LINOS Photonics hat Verfahren zur Herstellung präzisionsoptischer Freiformflächen entwickelt

Die Herstellung von hochpräzisen Freiformflächen war bisher sehr kostenintensiv, so dass diese bei der Berechnung eines komplexen optischen Systems selten in Betracht gezogen wurden. Hochgenaue CNC-Bearbeitungsmaschinen und die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren durch den Photonics-Spezialisten LINOS ermöglichen es nun, qualitativ hochwertige Freiformflächen wirtschaftlich herzustellen. Dadurch eröffnen sich neue Anwendungsfelder für anspruchsvolle Optiksysteme.

	Bild 1: Cockpit mit zwei Headup-Displays (mit Freiform- Optikelementen) für Flugzeuge (Bild Airbus A400M)

Bisherige Anwendungen Freiformflächen für optische Anwendungen sind schon seit langem bekannt. Entwickler und Anwender arbeiten seit vielen Jahren an der Auslegung und an Einsatzmöglichkeiten diverser Optikelemente, die nicht sphärisch oder rotationssymmetrisch-asphärisch sind. Auch LINOS ist seit geraumer Zeit auf diesem Feld aktiv. Im täglichen Leben begegnen uns Produkte unter Verwendung optischer Freiformflächen beispielsweise in optischen Sensor-Komponenten oder bei KFZ-Rückspiegeln. Die Formtreue dieser optischen Flächen ist vergleichsweise gering, für diese Anwendungen jedoch völlig ausreichend.

Mit deutlich höherer Präzision werden zum Beispiel Gleitsicht-Brillengläser gefertigt, mit denen der Altersfehlsichtigkeit gut begegnet werden kann. Trotz höherer Fertigungskosten im Vergleich zu konventionellen Ein- oder Mehrstärkengläsern haben sich diese Produkte im Markt wegen ihres wesentlich besseren Tragekomforts inzwischen sehr gut etabliert. LINOS ist jetzt so weit, Freiformflächen aus anorganischen Glasmaterialien für hochwertige optische Systeme einzusetzen. Konnten sich bislang derartige Glas-Freiform-Optikelemente in einer Serienfertigung wegen des hohen Preises beziehungsweise unzureichender Fertigungsgenauigkeit nicht durchsetzen, hat LINOS in den vergangenen zwei Jahren nach vielen Prozessoptimierungen entscheidende Fortschritte in den Bearbeitungsverfahren gemacht, so dass inzwischen die Serienfertigung gestartet wurde. Damit eröffnen sich neue Anwendungsfelder für qualitativ anspruchsvolle Optiksysteme.

Neue Anwendungen: Headup Displays und Headmounted Devices
Vor allem in Projektionsoptiken für Headup Displays und Headmounted Devices werden inzwischen Freiform-Optikelemente integriert, da somit im Gesamtsystem zusätzliche Vorteile gegenüber sphärischen und/oder rotationssymmetrischen Komponenten zum Tragen kommen. Weitere Anwendungen, vor allem für Visualisierungssysteme mit sehr hohen Ansprüchen bezüglich Abbildungsqualität bei gleichzeitig kompaktem Design und bezahlbarem Preis haben großes Zukunftspotenzial.

Bearbeitungsverfahren

	Bild 2: Grafische Darstellung der Soll–Ist-Abweichungen

Eine besondere Herausforderung bei der Entwicklung der Bearbeitungsverfahren war die Optimierung der einzelnen Bearbeitungsschritte für die Freiformflächen, insbesondere für die Headup Displays mit bis zu 300 mm Durchmesser. Da das Präzisions-Blankpressen als Heissformgebungsverfahren wegen der großen Durchmesser nicht in Betracht kam, musste auf Basis mechanischer Bearbeitungsverfahren eine neue Prozesskette entwickelt werden. Die mechanische Bearbeitung von Freiformflächen ist nicht mit den bekannten Fertigungsmethoden möglich. Die konventionelle Prozessfolge mit den Einzelschritten Adaptieren – Schleifen – Polieren – Konturbearbeitung - Coating konnte lediglich als Grundlage für die Neuentwicklung dienen.
Aufgrund der Größe der zu fertigenden Produkte war nicht nur die Maschinenauswahl an Mehrachsen-CNC-Maschinen begrenzt - vor allem die Positioniergenauigkeit zwischen Schleif- und Polierprozess musste signifikant verbessert werden, denn im Gegensatz zur Bearbeitung rotationssymmetrischer Asphären können bei der Bearbeitung von Freiformflächen Verdrehfehler zwischen den einzelnen Bearbeitungsschritten nicht toleriert werden. Selbst die Abnutzung der diamantbesetzten Schleifwerkzeuge während der Bearbeitung muss dabei berücksichtigt werden.

