Der Laser als neues Werkzeug für die Herstellung nichtsphärischer Optiken

BMBF fördert gestartetes Verbundprojekt RapidOptics: Kombination von laserbasierten und mechanischen Fertigungsverfahren zur Herstellung präziser Optikkomponenten.

Prinzipskizze einer Laserbearbeitungsanlage für asphärische Linsen ©FhG-ILT

05.11.14

BMBF-Verbundprojekt RapidOptics

Die traditionelle Herstellung optischer Linsen erfolgte über Jahrhunderte auf dem Wege des Schleifens und Polierens geeigneter Gläser. Bis heute lassen sich nach dieser Methode die höchsten Bearbeitungsgenauigkeiten erzielen.

Moderne Schleif- und Polierzentren für die Fertigung komplexer, nichtsphärischer Geometrien haben mit den ursprünglichen Techniken allerdings nur noch das Grundprinzip gemein. Ansonsten handelt es sich um präzise Automaten, die in der Lage sind, in einer deterministischen Weise hochgenau an jedem Punkt der Oberfläche einen exakt definierten Materialabtrag vorzunehmen, so dass die Optikkomponente auf Grundlage der jeweils vorgegebenen Geometrie vollautomatisch entsteht.

Der wesentliche Nachteil des überaus verlässlichen und sehr gut beherrschten Verfahrens liegt im hohen Zeitaufwand dieser Art der Komponentenfertigung. Daher haben sich für die Herstellung weniger präziser, kostengünstiger optischer Linsen bereits alternative Verfahren etabliert, wie das Spritzgießen von Kunststofflinsen für low-cost Optiken und das Pressen von Glaslinsen bei Temperaturen oberhalb des Glaspunktes für Komponenten mittlerer optischer Qualität.

Es besteht jedoch ein ungebrochener Bedarf nach kostengünstigen, leistungsfähigen Herstellungsmethoden gerade für moderne Komponenten mit komplexer, nichtsphärischer Geometrie. Ein vielversprechendes, neues Verfahren hierfür ist die Lasermaterialbearbeitung.

Nach dem Durchbruch des Lasers, als eines idealen Werkzeugs zur präzisen Bearbeitung von Metallen, lag es nahe, dessen Eignung auch für die Verarbeitung anderer Materialien zu testen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, auch Gläser mit Laserstrahlen zu schneiden. Entscheidend für die Linsenfertigung ist jedoch die Genauigkeit, die mit Laserverfahren zu erreichen ist.

Anfang November 2014 ist der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Verbund „RapidOptics“ (Kombination von laserbasierten & mechanischen Fertigungsverfahren für nichtsphärische Optiken) gestartet, sich diesen Herausforderungen zu stellen.

Dazu müssen zum einen punktuelle Abtragungen mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden können, zum anderen darf aber dabei der Energieeintrag in das Glas nicht zu groß werden, da hierdurch Spannungen und sogar Risse im Material entstehen können. Als zweckmäßig für die Formgebung von Linsen hat sich die Nutzung eines Ultrakurzpulslasers erwiesen, der ein günstiges Verhältnis zwischen Abtragsrate und Energieeintrag in das Material zeigt.

Nach der Formgebung der Oberfläche ist wie beim klassischen Fertigungsverfahren eine Politur erforderlich. Zu diesem Zweck wird die Glasoberfläche mit einem weiteren Laser angeschmolzen und geglättet.

Nun ist die Verwendung des Laserverfahrens natürlich nur dann sinnvoll, wenn sie gegenüber den anderen Methoden Vorteile mit sich bringt. Ein zentraler Vorzug des Lasers liegt in der hohen Flexibilität in Bezug auf die zu fertigende Geometrie, d.h. es ist keine aufwändige Herstellung einer Form notwendig, wie etwa beim Spritzgießen oder Glaspressen. Zudem sind die Bearbeitungszeiten gegenüber dem klassischen Schleif-/Polier-Prozess deutlich kürzer und die Herstellung damit kostengünstiger. Erkauft wird dieser Vorteil mit einer bis dato für den praktischen Einsatz nicht ausreichenden Bearbeitungsgenauigkeit.

Der Verbund hat sich das Ziel gesetzt, durch die Verbesserung der Genauigkeiten um etwa eine Größenordnung einen praxistauglichen lasergestützte Fertigungsprozess zu entwickeln, der in der weltweit erste Verwendung eines solchen Verfahrens zur Herstellung präziser Optikkomponenten resultieren soll.

RapidOptics wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Initiative „Die Basis der Photonik: funktionale Oberflächen und Schichten“ mit über 2,2 Millionen Euro gefördert. Der Verbund mit einer Laufzeit von drei Jahren ist Anfang November 2014 gestartet.

Projektpartner

asphericon GmbH, Jena
Layertec GmbH, Mellingen
Mahr GmbH, Göttingen
Maschinenfabrik Arnold GmbH & Co. KG, Ravensburg
FEHA LaserTec GmbH, Thalheim
Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT, Aachen

Weitere Informationen

Download Steckbrief BMBF-Verbundprojekt RapidOptics (PDF)

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