[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

WO2015158318A1 - Method for ultra-precise machining of a convex and iron-containing negative surface of a mould insert, mould insert and optical element manufactured therewith - Google Patents

Method for ultra-precise machining of a convex and iron-containing negative surface of a mould insert, mould insert and optical element manufactured therewith Download PDF

Info

Publication number
WO2015158318A1
WO2015158318A1 PCT/DE2014/000564 DE2014000564W WO2015158318A1 WO 2015158318 A1 WO2015158318 A1 WO 2015158318A1 DE 2014000564 W DE2014000564 W DE 2014000564W WO 2015158318 A1 WO2015158318 A1 WO 2015158318A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microstructure
mold insert
tool
cutting edge
negative surface
Prior art date
Application number
PCT/DE2014/000564
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Rainer Klar
Original Assignee
Innolite Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Innolite Gmbh filed Critical Innolite Gmbh
Publication of WO2015158318A1 publication Critical patent/WO2015158318A1/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B29/00Holders for non-rotary cutting tools; Boring bars or boring heads; Accessories for tool holders
    • B23B29/04Tool holders for a single cutting tool
    • B23B29/12Special arrangements on tool holders
    • B23B29/125Vibratory toolholders
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2226/00Materials of tools or workpieces not comprising a metal
    • B23B2226/31Diamond
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2260/00Details of constructional elements
    • B23B2260/108Piezoelectric elements
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23BTURNING; BORING
    • B23B2270/00Details of turning, boring or drilling machines, processes or tools not otherwise provided for
    • B23B2270/10Use of ultrasound

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert for the replicative production of an optical element having a correspondingly curved optically functional positive surface, a mold insert and an optical element produced therewith.
  • the negative surface may be convex or concave.
  • CONFIRMATION COPY Cutting tool edge is machined with a diamond and after which the tool cutting edge is vibrated by means of ultrasound.
  • microstructures below 100 ⁇ m are required, for example for LED vehicle headlights on the optically functional surfaces, in order to homogenize the headlight.
  • the curvature of the surface itself directs the LED light, while the microstructure softens, for example, the contrast ratio between light and dark areas in a defined manner. This is of particular importance for vehicle headlights, since there are safety requirements as to how the roadway must be illuminated, while the counter traffic may not be dazzled.
  • a method for the ultra-precise machining of a curved negative surface of a mold insert for the replicative production of an element having a correspondingly curved, preferably optically functional, positive surface comprising the following steps:
  • the delivery of the diamond is controlled at a frequency of more than 0.3 Hz, preferably more than 0.5 Hz.
  • the inventive method uses the possibility of an extremely small cutting edge radius of less than 50 nm, ideally below 20 nm, the high hardness of the diamond and the associated Thomasfreudtechnik from monocrystalline diamond as horrkante. This makes it possible to achieve a surface roughness of less than 20 nm Ra for non-ferrous materials without subsequent polishing.
  • Suitable machines for the process according to the invention are machines for turning, planing and / or pushing.
  • the tool is guided by the interpolation of the machine axes on a path to produce a basic contour.
  • This web is superimposed on the negative surface directed delivery movement of the diamond with a frequency of more than 0.3 Hz, preferably more than 0.5 Hz. This creates a negative surface with a basic contour and a microstructure.
  • the relative position of the cutting edge of the tool relative to the mold insert during machining is dynamically controlled depending on the lateral relative position between the tool and the workpiece and depending on a microstructure to be applied to the negative surface.
  • Such a microstructure arises when, depending on the location of the diamond on the negative surface during one cycle of processing, the direction of delivery is changed several times over a certain distance.
  • One cycle of processing during a turning process is the movement of the diamond on a spiral path on the negative surface. In planing, it is the movement of the diamond in one or more directions over the negative surface. During such movement, the diamond is delivered in one direction to the negative surface or held in position to the negative surface. This makes it possible to form a base contour in the negative surface.
  • the movement without a back and forth of the diamond for producing the basic contour is preferably the movement of the diamond over a distance of less than 10 mm in the plane of the negative surface.
  • the basic contour is superimposed on a microstructure by the delivery of the diamond is moved back and forth on the route of the movement for generating the base contour - that is, preferably on the route of 10 mm depending on the location of the diamond on the negative surface and repeats this at least once becomes.
  • a high-precision base contour is generated on the one hand by the feed movement and, in addition, by the superimposed feed motion, a high-precision microstructure.
  • a remedy here is the use of an ultrasonic vibrator, which can oscillate the diamond tool preferably with a frequency of at least 50, preferably at least 70 kHz (for example, 50-200 kHz, preferably 50 to 100 kHz, amplitudes between 0.5 and 10 ⁇ ). Due to the ultrasonic vibration, the diamond periodically intervenes in the workpiece and free-swinging without contact between the diamond and the workpiece.
  • an ultrasonic vibrator which can oscillate the diamond tool preferably with a frequency of at least 50, preferably at least 70 kHz (for example, 50-200 kHz, preferably 50 to 100 kHz, amplitudes between 0.5 and 10 ⁇ ). Due to the ultrasonic vibration, the diamond periodically intervenes in the workpiece and free-swinging without contact between the diamond and the workpiece.
  • ultrasound-assisted diamond machining is now connected to dynamic activation in the tool delivery direction (infeed depth) for producing the microstructure in iron-containing surfaces.
  • the ultrasonic vibration movement is approximately rectified with the cutting motion of the diamond tool and is approximately perpendicular to the rake face of the diamond tool. This applies to both turning and planing / impact processes.
  • the cutting motion of the diamond tool results from the component rotation at respective radius.
  • planing / pushing the cutting movement results from a relative movement between the workpiece and the tool, wherein the majority of the cutting speed is caused not by a rotation of the workpiece but by a linear movement.
  • the relevant to microstructuring and controlled feed movement is oriented perpendicular to the cutting and swinging motion and points to the component.
  • the feed movement of the tool cutting edge is perpendicular to the cutting and oscillating movement and perpendicular to the feed movement.
  • the feed motion of the tool cutting edge with ultrasonic vibrator is dynamically controlled in dependence on the respective tool position on the component surface (r, cp: turning, x, y: planing / pushing) in order to produce microstructures in steel with optical surface quality directly.
  • the resulting engagement conditions on the mold insert are not oriented vertically.
  • dynamic may mean that at rotational speeds of more than 10 rpm about the machining axis, the tool cutting edge is fed relative to the mold insert during machining depending on the lateral relative position between tool and workpiece and dependent on one on the negative surface provided microstructure is dynamically controlled.
  • the negative surface of the mold insert preferably comprises steel. This is advantageous because it does not require a complex electroplated layer of nickel-phosphorus (NiP) to protect the diamond from the ferrous material. Such a NiP layer may flake off in places and does not have the required stability for the replication process. NiP coated steel inserts represent the current state of the art in microstructured mold inserts for mass production.
  • the microstructure preferably has at least one or two orders, wherein a first order of the microstructure has surfaces which are superposed with a second order of the microstructure.
  • the first order of the microstructure may have a lateral and / or vertical resolution of up to 10 mm and the second order of the microstructure a lateral and / or vertical resolution of up to 100 ⁇ .
  • the individual surfaces of the second order of the microstructure in the order of less than 100 ⁇ have a roughness of less than 50 nm Ra.
  • the microstructure of the first order can be omitted.
  • an apparatus for the ultra-precise machining of a curved negative surface of a mold insert for the replicative production of an element having a correspondingly curved, preferably optically functional, positive surface, comprising:
  • a processing machine for rotating a workpiece about a processing axis, the processing machine having a workpiece holder for fixing the mold insert,
  • a tool having a tool cutting edge wherein the tool is adapted to machine the negative surface of a mold insert fixed in the workpiece holder, characterized in that the control unit is adapted to dynamically control the feeding of the diamond at a frequency of more than 0.3 Hz, preferably more than 0.5 Hz, in a feed direction, the relative position of the cutting edge of the tool relative to the mold insert, depending on the location of the diamond on the negative surface , the tool cutting edge has a monocrystalline diamond, and the device has an ultrasonic unit for exciting vibrations of the tool cutting edge.
  • the ultrasound unit is set up to excite the tool cutting edge to oscillate perpendicularly to the feed direction.
  • the ultrasound unit can have a trans-ultrasonic transducer or a longitudinal ultrasonic transducer.
  • the transversal ultrasound transducer has the advantage over the longitudinal ultrasound transducer that a greater penetration depth can be achieved with strongly concave negative surfaces.
  • the longitudinal ultrasound transducer is fundamentally simpler in design and requires less accurate matching of the components used with one another. Therefore, depending on the application, the transversal ultrasonic transducer or the longitudinal ultrasonic transducer may be advantageous.
  • a mold insert having a domed and ferrous negative surface for replicatively producing an element having a correspondingly domed, preferably optically functional, positive surface, wherein the domed negative surface both has a roughness of less than 20 nm Ra and a microstructure below 100 ⁇ .
  • the roughness value can also be achieved by the combination of an ultrasonic processing (roughness ⁇ 100 nm) and a combined Feinstnachpolitur.
  • the microstructure comprises at least one or two orders, wherein a first order of the microstructure comprises surfaces superposed with a second order of the microstructure.
  • the first order of the microstructure may be a lateral and / or vertical resolution of up to 10 mm and the second order of the microstructure a have lateral and / or vertical resolution of up to 100 ⁇ .
  • the individual surfaces of the second order of the microstructure in the order of less than 100 ⁇ have a roughness of less than 20 nm.
  • the microstructure of the first order can be omitted.
  • a plastic optical element for LED vehicle headlamps for defined illumination of the roadway being replicatively manufactured by means of a previously described mold insert and having a domed optically functional surface with a roughness of less as 20 nm and a microstructure below 100 ⁇ for influencing the transition of a lit by LEDs roadway area to a non-illuminated roadway area.
  • the microstructure preferably has at least one or two orders, wherein a first order of the microstructure has surfaces which are superposed with a second order of the microstructure.
  • the first order of the microstructure may have a lateral and / or vertical resolution of up to 10 mm and the second order of the microstructure a lateral and / or vertical resolution of up to 100 ⁇ .
  • the individual areas of the second order of the microstructure in the order of less than 100 ⁇ have a roughness of less than 20 nm.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an embodiment of a device according to the invention for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert
  • Figure 2 is a plan view of an embodiment of a device according to the invention for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert
  • FIG. 3 shows a transversal oscillator for the ultrasound excitation of the tool cutting edge
  • FIG. 4 shows a longitudinal oscillator for the ultrasound excitation of FIG
  • FIGS. 5a, 5b and 5c schematically show mold inserts with different shapes
  • FIG. 6 shows a schematic detailed view of a free-form surface with two examples of a microstructure
  • Figure 7a, 7b representation of the movements in the combined process when turning 7a and planing / pushing 7b.
  • FIG. 1 schematically shows a processing machine 1 with a workpiece holder 5 rotatable about a machining axis 3 by means of a spindle.
  • a mold insert 7 is clamped as a workpiece to be machined and thus fixed for rotating the mold insert 7 about the machining axis 3.
  • the processing machine 1 also has a tool 9 with a tool cutting edge 11.
  • the tool 9 is mounted on a tool change plate 13.
  • the tool change plate 13 is attached in this embodiment to a sonotrode 15 of a transversal ultrasonic vibrator 17, wherein the sonotrode 15 can be offset by means of a piezo exciter 19 in ultrasonic vibrations.
  • the type of propagation of the ultrasonic vibrations from the piezoelectric exciter 19 via the sonotrode 15 to the tool change plate 13 is shown in a dashed sine wave 21 schematically and greatly exaggerated for the purpose of illustration.
  • the actual frequency of the ultrasonic wave is 50 to 100 kHz, whereby the vibration amplitude of the tool is 0.5 to 10 ⁇ ⁇ .
  • the corresponding vibration direction 23 of the tool cutting edge 1 1 is also greatly exaggerated for purposes of illustration by a dashed double arrow.
  • the sonotrode 15 is attached to a light carriage 25 in the sense of a fast tool servo.
  • the light carriage 25 can be moved to produce microstructures with accelerations of over 10 m / s 2 .
  • the lightweight carriage 25 is in turn arranged on a carrier machine slide 27. Both the light carriage 25 and the machine carriage 27 are movable in the direction of the machining axis 3 on a machine bed 29.
  • the lightweight carriage 25 is driven by a stand-alone control architecture that is synchronized with the machine ground control.
  • the sonotrode 15 could also be arranged directly on the machine carriage 27.
  • the tool cutting edge 11 would be moved in the direction of the machining axis 3 in the sense of a slow tool servo directly via a G code of the basic machine control in order to generate a microstructure.
  • the spindle with the workpiece holder 5 and the clamped mold insert 7 perpendicular to the paper plane (spanned by the machining axis 3 and the vibration direction 23) is movable.
  • FIG. 2 shows a plan view of an alternative embodiment of a processing machine 1 according to the invention, in which the tool 9 is movable perpendicular to the machining axis 3 and the spindle with the workpiece holder 5 and the clamped mold insert 7 in the direction of the machining axis 3.
  • the ultrasound Oscillation direction 23 perpendicular to the plane of the paper, which is spanned by a machining axis 3 and a lateral direction of movement 31 of a machine carriage 27.
  • the embodiment of FIG. 2 otherwise corresponds to the embodiment in FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a transversal ultrasonic vibrator 17 for the ultrasonic excitation of the tool cutting edge 1 1.
  • the tool 9 is fastened on a tool change plate 13 as in FIG.
  • the tool change plate 13 is attached to a sonotrode 15 of a transversal ultrasonic vibrator 17, wherein the sonotrode 15 by means of a piezo exciter 19 can be put into ultrasonic vibration.
  • the type of propagation of the ultrasonic vibrations from the piezoelectric exciter 19 via the sonotrode 15 to the tool change plate 13 is indicated schematically in a dashed sine wave 21 and greatly overdriven for the purpose of illustration.
  • FIG. 4 shows a longitudinal ultrasonic oscillator 33 for the ultrasound excitation of the tool cutting edge 11.
  • the sonotrode 15 does not transmit the ultrasonic waves by bending, but by means of ultrasonic pressure waves 35 which propagate in the sonotrode 15 from the piezoelectric exciter 19 to the tool change plate 13.
  • the tool change plate 13 with the tool 9 and the tool cutting edge 1 1 then oscillates in the direction of vibration 23rd
  • the vibration direction 23 in FIGS. 3 and 4 is the same.
  • the transversal ultrasonic vibrator 17 has the advantage over the longitudinal ultrasonic oscillator 33 that with strongly concave negative surfaces a greater penetration depth can be realized.
  • the longitudinal ultrasonic transducer 33 is basically simpler in design and requires less accurate matching of the components used with one another. Therefore, depending on the application, the transversal ultrasonic vibrator 17 or the longitudinal ultrasonic oscillator 33 may be advantageous.
  • FIG. 5a shows a basic shape 37 of a mold insert 7 that is concave rotationally symmetrical about the machining axis 3.
  • the basic shape 37 of the negative surface determines the optically functional surface of an optical element produced later in the replication process with the mold insert 7 and thus the principal light steering , In this case, a convex positive surface of the optical element, which bundles LED light with respect to the optical axis (corresponds to the machining axis 3), would result.
  • this basic form 37 requires superposed microstructures, which are shown in FIG.
  • FIG. 5b shows a basic shape 37 of the negative surface of a mold insert 7 which is rotationally symmetrical about the machining axis 3.
  • a concave positive surface of the optical element would be produced which scatters LED light with respect to the optical axis (corresponding to the machining axis 3).
  • FIG. 5c shows an arbitrary non-rotationally symmetrical free form as the basic shape 37 of the negative surface, which in the replication process has a corresponding free form of the positive surface. surface of the optical element.
  • LED light of a vehicle headlight can illuminate an arbitrarily definable roadway area.
  • FIG. 6 shows two examples of a microstructure 39, 41 on a basic mold 37 of the negative surface of a mold insert 7.
  • the first microstructure 39 is located directly on the basic mold 37 of the negative surface of a mold insert 7.
  • the first microstructure 39 has an order of magnitude less as 100 ⁇
  • the individual surfaces of the microstructure 39 can be generated in a well-defined manner to the basic shape 37 of the negative surface of a mold insert 7 or randomly stochastically distributed and aligned as needed.
  • the second microstructure 41 has two orders 43, 45, wherein a first order 43 of the microstructure 41 has surfaces that are superimposed with a second order 45 of the microstructure 41.
  • the first order 43 of the microstructure 41 has an order of magnitude of less than 10 mm and the second order 45 of the microstructure 41 has an order of magnitude of less than 100 ⁇ m.
  • the first 43 and / or second order 45 can be generated in a well-defined manner to the basic shape 37 of the negative surface of a mold insert 7 or randomly stochastically distributed and aligned.
  • Fig. 7a shows the directions of movement during the turning process.
  • the diamond tool 1 1 excited by the ultrasonic transducer performs a swinging motion 23 parallel to the cutting motion 47.
  • the superimposed movements cause cyclic engagement and free swinging of the diamond tool.
  • the continuous contact between tool and workpiece is interrupted in the cutting direction.
  • the cutting movement results from the component rotation 49 and the respective tool position. This results from the feed movement 48, either from the outside to the inside or from the inside out.
  • the dynamic feed motion 46 of the diamond tool to create the microstructure is perpendicular to feed and cut motion.
  • Fig. 7b shows the conditions for the planing / impact process.
  • the cutting motion 47 results from a relative movement between the component and the tool, which is primarily characterized by a linear movement.
  • the oscillating movement 23 is likewise oriented to the cutting movement.
  • the dynamic advancing movement 46 of the diamond Tool for generating the microstructure is perpendicular to the cutting and feed movement.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

