High-End-Finishing Korrekturverfahren
Magnetorheologische Polieren & asphericon Ångström-Politur
Inhalt
Für höchste Präzision und zur Minimierung von Formabweichungen, können Optiken einem finalen Korrekturschritt unterzogen werden, dem so genannten Finishing. Dieses dient der noch genaueren Oberflächenbearbeitung durch Polieren und ermöglicht zonale Korrekturen auch feinster Abweichungen. asphericon bietet zwei verschiedene High-End-Finishing Verfahren zur Verfeinerung der Oberflächenstruktur von Optikkomponenten an:
- das magnetorheologische Polieren (Magnetorheological Finishing) und
- die Ångström-Politur.
Die zwei Verfahren werden im Folgenden kurz erklärt und anschließend gegenübergestellt. Zunächst steht das das magnetorheologische Polieren (Magnetorheological Finishing; kurz MRF) im Mittelpunkt stehen. Diese Korrekturmethode ist ein mechanisches Politurverfahren für optische Oberflächen. Ein gezielter, lokaler Materialabtrag korrigiert die optische Oberfläche und ermöglicht niedrigste Oberflächenrauheitswerte (Rq < 0,3 nm). Mit der MRF-Technologie wird eine flexible Gestaltung von hochwertigen Präzisionsoptiken durch die Nutzung der magnetorheologischen Eigenschaften der Werkstoffkomponenten ermöglicht.
Magnetorheologische Polieren
Das Korrekturverfahren MRF arbeitet mit einer magnetorheologischen Flüssigkeit aus magnetischen Partikeln, Poliermittel und Wasser. Über eine Düse wird das MR-Fluid kontinuierlich auf ein rotierendes Rad gegeben (vgl. Abb. 1). Unterhalb der Radoberfläche befindet sich ein Magnet zur Erzeugung eines Magnetfeldes, das die Viskosität des „intelligenten“ Fluids verändert. Die Eisenpartikel richten sich aus und bilden eine am Rad haftende, steife Struktur; Wasser und Schleifpartikel konzentrieren sich als verfestigte, dünne Polierschicht an der Oberfläche (vgl. Abb. 2). Das Werkstück wird in eine bewegliche Halterung gespannt und an der zu bearbeitenden Oberfläche in die polierende Schicht getaucht – die Politur der Werkstückoberfläche beginnt (vgl. Abb. 3). Die Position des Werkstücks kann vollautomatisch und zeitsparend variiert werden. Ein gezielter Materialabtrag ermöglicht die lokale Korrektur von Formfehlern. Die Folge sind niedrigste Oberflächenrauheitswerte für Optiken höchster Güte. Die MRF-Technologie zeichnet sich dabei durch höchste Präzision, Determinismus und Wiederholbarkeit in der Herstellung von Präzisionsoptiken aus.
Abbildung: Prozessschritte des MRF Verfahrens
Vorteile der MRF-Technologie
Das MRF-Verfahren besticht durch seine Polier- und Korrekturmöglichkeiten im kurzwelligen, sowie im langwelligen Bereich. Der hohe Determinismus spiegelt sich in sehr guten Fehlerkorrektur-Planungen wider, was zu besten Ergebnissen in der Politur führt. Zudem überzeugt das Verfahren durch seine einfache Anwendbarkeit. Die hohe Flexibilität des MRF-Verfahrens erlaubt eine einfache Anpassung an verschiedenste optische Oberflächen und deckt damit ein breites Anwendungsspektrum für verschiedenste optische Komponenten ab.
Folgende Vorteile lassen sich für das Korrekturverfahren festhalten:
| Bearbeitungsgenauigkeit: | Hochpräzise Oberflächengenauigkeit (λ/50) |
| Determinismus: | Sehr gute Wiederholbarkeit |
| Flexibilität: | Passt sich unterschiedlichsten Oberflächenformen |
Anwendungsbereiche
Das MRF-Veredelungsverfahren findet breitgefächerte Anwendungsmöglichkeiten für verschiedenste Optiken unterschiedlichster Geometrien für den kurz- und langwelligen Bereich. Eine Politur im Rahmen der MRF-Technologie kann daher sowohl bei klassischen Optikelementen wie Sphären, als auch bei komplexeren Oberflächen wie Asphären (oder Freiformen) durchgeführt werden. Linsen für die Mikroskopie werden beispielsweise mittels MRF-Technologie poliert, um das Streulicht möglichst gering zu halten und gestochen scharfe Bilder generieren zu können. Auch die Ansprüche an verbaute Optiken in LIDAR-Systemen sind sehr hoch, da sie besonders hohen Umwelteinflüssen wie z.B. Sonne und damit besonderer Hitze ausgesetzt sind. Um eine optimale Funktionalität zu garantieren, bedürfen die optischen Komponenten einer einwandfreien optischen Oberfläche, welche mittels MRF-Technologie bereitgestellt werden kann.
Das Verfahren der asphericon Ångström-Politur
Wenn jedes Photon zählt, Streulicht ausgeschlossen werden soll oder Anwendungen mit hohen Laserleistungen durchgeführt werden sollen, ermöglicht die asphericon Ångström-Politur Rauheitswerte von 5 Å (Rq gemessen auf 1000x1000 µm Messfeld, Rq nach ISO 10110) auf optischen Oberflächen. Gekoppelt ist das Verfahren an die CNC-Bearbeitung. Die prozessoptimierte CNC-Fertigung korrigiert im Zusammenspiel mit speziell entwickelten Werkzeugen kurzfrequente Fehler mit höchster Genauigkeit und gleicht zu fertigende Optiken an ideale Oberflächen in nie dagewesener Form an. Die Oberflächenpräzision bleibt dabei unangetastet.
