andere Maschinendimensionen gefragt sein, aber das ist für uns kein Problem.“