The present invention relates to a method for the ultra-precise machining of a convex and iron-containing negative surface of a mould insert (7) for the replicative manufacture of an optical element with a correspondingly convex, optically functional positive surface, comprising the following steps: fixing of the mould insert (7) in a workpiece holder (5) of a machining tool (I), machine cutting of the negative area of the mould insert (7) with a tool cutting edge (11) of a monocrystalline diamond, wherein the tool cutting edge is set in vibration by means of ultrasound and the delivery of the diamond is controlled with a frequency of more than 0.3 Hz, preferably more than 0.5 Hz, according to the location of the diamond on the negative surface.

Description

Verfahren zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche Formein satzes, Formeinsatz sowie damit hergestelltes optisches Element  Process for the ultra-precise processing of a curved and ferrous negative surface Formein set, mold insert and optical element produced therewith
[01 ] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes für die replikative Herstellung eines optischen Elements mit einer entsprechend gewölbten optisch funktionalen Positivfläche, einen Formeinsatz sowei ein damit hergestelltes optisches Element. Die Negativfläche kann dabei konvex oder konkav sein. The present invention relates to a method and apparatus for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert for the replicative production of an optical element having a correspondingly curved optically functional positive surface, a mold insert and an optical element produced therewith. The negative surface may be convex or concave.
[02] Insbesondere für die replikative Herstellung optischer Elemente aus Kunststoff für LED-Fahrzeugscheinwerfer zum definierten Ausleuchten der Fahrbahn werden Formeinsätze benötigt, mit denen optische Elemente kostengünstig mit einer sehr hohen Oberflächengüte hergestellt werden können. Die Rauheit (hier definiert als mittlere Rauheit Ra, d.h. als arithmetisches Mittel der Abweichungen von einer Mittellinie Uber mehrere Messpunkte einer Oberfläche) solcher optischer Flächen mit sehr hoher Oberflächengüte darf nicht mehr als 20 nm betragen. Entsprechend ultrapräzise muss daher die Negativfläche eines Formeinsatz bearbeitet wer- den, damit mit solch einem Formeinsatz beispielsweise im Spritzgussverfahren, Spritzprägeverfahren oder Overmoulding-Verfahren Kunststofflinsen für LED-Leuchtmittel replikativ hergestellt werden können. [02] In particular for the replicative production of optical elements made of plastic for LED vehicle headlights for defined illumination of the roadway mold inserts are needed with which optical elements can be produced inexpensively with a very high surface quality. The roughness (defined here as mean roughness R a , ie as the arithmetic mean of the deviations from a center line over several measuring points of a surface) of such optical surfaces with very high surface quality may not be more than 20 nm. Accordingly, ultra-precise the negative surface of a mold insert must be processed so that can be produced replicatively with such a mold insert, for example by injection molding, injection compression molding or overmolding process plastic lenses for LED bulbs.
[03] Die konventionelle Fertigungstechnik zur Herstellung von optischen Formeinsätzen ist das Drehen bzw. Fräsen von Stahlformen mit Präzisionsmaschinen und das anschließende, oft manuelle, Polieren der Oberfläche. Durch diese Prozesskette lassen sich kontinuierliche Oberflächen in ausreichend guter Qualität herstellen. Durch den manuellen Polierschritt bestehen allerdings Variationen in der erzielbaren Qualität. [03] The conventional manufacturing technology for the production of optical mold inserts is the turning or milling of steel molds with precision machines and the subsequent, often manual, polishing of the surface. Through this process chain, continuous surfaces can be produced in sufficiently good quality. By the manual polishing step, however, there are variations in the achievable quality.
[04] Aus den Dokumenten DE 10 2004 020 990 AI , US 7 788 998 B2 und US 7 730 815 B2 sind Verfahren zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten Negativfläche eines Formeinsat- zes für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten optisch funktionalen Positivfläche bekannt, bei denen die Negativfläche eisenhaltig ist und mit einer [0004] Documents DE 10 2004 020 990 A1, US Pat. No. 7,788,998 B2 and US Pat. No. 7,730,815 B2 disclose processes for the ultraprecise processing of a curved negative surface of a mold insert for the replicative production of an element with a correspondingly curved optically functional positive surface , in which the negative surface is ferrous and with a
BESTÄTIGUNGSKOPIE Werkzeugschneidkante mit einem Diamenten spanend bearbeitet wird und wonach die Werkzeugschneidkante mittels Ultraschall in Schwingungen versetzt wird. CONFIRMATION COPY Cutting tool edge is machined with a diamond and after which the tool cutting edge is vibrated by means of ultrasound.
[05] Problematisch bei den aus dem Stand der Technik bekannten Methoden ist allerdings, dass beispielsweise für LED-Fahrzeugscheinwerfer auf den optisch funktionalen Oberflächen Mikrostrukturen unterhalb von 100 μπι benötigt werden, um das Scheinwerferlicht zu homogenisieren. Die Krümmung der Oberfläche an sich richtet das LED-Licht, während die Mikrostruktur beispielsweise das Kontrastverhältnis zwischen Hell- und Dunkelbereichen in definierter Weise aufweicht. Dies ist für Fahrzeugscheinwerfer von besonderer Bedeutung, da es Sicherheitsvorgaben gibt, wie die Fahrbahn ausgeleuchtet werden muss, während der Gegenver- kehr nicht geblendet werden darf. However, a problem with the methods known from the prior art is that microstructures below 100 μm are required, for example for LED vehicle headlights on the optically functional surfaces, in order to homogenize the headlight. The curvature of the surface itself directs the LED light, while the microstructure softens, for example, the contrast ratio between light and dark areas in a defined manner. This is of particular importance for vehicle headlights, since there are safety requirements as to how the roadway must be illuminated, while the counter traffic may not be dazzled.
[06] Aus Produktionssicht ist dabei zu beachten, dass ein typisches Spritzguss- oder Spritzprägewerkzeug und alle dabei verwendeten Einzelkomponenten in der Regel aus einem eisenhaltigen Material wie etwa Stahl gefertigt sind, um den hohen Drücken und Kräften in der Spritzgussmaschine Stand halten zu können. Da beim Replikationsprozess hohe Temperatur- Schwankungen von beispielsweise ΔΤ = 80°C zwischen Aufwärmphase, Einspritzphase und Abkühlphase entstehen, ist ein homogener Wärmedehnungskoeffizient der verwendeten Materialien im Werkzeug sehr wichtig. Andernfalls würde es aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung zum Klemmen von Komponenten kommen, insbesondere von bewegten Komponenten beim Spritzprägen. Daher müssen die Formeinsätze für typischerweise bekannte Spritzguss- oder Spritzprägewerkzeuge notwendigerweise ebenfalls aus einem eisenhaltigem Material wie etwa Stahl gefertigt sein. [06] From the production point of view, it should be noted that a typical injection molding or injection-compression molding tool and all individual components used in this case are usually made of a ferrous material such as steel in order to withstand the high pressures and forces in the injection molding machine. Since during the replication process high temperature fluctuations of, for example, ΔΤ = 80 ° C occur between warm-up phase, injection phase and cooling phase, a homogeneous thermal expansion coefficient of the materials used in the tool is very important. Otherwise, it would come due to differential thermal expansion for clamping components, in particular of moving components in the injection-compression molding. Therefore, the mold inserts for typically known injection or injection compression tools must necessarily also be made of a ferrous material such as steel.
[07] Die benötigten Mikrostrukturen in der Größenordnung von weniger als 100 μπι sind mit einem Polierschritt nicht erzielbar. Ohne einen Polierschritt lässt sich jedoch bei einem Stahlformeinsatz nicht die Oberflächengüte mit einer Rauheit von weniger als 20 nra erzielen. [08] Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen eisenhaltigen Formeinsatz für die replikative Herstellung eines optischen Elements derart ultrapräzise bearbeiten zu können, sodass die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 20 nm aufweist als auch eine Mikrostruktur unterhalb von 100 μπι. [09] Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7, einen Formeinsatz gemäß Patentanspruch l Osowie ein optisches Element gemäß Patentanspruch 12. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen bzw. der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen. [10] Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten Negativfläche eines Formeinsatzes für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten vorzugsweise optisch funktionalen Positivfläche, aufweisend die folgenden Schritte: [07] The required microstructures of the order of less than 100 μπι can not be achieved with a polishing step. However, without a polishing step, surface finish with a roughness of less than 20 nanometers can not be achieved with a steel mold insert. [08] It is therefore the object of the present invention to be able to process an iron-containing mold insert for the replicative production of an optical element in an ultra-precise manner so that the curved negative surface has both a roughness of less than 20 nm and a microstructure of less than 100 μπι. This object is achieved by a method according to claim 1, a device according to claim 7, a mold insert according to claim l Osowie an optical element according to claim 12. Advantageous embodiments of the invention can be found in the respective subclaims or the description and the figures , [10] According to a first aspect of the invention, a method is provided for the ultra-precise machining of a curved negative surface of a mold insert for the replicative production of an element having a correspondingly curved, preferably optically functional, positive surface, comprising the following steps:
- Fixieren des Formeinsatzes in einer Werkstückaufnahme einer Bearbeitungsmaschine, - spanendes Bearbeiten der Negativfläche des Formeinsatzes, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativfläche eisenhaltig ist und mit einer Werkzeugschneidkante mit einem monokristallinen Diamanten spanend bearbeitet wird, dass die Werkzeugschneidkante mittels Ultraschall in Schwingungen versetzt wird und abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zustellung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, vorzugsweise mehr als 0,5 Hz gesteuert wird. - Fixing the mold insert in a workpiece holder of a processing machine, - machining the negative surface of the mold insert, characterized in that the negative surface is ferrous and is machined with a cutting edge with a monocrystalline diamond, that the cutting edge of the tool is vibrated by means of ultrasound and depending on Place the diamond on the negative surface, the delivery of the diamond is controlled at a frequency of more than 0.3 Hz, preferably more than 0.5 Hz.
