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5-Achs Simultanschleifen von optischen Funktionsflächen

Für die Herstellung optischer Bauelemente werden oft einfache Werkstückgeometrien gewählt, da sich Bauteile aus Kombinationen von planen und sphärischen Flächen für optische Systeme einfach und billig herstellen lassen. Durch den wachsenden Konkurrenz- und Innovationsdruck in der Optikindustrie geht der Trend jedoch stärker in Richtung Asphären- und Freiformoptiken. Durch Freiformgeometrien können optische Systeme in Bauform, Gewicht und vor allem Funktionalität stark optimiert werden und bieten deswegen eine Fülle an Anwendungen. So sind in den letzten 15 Jahren die Patentanmeldungen in Zusammenhang mit Freiformoptiken um mehr als 100 % gestiegen [1]. Während Freiformflächen in der Metallbearbeitung schon länger Stand der Technik sind, stellen diese, durch die hohen Anforderungen an Form und Oberflächengüte im Submikrometerbereich, derzeit nicht gelöste Probleme in Design, Fertigung und Messtechnik dar.

von Christian Schindler und Jens Bliedtner

Technologische Problemstellung

Axialsymmetrische Asphären stellen für die Optik die erste Stufe komplexer Geometrien dar. Diese lassen sich durch eine einfache 2D-Bahn beschreiben und messen. Die nächst höhere Stufe sind Freiformen, die sich ohne symmetrischen Bezug darstellen lassen und deren gesamte Fläche zur Bearbeitung und Vermessung erfasst werden muss [2], [3]. Die Verwendung von Freiformflächen im Design optischer Systeme kann maßgeblich deren Leistungsfähigkeit steigern, Gewicht und Anzahl der Bauelemente reduzieren sowie Abbildungsfehler beheben. Im Bereich der Standardoptik wird das mechanische System durch die Abstände der einzelnen optischen Bauelemente zueinander bestimmt. Mit dem Einsatz von Freiformbauteilen können die Systemkomponenten so ausgelegt werden, dass sie an mechanisch günstigen Positionen platzierbar sind. Der Nutzen dieser Freiformgeometrien kann in günstigen Massenoptiken zu Beleuchtungszwecken (low-cost Optik) bis hin zu Einzelstücken für große Raumfahrtprojekte (Highend Optik) gesehen werden. So könnte beispielsweise die aufwendige Justage / Montage von aus bis zu 7 Linsen bestehenden Handykameraobjektiven durch die Verwendung einer Freiformlinse wegfallen oder der Aufbau von Hochleistungsspektroskopen für die Raumfahrt um viele Kilo leichter und somit der Transport in den Orbit einfacher werden.

Aktuelle Optikbearbeitungsmaschinen sind zunehmend moderne CNC- Bearbeitungszentren, die für vielfältige Herstellungsprozesse der Rund- und Planoptik entwickelt wurden. Die Maschinenkinematik erlaubt es fünfachsige Schleifbearbeitungen durchzuführen, was jedoch für die NC-Programmgenerierung eine wesentliche HerausforAbb. 1: Prozesskette zur Fertigung von Freiformoptiken basierend auf CAD/CAMSystemen [1] derung darstellt. Die aus der Metallbearbeitung bekannten CAD/CAM-Systeme liefern hierfür Strategien und Wege, beliebige Werkstückgeometrien in 5-Achs-Bearbeitungsmaschinen zu fertigen. Übliche Schruppund Schlichtstrategien der Metallbearbeitung können allerdings für die Vor- und Feinschleifanforderungen von sprödharten Werkstoffen der Optik in Hinblick auf Genauigkeit, Formabweichungen nur teilweise oder gar nicht übernommen werden.

Generell sind Freiformflächen sehr aufwändig zu fertigen. Sie werden von Optikdesignern bisher eher weniger bis gar nicht verwendet, da die Grenzen der Fertigung nur schwer beschreibbar sind. Durch Ultrapräzisionsbearbeitung (Diamantdrehen und –fräsen) werden zwar bereits erfolgreich Freiformgeometrien in Metall oder Kunststoff gefertigt, doch können selbst mit diesen Fertigungsverfahren nicht immer die notwendigen Formgenauigkeiten für eine Mehrzahl optischer Anwendungen erreicht werden. Weiterhin ist die Bearbeitung silikatischer Gläser durch Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide aufgrund der sprödharten Materialeigenschaften nur sehr begrenzt möglich. Diese Notwendigkeit ist Motivation für die Untersuchungen, deren Ziel ist, den Bereich der konventionellen Optikschleifbearbeitung zu verlassen und die Fertigungsstrategien aus der 5-Achs-Metallbearbeitung zur Herstellung von Freiformflächen auf Basis von CAD/CAMSystemen zu ergründen und zu prüfen, wie sich diese auf die Herstellung von Präzisionsoptiken übertragen lassen.