Der Kontakt Werkzeug/Werkstück während der Bearbeitung von Freiformflächen ist punktförmig. Deshalb ist es notwendig, beim Schleifen reproduzierbare Prozesse mit homogenen Oberflächengüten und geringen Oberflächenrauigkeiten mit minimalen Tiefenschädigungen zu erzeugen. Vor allem beim Polierprozess hat LINOS neue Wege beschritten, um ein optimales Ergebnis zwischen Polierfleckgröße, Prozesszeit, Flächengenauigkeit und Wiederholgenauigkeit zu erzielen. Die in der Regel flachen Grundradien der Freiformflächen vereinfachen dabei den Polierprozess.

Bei der Bearbeitung von Freiformflächen spielt die Messtechnik eine wichtige Rolle. Jede Fläche muss dreidimensional vermessen, interpretiert und bei Bedarf korrigiert werden. Da die am Markt verfügbaren Programme zur Bewertung der Flächengeometrie nicht alle produktspezifischen Parameter auswerten konnten, hat LINOS in Zusammenarbeit mit externen Partnern eine spezielle Auswertesoftware hierfür entwickelt. Wichtige Komponente dabei ist die Bewertung der verschiedenen Freiheitsgrade bei den Best-fit-Anpassungen von Ist- und Sollfläche.

Entwicklungspotenzial für die Zukunft

	Bild 3: Optische Freiform-Komponenten eines Headup Displays für KFZAnwendung

Je größer die Stückzahlen bei Freiformflächen werden, desto interessanter wird ein weiteres Heißformgebungsverfahren: das Präzisions-Senken. Dabei wird ein preisgünstiges, in der Regel planparalleles Rohteil mit der geforderten Oberflächengüte erwärmt und mit Hilfe eines keramischen Werkzeuges, das die Negativform der benötigten Freiformfläche hat, umgeformt. Aufgrund hoher Kosten für die Formenherstellung war dieses Verfahren bisher größeren Stückzahlen vorbehalten. Die Formenherstellung kann nun ebenfalls mit den oben beschriebenen neuen CNC-Fertigungsverfahren erfolgen und ermöglichen den wirtschaftlichen Einsatz dieses Verfahrens auch bei mittleren Stückzahlen. Das bisher gewonnene Know-how beim Optikdesign mit Freiformflächen für Headup-Displays wird zunehmend auch in der Automobilindustrie eingesetzt. Da aus Kosten- und Gewichtsgründen mechanisch hergestellte Freiformflächen aus Glas hier nicht zum Einsatz kommen, können die neu entwickelten Bearbeitungsverfahren auch zur Fertigung von Spritzgusswerkzeugen für Präzisionskomponenten aus Kunststoff verwendet werden.

Fazit
Die bei LINOS über mehrere Jahre entwickelte Technologie zur Herstellung präzisionsoptischer Freiformflächen besitzt ein großes Zukunftspotenzial. Im Design komplexer optischer Systeme ergibt sich durch diese Technologie eine Vielzahl an neuen Möglichkeiten. Anhand der beschriebenen Beispiele wird deutlich, dass das Freiformverfahren zukünftig in noch vielfältigeren Anwendungen zum Einsatz kommen wird als dies bereits jetzt der Fall ist. LINOS ist in der Lage, Freiformflächen höchster Qualität in Serie zu fertigen und präsentiert sich damit bestens aufgestellt für die Nutzung von Zukunftspotenzialen in bestehenden und neuen Märkten.

Autoren dieses Beitrags: