Optische Fertigung für die Photonik des 21. Jahrhunderts

© Sill Optics GmbH; CNC-Maschinen

© Sill Optics GmbH; MRF-Technologie

Variationen der Optikfertigung bei Sill Optics

„Harnessing of Light“ und „Photonik des 21. Jahrhunderts“ sind Publikationen, die die Einsatzbereiche von Hochleistungs-Objektiven sehr erweitern und dadurch die Herstellung und Fertigung optischer Komponenten wieder neu motiviert haben. Industrie 4.0 ist die nächste Herausforderung die angepeilt und die Organisation und Herstellung der Komponentenfertigung beeinflussen wird.

Bei Sill Optics wird zurzeit die Produktion mit den neuen CNC-Maschinen voran getrieben und die Fertigung der Präzisions-Asphären erweitert. Das Qualitätsmanagement ist nach ISO 9001-2015 zertifiziert.

Die Kunden kommen aus den verschiedensten Bereichen der Industrie (Inland und Ausland) und stellen spezielle Anforderungen an die Fertigung der optischen Komponenten. Diesem Kundentrend sind wir gefolgt und haben die Produktion danach aufgestellt.

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- Optische Berechnung und Konstruktion 
- CNC-Maschinen für Präzisions-Komponenten bis Ø 300 mm
- Asphären bis Ø 120 mm
- Integrierte Interferometer-Messtechnik incl. Dokumentation
- Dome aus optischem Glas, ZnS und Silizium
- OEM Produktion
- AR-Beschichtungen
- Montage von Objektiven für Laser- u. Messtechnik

Entwicklung-Kundenservice
Dipl. Physiker als Optik-Rechner mit langjähriger Erfahrung sind wichtig für die kostengünstig zu fertigenden Linsen. Dabei spielen die Formgebung und die Glassorte der Linse eine große Rolle. Im Zuge der RoHs Anordnungen sind viele bekannte Glassorten verbannt und durch neue Gläser ersetzt worden, die aber mehr Aufwand bei der Fertigung erfordern. Die Berechnungen für die neuen Objektive erfolgen für die Bereiche Laser-, Medizin- und Messtechnik, sowie Bildverarbeitung. Die Entwicklungs-Spezialisten mit erfahrenem Beratungspotential stehen unseren Kunden jederzeit aktiv zur Verfügung und bieten die gewünschten optimalen Lösungen an.

Vorteile der CNC-Fertigung
Einzelfertigung der jeweiligen Linsenfläche in einer Aufnahme mit Membrane. Die Linse kann danach sofort nach dem Polieren und einer Handreinigung mit dem Interferometer spannungsfrei gemessen werden. Flexibler und schneller Wechsel zu Fertigung anderer Linsen, durch Speicherung der Produktionsparameter, ist eine technologische Erleichterung. Eine neue Gruppe von CNC-Polier-Maschinen steht zur Verfügung, abgestimmt auf den Bereich der Radien und Linsengrößen von Ø 40 – Ø 150 mm (in Ergänzung zu dem Bereich Groß-Linsen von  Ø 150 - Ø 300 mm mit dem Stitching-Interferometer). Diese Investition wurde gemäß den Kundenforderungen durchgeführt, da für diese Linsen zur Anwendung mit Lasern für große Arbeitsflächen und Chip-Bereiche Maschinen gefordert wurden. Zusätzlich erwarten die Kunden einen kleineren Focus und thermische Stabilität, bessere Transmissionswerte usw. von den Linsen der Objektiven. Diesen Herausforderungen haben wir uns mit der Einarbeitung in neue Technologien und der Schulung der Mitarbeiter gestellt.  Die Vorfertigung der Linsen vor dem Polieren hat sehr genau nach den Vorgaben zu erfolgen. Für das Vor- und Feinschleifen mit den Diamantwerkzeugen muss eine detaillierte Planung der Werkzeuge mit den jeweils abgestimmten Werkzeugradien, sowie den Ringschleifwerkzeugen und Pellets nach Korngröße, Konzentration und Besatzanordnungen erfolgen, abgestimmt auch auf die zu bearbeitende Glassorte. Eine gleiche Sorgfalt muss auf die Kühl-Emulsion gelegt werden, damit Konzentration, PH-Werte und Temperatur optimal für den Schleifprozess abgestimmt und überwacht werden können.    

