Additive Fertigung optischer Hoch­leistungs­kompo­nenten (AM-OPTICS)

Kurzbeschreibung

Ziel des Forschungsprojekts AM-OPTICS ist die Weiterentwicklung eines reproduzierbaren Prozesses zum selektiven Laserschmelzen (SLM) für die Herstellung optischer Komponenten wie beispielsweise leichtgewichtige Metallspiegel für hochpräzise Anwendungen. Hierzu wird eine geschlossene Technologiekette unter Verwendung von Lasern mit kurzen Lichtpulsen aufgebaut und erprobt. Erstmalig wird es möglich sein, das hohe Potenzial der SLM-Fertigung gezielt auf Komponenten, wie beispielsweise Metallspiegel für die Anwendung in der Hochleistungsoptik, anzupassen. Die hierzu benötigten Wandstärken und geforderten Oberflächenrauheiten der Bauteile können deutlich verbessert werden.

Aufgabenstellung

Maßgeschneiderte Metallspiegel mit exzellenten Eigenschaften finden Anwendung in Spektrometern, Scannern und Teleskopen. Die Optimierung dieser Metallspiegel erfolgt hinsichtlich optischer, mechanischer und thermischer Eigenschaften, wie übertragbare Laserleistung, Formgenauigkeit, Steifigkeit, Gewicht oder Temperaturstabilität. Die additive Fertigung auf Grundlage des selektiven Laserschmelzens (SLM) ermöglicht es, optische Komponenten, wie z. B. Spiegel und deren mechanische Halterung, mit zusätzlichen Funktionen auszustatten. Darüber hinaus können neue Geometrien erzeugt werden, die mit bisherigen Fertigungsverfahren nicht herstellbar sind. Zusätzlich kann Material und somit Gewicht eingespart werden. Dabei müssen die Metallspiegel die industriellen Anforderungen an Hochleistungsoptiken, wie z. B. Festigkeit, Oberflächenqualität oder Wärmeabfuhr, erfüllen.

Forschungsbereiche

  • Neue Designlösungen in extremer Leichtbauweise
  • Prozess- und Technologieentwicklung des additiven Fertigungsprozesses
  • Evaluierung neuer Materiallegierungen aus Aluminium-Silizium-Verbindungen
  • Grundlegende Untersuchungen zur Anwendung ultrakurzer Laserpulse
  • Analyse der Materialeigenschaften (Eigenspannungen, lokale Fehlstellen, Gefüge, Anisotropie etc.)
  • Kombination mit galvanischen Anwendungen
  • Ultrapräzise Diamantbearbeitung und Flächenkorrektur mit MRF‑Technologie (Magnetorheologisches Polieren)
  • Evaluierung etablierter Schichtsysteme
  • Analyse und Bestätigung der Stabilität
  • Demonstratoren und Verifikation

Vorgehensweise

Von Bauteildesign und Materialanpassung über die Anlagen- und Prozesstechnik bis zur Nachbearbeitung durch Beschichtung oder Ultrapräzisionsdrehen mit Diamantwerkzeugen werden alle relevanten Schritte analysiert und entsprechend weiterentwickelt. Dazu wird eine SLM-Experimentalmaschine aufgebaut, um die hohen Ansprüche aller dazu notwendigen Prozessschritte optimal aufeinander abstimmen zu können. Die Erprobung erfolgt an drei exemplarischen Metallspiegeln: Ein hochdynamischer Scanspiegel soll laserstabil und gewichtsoptimiert sein. Ein ultraleichter Weltraumspiegel muss die hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit für Raketenstarts und Formstabilität erfüllen. Ein gekühlter Laserspiegel soll durch integrierte Kühlkanäle die eingebrachte Strahlungswärme effizient abführen können. 

 

Ergebnisse und Anwendungspotenzial

Erstmalig wird es möglich sein, das hohe Potenzial der SLM-Fertigung gezielt auf Komponenten, wie beispielsweise Metallspiegel für die Anwendung in der Hochleistungsoptik anzupassen. Die hierzu benötigten Wandstärken und geforderten Oberflächenrauheiten der Bauteile können deutlich verbessert werden. Die Projektergebnisse sichern die Wettbewerbsvorteile deutscher Hightech-Unternehmen, ermöglichen die Entwicklung innovativer Produkte und unterstützen die Erschließung neuer Wachstumsmärkte in der Produktion, Lasermaterialbearbeitung sowie Luft- und Raumfahrt. 

 

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Bundesministerium für Bildung und Forschung

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Programms „Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen“ gefördert und von dem Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Der Autor ist verantwortlich für den Inhalt dieser Publikation.