[ 1 1 ] Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt beim monokristallinen Diamanten als Werkzeugschneidkante die Möglichkeit eines extrem geringen Schneidkantenradius von weniger 50 nm, idealerweise unterhalb von 20 nm, die hohe Härte des Diamanten und die damit einhergehende Schnittfreudigkeit aus. Damit lässt sich bei nicht-eisenhaltigen Materialien eine Oberflächenrauheit von weniger als 20 nm Ra ohne nachträgliches Polieren erzielen. The inventive method uses the possibility of an extremely small cutting edge radius of less than 50 nm, ideally below 20 nm, the high hardness of the diamond and the associated Schnittfreudigkeit from monocrystalline diamond as Werkzeugschneidkante. This makes it possible to achieve a surface roughness of less than 20 nm Ra for non-ferrous materials without subsequent polishing.
[ 12] Als Bearbeitungsmaschinen eignen sich für das erfindungsgemäße Verfahren Maschinen zum Drehen, Hobeln und/oder Stoßen. [ 13] Das Werkzeug wird durch die Interpolation der Maschinenachsen auf einer Bahn geführt, um eine Grundkontur herzustellen. Dieser Bahn wird eine auf die Negativfläche gerichtete Zustellbewegung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, vorzugsweise mehr als 0,5 Hz überlagert. Hierdurch entsteht eine Negativfläche mit einer Grundkontur und einer Mikrostruktur. [12] Suitable machines for the process according to the invention are machines for turning, planing and / or pushing. [13] The tool is guided by the interpolation of the machine axes on a path to produce a basic contour. This web is superimposed on the negative surface directed delivery movement of the diamond with a frequency of more than 0.3 Hz, preferably more than 0.5 Hz. This creates a negative surface with a basic contour and a microstructure.
[ 14] Somit ist es möglich durch eine derartige dynamische Zustellbewegung des Diamantwerkzeugs, mittels Diamantzerspanung eine Mikrostruktur der Grundkontur einer optischen Oberfläche zu überlagern. It is thus possible by means of such a dynamic advancing movement of the diamond tool to superimpose a microstructure of the base contour of an optical surface by means of diamond cutting.
[ 15] Dadurch wird die relative Position der Werkzeugschneidkante gegenüber dem Formein- satz während des spanenden Bearbeitens abhängig von der lateralen Relativlage zwischen Werkzeug sowie Werkstück und abhängig von einer auf der Negativfläche aufzubringenden Mikrostruktur dynamisch gesteuert. As a result, the relative position of the cutting edge of the tool relative to the mold insert during machining is dynamically controlled depending on the lateral relative position between the tool and the workpiece and depending on a microstructure to be applied to the negative surface.
[ 16] Eine derartige Mikrostruktur entsteht, wenn abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche während eines Zyklus der Bearbeitung die Richtung der Zustellung auf einer bestimmten Strecke mehrmals geändert wird. Ein Zyklus der Bearbeitung ist bei einem Dreh- prozess die Bewegung des Diamanten auf einer Spiralbahn auf der Negativfläche. Beim Hobeln ist es die Bewegung des Diamanten in einer oder mehreren Richtungen über die Negativfläche. Während einer derartigen Bewegung wird der Diamant in einer Richtung auf die Negativfläche zugestellt oder in einer Position zur Negativfläche gehalten. Dies ermöglicht es, eine Grundkontur in der Negativfläche auszubilden. Dabei ist die Bewegung ohne ein Hin und zurück des Diamanten zur Erzeugung der Grundkontur vorzugsweise das Bewegen des Diamanten über eine Strecke von weniger als 10 mm in der Ebene der Negativfläche. [16] Such a microstructure arises when, depending on the location of the diamond on the negative surface during one cycle of processing, the direction of delivery is changed several times over a certain distance. One cycle of processing during a turning process is the movement of the diamond on a spiral path on the negative surface. In planing, it is the movement of the diamond in one or more directions over the negative surface. During such movement, the diamond is delivered in one direction to the negative surface or held in position to the negative surface. This makes it possible to form a base contour in the negative surface. In this case, the movement without a back and forth of the diamond for producing the basic contour is preferably the movement of the diamond over a distance of less than 10 mm in the plane of the negative surface.
[ 17] Der Grundkontur wird eine Mikrostruktur überlagert, indem auf der Strecke der Bewegung zur Erzeugung der Grundkontur - d.h. vorzugsweise auf der Strecke von 10 mm abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zustellrichtung des Diamanten vor und zurückbewegt wird und dies mindestens einmal wiederholt wird. Dadurch wird einerseits durch die Zustellbewegung eine hochpräzise Grundkontur erzeugt und zusätzlich durch die überlagerte Zustellbewegung eine hochpräzise Mikrostruktur. [ 18] Bei eisenhaltigen Werkstoffen kommt es jedoch normalerweise zu übermäßigem Verschleiß des Diamantwerkzeugs und damit einhergehend zu Prozessausfällen nach bereits wenigen Sekunden. Grund hierfür ist die Tatsache, dass Diamant aus Kohlenstoff in kubisch flächenzentrierter Anordnung besteht. Kommt es in der extrem kleinen Schnittkontaktfläche zu hohen Drücken und Temperaturen, zerfällt der kubisch flächenzentrierte Kohlenstoff (Diamant) und graphitisiert. Der graphitisierte Kohlenstoff diffundiert in die eisenhaltige Oberfläche und härtet damit das eisenhaltige Werkstück. Abhilfe schafft hier der Einsatz eines Ultraschallschwingers, welcher das Diamantwerkzeug vorzugsweise mit einer Frequenz von mindestens 50, vorzugsweise mindestens 70 kHz oszillieren lässt (beispielsweise 50-200 kHz, vorzugswei- se 50 bis 100 kHz, Amplituden zwischen 0,5 und 10 μπι). Durch die Ultraschallschwingung kommt es periodisch zum Eingriff des Diamanten in das Werkstück und zur Freischwingung ohne Kontakt zwischen Diamant und Werkstück. Die zeitliche Unterbrechung des Kontakts zwischen Diamant und Werkstück reduziert die Diffusionsvorgänge derart, dass ausreichende Standzeiten des Diamantwerkzeugs bei der Zerspanung von eisenhaltigen Werkstücken reali- siert werden können. Mit der ultraschallunterstützten Diamantbearbeitung lässt sich daher auch bei eisenhaltigen Materialien eine Oberflächenrauheit von weniger als 50 nm Ra erzielen. Je nach Prozessführung und eisenhaltigem Material können sogar direkt Rauheiten von < 20 nm Ra erzielt werden, womit der Formeinsatz direkt verwendet werden kann. Alternativ bei Rauheiten < 50 nm ist ein Feinstpolierschritt möglich und notwendig, der keine Kontourverände- rung bewirkt, lediglich die Rauheit auf Werte kleiner 20 nm reduziert, um den Formeinsatz optisch nutzbar zu gestalten. The basic contour is superimposed on a microstructure by the delivery of the diamond is moved back and forth on the route of the movement for generating the base contour - that is, preferably on the route of 10 mm depending on the location of the diamond on the negative surface and repeats this at least once becomes. As a result, a high-precision base contour is generated on the one hand by the feed movement and, in addition, by the superimposed feed motion, a high-precision microstructure. [18] With ferrous materials, however, excessive wear of the diamond tool and concomitant process failures usually occur within just a few seconds. The reason for this is the fact that diamond consists of carbon in cubic face-centered arrangement. If extremely high pressure and temperatures occur in the extremely small interface, the cubic face-centered carbon (diamond) breaks down and graphitizes. The graphitized carbon diffuses into the iron-containing surface and thus hardens the iron-containing workpiece. A remedy here is the use of an ultrasonic vibrator, which can oscillate the diamond tool preferably with a frequency of at least 50, preferably at least 70 kHz (for example, 50-200 kHz, preferably 50 to 100 kHz, amplitudes between 0.5 and 10 μπι). Due to the ultrasonic vibration, the diamond periodically intervenes in the workpiece and free-swinging without contact between the diamond and the workpiece. The temporal interruption of the contact between diamond and workpiece reduces the diffusion processes in such a way that sufficient service lives of the diamond tool can be realized during the machining of iron-containing workpieces. With ultrasound-assisted diamond machining, surface roughness of less than 50 nm Ra can therefore be achieved even with ferrous materials. Depending on the process control and iron-containing material, even roughnesses of <20 nm Ra can be achieved directly, whereby the mold insert can be used directly. Alternatively, with roughness <50 nm, a fine polishing step is possible and necessary, which does not cause a contour change, only the roughness is reduced to values smaller than 20 nm in order to make the mold insert optically usable.
[ 19] Erfindungsgemäß wird nun für die Erzeugung der Mikrostruktur in eisenhaltigen Oberflächen die ultraschallunterstützte Diamantbearbeitung mit einer dynamischen Ansteuerung in Werkzeugzustellrichtung (Zustelltiefe) verbunden. Durch die Kombination der Ultraschall- Schwingung mit einer Unrunddrehbearbeitung (Drehen mit Werkzeugzustellbewegung) bzw. Hobeln/Stoßen zur Mikrostrukturierung von Oberflächen existieren vier relevante gerichtete Bewegungen im Prozess. Die Ultraschallschwingbewegung ist annähernd gleichgerichtet mit der Schnittbewegung des Diamantwerkzeugs und steht annähernd senkrecht auf der Spanfläche des Diamantwerkzeugs. Dies gilt sowohl für Dreh- als auch für Hobel-/Stoßprozesse. Im Falle des Drehens ergibt sich die Schnittbewegung des Diamantwerkzeugs aus der Bauteilrotation bei jeweiligem Radius. Beim Hobeln/Stoßen ergibt sich die Schnittbewegung durch eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug, wobei der Hauptanteil der Schnittgeschwindigkeit nicht durch eine Rotation des Werkstücks sondern durch eine Linearbewegung hervorgerufen wird. Die zur Mikrostrukturierung relevante und geregelte Zustellbewegung ist senkrecht zur Schnitt- und Schwingbewegung orientiert und zeigt auf das Bauteil. Die Vorschubbewegung der Werkzeugschneide ist senkrecht zu der Schnitt- und Schwingbewegung und senkrecht zur Zustellbewegung. Die Zustellbewegung der Werkzeugschneide mit Ultraschallschwinger wird dabei in Abhängigkeit der jeweiligen Werkzeugposition auf der Bauteiloberfläche (r,cp:Drehen; x,y: Hobeln/Stoßen) dynamisch gesteuert, um Mikrostrukturen in Stahl mit opti- scher Oberflächenqualität direkt zu fertigen. Je nach Geometrie der kontinuierlichen Basisfläche bzw. Mikrostruktur sind die hieraus resultierenden Eingriffsverhältnisse am Formeinsatz nicht senkrecht orientiert. According to the invention, ultrasound-assisted diamond machining is now connected to dynamic activation in the tool delivery direction (infeed depth) for producing the microstructure in iron-containing surfaces. By combining the ultrasonic oscillation with a non-circular turning (turning with tool delivery movement) or planing / pushing for the microstructuring of surfaces there are four relevant directed movements in the process. The ultrasonic vibration movement is approximately rectified with the cutting motion of the diamond tool and is approximately perpendicular to the rake face of the diamond tool. This applies to both turning and planing / impact processes. In the case of rotation, the cutting motion of the diamond tool results from the component rotation at respective radius. When planing / pushing the cutting movement results from a relative movement between the workpiece and the tool, wherein the majority of the cutting speed is caused not by a rotation of the workpiece but by a linear movement. The relevant to microstructuring and controlled feed movement is oriented perpendicular to the cutting and swinging motion and points to the component. The feed movement of the tool cutting edge is perpendicular to the cutting and oscillating movement and perpendicular to the feed movement. The feed motion of the tool cutting edge with ultrasonic vibrator is dynamically controlled in dependence on the respective tool position on the component surface (r, cp: turning, x, y: planing / pushing) in order to produce microstructures in steel with optical surface quality directly. Depending on the geometry of the continuous base surface or microstructure, the resulting engagement conditions on the mold insert are not oriented vertically.