Die auf CNC-Fertigung basierende, hochgenaue Ångström-Politur wird durch eine patentierte, eigens von asphericon entwickelte Steuerungs-Software ermöglicht. Das Politurverfahren wird vollautomatisch gesteuert und ermöglicht dadurch einzigartige Rauheitswerte von 5 Å. Veranschaulicht werden kann die Ångström-Politur anhand einer beliebig gewählten Optikoberfläche. Die Oberfläche keiner Optik ist ideal, da langfrequente Fehler zur Abweichung von der idealen Oberflächenform führen (vgl. Abb. 1). Ein langfrequenter Fehler beinhaltet bei näherer Betrachtung viele kurzfrequente Fehler – sogenannte Ortsfrequenzen (vgl. Abb. 2). Die Ångström-Politur korrigiert die kurzfrequenten Fehler durch die Kombination des optimierten CNC-Prozesses und einer einzigartigen Software-Steuerung vollständig (vgl. Abb. 3). Was bleibt sind lediglich die langfrequenten Fehler, welche durch die asphericon-Technologie allerdings auf ein Minimum korrigiert werden können. Die Ångström-Politur kann zur Bearbeitung verschiedenster Elemente im optischen Bereich genutzt werden, z.B. für verbaute Linsen innerhalb von Satelliten oder für Optiken eines Ultrakurzpuls-Lasers.
Abb. 1: Ideale Oberfläche weicht von realer Oberfläche ab, Langfrequente Fehler vorhanden
Abb. 2 & 3: Links: Zoom vor Ångström-Politur (Kurzfrequente Fehler, Ortsfrequenzen) Rechts: Zoom nach Ångström-Politur (Kurzfrequente Fehler entfernt, Ortsfrequenzen korrigiert)
Vorteile der Ångström-Politur
Der geringe und präzise Materialabtrag der patentierten Ångström-Politur führt dazu, dass sich das Verfahren von anderen High-End-Finishing Prozessen mit einem nie dagewesenen Genauigkeitsniveau im kurzwelligen Wellenlängenbereich abhebt. Im Messfeld von 1000 x 1000 µm sind durch die Reduzierung der Rauheitswerte bis zu 5 Å erreichbar.
Die Vorteile der Ångström-Politur auf einen Blick:
| Rauheitswert: | 5 Å (Rq gemessen auf 1000x1000 µm Messfeld, Rq nach ISO 10110) |
| Besonderheiten: | - Weltweit einzigartige Korrektur im kurzwelligen Längenbereich - Minimalste Reststreuungen an Optikoberflächen - Breiter Anwendungsbereich |
| Massenproduktion: | Passt sich unterschiedlichsten Oberflächenformen |
Anwendungsbeispiele
Ein Vorteil der MRF-Methodik bildet die breite Anwendungspalette verschiedenster zu bearbeitenden Optikelemente. Die Politur von optischen Gläsern (Sphären und Asphären), Kristallen oder z.B. IR-Materialien ist problemlos möglich und sorgt für eine optimale Ausnutzung der Photonen. Die konstant einwandfreien Abbildungseigenschaften der bearbeiteten Elemente machen das High-End-Finishing Verfahren zur optimalen Ergänzung im Fertigungsprozess. Besonders wichtig sind hochgenaue Oberflächentoleranzen und geringste Oberflächenrauheitswerte in der Luft- und Raumfahrt, spezieller beispielsweise bei Optiken für Satelliten und Satellitenkameras. Aber auch in verschiedenen Messvorrichtungen, wie z.B. der Atominterferometrie bedarf es hochgenauen optischen Komponenten, um beste Messergebnisse zu erzielen.
Zusammenfassung der Korrekturverfahren MRF und Ångström-Politur
Bei einer Gegenüberstellung der vorgestellten High-End-Finishing Verfahren zeigt sich, dass jedem Politur-Verfahren besondere Vorteile zugeschrieben werden können. Je nach Fertigungsanforderung, Material oder geforderter Genauigkeit kann jedes der vorgestellten High-End-Finishing Verfahren im Endergebnis überzeugen. Folgende Tabelle fasst die drei vorgestellten Korrekturverfahren kurz zusammen:
| MRF | Ångström-Politur | ||
|---|---|---|---|
| Verfahren | Abrasive magnetorheologische Suspension korrigiert lokal den Formfehler | Optimierter CNC-Polierprozess korrigiert Rauheiten im kurzwelligen Ortsfrequenzbereich auf ein Minimum | |
| Vorteile | Hohe Wiederholbarkeit und Determinismus | Sehr geringe Oberflächenrauheitswerte, minimale Reststreuungen | |
| Korrektur | Kurzwellige Fehler (mittlere bis hohe Ortsfrequenzen) | ||
| Anwendung | Mittlere bis hohe Stückzahlen | Kleine bis hohe Stückzahlen | |
| Aufwand (3er Skala) | ** (mittel) | ** (mittel) |
Die MRF-Technologie zeichnet sich durch ein breites Korrekturspektrum im kurz- sowie im langwelligen Bereich aus und gilt damit als eine Art „Allrounder der Politurverfahren“. Die Ångström-Politur überzeugt durch besonders geringe Reststreuungen und minimalste Rauheitswerte.
Die Entscheidung, welche Form des High-End-Finishings für die Politur gewählt wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wichtig sind vor allem die spezifischen Kundenanforderungen, in deren Abhängigkeit asphericon die effizienteste Lösung für jeden Kunden findet. Je nach Material und geforderter Genauigkeit realisieren die unterschiedlichen High-End-Finishing Verfahren optimierte Lösungen für beste Oberflächenqualitäten verschiedenster Optiken.