Beim Polieren gilt die Sorgfalt der Auswahl des Poliermittelträgers und des Poliermittels, ebenfalls in Blick auf die Parameter der Glassorte, um einen optimalen Fertigungsprozess zu erhalten. Das Poliermittel muss vor dem Bearbeitungsbeginn gut angerührt, sowie auf   Konzentration (5 %), PH-Wert (7) und Temperatur (22°C) abgestimmt werden. Nun kommen die Maschine, Aufnahmen und Werkzeuge ins Spiel, die auf die Spezifikation der Linse aus optischem Glas und deren Radien-Fläche, wie Sauberkeit und Flächenpasse, abgestimmt sein müssen und von den erfahrenen Facharbeiterinnen und Facharbeitern eingerichtet werden. Jeder Fertigungsprozess wird sofort nach Beendigung von der Qualitätssicherung in der Fertigung überprüft und die ermittelten Werte in den  Arbeitskarten dokumentiert. Dieser Kontrollvorgang gibt auch dem Fachpersonal den Hinweis auf einen kontinuierlich optimalen  Fertigungsprozess. Die Prozess-Zeit liegt zwischen 10-20 Minuten bei Linsen mit mittlerer Größe von Ø < 60 mm. Selbstredend muss die Linse für die Gegenseite nochmals den ähnlichen Prozess durchlaufen. Vorher wird aber die schon polierte Fläche mit Folie geschützt. Ist die 2. Seite auch fertig bearbeitet, kommt die Linse in die Reinigung (US oder v. Hd.)  und wird danach in der Qualitätssicherung gemäß den Spezifikationen geprüft. Bei Gutbefund wird die Linse in die Zentrier-Abteilung geliefert für die Rand-Schleif-Bearbeitung. Dabei wird die optische Achse der Linse mit einem Laser in den beiden Dornen präzise (ca. 1 my) ausgerichtet und der Rand zentrisch mit abgestimmten Diamantwerkzeugen geschliffen.

Präzisions-Asphären
Diese Fertigungstechnologie der Asphären ist wesentlich komplexer als die konventionelle Fertigung und verlangt eine andere Ablauforganisation und spezielle Behandlung der asphärischen Fläche.

Die sphärische Fläche wird mit CNC-Maschinen bearbeitet, wie im Absatz vorher beschrieben. Bei der asphärischen Fläche wird zuerst ein „Best-Fit-Radius“ grob vorgeschliffen und danach mit einer Asphären-Fräsmaschine die Asphärisierung vorgenommen. Bei dieser Bearbeitung erfolgt das Schleifen mit Schleifrädern diverser Feinheitsgrade, welche senkrecht zur Linsenoberfläche stehen. Schon bei diesem Vorgang ist eine optimale Kontrolle der Parameter vorzunehmen und mit der Soll-Kurve zu vergleichen. In einem weiteren  Arbeitsgang erfolgt danach das Polieren, welches auch speziell kontrolliert wird. Sind die Werte der polierten Asphäre nahe der Spezifikation, wird ein Korrekturprozess begonnen, welcher aber auch die Oberflächengüte & Rauheit nochmals verbessert. Dieses Finish wird mit der MRF-Technologie durchgeführt. Dabei erhält die Maschine direkt die Messwerte der asphärischen Oberfläche aus taktilen, optischen oder interferometrischen Messgeräten. Der Optik–Facharbeiter muss hier nicht mehr in den Prozess eingreifen oder diesen steuern, denn neben einigen Grundeinstellungen bestimmt die Maschinen-Software den Prozess selbst. Dieses ist der Einstieg in Industrie 4.0 für die Fertigung optischer Komponenten, da ab hier durchwegs digitale Daten zu jeder produzierten Asphäre gesammelt werden, als auch die Maschine den eigentlichen Prozessablauf bestimmt. Die Messwerte werden mit der Sollkurve verglichen und bei Abweichungen muss der Korrekturprozess eingreifen. Das Ergebnis wird erneut messtechnisch überprüft und gegebenfalls nachbearbeitet. Sind die Spezifikationen erfüllt, werden die Oberflächendaten gesondert abgelegt, ausgewertet und auf Wunsch der Kunden ein Protokoll erstellt. So ist es außerdem ohne weiteres möglich, Oberflächenformen auch nach Wunsch der Kunden unkompliziert und schnell zu realisieren.

Der Einsatz einer neuen Asphären-Schleifmaschine ASP300 ermöglicht die Herstellung von geschliffenen Asphären bis Ø 200 mm. In der Asphären-Fertigung sind alle Maschinen, taktile und optische Messgeräte und Interferometer miteinander vernetzt. Ebenso besteht eine Kommunikations-Plattform zwischen den Maschinen-Herstellern, Software-Entwicklern und internen Prozesstechnikern, um optimale transparente Produktionsabläufe zu garantieren. Damit kann die Fertigung, gemäß den Kundenwünschen, die Qualität und Lieferzeiten optimieren und einhalten.

DOM-Fertigung
Ein weiteres Feld der optischen Fertigung ist der Bereich Dome, präzise gefertigt aus optischem Glas oder ZnS, Silicium usw. für diverse Anwendungen, wie z.B. Unterwasserkamera-Gehäuse bis Ø 300 mm. Eine Sondergröße für die Messtechnik mit Ø > 400 mm ist z. Zt. in Arbeit. Gerade beim Schleifen dieser Teile, teils aus Vollmaterial, sind wir auf die CNC-Maschinen angewiesen, mit denen der Schleifprozess der entsprechend der Glassorte und dem Radius angepasst werden kann.