[20] Hierin kann„dynamisch" bedeuten, dass bei Drehgeschwindigkeiten von mehr als 10 U/min um die Bearbeitungsachse die Zustellung der Werkzeugschneidkante gegenüber dem Formeinsatz während des spanenden Bearbeitens abhängig von der lateralen Relativlage zwischen Werkzeug sowie Werkstück und abhängig von einer auf der Negativfläche vorgesehenen Mikrostruktur dynamisch gesteuert wird. [20] Herein, "dynamic" may mean that at rotational speeds of more than 10 rpm about the machining axis, the tool cutting edge is fed relative to the mold insert during machining depending on the lateral relative position between tool and workpiece and dependent on one on the negative surface provided microstructure is dynamically controlled.
[21 ] Für ultraschallgestützte HobeU/Stoßprozesse existiert keine für die Schnittgeschwindigkeit relevante rotative Bewegung des Werkstücks. Das Diamantwerkzeug wird linear über das Werkstück geführt. Hier gilt als „dynamisch", insbesondere wenn mit dem Werkzeug Schnittgeschwindigkeiten >10cm/min realisiert werden. [21] For ultrasound-assisted HobeU / impact processes, there is no rotational movement of the workpiece relevant to the cutting speed. The diamond tool is guided linearly over the workpiece. Here, it is considered "dynamic", especially if cutting speeds> 10cm / min are achieved with the tool.
[22] Als dynamische Achssysteme für die Zustellbewegung können sogenannte Slow Tool Servos bzw. Fast Tool Servos zum Einsatz kommen. Bei einem Slow Tool Servo gibt es in der Regel mindestens eine normale Maschinenachse mit dynamischer Ansteuerung über ein G- Code Maschinenprogramm bzw. eine Programmierung über Skriptsprache. Beim Fast Tool Servo gibt es zur Erhöhung der Beschleunigung oft eine jeweilige Zusatzachse mit stark reduziertem und dynamisch bewegtem Achsgewicht und eigenständiger Steuerungsarchitektur, die mit der Maschinengrundsteuerung synchronisiert wird. [23] Vorzugsweise weist die Negativfläche des Formeinsatzes Stahl auf. Dies ist von Vorteil, denn man benötigt keine aufwändig galvanisch aufgebrachte Schicht aus Nickel-Phosphor (NiP), um den Diamant vor dem eisenhaltigen Material zu schützen. Solch eine NiP-Schicht kann stellenweise abplatzen und weist nicht die benötigte Stabilität für den Replikationsprozess auf. NiP beschichtete Stahleinsätze stellen den derzeitigen Stand der Technik bei mikrostrukturierten Formeinsätzen für die Großserienfertigung dar. [22] As dynamic axis systems for the infeed movement, so-called slow tool servos or fast tool servos can be used. With a Slow Tool Servo, there is usually at least one normal machine axis with dynamic control via a G code machine program or programming via scripting language. With the Fast Tool Servo, to increase the acceleration, there is often a respective additional axle with a greatly reduced and dynamically moved axle weight and an independent control architecture, which is synchronized with the basic machine control. [23] The negative surface of the mold insert preferably comprises steel. This is advantageous because it does not require a complex electroplated layer of nickel-phosphorus (NiP) to protect the diamond from the ferrous material. Such a NiP layer may flake off in places and does not have the required stability for the replication process. NiP coated steel inserts represent the current state of the art in microstructured mold inserts for mass production.
[24] Die Mikrostruktur weist vorzugsweise mindestens ein oder zwei Ordnungen auf, wobei eine erste Ordnung der Mikrostruktur Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung der Mikrostruktur überlagert sind. Die erste Ordnung der Mikrostruktur kann dabei eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 10 mm und die zweite Ordnung der Mikrostruktur eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 100 μηι aufweisen. Die einzelnen Flächen der zweiten Ordnung der Mikrostruktur in der Größenordnung von unter 100 μπι haben dabei eine Rauheit von weniger als 50 nm Ra. Je nach optischem Design kann die Mikrostruktur der ersten Ordnung entfallen. [24] The microstructure preferably has at least one or two orders, wherein a first order of the microstructure has surfaces which are superposed with a second order of the microstructure. The first order of the microstructure may have a lateral and / or vertical resolution of up to 10 mm and the second order of the microstructure a lateral and / or vertical resolution of up to 100 μηι. The individual surfaces of the second order of the microstructure in the order of less than 100 μπι have a roughness of less than 50 nm Ra. Depending on the optical design, the microstructure of the first order can be omitted.
[25] Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung bereitgestellt zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten Negativfläche eines Formeinsatzes für die replikati- ve Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten vorzugsweise optisch funktionalen Positivfläche, aufweisend: [25] According to a second aspect of the invention, an apparatus is provided for the ultra-precise machining of a curved negative surface of a mold insert for the replicative production of an element having a correspondingly curved, preferably optically functional, positive surface, comprising:
- eine Bearbeitungsmaschine zum Drehen eines Werkstücks um eine Bearbeitungsachse, wobei die Bearbeitungsmaschine eine Werkstückaufnahme zum Fixieren des Formeinsatzes hat, a processing machine for rotating a workpiece about a processing axis, the processing machine having a workpiece holder for fixing the mold insert,
- eine Steuereinheit und - a control unit and
- ein Werkzeug mit einer Werkzeugschneidkante, wobei das Werkzeug dazu eingerichtet ist, die Negativfläche eines in der Werkstückaufnahme fixierten Formeinsatzes spanend zu bearbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die relative Position der Werkzeugschneidkante gegenüber dem Formeinsatz abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zuführung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, vorzugsweise mehr als 0,5 Hz dynamisch in einer Zustellrichtung zu steuern, die Werkzeugschneidkante einen monokristallinen Diamanten aufweist und die Vorrichtung eine Ultraschalleinheit zum Anregen von Schwingungen der Werkzeugschneidkante aufweist. a tool having a tool cutting edge, wherein the tool is adapted to machine the negative surface of a mold insert fixed in the workpiece holder, characterized in that the control unit is adapted to dynamically control the feeding of the diamond at a frequency of more than 0.3 Hz, preferably more than 0.5 Hz, in a feed direction, the relative position of the cutting edge of the tool relative to the mold insert, depending on the location of the diamond on the negative surface , the tool cutting edge has a monocrystalline diamond, and the device has an ultrasonic unit for exciting vibrations of the tool cutting edge.
[26] Vorzugsweise ist die Ultraschalleinheit dazu eingerichtet, die Werkzeugschneidkante zu Schwingungen senkrecht zur Vorschubrichtung anzuregen. [27] Die Ultraschalleinheit kann dabei einen Trans versal-Ultraschallschwinger oder einen Longitudinal-Ultraschallschwinger aufweisen. Der Transversal-Ultraschallschwinger hat gegenüber dem Longitudinal-Ultraschallschwinger den Vorteil, dass bei stark konkaven Negativflächen eine größere Eindringtiefe realisierbar ist. Dagegen ist der Longitudinal- Ultraschallschwinger im Aufbau prinzipiell simpler und bedarf einer weniger genauen Abstim- mung der verwendeten Komponenten zueinander. Daher kann je nach Anwendungsfall der Transversal-Ultraschallschwinger oder der Longitudinal-Ultraschallschwinger von Vorteil sein. [26] Preferably, the ultrasound unit is set up to excite the tool cutting edge to oscillate perpendicularly to the feed direction. [27] The ultrasound unit can have a trans-ultrasonic transducer or a longitudinal ultrasonic transducer. The transversal ultrasound transducer has the advantage over the longitudinal ultrasound transducer that a greater penetration depth can be achieved with strongly concave negative surfaces. In contrast, the longitudinal ultrasound transducer is fundamentally simpler in design and requires less accurate matching of the components used with one another. Therefore, depending on the application, the transversal ultrasonic transducer or the longitudinal ultrasonic transducer may be advantageous.
[28] Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Formeinsatz bereitgestellt mit einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten vorzugsweise optisch funktionalen Positivfläche, wobei die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 20 nm Ra aufweist als auch eine Mikrostruktur unterhalb von 100 μπι. Der Rauheitswert kann auch durch die Kombination einer Ultraschallbearbeitung (Rauheit < 100 nm) und einer kombinierten Feinstnachpolitur erreicht werden. [28] According to a third aspect of the invention, there is provided a mold insert having a domed and ferrous negative surface for replicatively producing an element having a correspondingly domed, preferably optically functional, positive surface, wherein the domed negative surface both has a roughness of less than 20 nm Ra and a microstructure below 100 μπι. The roughness value can also be achieved by the combination of an ultrasonic processing (roughness <100 nm) and a combined Feinstnachpolitur.
[29] Vorzugsweise weist die Mikrostruktur mindestens ein oder zwei Ordnungen auf, wobei eine erste Ordnung der Mikrostruktur Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung der Mikrostruktur überlagert sind. Die erste Ordnung der Mikrostruktur kann dabei eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 10 mm und die zweite Ordnung der Mikrostruktur eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 100 μιη aufweisen. Die einzelnen Flächen der zweiten Ordnung der Mikrostruktur in der Größenordnung von unter 100 μιτι haben dabei eine Rauheit von weniger als 20 nm. Je nach optischem Design kann die Mikrostruktur der ersten Ordnung entfallen. [30] Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Element aus Kunststoff für LED-Fahrzeugscheinwerfer zum definierten Ausleuchten der Fahrbahn bereitgestellt, wobei das optische Element mittels eines zuvor beschriebenen Formeinsatzes replikativ hergestellt ist und eine gewölbte optisch funktionale Oberfläche aufweist mit einer Rauheit von weniger als 20 nm und einer Mikrostruktur unterhalb von 100 μπι zur Beeinflussung des Übergangs eines mittels LEDs ausgeleuchteten Fahrbahnbereichs zu einem nicht ausgeleuchteten Fahrbahnbereich. Preferably, the microstructure comprises at least one or two orders, wherein a first order of the microstructure comprises surfaces superposed with a second order of the microstructure. The first order of the microstructure may be a lateral and / or vertical resolution of up to 10 mm and the second order of the microstructure a have lateral and / or vertical resolution of up to 100 μιη. The individual surfaces of the second order of the microstructure in the order of less than 100 μιτι have a roughness of less than 20 nm. Depending on the optical design, the microstructure of the first order can be omitted. [30] According to a fourth aspect of the invention, there is provided a plastic optical element for LED vehicle headlamps for defined illumination of the roadway, the optical element being replicatively manufactured by means of a previously described mold insert and having a domed optically functional surface with a roughness of less as 20 nm and a microstructure below 100 μπι for influencing the transition of a lit by LEDs roadway area to a non-illuminated roadway area.
