Ultraschallbearbeitung Ultraschall ebnet den Weg zu Riesenteleskopen

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Mit der Ultrasonic-Technologie von DMG Mori bearbeitet Coherent Spiegelsegmente bis zu zehnmal schneller, und schafft so die Voraussetzungen für Teleskope der nächsten Generation.

Neue und größere optische Teleskope mit Durchmessern von bis zu 30 Metern helfen den Forschern, noch tiefer ins All zu blicken, um grundlegende Fragen der Astronomie, Astrophysik und Kosmologie zu beantworten. Die Herausforderung beim Bau dieser Riesenteleskope besteht in der Bearbeitung der sechseckigen Spiegelsegmente, aus denen der gesamte Spiegel zusammengesetzt wird. 

Mehrere hundert davon sind nötig, um die Optiken mit Durchmessern von über 30 Metern zu bauen.  „Die ursprüngliche Form dieser Segmente ist ein runder Spiegel mit einem Durchmesser von eineinhalb Metern und einer Dicke von nur 45 Millimetern“, erklärt Matthew White, Senior Manager of Manufacturing Engineering bei Coherent Aerospace & Defense. „Diese bringen wir in eine sechseckige Form, das sogenannte Hexing. Dabei werden auch Montagefunktionen wie Sensortaschen integriert.“

Bis zu zehnmal schnellere Produktion dank Ultrasonic-Technologie

Die konventionelle Bearbeitung solcher Gläser erfolgt seit vielen Jahren auf Bearbeitungszentren mit Diamantwerkzeugen, allerdings in relativ langsamer Geschwindigkeit. „Bei den großen Spiegelsegmenten und den für uns enormen Stückzahlen würde es viele Jahre dauern, eine Sternwarte auf diese Weise auszurüsten“, rechnet White vor. In der Ultrasonic-Technologie von DMG Mori sah man das Potenzial, die Bearbeitungszeit drastisch zu reduzieren. Bei der Ultraschallbearbeitung schwingt das Diamantwerkzeug entlang seiner Achse mit hoher Frequenz und geringer Amplitude – zusätzlich zur eigenen Hochgeschwindigkeitsrotation des Werkzeugs. „Dadurch können wir das Material sechs- bis zehnmal schneller abtragen. Gleichzeitig erhöht sich die Standzeit des Werkzeugs erheblich“, sagt White. Das Verfahren hat sich zum Beispiel in der Halbleiterindustrie längst bewährt. Coherent hat es nun auf die Bearbeitung von noch größeren Glasbauteilen übertragen.

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XXL-Bearbeitung mit der Ultrasonic 200

Für die Ultraschallbearbeitung großer Bauteile hat DMG Mori die Ultrasonic 200 im Programm. Die Maschine basiert auf dem DMU 200-Portal und bietet Verfahrwege von 4.000 x 2.000 x 1.200 Millimeter. Das stabile Fundament der Gantry-Konstruktion ist eine optimale Basis für die hochpräzise Bearbeitung der Spiegelsegmente. Coherent goss zu diesem Zweck eine neue Betonplatte, die zusätzlich verstärkt wurde. „Das sorgt für mechanische Stabilität“, erklärt White. „Außerdem haben wir die Temperaturregelung in der Halle verbessert, um konstante Umgebungsbedingungen zu erreichen.“

Zuverlässiges Spannen und Bearbeiten 

Die größte Herausforderung liegt jedoch in dem enormen Durchmesser und der geringen Dicke. „Bei einem normalen Spannvorgang könnte sich das Bauteil verziehen“, sagt White. Das Bauteil könnte nach dem Lösen aus der Vorrichtung herausspringen, was die Maßhaltigkeit gefährden würde. Aufgrund der asymmetrischen und asphärischen Form ist auch eine einfache Vakuum-Spannvorrichtung keine geeignete Lösung, so dass die Ingenieure von Coherent einen eigenen Werkzeugansatz entwickelten, der eine Kombination aus Stütz- und Spannsystemen verwendet. 

White ist mit dem Ergebnis sehr zufrieden: „Damit wird das Spiegelsegment in allen Freiheitsgraden fixiert, ohne dass es zu unerwünschten Verbiegungen kommt.“ Er fügt hinzu, dass er von den Bearbeitungsergebnissen des zuverlässigen Prozesses beeindruckt ist: „Die Ultrasonic-Technologie reduziert durch die ständige Kontaktunterbrechung zwischen Werkzeug und Werkstück die auftretenden Prozesskräfte deutlich. Das sorgt zum einen für perfekte Oberflächen und Schnittkanten, weil es praktisch keine Materialausbrüche gibt. Zum anderen kommt sie auch dem komplexen Spannkonzept maximal entgegen.“

Ganzheitliche Fertigungslösungen

Maschinen: Partnerschaft über den gesamten Lebenszyklus

Partnerschaftliche Zusammenarbeit mit DMG Mori auf allen Ebenen

Die Gründe für die Investition in das große Ultrasonic-Modell von DMG Mori waren zum einen die guten Erfahrungen mit der innovativen Bearbeitungstechnologie. Zum anderen gab es bereits eine gute Partnerschaft mit dem Werkzeugmaschinenhersteller. „Die Reaktionszeiten im Service sind immer gut und die individuellen Konfigurationsmöglichkeiten der Maschinen erleichtern die Auswahl“, bewertet Matthew White die Zusammenarbeit. Diese möchte er auch bei zukünftigen Investitionen fortsetzen. „Im nächsten Schritt werden wir unsere Ultrasonic-Kapazitäten mit einer Ultrasonic 80 eVo linear erweitern.“

Michael Kirbach ist Leiter des DMG Mori Aerospace Excellence Centers.