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Lexikon der Optik: Ultrapräzisionsbearbeitung

Ultrapräzisionsbearbeitung, ein spezielles Verfahren der Optiktechnologie. Es handelt sich um ein auf Zerspanung beruhendes materialabtragendes Bearbeitungsverfahren, bei dem sich Werkzeug und Werkstück in einem Punkte berühren. Mit seiner Hilfe werden optisch wirksame Flächen direkt ohne nachbearbeitende Polierverfahren erzeugt. Die Flächenform kann sowohl durch Drehen als auch durch Fräsen (Schlagzahnfräsen) erzeugt werden.

Folgende prinzipielle Merkmale sind für die U. charakteristisch: 1. Kontrolle von Bewegung und Relativlage der Werkzeug und Werkstück tragenden Baugruppen mit Genauigkeiten zwischen 5 und 100 nm, 2. Einsatz spezieller monokristalliner Diamantwerkzeuge mit hochpräzisen geometrischen Abmessungen sowie ebensolcher Orientierung, 3. Realisierung von technologischen Parametern (Vorschub- und Zustellgrößen), die Spanquerschnitte unter 1 Quadratmikrometer ermöglichen.

Diese Bedingungen erfordern spezielle Ultrapräzisionsbearbeitungsmaschinen, die insbesondere stark schwingungsgedämpft sind, stick-slip-freie Bewegung erlauben (Stick-slip-Effekt), die Positionierungen im 10 nm-Bereich realisierbar und kontrollierbar machen und die demzufolge hohe statische und dynamische Steife besitzen. Diese Maschinen haben Präzisionsluftlagerbaugruppen (Spindeln, Translationsschlitten, Rundtische) und hochpräzise computerkontrollierte Steuerungs- und Meßsysteme, und es werden spezielle Justierverfahren angewendet. Die U. ermöglicht eine Herstellung von optischen Bauelementen, deren optisch wirksame Flächen plan, sphärisch oder asphärisch sein können. Die erreichte Genauigkeit liegt für die Makrogeometrie zwischen 20 nm und 1 μm, je nach Werkstückgröße und -form. Die Mikrorauhtiefe kann weniger als 5 nm betragen. Die U. in der Optik dient insbesondere zur Herstellung hochstrahlungsfester reflektierender optischer Bauelemente wie Laserreflektoren und Umlenkspiegel, wie sie für den Einsatz von Hochleistungslasern in der industriellen Materialbearbeitung benötigt werden.

Diese optischen Bauelemente werden vorwiegend aus dem Werkstoff Kupfer gefertigt, das gute Strahlungsfestigkeit aufweist und sich für die U. sehr gut eignet. Die U. ist auch auf andere Werkstoffe anwendbar wie Gold, Silber, Aluminium, Blei, optische Kunststoffe und weiche Kristalle. Die unterschiedlichen Werkstoffe erfordern infolge ihrer unterschiedlichen festkörperphysikalischen Eigenschaften unterschiedliche spezielle Technologien der U. Dabei sind besonders die Werkzeugeigenschaften und -abmessungen von großer Bedeutung.

Die Prüfung der optischen Bauelemente bezüglich ihrer Makrogeometrie ist im wesentlichen unabhängig davon, ob sie durch U. oder mit anderen Verfahren der Optiktechnologie hergestellt wurden.

Die Prüfung der durch Zerspanung in U. erzeugten Flächen hinsichtlich der Mikrostruktur erfolgt gegenwärtig vorwiegend nach optischen berührungslosen Methoden der Streulichtmessung, der Mikrointerferometrie und auch der Rasterelektronenmikroskopie. Die mechanische berührende Antastung hat Nachteile wegen der allgemein weichen beschädigungsgefährdeten Prüflingsoberfläche.

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