[31 ] Vorzugsweise weist auch hier die Mikrostruktur mindestens ein oder zwei Ordnungen auf, wobei eine erste Ordnung der Mikrostruktur Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung der Mikrostruktur überlagert sind. Die erste Ordnung der Mikrostruktur kann dabei eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 10 mm und die zweite Ordnung der Mikrostruktur eine laterale und/oder vertikale Auflösung von bis zu 100 μπι aufweisen. Die einzelnen Flächen der zweiten Ordnung der Mikrostruktur in der Größenordnung von unter 100 μπι haben dabei eine Rauheit von weniger als 20 nm. [31] Here, too, the microstructure preferably has at least one or two orders, wherein a first order of the microstructure has surfaces which are superposed with a second order of the microstructure. The first order of the microstructure may have a lateral and / or vertical resolution of up to 10 mm and the second order of the microstructure a lateral and / or vertical resolution of up to 100 μπι. The individual areas of the second order of the microstructure in the order of less than 100 μπι have a roughness of less than 20 nm.
[32] Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt [32] In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the attached figures. It shows
Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes; Figur 2 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes; Figur 3 einen Transversalschwinger für die Ultraschallanregung der Werkzeugschneidkante; 1 shows a longitudinal section through an embodiment of a device according to the invention for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert; Figure 2 is a plan view of an embodiment of a device according to the invention for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert; FIG. 3 shows a transversal oscillator for the ultrasound excitation of the tool cutting edge;
Figur 4 einen Longitudinalschwinger für die Ultraschallanregung der FIG. 4 shows a longitudinal oscillator for the ultrasound excitation of FIG
Werkzeugschneidkante;  Tool cutting edge;
Figuren 5a, 5b und 5c schematisch Formeinsätze mit verschiedenen Formen einer FIGS. 5a, 5b and 5c schematically show mold inserts with different shapes
Negativfläche;  Negative surface;
Figur 6 eine schematische Detailansicht einer Freiformoberfläche mit zwei Beispielen einer Mikrostruktur; und FIG. 6 shows a schematic detailed view of a free-form surface with two examples of a microstructure; and
Figur 7a, 7b Darstellung der Bewegungen im kombinierten Prozess beim Drehen 7a und Hobeln/Stoßen 7b. Figure 7a, 7b representation of the movements in the combined process when turning 7a and planing / pushing 7b.
[33] In Figur 1 ist schematisch eine Bearbeitungsmaschine 1 mit einer mittels einer Spindel um eine Bearbeitungsachse 3 drehbaren Werkstückaufnahme 5 gezeigt. In der Werkstückaufnahme 5 ist ein Formeinsatz 7 als zu bearbeitendes Werkstück eingespannt und somit zum Drehen des Formeinsatzes 7 um die Bearbeitungsachse 3 fixiert. Die Bearbeitungsmaschine 1 weist ferner ein Werkzeug 9 mit einer Werkzeugschneidkante 1 1 auf. Das Werkzeug 9 ist auf einer Werkzeugwechselplatte 13 befestigt. Die Werkzeugwechselplatte 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel an einer Sonotrode 15 eines Transversal-Ultraschallschwingers 17 befestigt, wobei die Sonotrode 15 mittels eines Piezo-Erregers 19 in Ultraschallschwingungen versetzt werden kann. Die Art der Ausbreitung der Ultraschallschwingungen vom Piezo-Erreger 19 über die Sonotrode 15 bis zur Werkzeugwechselplatte 13 ist in einer gestrichelten Sinuswelle 21 schematisch und zum Zweck der Darstellung stark übertrieben angedeutet. Die tatsächliche Frequenz der Ultraschallwelle beträgt 50 bis 100 kHz, wobei sich am Werkzeug eine Schwingungsamplitude von 0,5 bis 10 μπ\ einstellt. Die entsprechende Schwingungsrichtung 23 der Werkzeugschneidkante 1 1 ist ebenfalls aus Darstellungszwecken stark übertrieben durch einen gestrichelten Doppelpfeil gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Sonotrode 15 an einem leichten Schlitten 25 im Sinne eines Fast Tool Servos angebracht. Der leichte Schlitten 25 kann zur Erzeugung von Mikrostrukturen mit Beschleunigungen von über 10 m/s2 bewegt werden. Der leichte Schlitten 25 ist wiederum auf einem trägeren Maschinenschlitten 27 angeordnet. Sowohl der leichte Schlitten 25 als auch der Maschinenschlitten 27 sind in Richtung der Bearbeitungsachse 3 auf einem Maschinenbett 29 beweglich. Der leichte Schlitten 25 wird mit einer eigenständigen Steuerungsarchitektur angesteuert, die mit der Maschinengrundsteuerung synchronisiert ist. Alternativ dazu könnte die Sonotrode 15 auch direkt an dem Maschinenschlitten 27 angeordnet sein. Dann würde die Werkzeugschneidkante 1 1 im Sinne eines Slow Tool Ser- vos direkt über einen G-Code der Maschinengrundsteuerung zur Erzeugung einer Mikrostruktu- rierung in Richtung der Bearbeitungsachse 3 bewegt. Wenngleich in Fig. 1 nicht gezeigt, so ist die Spindel mit der Werkstückaufnahme 5 und dem eingespannten Formeinsatz 7 senkrecht zur Papierebene (aufgespannt durch die Bearbeitungsachse 3 und die Schwingungsrichtung 23) beweglich. FIG. 1 schematically shows a processing machine 1 with a workpiece holder 5 rotatable about a machining axis 3 by means of a spindle. In the workpiece holder 5, a mold insert 7 is clamped as a workpiece to be machined and thus fixed for rotating the mold insert 7 about the machining axis 3. The processing machine 1 also has a tool 9 with a tool cutting edge 11. The tool 9 is mounted on a tool change plate 13. The tool change plate 13 is attached in this embodiment to a sonotrode 15 of a transversal ultrasonic vibrator 17, wherein the sonotrode 15 can be offset by means of a piezo exciter 19 in ultrasonic vibrations. The type of propagation of the ultrasonic vibrations from the piezoelectric exciter 19 via the sonotrode 15 to the tool change plate 13 is shown in a dashed sine wave 21 schematically and greatly exaggerated for the purpose of illustration. The actual frequency of the ultrasonic wave is 50 to 100 kHz, whereby the vibration amplitude of the tool is 0.5 to 10 μπ \. The corresponding vibration direction 23 of the tool cutting edge 1 1 is also greatly exaggerated for purposes of illustration by a dashed double arrow. In this embodiment, the sonotrode 15 is attached to a light carriage 25 in the sense of a fast tool servo. The light carriage 25 can be moved to produce microstructures with accelerations of over 10 m / s 2 . The lightweight carriage 25 is in turn arranged on a carrier machine slide 27. Both the light carriage 25 and the machine carriage 27 are movable in the direction of the machining axis 3 on a machine bed 29. The lightweight carriage 25 is driven by a stand-alone control architecture that is synchronized with the machine ground control. Alternatively, the sonotrode 15 could also be arranged directly on the machine carriage 27. Then, the tool cutting edge 11 would be moved in the direction of the machining axis 3 in the sense of a slow tool servo directly via a G code of the basic machine control in order to generate a microstructure. Although not shown in Fig. 1, the spindle with the workpiece holder 5 and the clamped mold insert 7 perpendicular to the paper plane (spanned by the machining axis 3 and the vibration direction 23) is movable.
[34] Fig. 2 zeigt eine Draufsicht einer alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine 1 , bei der das Werkzeug 9 senkrecht zur Bearbeitungsachse 3 beweglich ist und die Spindel mit der Werkstückaufnahme 5 und dem eingespannten Formeinsatz 7 in Richtung der Bearbeitungsachse 3. Hier verläuft die Ultraschall-Schwingungsrichtung 23 senkrecht zur Papierebene, die von einer Bearbeitungsachse 3 und einer lateralen Bewegungsrichtung 31 eines Maschinenschlittens 27 aufgespannt wird. Die Ausführungsform der Fig. 2 entspricht ansonsten der Ausführungsform in Fig. 1. Fig. 2 shows a plan view of an alternative embodiment of a processing machine 1 according to the invention, in which the tool 9 is movable perpendicular to the machining axis 3 and the spindle with the workpiece holder 5 and the clamped mold insert 7 in the direction of the machining axis 3. Here is the ultrasound Oscillation direction 23 perpendicular to the plane of the paper, which is spanned by a machining axis 3 and a lateral direction of movement 31 of a machine carriage 27. The embodiment of FIG. 2 otherwise corresponds to the embodiment in FIG. 1.
[35] Fig. 3 zeigt einen Transversal-Ultraschallschwinger 17 für die Ultraschallanregung der Werkzeugschneidkante 1 1. Das Werkzeug 9 ist wie in Fig. 1 auf einer Werkzeugwechselplatte 13 befestigt. Die Werkzeugwechselplatte 13 ist an einer Sonotrode 15 eines Transversal- Ultraschallschwingers 17 befestigt, wobei die Sonotrode 15 mittels eines Piezo-Erregers 19 in Ultraschallschwingungen versetzt werden kann. Die Art der Ausbreitung der Ultraschallschwingungen vom Piezo-Erreger 19 über die Sonotrode 15 bis zur Werkzeugwechselplatte 13 ist in einer gestrichelten Sinuswelle 21 schematisch und zum Zweck der Darstellung stark über- trieben angedeutet. Die tatsächliche Frequenz der Ultraschallwelle beträgt 50 bis 100 kHz, wobei sich am Werkzeug eine Schwingungsamplitude von 0,5 bis 10 m einstellt. Die entsprechende Schwingungsrichtung 23 der Werkzeugschneidkante 1 1 ist ebenfalls aus Darstellungszwecken stark übertrieben durch einen gestrichelten Doppelpfeil gezeigt. [36] Fig. 4 zeigt einen Longitudinal-Ultraschallschwinger 33 für die Ultraschallanregung der Werkzeugschneidkante 1 1 . Hierbei überträgt die Sonotrode 15 die Ultraschallwellen im Gegensatz zum Transversal-Ultraschallschwinger 17 aus Fig. 3 nicht durch Verbiegung, sondern mittels Ultraschalldruckwellen 35, die sich in der Sonotrode 15 vom Piezo-Erreger 19 zur Werk- zeugwechselplatte 13 ausbreiten. Die Werkzeugwechselplatte 13 mit dem Werkzeug 9 und der Werkzeugschneidkante 1 1 schwingt dann in Schwingungsrichtung 23. [35] FIG. 3 shows a transversal ultrasonic vibrator 17 for the ultrasonic excitation of the tool cutting edge 1 1. The tool 9 is fastened on a tool change plate 13 as in FIG. The tool change plate 13 is attached to a sonotrode 15 of a transversal ultrasonic vibrator 17, wherein the sonotrode 15 by means of a piezo exciter 19 can be put into ultrasonic vibration. The type of propagation of the ultrasonic vibrations from the piezoelectric exciter 19 via the sonotrode 15 to the tool change plate 13 is indicated schematically in a dashed sine wave 21 and greatly overdriven for the purpose of illustration. The actual frequency of the ultrasonic wave is 50 to 100 kHz, with the tool setting a vibration amplitude of 0.5 to 10 m. The corresponding vibration direction 23 of the tool cutting edge 1 1 is also greatly exaggerated for purposes of illustration by a dashed double arrow. [36] FIG. 4 shows a longitudinal ultrasonic oscillator 33 for the ultrasound excitation of the tool cutting edge 11. In contrast to the transversal ultrasonic oscillator 17 from FIG. 3, the sonotrode 15 does not transmit the ultrasonic waves by bending, but by means of ultrasonic pressure waves 35 which propagate in the sonotrode 15 from the piezoelectric exciter 19 to the tool change plate 13. The tool change plate 13 with the tool 9 and the tool cutting edge 1 1 then oscillates in the direction of vibration 23rd
