Neue Verfahren zur Fertigung und Qualitätsprüfung von Quarzglas- und Diamantoptiken für Hochleistungslaser

5.4.2017

Bei schnellen, leistungsfähigen Scannern und Laserstrahlquellen in Produktionsanlagen geht der Trend zu immer kompakteren und stabileren Systemen. Doch nur wenige Materialien, die in Form von Linsen oder Arraystrukturen zur Strahlführung dienen, halten den hohen Belastungen der Produktionsumgebung dauerhaft stand. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen untersucht deshalb gemeinsam mit der Aixtooling GmbH und der Fionec GmbH, wie sich anspruchsvolle Optiken aus Quarzglas oder Diamant kostengünstiger und in hoher Qualität fertigen lassen, um damit neue Märkte für robustere photonische Systeme zu erschließen.

© Foto Fraunhofer IPT

Ultrapräzisionsbearbeitung von Formwerkzeugen zur Quarzglasumformung.

Das Einsatzspektrum photonischer Systeme ist in der Produktion, aber auch in Anwendungen wie der Medizin oder der Weltraumtechnik heute häufig noch begrenzt  durch die verwendeten Strahlführungsoptiken. Denn neue, gepulste Laserstrahlquellen erzeugen Strahlungsintensitäten, die den Anwendungsbereich herkömmlicher Glaslinsen und -arrays übersteigen. Alternative Optikmaterialien wie Quarzglas oder gar Diamant bieten bessere Transmissionseigenschaften und sind beständiger gegenüber hohen Strahlungsintensitäten und mechanischen Umgebungseinflüssen. Allerdings lassen sich diese Materialien bisher nur schwer bearbeiten und eine Qualitätsprüfung der frei geformten Optiken ist meist nur anhand von Stichproben möglich.

Das Fraunhofer IPT und seine Partner Aixtooling und Fionec untersuchen im BMBF-Vorhaben »MaGeoOptik«, einem Teilprojekt des Forschungscampus Digital Photonic Production, wie sich Quarzglas- und Diamantoptiken schneller und kostengünstiger fertigen und prüfen lassen. Im Projekt nehmen die Partner dafür drei unterschiedliche Entwicklungslinien unter die Lupe:

Präzisionsblankpressen von Quarzglasoptiken

Für die Herstellung von Quarzglasoptiken untersucht das Fraunhofer IPT gemeinsam mit dem Aachener Unternehmen Aixtooling das Verfahren des Präzisionsblankpressens. Präzisionsoptiken, die bisher vor allem durch Schleifen und Polieren hergestellt werden, können durch einen Pressprozess mit besonders hohen Temperaturen bis zu 1400 °C selbst in komplexen Geometrien abgeformt werden. Im Mittelpunkt des Projekts »MaGeoOptik« stehen hier Untersuchungen zum Verhaltens des heißen Glases im Kontakt mit neuen, alternativen Werkzeugmaterialien wie Siliziumkarbid- oder Bornitridkeramik sowie Glaskohlenstoff, sogenanntem Glassy Carbon.

Neue Steuerungslösungen für das Polieren von Diamantoptiken

Die Herstellung optischer Elemente aus monokristallinem Diamant (MKD) ist hingegen nur durch Schleifverfahren möglich, da das extrem harte Material sich aufgrund seiner Struktur nicht umformen lässt. Bei Bearbeitung der Diamanten unterliegen die Schleifwerkzeuge einem hohen Verschleiß. Das Fraunhofer IPT entwickelt dafür im Projekt ein neues Abtragsmodell und entsprechende Softwarelösungen für die Steuerung der Maschinenachsen. Damit sollen sich Diamantoptiken mit komplexen Geometrien schneller und kostengünstiger herstellen lassen und damit für den kommerziellen Markt besser verfügbar werden.

Zerstörungsfreie 100-Prozent-Prüfung ultrapräziser Freiformoptiken

Als dritte Entwicklung im Forschungsprojekt »MaGeoOptik« entsteht in Zusammenarbeit mit der Fionec GmbH ein optisch arbeitendes Tastschnittsystem. Die neue hochgenaue Messtechnik dient zur Charakterisierung der Quarzglas- und Diamantoptiken und soll eine zerstörungsfreie 100-Prozent-Prüfung ermöglichen. Im Vergleich zu den heutigen taktilen Verfahren erhöht sich hier die Messgeschwindigkeit bei ultrapräzisen, frei geformten Optikkomponenten um das Sechs- bis Zehnfache. Außerdem lässt sich das Messsystem direkt vor Ort in der Maschine einsetzen und in eine automatisierte Optikfertigung integrieren.

Mit den drei Entwicklungslinien zielen die Projektpartner auf eine höhere Bearbeitungsqualität und die Reduktion von Absorptionsverlusten in den hochgenauen optischen Strahlführungssystemen. Dies soll vor allem durch neue Optikdesigns und ‑geometien erreicht werden, die sich bisher mit konventinellen Materialien und Bearbeitungsverfahren nicht – oder zumindest nicht mit vertretbarem Kostenaufwand – herstellen lassen. Ergebnis des Projekts soll es daher sein, die neuen Materialien für Optiken in Hochleistungslasern und weitere künftige Anwendungsfelder nicht nur zu erproben, sondern schließlich auch für den industriellen Einsatz zu qualifizieren.