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Lexikon der Optik: Fertigungstechnik der Optik

Fertigungstechnik der Optik, Gesamtheit der zur Produktion von Feinoptik notwendigen Maschinen und Verfahren. Es wird prinzipiell zwischen der Produktion von sphärischen (Rundoptik) und prismatischen (Planoptik) optischen Elementen unterschieden. Die dazu benutzten Fertigungsverfahren sind bezüglich ihrer grundlegenden Verfahrenskomponenten identisch. Die verwendeten Bearbeitungsmaschinen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Kinematik. Mit neuen Generationen CNC-gesteuerter (CNC Abk. für engl. computer numerical control) Schleif- und Poliermaschinen haben ab etwa 1990 Präzisionswerkzeugmaschinen Einzug in die F. d. O. gehalten, mit denen die Herstellung speziell von sphärischen Bauelementen bis hin zur gehobenen Mittelklasse (Photo- und Feldstecherqualität) mehr oder weniger automatisiert wurde. Der Fertigungsablauf wird in drei Phasen, die Vor-, Kern- und Endfertigung, unterteilt, für die bestimmte Fertigungsverfahren typisch sind (Abb.). Ab etwa 1988 wurde eine zusätzliche Verfahrensgruppe aufgenommen, die die gezielte rechnergesteuerte Polierkorrektur von sphärischen, nach klassischen Verfahren hergestellten Flächen höchster Präzision (asphärischer Fehler ≥10 nm) bzw. eine gezielte Asphärisierung von sphärischen und ebenen Oberflächen durch Ionenstrahlbearbeitung beinhaltet. Zur Herstellung der einzelnen Bauelementeflächen sind die Arbeitsgänge der Kernfertigung entsprechend oft anzuwenden.

Zur Sicherung der Qualität ist der Einsatz von interferometrischen Meß- und Prüfverfahren eine notwendige Voraussetzung.

Die bestimmenden Arbeitsverfahren sind die folgenden:

Haltern. Dieses Verfahren dient während der Bearbeitung (Schleifen, Läppen und Polieren) zum lagesicheren aber lösbaren Halten von einzelnen oder mehreren prismatischen Werkstücken aus optischen Werkstoffen auf Tragkörpern unter Einsatz von speziellen Klebkitten (Rohkitt). Resultierend aus der Forderung nach Prozeßautomatisierung hat sich in der Rundoptik das Haltern von einzelnen Werkstücken mittels Spannwerkzeugen oder Vakuum durchgesetzt.

Die Verwendung von Diamantwerkzeug. Dieses ist die Gesamtheit der in der Optikbearbeitung zum Schleifen benutzten Werkzeuge, die vorzugsweise in eine Metallmatrix (Cu, Cu-Legierungen), aber auch in Polymermaterialien eingebettetes Diamantgranulat als Schneidstoff in Form von geometrisch unbestimmten Vielkornschneiden enthalten. Das Diamantgranulat aus natürlichem oder synthetischem Diamant wird entsprechend der Schleifaufgabe in unterschiedlichen Korngrößenfraktionen verwendet, deren Abstufung genormt ist. In der optischen Glasbearbeitung werden Diamantkornfraktionen von ca. 160 μm bis ca. 10 μm Durchmesser (für Vor- und Feinschleifen) verwendet.

Schleifen. Darunter versteht man Verfahren zur spanenden Formgebung zwecks Erzielung spezieller Oberflächenqualitäten an nichtmetallischen sprödharten Werkstoffen unter Verwendung von Diamantwerkzeugen (s.o.), für die Glasbearbeitung entwickelten Kühl-/Schmierflüssigkeiten und speziellen CNC-Präzisionswerkzeugmaschinen. Es wird, in Abhängigkeit vom abzutrennenden Glasvolumen, zwischen Vor- und Feinschleifen unterschieden. Als Verfahrensuntergruppen kommen in der F. d. O. das Trennschleifen (Rohteilherstellung), das Außenrundschleifen (Rundieren, Zentrieren) sowie das Plan- und Kugelschleifen zum Einsatz.