[37] Die Schwingungsrichtung 23 in Fig. 3 und 4 ist gleich. Der Transversal- Ultraschallschwinger 17 hat dabei gegenüber dem Longitudinal-Ultraschallschwinger 33 den Vorteil, dass bei stark konkaven Negativflächen eine größere Eindringtiefe realisierbar ist. Da- gegen ist der Longitudinal-Ultraschallschwinger 33 im Aufbau prinzipiell simpler und bedarf einer weniger genauen Abstimmung der verwendeten Komponenten zueinander. Daher kann je nach Anwendungsfall der Transversal-Ultraschallschwinger 17 oder der Longitudinal- Ultraschallschwinger 33 von Vorteil sein. [37] The vibration direction 23 in FIGS. 3 and 4 is the same. The transversal ultrasonic vibrator 17 has the advantage over the longitudinal ultrasonic oscillator 33 that with strongly concave negative surfaces a greater penetration depth can be realized. In contrast, the longitudinal ultrasonic transducer 33 is basically simpler in design and requires less accurate matching of the components used with one another. Therefore, depending on the application, the transversal ultrasonic vibrator 17 or the longitudinal ultrasonic oscillator 33 may be advantageous.
[38] Fig. 5a zeigt eine um die Bearbeitungsachse 3 rotationssymmetrisch konkave Grund- form 37 einer Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Die Grundform 37 der Negativfläche bestimmt die später im Replikationsprozess mit dem Formeinsatz 7 herstellbare optisch funktionale Fläche eines optischen Elements und damit die prinzipielle Lichtlenkung. In diesem Fall ergäbe sich eine konvexe Positivfläche des optischen Elements, die LED-Licht bezüglich der optischen Achse (entspricht hier der Bearbeitungsachse 3) bündelt. Zur Lichthomogenisierung bzw. zur Definition der Hell/Dunkel-Übergänge benötigt diese Grundform 37 allerdings überlagerte Mikrostrukturen, die in Fig. 6 gezeigt sind. [0175] FIG. 5a shows a basic shape 37 of a mold insert 7 that is concave rotationally symmetrical about the machining axis 3. The basic shape 37 of the negative surface determines the optically functional surface of an optical element produced later in the replication process with the mold insert 7 and thus the principal light steering , In this case, a convex positive surface of the optical element, which bundles LED light with respect to the optical axis (corresponds to the machining axis 3), would result. For light homogenization or for defining the light / dark transitions, however, this basic form 37 requires superposed microstructures, which are shown in FIG.
[39] Fig. 5b zeigt eine um die Bearbeitungsachse 3 rotationssymmetrisch konvexe Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Hier ergäbe sich also eine konkave Positivfläche des optischen Elements, die LED-Licht bezüglich der optischen Achse (entspricht hier der Bearbeitungsachse 3) streut. [39] FIG. 5b shows a basic shape 37 of the negative surface of a mold insert 7 which is rotationally symmetrical about the machining axis 3. Here, therefore, a concave positive surface of the optical element would be produced which scatters LED light with respect to the optical axis (corresponding to the machining axis 3).
[40] In Fig. 5c ist eine beliebige nicht-rotationssymmetrische Freiform als Grundform 37 der Negativfläche gezeigt, die im Replikationsprozess eine entsprechende Freiform der Positivflä- che des optischen Elements definiert. Mit einer Freiform eines optischen Elements kann LED- Licht eines Fahrzeugscheinwerfers einen beliebig definierbaren Fahrbahnbereich ausleuchten. [40] FIG. 5c shows an arbitrary non-rotationally symmetrical free form as the basic shape 37 of the negative surface, which in the replication process has a corresponding free form of the positive surface. surface of the optical element. With a free form of an optical element, LED light of a vehicle headlight can illuminate an arbitrarily definable roadway area.
[41 ] Fig. 6 zeigt zwei Beispiele einer Mikrostruktur 39, 41 auf einer Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Die erste Mikrostruktur 39 befindet sich direkt auf der Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7. Die erste Mikrostruktur 39 hat eine Größenordnung von weniger als 100 μη Die einzelnen Flächen der Mikrostruktur 39 können je nach Bedarf in genau definierter Weise zur Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7 erzeugt werden oder zufällig stochastisch verteilt und ausgerichtet werden. [41] FIG. 6 shows two examples of a microstructure 39, 41 on a basic mold 37 of the negative surface of a mold insert 7. The first microstructure 39 is located directly on the basic mold 37 of the negative surface of a mold insert 7. The first microstructure 39 has an order of magnitude less as 100 μη The individual surfaces of the microstructure 39 can be generated in a well-defined manner to the basic shape 37 of the negative surface of a mold insert 7 or randomly stochastically distributed and aligned as needed.
[42] Die zweite Mikrostruktur 41 weist zwei Ordnungen 43, 45 auf, wobei eine erste Ord- nung 43 der Mikrostruktur 41 Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung 45 der Mikrostruktur 41 überlagert sind. Die erste Ordnung 43 der Mikrostruktur 41 hat eine Größenordnung von unter 10 mm und die zweite Ordnung 45 der Mikrostruktur 41 hat eine Größenordnung von weniger als 100 μπι. Die erste 43 und/oder zweite Ordnung 45 kann in genau definierter Weise zur Grundform 37 der Negativfläche eines Formeinsatzes 7 erzeugt werden oder zufällig stochastisch verteilt und ausgerichtet werden. [42] The second microstructure 41 has two orders 43, 45, wherein a first order 43 of the microstructure 41 has surfaces that are superimposed with a second order 45 of the microstructure 41. The first order 43 of the microstructure 41 has an order of magnitude of less than 10 mm and the second order 45 of the microstructure 41 has an order of magnitude of less than 100 μm. The first 43 and / or second order 45 can be generated in a well-defined manner to the basic shape 37 of the negative surface of a mold insert 7 or randomly stochastically distributed and aligned.
[43] Fig. 7a zeigt die Bewegungsrichtungen beim Drehprozess. Das Diamantwerkzeug 1 1 führt angeregt durch den Ultraschallschwinger eine Schwingbewegung 23 parallel zur Schnittbewegung 47 aus. Durch die überlagerten Bewegungen kommt es zum zyklischen Eingriff und Freischwingen des Diamantwerkzeugs. Der kontinuierliche Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück wird in Schnittrichtung unterbrochen. Die Schnittbewegung resultiert aus der Bauteildrehung 49 und der jeweiligen Werkzeugposition. Diese resultiert aus der Vorschubbewegung 48, wahlweise von außen nach innen oder von innen nach außen. Die dynamische Zustellbewegung 46 des Diamantwerkzeugs zur Erzeugung der Mikrostruktur steht senkrecht zu Vorschub- und Schnittbewegung. [44] Fig. 7b zeigt die Verhältnisse für den Hobel- /Stoßprozess. Anders als beim Drehen resultiert die Schnittbewegung 47 aus einer Relativbewegung zwischen Bauteil und Werkzeug, die primär durch eine Linearbewegung charakterisiert ist. Die Schwingbewegung 23 ist ebenfalls gleich zur Schnittbewegung orientiert. Die dynamische Zustellbewegung 46 des Diamant- Werkzeugs zur Erzeugung der Mikrostruktur steht senkrecht zur Schnitt- und Vorschubbewegung. [43] Fig. 7a shows the directions of movement during the turning process. The diamond tool 1 1 excited by the ultrasonic transducer performs a swinging motion 23 parallel to the cutting motion 47. The superimposed movements cause cyclic engagement and free swinging of the diamond tool. The continuous contact between tool and workpiece is interrupted in the cutting direction. The cutting movement results from the component rotation 49 and the respective tool position. This results from the feed movement 48, either from the outside to the inside or from the inside out. The dynamic feed motion 46 of the diamond tool to create the microstructure is perpendicular to feed and cut motion. [44] Fig. 7b shows the conditions for the planing / impact process. Unlike when turning, the cutting motion 47 results from a relative movement between the component and the tool, which is primarily characterized by a linear movement. The oscillating movement 23 is likewise oriented to the cutting movement. The dynamic advancing movement 46 of the diamond Tool for generating the microstructure is perpendicular to the cutting and feed movement.
[45] Es sei hier angemerkt, dass die Merkmale von bestimmten beschriebenen Ausführungsformen auch in jeweils anderen Ausführungsformen zum Einsatz kommen können. Mit der hierin beschriebenen Erfindung wird es ermöglicht, einen eisenhaltigen Formeinsatz für die replikative Herstellung eines optischen Elements derart ultrapräzise zu bearbeiten, sodass die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 50 nm aufweist als auch eine Mikrostruktur unterhalb von 100 m. [45] It should be noted here that the features of certain described embodiments may also be used in different embodiments. The invention described herein makes it possible to process an iron-containing mold insert for the replicative production of an optical element in an ultra-precise manner such that the curved negative surface has both a roughness of less than 50 nm and a microstructure of less than 100 m.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Bearbeitungsmaschine 1 processing machine
3 Bearbeitungsachse  3 machining axis
5 Werkstückaufnahme  5 workpiece holder
7 Formeinsatz  7 mold insert
9 Werkzeug  9 tool
1 1 Werkzeugschneidkante  1 1 tool cutting edge
13 Werkzeugwechselplatte  13 tool change plate
15 Sonotrode  15 sonotrode
17 Transversal-Ultraschallschwinger  17 transversal ultrasonic transducer
19 Piezo-Erreger  19 piezo exciters
21 Sinuswelle  21 sine wave
23 Schwingungsrichtung  23 oscillation direction
25 leichter Schlitten  25 light sleds
27 Maschinenschlitten  27 machine slides
29 Maschinenbett  29 machine bed
31 laterale Bewegungsrichtung  31 lateral movement direction
33 Longitudinal-Ultraschallschwinger  33 Longitudinal ultrasonic transducer
35 Ultraschalldruckwellen  35 ultrasonic pressure waves
37 Grundform der Negativfläche  37 Basic shape of the negative surface
39 erste Mikrostruktur  39 first microstructure
41 zweite Mikrostruktur  41 second microstructure
43 erste Ordnung der zweiten Mikrostruktur  43 first order of the second microstructure
45 zweite Ordnung der zweiten Mikrostruktur  45 second order of the second microstructure
46 Zustellbewegung des Diamantwerkzeugs zur Mikrostrukturierung 46 advancing movement of the diamond tool for microstructuring
47 Schnittrichtung48 Vorschubrichtung 47 Cutting direction48 Feed direction
49 Bauteildrehung  49 component rotation