OEM-Produkte
Extra für diesen Bereich hält Sill Optics eine Vielzahl von unterschiedlichen Maschinen bereit, um präzisionsoptische Komponenten bis Ø 400 mm bzw. Sondergrößen bis Ø 1000 mm  bearbeiten zu können. Hier kommt speziell noch der Sill Optics - Slogan: fast „100 % Made in Germany“ zum Tragen. Zur Verfügung steht ein Maschinenpark, dieser besteht aus ca. 190 unterschiedlichen Einheiten und deckt viele Möglichkeiten der Fertigung, wie z.B.  große Achromate und große Präzisions-Linsen bis Ø 300 mm, ab.

Sonderprojekte
Segmentierte Achromate, verkittet an den Segmentflächen, ergeben eine Leiste zum Beleuchten von Lichtleitern.
Optisches System zum Einkoppeln eines Laserstrahles in den Wasserstrahl, um eine Symbiose der beiden Schneid-Technologien zu ermöglichen.
Teleskope mit langer Brennweite von 1500 mm und 3000 mm, sowie ein 6x Zoom-Tele, sind z. Zt. in der Entwicklung und in der Produktion. Dabei ist eine Technologie entwickelt worden, die Linsen mit Ø > 300 mm spannungsfrei zu montieren.

AR-Beschichtungen
Selbstverständlich können bei Sill Optics die Linsen in modernsten Vakuum-Anlagen, gemäß verschiedensten Spezifikationen, mit einem Antireflex-Belag beschichtet werden, um die Transmission zu erhöhen. Weiterhin bietet Sill Optics eine spezielle Schicht mit hoher Festigkeit gegen Beschädigungen durch Laser an. Die Linsen werden zur Beschichtung vorher gereinigt, z.B. in US-Anlagen. Unter Reinraumbedingungen in die entsprechenden Kalotten gelegt und in die Vakuum-Anlage eingeführt. Danach startet ein Software gestützter Prozess die Beschichtung, bestehend aus mehreren dielektrischen Material-Schichten, die für Anwendungsspezifikationen von 265 nm bis 2000 nm angepasst werden können. Die Transmissions-Verluste können bei den Antireflex-Schichten bis zu 0.05 % reduziert werden.
Die Spezifikationen der Schichten werden mit Spektral-Photometern geprüft und können auf Anfrage zertifiziert werden.

Montage zu Objektiven
Besonderes Augenmerk wird auf die Montage der optischen Komponenten zu Hochleistungs-Objektiven für die OEM-Kunden und die Katalogoptiken gelegt. Die optischen Elemente werden nochmals gereinigt und mit den abgestimmten Zwischenteilen in die Fassungen zu Objektiven montiert. Dabei wird auf höchste Sauberkeit, sowie Einhaltung der Lagespezifikationen geachtet. Im Anschluss erfolgt eine 100 % ge Kontrolle, Verifizierung der Spezifikation und Dokumentation. Wegen der enormen Bandbreite, speziell von Beam-Expandern, F-Theta-Systemen und telezentrischen Objektiven, halten wir ein umfangreiches Lager von Einzelteilen und optischen Komponenten für die Montage bereit.

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Historie
Sill Optics wurde 1894 (vor 125 Jahren) von Julius Ernst Sill als „Optische Schleiferei“ in Nürnberg an der Pegnitz gegründet, um die Wasserkraft als kostengünstige Antriebskraft für die Maschinen zu nutzen. Mit dem Wechsel noch Sorg/Wendelstein ergaben sich bessere Produktionsmöglichkeiten für optische Komponenten und Profil-Projektions-Objektive. Der Umzug im Jahre 2000 in das größere Areal im Industriegelände ermöglichte eine weitere Verbesserung der Produktion für qualitativ nachgefragte Linsen und Objektive. Bedingt durch die Kundennachfragen und technologischen Herausforderungen mussten die Kapazitäten erweitert werden. Mit zwei zusätzlichen Anbauten wurde eine Produktionsfläche von insgesamt 7500 m² erreicht. Zum Beginn QIV/18 beschäftigt Sill Optics mehr als 240 Mitarbeiter inklusive 19 Auszubildende. Der geplante Umsatz wird 2018 mehr als € 27 Mio. erreichen. Zur Erhaltung der innovativen Technologie investieren wir in jedem Jahr mehr als 10 % unseres Umsatzes. Ein weiteres Augenmerk gilt unseren Kunden mit ihren Wünschen und Lieferzeiten, für deren Einhaltung wir uns mit allen Möglichkeiten bemühen und uns für deren langjährige Zusammenarbeit bedanken.

www.silloptics.de