Aktiv-adaptive Polierwerkzeuge zur Herstellung rotationssymmetrischer Asphären

Scheibe, Hannes GND

Optische Technologien sind einer der wesentlichen wirtschaftlichen Treiber des 21. Jahrhunderts. Aus heutiger Sicht besteht speziell für die wirtschaftliche Einzelteilfertigung asphärischer Optikkomponenten als auch optischer Freiformelemente akuter Handlungsbedarf. Diese Arbeit analysiert die Herstellkette asphärischer Optikkomponenten und identifiziert darin den Vorpolierprozess als wesentlichen Kostentreiber. Ursachen dafür sind nach aktuellem Stand drei wesentliche prozess- und technologiebedingte Nachteile, deren Auswirkungen es zur Realisierung einer kosteneffizienten Fertigung mindestens zu reduzieren, idealerweise zu beseitigen gilt. Im Rahmen der Arbeit wird dazu eine Technologie zur vollaperturigen Politur mit aktiv-adaptiven Werkzeugen erarbeitet, realisiert und erprobt. Diese ermöglicht eine signifikante Bearbeitungszeitreduzierung und liefert somit einen wesentlichen Beitrag für den zukünftig breiten Einsatz rotationssymmetrischer Asphären – auch in kostensensitiven Anwendungen.

Optische Technologien sind einer der wesentlichen wirtschaftlichen Treiber des 21. Jahrhunderts. Aus heutiger Sicht besteht speziell für die wirtschaftliche Einzelteilfertigung asphärischer Optikkomponenten als auch optischer Freiformelemente steigender Handlungsbedarf. Diese sind in der geforderten Qualität zwar herstellbar, jedoch verhindern zeitintensive und aufwändige Fertigungsprozesse ihren breiten Einsatz. Der Miniaturisierung und Integration zusätzlicher Funktionalitäten sind unter ausschließlicher Verwendung sphärischer Optikkomponenten enge Grenzen gesetzt, an denen sich heutige Technologien bewegen. Der Einsatz asphärischer Optikkomponenten erlaubt hingegen eine Reduzierung der Anzahl optischer Bauelemente, welche den Bauraumbedarf, das Gewicht, den konstruktiven Aufwand und somit auch die gesamte Komplexität des optischen Systems zu verringern vermag. Ziel dieser Arbeit ist es, eine spürbare Kostensenkung für die Herstellung asphärischer Optikkomponenten zu realisieren. Die dazu erforderliche Weiterentwicklung aktueller Fertigungsprozesse setzt dabei eine tiefgründige wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Themenkomplex heutiger Optiktechnologien im Allgemeinen sowie der Optikfertigung im Speziellen voraus. Den Einstieg dafür bildet die systematische Analyse bestehender Prozesse zur Herstellung asphärischer Optikkomponenten. Darin wird der Vorpolierprozess als wesentlicher Kostentreiber der Asphärenfertigung identifiziert. Ursachen dafür sind drei wesentliche prozess- und technologiebedingte Nachteile, deren Auswirkungen es zur Realisierung einer kosteneffizienten Fertigung mindestens zu reduzieren, idealerweise zu beseitigen gilt. Darauf aufbauend erfolgt eine Erarbeitung und Vorstellung dreier Lösungsansätze. Deren Vergleich und Bewertung zeigt, dass vollaperturige, aktiv-adaptive Polierwerkzeuge die größten Erfolgsaussichten versprechen. Im Folgenden wird dieser Lösungsansatz durch die Erarbeitung des Lösungsraums untersetzt. Die sukzessive Überführung und Ausgestaltung des vollaperturigen, aktiv-adaptiven Polierwerkzeugs hin zu einem Konstruktionsentwurf erfolgt in Anlehnung an die Systematik der Ilmenauer Konstruktionslehre. Den Abschluss der Arbeit bilden der praktische Verfahrensnachweis des entwickelten Werkzeugs, eine Einflussgrößenanalyse, eine Abschätzung des Einsparpotentials sowie Empfehlungen zur Weiterentwicklung.

Optical technologies are considered a major economic growth driver of the 21st century. Today`s optical industry calls more than ever for manufacturing technologies that enable a cost-efficient production of precision optics. These are producible in terms of admissible form deviations, surface roughness, material homogeneity and stress birefringence in general. However, cost and time consuming manufacturing processes preclude their general use in cost-sensitive applications. The demand for a perpetual miniaturization as well as an integration of additional functionalities is severely restricted by the exclusive use of spherical optics. Today’s mechanical designs are already close to that border. However, the use of aspherical optics enables a significant reduction of the total number of optical elements which causes significantly positive effects in terms of required installation space, system weight, mechanical design effort and overall total system complexity. This thesis aims to attain an appreciable manufacturing cost cutback for aspherical optics production. The required enhancement and optimization of state-of-the-art manufacturing technologies presupposes a profound systematic analysis of today’s optical technologies in general and, in particular, the field of optics production. A systematic breakdown of the existing process chain identifies the prepolishing process as the major cost driver in aspherical optics production. Reasons therefor can be found in three technology-related and process-related downsides of state-of-the-art polishing technologies. The realization of a cost-efficient manufacturing process requires a significant reduction of these downsides or an overall elimination in best case. Based thereupon, this thesis presents three approaches to be compared and evaluated. Though, the approach of a full aperture active-adaptive polishing tool promises the greatest success for this application. Furthermore, a systematic development and gradual finalization from a general approach to a detailed design model is given, based on the procedural method of the ‘Ilmenau School of Design‘. Subsequent practical tests provide a proof of principle as well as recommendations for further research, optimization and development.

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Scheibe, Hannes: Aktiv-adaptive Polierwerkzeuge zur Herstellung rotationssymmetrischer Asphären. Ilmenau 2017. Universitätsverlag Ilmenau.

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