Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung eines laserbasierten Korrekturpoliturverfahrens für Asphären und Freiformoptiken aus Quarzglas und ULE

Ziel des geplanten Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines laserbasierten Korrekturpoliturverfahrens für die Fertigung von höchstpräzisen Asphären und Freiformoptiken aus Quarzglas und Titanium-Silikatglas (ULE®). Die deutsche Optikindustrie steht vor der Herausforderung die Forderungen nach immer komplexeren Geometrien sowie steigender Qualität unter dem Diktat globaler Beschaffungsmöglichkeiten und dem damit einhergehenden Preisdruck, zu erfüllen. Dabei gewinnt die Korrekturpolitur als abschließender Formgebungsprozess zunehmend an Bedeutung. Wesentlicher Vorteil eines laserbasierten Prozessschrittes ist dabei eine von der Form unabhängige kurze Bearbeitungszeit, wodurch dieser besonders zur Fertigung nichtsphärischer Oberflächen geeignet ist. Zusätzlich kann die laserbasierte Korrekturpolitur mit einer im Vergleich zu konventionellen Verfahren, wie z.B. dem Ion Beam Figuring, kostengünstigen Anlagentechnik umgesetzt werden (Verzicht auf Vakuum-Kammer) und erreicht gleichzeitig eine deutlich höhere laterale Auflösung von unter 50 µm. Dies ermöglicht die Korrektur sämtlicher mid-spatial-frequency errors (MSFE). In Voruntersuchungen konnte dies für Flachproben bereits demonstriert werden. Weitere Ziele des Projekts sind die Übertragung des Prozesses auf Freiformflächen, sowie die robuste Automatisierung der für eine Formkorrektur notwendigen Prozess- und Softwarekette. Die Vorteile für die Industrie und insbesondere KMUs, für die eine Anschaffung von neuen Technologien stets risikobehaftet ist, sind u.a. die Möglichkeit die neue Technologie kennen zu lernen, zu bewerten und zu erproben. Durch die Unterstützung der Industriepartner bei der Definition von Demonstratoren soll das Korrekturpoliturverfahren auch an die Anforderungen von Unternehmen angepasst werden. Bei erfolgreicher Umsetzung des Prozesses wird zudem, insbesondere für KMUs, eine Möglichkeit zur Steigerung der Oberflächenqualität bei nur geringen Investitions- und Prozesskosten geschaffen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Projekt wurden folgende Ergebnisse bei der Umsetzung eines laserbasierten Korrekturpoliturverfahrens für Asphären und Freiformoptiken aus Quarzglas und ULE erzielt:

- Steigerung der Reproduzierbarkeit in der Abtragtiefe von wenigen nm mit einer hochstabilen CO2-Strahlquelle.

- Ein variierender Vorwärmeffekt kann mit einer Überhöhung/Reduzierung der Pulsdauer der ersten Laserpulse kompensiert werden.

- Mit einer Erhöhung der Flächenrate des LBF-Prozesses kann ein Volumenabtrag bis zu 970 mm³/h erreicht werden. Zum Vergleich werden bei den konventionellen Formkorrekturschritten wie dem Ion Beam Figuring (IBF) und Magneto Rheological Finishing (MRF) Abtragraten von 0,1 mm³/h < V/t < 1 mm³/h und beim MRF 10 mm³/h < V/t < 60 mm³/h erreicht.

- Eine Formkorrektur für Ortswellenlängen zwischen 100 µm und 3.000 µm ist mit dem LBF-Verfahren möglich und könnte als Enabler in der Optikindustrie dienen, da die bisherigen Verfahren diesen Bereich der mid- und low- spatial frequency errors nur unter großem Aufwand und hohen Kosten korrigieren können.

- Über eine Messzeit von 22 Wochen konnte eine Relaxation von 2,07 nm gemessen werden.

Eine der interessantesten Ergebnisse des Forschungsprojektes ist die Erkenntnis, dass eine Erhöhung der Oberflächenrauheit durch äußere Störquellen bei der Bearbeitung mittels LBF verursacht werden. Diese könnten mit einem neuen Anlagenkonzept nach aktuellem Stand um bis zu 70 % reduziert werden.

Die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ergibt, dass der LBF-Prozess hinsichtlich der Prozessrate mit den konventionellen Fertigungstechniken mithalten kann. Die Gesamtkosten können dabei um bis zu 90 % pro zu fertigendes Bauteil reduziert werden.