Individuell und kostengünstig: Neue Technologien zur Optikfertigung

Viele Herausforderungen der modernen Welt können durch den Einsatz neuartiger optischer Geräte gelöst werden. Die umweltschädigende Unkrautvernichtung durch Pestizide auf den Feldern könnte zum Beispiel schonender mittels gezielter Laserstrahlung erfolgen. Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Medizintechnik: In Smartphones verbaute optische Sensoren ermöglichen eine nicht-invasive Diagnostik und helfen, Krankheiten frühzeitiger zu erkennen.

Die Anforderungen an die Qualität der benötigten optischen Elemente sind dabei jedoch erheblich. Die Herstellung eines individuellen und hochfunktionalen optischen Elements ist nach heutigem Stand der Technik aufwendig und komplex: Durch mehrstufige Produktionsmethoden und Handarbeit entstehen hohe Kosten. Dies wollen Wissenschaftler des Exzellenzclusters „PhoenixD“ ändern. „Um die Kosten zu senken, wollen wir das Design und die Herstellung von Präzisionsoptiken ganz neu definieren“, erläutert Projektmitarbeiter Talash Malek. Malek bearbeitet am IFW das Teilprojekt „Simulation von additiver Fertigung“. Seine Kollegen Konrad Bild und Jan-Philipp Schmidtmann setzen sich mit der Ultrapräzisionszerspanung und innovativen Aktoren für die Fertigung auseinander.

Malek beschäftigt sich in seinem Teilprojekt von PhoenixD mit der additiven Fertigung. Diese ist ein ideales Verfahren für individuelle und hoch automatisierbare Fertigung optischer Bauteile. Hierbei wird die erwünschte Geometrie schichtweise abgelegt und dreidimensional gedruckt. Die einzelnen Schichten verbinden sich dabei und bilden ein dreidimensionales Objekt. Am IFW werden Möglichkeiten erforscht, wie dieser Fertigungsschritt digital simuliert werden kann. So können bereits vor der eigentlichen Fertigung die optimalen Prozessparameter ausgewählt werden. Das gedruckte optische Bauteil benötigt meist weitere Bearbeitungsschritte, um gewünschte Bauteileigenschaften und Funktionalitäten zu erhalten. „Diese Schritte können bereits in der Simulation effizient geplant werden. Somit werden Zeit und Geld beim Post-Processing bzw. der Nachbearbeitung gespart“, so Malek.

Sein Kollege Konrad Bild forscht an einem weiteren Fertigungsverfahren, dem Ultrapräzisionsfräsen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Oberflächen mit optischen Eigenschaften in einem Schritt. Als Anwendungsbeispiel dient die Fertigung optischer Spiegel, bei der besonders hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität gestellt werden. Durch eine Vielzahl von Einflüssen kommt es bei der Fertigung zu Abweichungen, die das Bauteil unbrauchbar machen können. Fertigungsfehler aufgrund von Temperaturschwankungen, Vibrationen von anderen benachbarten Maschinen oder Produktionsfehler in vorgeschalteten Fertigungsschritten lassen sich nicht vollständig vermeiden. Bild verfolgt daher den Ansatz einer adaptiven Prozessteuerung. Bei diesem Fertigungsansatz wird jeder Prozessschritt individuell für jede einzelne herzustellende optische Komponente angepasst. Dazu werden Abweichungen bereits während der Produktion mit geeigneten Sensoren gemessen sowie von selbstlernenden Algorithmen vorhergesagt. Die ermittelten Fertigungsfehler können dann durch gezielte Anpassungen der Parameter (beispielsweise der Ausrichtung des Bauteils) ausgeglichen werden. Bild: “Die Ultrapräzisionszerspanung erfüllt die Voraussetzungen, um einen automatisierten, reproduzierbaren und selbstoptimierten Prozess für die Fertigung optischer Oberflächen zu realisieren.“

Für diese Selbstoptimierung wird ein Aktor benötigt, welcher das optische Bauteil während der Produktion ausrichtet. Aktuell ist am Markt aber keine Technologie verfügbar, mit dem diese Ausrichtung ausreichend dynamisch und präzise gelingt. Jan-Philipp Schmidtmann möchte das ändern. Er erforscht in seinem Teilprojekt einen völlig neuartigen Aktor auf Grundlage von Magnetlagertechnik. „Mit dieser Technologie kann das Bauteil völlig reibungsfrei und damit bis auf einige Nanometer genau positioniert werden“ sagt Schmidtmann. Mittels sorgfältiger Konstruktion und innovativer Mess- und Regelungstechnik wird zudem eine hohe dynamische Steifigkeit realisiert. Diese wird benötigt, damit sich die Ausrichtung des Bauteils bei den im Fertigungsprozess auftretenden Kräften nicht verändert. Für die selbstoptimierenden Prozesse müssen zudem laufend kleinste Positionsabweichungen und Prozesskräfte gemessen werden. Mit dem Aktor können diese Daten prozessparallel ohne zusätzliche Sensoren ermittelt werden. Der Aktor bietet somit zahlreiche Vorteile, die ihn für eine moderne Optikfertigung qualifizieren.