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes (7) für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten Positivfläche, aufweisend die folgenden Schritte: A process for the ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert (7) for the replicative production of an element with a correspondingly curved positive surface, comprising the following steps:
Fixieren des Formeinsatzes (7) in einer Werkstückaufnahme (5) einer Bearbeitungsmaschine ( 1 ), spanendes Bearbeiten der Negativfläche des Formeinsatzes (7), wobei die Negativfläche mit einer Werkzeugschneidkante (1 1 ) mit einem monokristallinen Diamanten spanend bearbeitet wird, wobei die Werkzeugschneidkante (1 1 ) mittels Ultraschall in Schwingungen versetzt wird und abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche die Zustellung (46) des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz, gesteuert wird. Fixing the mold insert (7) in a workpiece holder (5) of a processing machine (1), machining the negative surface of the mold insert (7), wherein the negative surface is machined with a tool cutting edge (1 1) with a monocrystalline diamond, wherein the tool cutting edge ( 1 1) is vibrated by means of ultrasound and depending on the location of the diamond on the negative surface, the delivery (46) of the diamond with a frequency of more than 0.3 Hz, is controlled.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Positivfläche optisch funktional ist. 2. The method of claim 1, wherein the positive surface is optically functional.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zustellung des Diamanten mit einer Frequenz von mehr als 0,5 Hz gesteuert wird. 3. The method according to any one of the preceding claims, wherein the delivery of the diamond is controlled at a frequency of more than 0.5 Hz.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werkzeugschneidkante ( 1 1 ) im Wesentlichen senkrecht zu der Vorschubrichtung (48) der Werkzeugschneidkante ( 1 1 ) schwingt. 4. The method according to any one of the preceding claims, wherein the tool cutting edge (1 1) oscillates substantially perpendicular to the feed direction (48) of the tool cutting edge (1 1).
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei beim spanenden Bearbeiten ein Materialabtrag durch Drehen des Formeinsatzes (7) um die Bearbeitungsachse (3) gegen die Werkzeugschneidkante ( 1 1) erfolgt. 5. The method according to any one of the preceding claims 1 to 3, wherein during machining, a material removal by rotating the mold insert (7) about the machining axis (3) against the cutting edge of the tool (1 1).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim spanenden Bearbeiten ein Materialabtrag durch lineares Hobeln des Formeinsatzes (7) gegen die Werk- zeugschneidkante ( 1 1 ) und/oder lineares Stoßen der Werkzeugschneidkante (1 1) gegen den Formeinsatz (7) erfolgt. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein during machining a material removal by linear planing of the mold insert (7) against the Werk- cutting edge (1 1) and / or linear pushing the cutting edge (1 1) against the mold insert (7).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Stahl aufweisende Negativfläche des Formeinsatzes (7) bearbeitet wird. 7. The method according to any one of the preceding claims, wherein a steel having negative surface of the mold insert (7) is processed.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mikrostruktur (41 ) auf einer Grundform (37) der Negativfläche des Formeinsatzes (7) erzeugt wird, wobei die Mikrostruktur (39) eine Ordnung und die Mikrostruktur (41 ) zwei Ordnungen (43, 45) aufweist, wobei die erste (43) Ordnung der Mikrostruktur (41 ) Flächen aufweist, die mit der zweiten Ordnung (45) der Mikrostruktur (41 ) überlagert sind. 8. The method according to any one of the preceding claims, wherein a microstructure (41) on a basic shape (37) of the negative surface of the mold insert (7) is generated, the microstructure (39) one order and the microstructure (41) two orders (43, 45), the first (43) order of the microstructure (41) having surfaces superimposed on the second order (45) of the microstructure (41).
9. Vorrichtung zur ultrapräzisen Bearbeitung einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche eines Formeinsatzes (7) für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten Positivfläche, aufweisend: eine Bearbeitungsmaschine ( 1 ) zum Drehen des Formeinsatzes (7) um eine Bearbeitungsachse (3), wobei die Bearbeitungsmaschine ( 1 ) eine Werkstückaufnahme (5) zum Fixieren des Formeinsatzes (7) hat, eine Steuereinheit und ein Werkzeug (9) mit einer Werkzeugschneidkante (1 1 ), wobei das Werkzeug (9) dazu eingerichtet ist, die Negativfläche des in der Werkstückaufnahme (5) fixierten Formeinsatzes (7) spanend zu bearbeiten, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die relative Position der Werkzeugschneidkante (1 1) gegenüber dem Formeinsatz (7) abhängig vom Ort des Diamanten auf der Negativfläche dynamisch in einer Zustellrichtung mit einer Frequenz von mehr als 0,3 Hz zu steuern, die Werkzeugschneidkante (1 1) einen monokristallinen Diamanten aufweist und die Vorrichtung eine Ultraschalleinheit zum Anregen von Schwingungen der Werkzeugschneidkante aufweist. 9. A device for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert (7) for the replicative production of an element having a correspondingly curved positive surface, comprising: a processing machine (1) for rotating the mold insert (7) about a machining axis (3), wherein the processing machine (1) has a workpiece holder (5) for fixing the mold insert (7), a control unit and a tool (9) having a tool cutting edge (1 1), wherein the tool (9) is adapted to the negative surface of the in the Workpiece holder (5) fixed mold insert (7) machinable, wherein the control unit is adapted to the relative position of the tool cutting edge (1 1) relative to the mold insert (7) depending on the location of the diamond on the negative surface dynamically in a feed direction with a frequency of more than 0.3 Hz, the tool cutting edge (11) has a monocrystalline diamond and the device has an ultrasonic unit for exciting vibrations of the cutting edge of the tool.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Ultraschalleinheit dazu eingerichtet ist, die Werkzeugschneidkante zu Schwingungen senkrecht zur Vorschubrichtung anzuregen. 10. The device according to claim 9, wherein the ultrasonic unit is adapted to excite the tool cutting edge to oscillate perpendicular to the feed direction.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Ultraschalleinheit einen Transversal- Ultraschallschwinger (17) oder einen Longitudinal-Ultraschallschwinger (33) aufweist. 1 1. Apparatus according to claim 9 or 10, wherein the ultrasonic unit comprises a transversal ultrasonic transducer (17) or a longitudinal ultrasonic transducer (33).
12. Formeinsatz (7) mit einer gewölbten und eisenhaltigen Negativfläche für die replikative Herstellung eines Elements mit einer entsprechend gewölbten funktionalen Positivfläche, der mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist, wobei die gewölbte Negativfläche sowohl eine Rauheit von weniger als 20 nm aufweist als auch eine Mikrostruktur (39, 41 ) unterhalb von 100 μπι. 12. A mold insert (7) having a curved and ferrous negative surface for the replicative production of an element with a correspondingly curved functional positive surface, which is produced by a method according to any one of claims 1 to 8, wherein the curved negative surface both a roughness of less than 20 nm as well as a microstructure (39, 41) below 100 μπι.
13. Formeinsatz nach Anspruch 12, wobei die Mikrostruktur (39) eine Ordnung und die Mikrostruktur (41 ) zwei Ordnungen (43, 45) aufweist, wobei die erste Ordnung (43) der Mikrostruktur (41 ) Flächen aufweist, die mit der zweiten Ordnung (45) der Mikrostruktur (41 ) überlagert sind. 13. The mold insert according to claim 12, wherein the microstructure (39) has an order and the microstructure (41) has two orders (43, 45), wherein the first order (43) of the microstructure (41) has areas that are in the second order (45) of the microstructure (41) are superimposed.
14. Optisches Element aus Kunststoff für LED-Fahrzeugscheinwerfer zum definierten Ausleuchten der Fahrbahn, wobei das optische Element mittels eines Formeinsatzes (7) gemäß Anspruch 12 oder 13 replikativ hergestellt ist und eine gewölbte optisch funktionale Oberfläche aufweist mit einer Rauheit von weniger als 20 nm und einer Mikrostruktur (39, 41 ) unterhalb von 100 μπι zur Beeinflussung des Übergangs eines mittels LEDs ausgeleuchteten Fahrbahnbereichs zu einem nicht ausgeleuchteten Fahrbahnbereich. 14. An optical element made of plastic for LED vehicle headlights for defined illumination of the road, wherein the optical element by means of a mold insert (7) according to claim 12 or 13 is made replicatively and has a curved optically functional surface with a roughness of less than 20 nm and a microstructure (39, 41) below 100 μπι for influencing the transition of a lane area illuminated by LEDs to a non-illuminated roadway area.
15. Optisches Element nach Anspruch 12, wobei die Mikrostruktur (39) eine Ordnung und die Mikrostruktur (41) zwei Ordnungen (43, 45) aufweist, wobei die erste Ordnung (43) der Mikrostruktur (41) Flächen aufweist, die mit einer zweiten Ordnung (45) der Mikrostruktur (41 ) überlagert sind. 15. An optical element according to claim 12, wherein the microstructure (39) has one order and the microstructure (41) has two orders (43, 45), wherein the first order (43) of the microstructure (41) has areas that coincide with a second one Order (45) of the microstructure (41) are superimposed.
PCT/DE2014/000564 2014-04-16 2014-11-06 Method for ultra-precise machining of a convex and iron-containing negative surface of a mould insert, mould insert and optical element manufactured therewith WO2015158318A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014005543.4A DE102014005543B3 (en) 2014-04-16 2014-04-16 Method and device for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert, mold insert and an optical element produced therewith
DE102014005543.4 2014-04-16

