Spezialmaschinenbau: Präzisionsspiegel XXL

Für einen noch schärferen Blick ins All benötigen Astronomen weltweit eine neue Generation von Hochleistungsteleskopen. Zur Fertigung der dafür benötigten, extrem präzisen Großspiegel hat das deutsche Unternehmen OptoTech zusammen mit Siemens eine Spezialmaschine entwickelt.

13 Milliarden Lichtjahre – also fast zurück bis zum Urknall – könnte der Blick ins All künftig reichen. Das soll eine neue Generation von Großteleskopen ermöglichen. Allerdings benötigen die Superaugen extrem präzise und besonders große Spiegel in hoher Stückzahl. Und die sind kompliziert zu fertigen. Allein der Hauptspiegel eines solchen Teleskops besteht aus rund 800 Spiegelelementen mit einem Durchmesser von jeweils rund 1,5 Metern und einer Stärke von nur 50 Millimetern. Jedes Element muss dabei bis auf wenige Nanometer präzise gearbeitet sein.

 

Die Lösung: Als modernste und größte Präzisionsoptikmaschine der Welt ermöglicht die UPG 2000 CNC höchste Präzision beim Schleifen, Läppen und Polieren von Astro-Optik – alles in einer einzigen Maschine. Konstruiert und gebaut hat das Multitalent die OptoTech Optikmaschinen GmbH. Der Weltmarktführer für Optikmaschinen nutzt in der Entwicklung und Fertigung seit vielen Jahren Siemens-Technologie.

 

„Wir haben die Universalmaschine speziell für die Herstellung von Spiegeln mit Durchmessern von bis zu zwei Metern und für andere große optische Bauteile entwickelt“, sagt OptoTech-Konstruktionsleiter Jochen Franz. Angepeilt ist eine Fertigungsgenauigkeit von 30 Nanometern. Das entspricht ungefähr dem Tausendstel Durchmesser eines menschlichen Haars.

Tonnenschweres Multitalent

An der UPG 2000 CNC selbst ist dagegen alles groß: Ihr Gesamtgewicht von 86 Tonnen, der 40 Tonnen schwere Granitblock, auf dem sie ruht, die Spiegel, die sie fertigt und die Herausforderung, die ihre Konstruktion darstellte.

 

Bei so einem Projekt darf man sich keine Fehler erlauben – weder aufwendige Prototypen, die nicht funktionieren, noch Prozesse, die im laufenden Betrieb haken. Und schon gar nicht unpräzise gefertigte Spiegel. Für OptoTech war klar, dass sich die geforderte Fertigungsqualität nur mit einer völlig neuen, komplexen Kombimaschine erreichen ließe. „Beim Umspannen von einer auf die andere Maschine gehen stets Zeit und Genauigkeit verloren. Das galt es zu vermeiden“, sagt OptoTech-Gründer und Geschäftsführer Roland Mandler.

Entwicklung in Rekordzeit

Trotz der erforderlichen Pionierarbeit hat das hessische Unternehmen die UPG 2000 CNC zusammen mit Siemens in nur 1,5 Jahren entwickelt. Dazu setzten die Optik-Experten auf die PLM Software NX von Siemens. Die integrierte Softwaresuite zur Produktentwicklung und –fertigung ermöglicht selbst multidisziplinäre Berechnungen. „Mit NX und der integrierten Entwicklungsumgebung lassen sich nicht nur bessere Produkte produzieren. Die schnellere Entwicklung, Konstruktion und Fertigung verkürzen auch die Zeit bis zur Markteinführung deutlich“, sagt Peter Scheller, Marketing Director NX bei Siemens.

 

Zunächst erstellten die Konstrukteure von OptoTech eine virtuelle 3D-Konstruktion. Alle wichtigen Parameter flossen dazu in größtmöglicher Realitätsnähe über NX in die Konstruktion ein, zum Beispiel Maschinen-Mathematiken oder Eigenschaften der verwendeten Siemens-Steuerung Sinumerik 840D sl und des Siemens-Antriebs vom Typ Sinamics. Ein Team aus dem Siemens-Mechatronik-Support simulierte und optimierte danach die so entstandene virtuelle Maschine.

 

Teure physikalische Prototypen gehören durch den virtuellen Konstruktionsprozess der Vergangenheit an, ebenso die zeitraubende parallele elementmethodische Berechnung. Die ist sonst erforderlich, um zu prüfen, ob eine Konstruktion in der Realität statisch funktioniert. Über das CAM-Modul für die Fertigungssimulation ließ sich bei OptoTech sogar die Fertigungsbahn der Spiegel simulieren. „Damit ist schon früh quasi eine virtuelle Inbetriebnahme möglich“, so Scheller.

“Mit NX und der integrierten Entwicklungsumgebung verkürzt sich auch die Zeit bis zur Markteinführung deutlich.“
Peter Scheller, Siemens Industry Software

Vorteile durch Integration

Aber auch nach der Inbetriebnahme zeigen sich die Vorteile der NX-gestützten Entwicklung: NX ist tief in die Siemens Plattform für Product Lifecycle Management (PLM) Teamcenter integriert.

 

Bei der Antriebstechnologie profitiert OptoTech vom Integrated Drive Systems-Ansatz bei Siemens. Bei einem komplexen Projekt wie diesem bieten integrierte Antriebstechnologien erhebliche Vorteile. Die horizontale Integration des Antriebsstrangs sichert das reibungslose Zusammenspiel und die optimale Dimensionierung aller Teilkomponenten vom Umrichter über Motor und Kupplungen bis zum Getriebe. Vertikal sind die Systeme zudem durch die Welt der Totally Integrated Automation bis in die Steuerungsebene hinein optimal engineert, konfiguriert und vernetzt. Nicht zuletzt beinhalten Integrated Drive Systems eine integrierte Betreuung des Kunden über den gesamten Lebenszyklus einer Maschine hinweg.

 

Die langjährige gute Zusammenarbeit und die Entwicklungsunterstützung überzeugten OptoTech bei der Auswahl des Entwicklungspartners, ebenso wie die Technik: „Kein anderer Steuerungsanbieter hat eine ähnlich offen skalierbare und modular aufgebaute Premium-CNC wie Siemens“, so Konstruktionsleiter Franz. „Mit der Sinumerik 840D sl können wir beispielsweise die Zahl der Achsen steuerungsseitig ganz einfach anpassen und die notwendigen Achsinterpolationen beliebig erstellen.“ Ebenso schnell und unkompliziert funktioniere die Anpassung der kundenspezifischen Benutzeroberfläche. Weiterer Pluspunkt ist die Möglichkeit, per Fernwartung auf die Siemens CNC zuzugreifen.

2015-10-01

Mit mehr als neun Millionen lizenzierten Anwendern weltweit zählt Siemens zu den führenden Anbietern von Product Lifecycle Management (PLM) Software.

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