MRF technology - an introduction
Solaris Optics uses MRF® technology
As part of an EU-funded investment programme, the machinery at Solaris Optics was also expanded to include a Q-flex 300 MRF polishing machine from QED Technologies (Rochester, USA). This machine is based on the magneto rheological finishing method. It is used for high-end machining of optical surfaces. Very good shape accuracy of spherical surfaces and high flatness of planar surfaces are achieved in a deterministic process.
The diameter of the optical components can be up to 300 mm. In addition to flat and spherical surfaces, aspherical and cylindrical surfaces are also possible.
By using different polishing agents, a wide variety of optical glasses and crystals can be processed. The materials can be relatively soft such as CaF2 and MgF2 or very hard such as quartz glass and sapphire.
Realised examples :
Flatness (PVr) : up to λ/80 @ 633 nm (metrology limited).
Irregularity (PVr) : up to λ/40 @ 633 nm
rms roughness Rq : 0.3 – 0.4 nm
The combination of non-deterministic classical pitch polishing, which produces a very smooth low spatial frequencies surface, and highly deterministic MRF polishing with selective material removal enables optical surfaces of the highest quality.
Solaris Optics has successfully established the technology and delivered the first substrates to the astrometry sector.
The flagship project was the production of high-precision cylindrical mirrors for the ESO Paranal Observatory. The mirrors with a diameter of 204 mm are used to compensate for astigmatic deviations. Using MRF in combination with stress mirror polishing (SMP), 5 mirrors were produced with an accuracy of PVr of only 22.4 nm over the full aperture.
We invite you to watch a short video about the MRF machine from Solaris Optics.
Video Link
This success has earned the company a place in the elite 100 club of companies using MRF® technology and SSI metrology.
The History of MRF technology
The history of this technology began in Minsk with William Kordonski. In 1974 he started his work with magnetorheological fluids.
Magnetorheological (abbreviated MR) fluids are oil or water-based suspensions containing ferromagnetic particles. The viscosity of the suspension then depends on the strength of a magnetic field present, which is called the magnetoviscous effect.
The science that describes the behaviour of substances composed of a solid and a liquid is fluid mechanics, using the term rheology, which comes from the Greek.
William Kordinski’s original interest was oriented towards mechanical applications, e.g. for vibration damping and for drive components (actuators). He succeeded in creating a stable MR suspension and also developed the first magnetorheometer to study mechanical properties in a magnetic field. By 1982, the prototype of a magnetorheological system had been developed.
In 1986, Kordonski learned of the need for aspherical optics for observations in space, but a technology to produce such aspherical surfaces did not exist. He became acquainted with Leonid Gleb of a Belarusian optomechanical organisation who was already researching ferrofluid-impregnated polishing pads. William Kordonski suggested replacing the ferrofluid pads with an MR fluid. The suspension solidified in the magnetic field could replace the polishing pads.
By 1990, a functioning magnetorheological polishing machine had been developed in Minsk and by 1992 at the latest, it had been proven that polishing optics with this method was possible.
After the opening of the Soviet Union with perestroika at the end of the 1980s, a wide range of business and scientific relations were established with the USA, which ultimately resulted in the foundation of the company QED in 1997. The first 4-axis MRF machine of the type Q22 was installed by QED in December 1998 at Tropel in Rochester. Installations at Kodak and SVG Lithograhy followed.
For a full description of the history and detailed technical aspects, see the article :History of Magnetorheological Finishing, from which the above excerpts are also taken:
MRF – einige grundlegende Aspekte zur Technologie
Der magnetorheologische (MR) Effekt ist ganz allgemein eine reversible Änderung des Fließ- und Deformationsverhaltens von Materialien unter der Wirkung eines externen Magnetfeldes.
Das Magnetorheologische Finishing (MRF) nutzt als Abrasiv eine Suspension, die aus hochreinem Eisenpulver (>99,98 %) mit Korngrößen im Bereich einiger µm und einer Trägerflüssigkeit (Öle, Wasser) und einigen Additiven besteht.
Ein Magnetfeld bewirkt nun, dass die Partikel magnetisiert werden und dadurch Ketten bilden, deren Ausrichtung den Feldlinien folgt. Das hat eine schnelle und im größeren Dynamikbereich lineare Veränderung der Festigkeit und des Fließverhaltens des Fluids zur Folge.
Und die wichtige und technisch anwendbare Konsequenz daraus : Die Fähigkeit der MR-Suspension eine Kraft zu übertragen ändert sich und ist über das Magnetfeld steuerbar.
Das Werkstück wird mit etwas Abstand zu einem rotierenden sphärische Rad platziert. Innerhalb dieses Rads ist ein Elektromagnet, der einen über ein Ventil zugeführten Strahl des magnetorheologischen Fluids anzieht, um so ein Fluid-Layer zwischen dem Rad und dem Werkstück zu bilden. Wenn das Rad mit hoher Geschwindigkeit rotiert wird das Fluid gegen die zu bearbeitende Oberfläche gepresst wodurch ein Materialabtrag erfolgt. Die MR-Politur ist eine sub-Apertur Technik, da das Polierwerkzeug nur mit kleinen wohldefinierten Gebieten in Kontakt kommt und nicht mit der gesamten Fläche, wie es bei klassischen Methoden der Fall ist.
Die computergesteuerte Position des Werkstücks wird durch einen Algorithmus vorgegeben, der auf der interferometrischen vermessen Oberflächenstruktur basiert.
Die MRF-Technologie erlaubt die Herstellung optischer Flächen mit Genauigkeiten und Rauheiten die nur schwer mit konventionellen Methoden zu erreichen sind. Mit dem MR-Finishing können Formfehler bis auf 1 nm RMS reduziert werden, mittlere räumliche Frequenzfehler auf rund 1 mm und die Oberflächenrauigkeit auf bis zu 1 Å RMS.
Die MRF-Methode ist ein stabiler und reproduzierbarer Prozess, so dass Ausschussraten gering sind und gleichzeitig die Durchlaufraten für die hoch präzisen Flächen ökonomisch sind.