Im Produktionsprozeß bestimmt das Schleifen, als das dem Polieren vorgelagerte Verfahren neben dem Polieren selbst, die Effektivität des Gesamtprozesses wesentlich. Der verfahrenskennzeichnende Werkstoffabtrennmechanismus ist Sprödbruch. Verfahrensziel ist es, die Werkstückoberfläche mit einer geringen Oberflächenrauheit und hoher Formgenauigkeit zu generieren. Beide Parameter werden auf die Erfordernisse des nachfolgenden Polierprozesses abgestimmt.

Läppen. Dies ist ein manuelles oder maschinell praktiziertes Oberflächenbearbeitungsverfahren in der optischen und metallverarbeitenden Industrie. In der F. d. O. ist es ein dem Polieren vorgelagerter Prozeß, der unter Verwendung von Läppmittel (üblicherweise in Wasser suspendierte natürliche oder synthetische Korunde, SiC, BN) zur Oberflächenbearbeitung verwendet wird. Es dient der Reduzierung von Oberflächenrauheiten und der Minimierung der Welligkeit von ebenen und sphärischen Werkstückoberflächen sowie der Annäherung an die geforderte Oberflächengeometrie der polierten Oberfläche (Feinläppen), wobei die Oberflächenform des Läppwerkzeuges indirekt (in Abhängigkeit von dem Bewegungsablauf des Werkzeuges) auf das Werkstück übertragen wird.

Das Läppen hat heute in der F. d. O. nur noch für die Herstellung von Unikaten und Mustern sowie von prismatischen Elementen eine gewisse Bedeutung. Es ist weitestgehend durch das Schleifen ersetzt worden.

Polieren. Dieses Verfahren hat die Erzeugung extrem glatter, nichtstreuender und geometrisch exakter Werkstückoberflächen aus Glas und kristallinen Materialien zum Ziel. Durch Feinschleifen und Feinläppen erzeugte rauhe Oberflächen werden durch die Wirkelemente Poliermittelträger (Peche und synthetische mehr oder weniger oberflächenstrukturierte Plastikfolien) Poliermittel (CeO2, Fe2O3, Cr2O3 – üblicherweise suspendiert in Wasser), Werkstoffeigenschaften und Verfahrensparameter in ihrer komplexen Wechselwirkung maschinell oder von Hand poliert. Der Formbildungsprozeß der polierten Oberfläche wird dominiert durch die Geometrie des verwendeten synthetischen Poliermittelträgers. Bei Verwendung von Pechpoliermittelträgern liegt die Dominanz in den kinematischen Abläufen des Prozesses.

Der Abtrennmechanismus wird durch die 1956 von A. Kaller konzipierte mechano-chemische Hypothese erklärt. Es wird von einer am Anfang des Polierprozesses wirkenden abrasiven Phase ausgegangen, die mit fortschreitender Polierdauer und zunehmendem Glättungsgrad der Oberfläche in eine chemische Phase übergeht. Dabei tragen physikalisch-chemische Wechselwirkungen zwischen Glaswerkstoff, Poliermittelsuspension und -träger sowohl zur Bildung als auch zur Abtrennung einer Oberflächenschicht wesentlich bei, die für silikatische Gläser aus einer Siliciumdioxid-Gelschicht besteht und Polierschicht genannt wird.

Zentrieren. Dies ist ein Verfahren zum Zylinderrandschleifen von Linsen, das die fertigungsbedingten Keilfehler der Linsen korrigiert und damit die optische Achse mit der mechanischen Achse der Linse in hinreichende Übereinstimmung bringt. Gleichzeitig wird der geforderte Durchmesser an ihren Zylinderrand angearbeitet.

Feinkitten. Dieses Verfahren dient zum Fügen optisch wirksamer Bauelemente mit kalt- oder photohärtendem Feinkitt zu Kittgruppen (bis in die 60er Jahre wurde dafür Canadabalsam verwendet). Die zu fügenden Elemente (Linsen, Prismen) sind vor bzw. während des Fügeprozesses durch optische oder mechanische Verfahren mit der notwendigen Genauigkeit zueinander orientiert worden.



Fertigungstechnik der Optik: Schematische Darstellung des Fertigungsablaufes optischer Elemente.

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