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2015158318A1 true WO2015158318A1 (en) 2015-10-22

Family

ID=52302030

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2014/000564 WO2015158318A1 (en) 2014-04-16 2014-11-06 Method for ultra-precise machining of a convex and iron-containing negative surface of a mould insert, mould insert and optical element manufactured therewith

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014005543B3 (en)
WO (1) WO2015158318A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110170716A (en) * 2019-06-06 2019-08-27 浙江工业大学 Bidimensional ultrasonic vibration auxiliary rolling erosion electrochemical micromachining method and device
US20210237172A1 (en) * 2020-02-03 2021-08-05 The Boeing Company Vibration assisted drilling system and method of use

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016014253B4 (en) * 2016-11-08 2020-10-22 Innolite Gmbh Ultrasonic system, method for designing an ultrasonic system
DE102016122470A1 (en) 2016-11-22 2018-05-24 HELLA GmbH & Co. KGaA Method and apparatus for machining a polycarbonate workpiece and polycarbonate optical element
DE102017009688A1 (en) * 2017-10-18 2019-04-18 Innolite Gmbh Method for turning workpieces and apparatus, in particular for carrying out such a method
CN112548339B (en) * 2020-11-06 2022-08-23 广东工业大学 Ultrasonic laser mechanical composite machining method, ultrasonic vibration clamp, machine tool and laser
CN113182539B (en) * 2021-04-02 2023-07-04 大连理工大学 Three-dimensional ultrasonic elliptical vibration cutting device with multistage amplification function

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004020990A1 (en) 2004-04-23 2005-11-17 Schott Ag Microstructure machining tool, especially for producing templates for poly-elipsoid headlamp lenses from hard metals, has fast drive that is coupled to tool using sprung guidance arrangement with high lateral rigidity
EP1787749A1 (en) * 2004-04-23 2007-05-23 Schott AG A device for machining microstructures
US7730815B2 (en) 2006-02-08 2010-06-08 Konica Minolta Opto, Inc. Vibration body for cutting, processing device, molding die and optical element
US7788998B2 (en) 2006-03-13 2010-09-07 Panasonic Corporation Precision machining system and methods
DE102012105349A1 (en) * 2012-06-20 2013-12-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Ultrasound-assisted method, ultrasonic vibration system suitable for carrying out the method, and sonotrode

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102004020990A1 (en) 2004-04-23 2005-11-17 Schott Ag Microstructure machining tool, especially for producing templates for poly-elipsoid headlamp lenses from hard metals, has fast drive that is coupled to tool using sprung guidance arrangement with high lateral rigidity
EP1787749A1 (en) * 2004-04-23 2007-05-23 Schott AG A device for machining microstructures
US7730815B2 (en) 2006-02-08 2010-06-08 Konica Minolta Opto, Inc. Vibration body for cutting, processing device, molding die and optical element
US7788998B2 (en) 2006-03-13 2010-09-07 Panasonic Corporation Precision machining system and methods
DE102012105349A1 (en) * 2012-06-20 2013-12-24 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Ultrasound-assisted method, ultrasonic vibration system suitable for carrying out the method, and sonotrode

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110170716A (en) * 2019-06-06 2019-08-27 浙江工业大学 Bidimensional ultrasonic vibration auxiliary rolling erosion electrochemical micromachining method and device
CN110170716B (en) * 2019-06-06 2024-05-07 浙江工业大学 Two-dimensional ultrasonic vibration assisted rolling corrosion micro electrolytic machining method and device
US20210237172A1 (en) * 2020-02-03 2021-08-05 The Boeing Company Vibration assisted drilling system and method of use
US11148208B2 (en) * 2020-02-03 2021-10-19 The Boeing Company Vibration assisted drilling system and method of use

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014005543B3 (en) 2015-02-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014005543B3 (en) Method and device for ultra-precise machining of a curved and ferrous negative surface of a mold insert, mold insert and an optical element produced therewith
EP1323497B1 (en) High speed lathe for manufacturing optical active surfaces
EP1719585B1 (en) Machine for machining optical workpieces, by name plastic spectacle lenses
EP1916060B1 (en) Machine for machining optical work pieces, in particular plastic spectacle lenses
DE19834559A1 (en) Surface finishing, especially grinding, lapping and polishing, tool manufacturing method by use of rapid prototyping methods
EP1773539B1 (en) Method and device for processing optical workpiece surfaces
EP2039529A2 (en) Method and device for the production of multiple use engraving depression panels
DE112004002942T5 (en) Apparatus for ultrasonic assisted machining
EP1787749B1 (en) A device for machining microstructures
Kim et al. Cutting force variation with respect to tilt angle of trajectory in elliptical vibration V-grooving
DE102004020990A1 (en) Microstructure machining tool, especially for producing templates for poly-elipsoid headlamp lenses from hard metals, has fast drive that is coupled to tool using sprung guidance arrangement with high lateral rigidity
JP2016047570A (en) Dry hobbing machining device
JP4755167B2 (en) Forging apparatus and forging method
DE102010048915A1 (en) Device i.e. hot wire processing device, for post-processing of e.g. precision workpiece for biotechnology, has sensor that monitors parameter, where thermal post-processing process is controlled based on data determined by sensor
DE102014203018B4 (en) Finishing method and device for finishing
DE19738818A1 (en) Pattern-controlled precision-machining system
DE102014012354A1 (en) Method and device for ultra-precise machining of a reference surface of a workpiece having an optical axis
DE102019202533A1 (en) Method and device for the preparation of a fine machining tool and a fine machining tool
SE0101035L (en) Apparatus and method for producing a dental restoration
DE102016122470A1 (en) Method and apparatus for machining a polycarbonate workpiece and polycarbonate optical element
DE102007060973B4 (en) Process for ductile grinding of brittle-hard materials
DE102017007945A1 (en) Apparatus for post-processing of precision and micro-plastic pieces with a processing wire
DE19805735C2 (en) Device and method for machining workpiece surfaces
DE102014119166B4 (en) grinding machine
DE10161243B4 (en) Microstructuring with ultrasound-assisted grinding

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14824770

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1