Additive Fertigung optischer Hochleistungskomponenten (AM-OPTICS)

Problemstellung
Maßgeschneiderte Metallspiegel mit exzellenten Eigenschaften finden Anwendungen 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, optische Komponenten, wie 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 Festigkeit, Oberflächenqualität oder Wärmeabfuhr erfüllen.

Projektziel
Ziel des Forschungsprojekts AM-OPTICS ist die Weiterentwicklung eines reproduzierbaren SLM-Prozesses zur 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.

Vorgehensweise
Beginnend beim Bauteildesign, der 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 notwenigen 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 gekühlte 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.

• Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein
• Friedrich-Schiller-Universität Jena
• Hentschel Harteloxal GmbH + Co. KG
• Jena-Optronik Gesellschaft mit beschränkter Haftung
• Novanta Europe GmbH
• optiX fab GmbH
• Pleiger Laseroptik GmbH & Co. KG