MRF Technologie
(Magneto Rheological Finishing)
Solaris Optics setzt MRF®-Technologie ein
Im Rahmen eines EU-geförderten Investitionsprogramms wurde der Maschinenpark bei Solaris Optics auch um eine MRF-Poliermaschine Q-flex 300 von QED Technologies (Rochester, USA) erweitert. Diese Maschine basiert auf der Methode des magnetorheologischen Polierens (englisch : magneto rheological finishing). Sie wird zu High-End-Bearbeitung optischer Flächen eingesetzt. Sehr gute Formgenauigkeiten sphärischer Flächen und hohe Ebenheiten planer Flächen werden damit in einem deterministischen Prozess erreicht.
Der Durchmesser der optischen Komponenten kann bis zu 300 mm betragen. Neben planen und sphärischen Oberflächen sind auch leichte aspärische und zylindrische Oberflächen möglich.
Durch die Verwendung unterschiedlicher Politurmittel kann eine Vielzahl von optischen Gläsern und Kristallen bearbeitet werden. Die Materialien können relativ weich sein wie z.B. CaF2 und MgF2 oder auch sehr hart wie Quarzglas und Saphir.
Realisierte Beispiele :
- Ebenheit (PVr) : bis zu λ/80 @ 633 nm (metrology limited)
- Irregularität (PVr) : bis zu λ/40 @ 633 nm
- rms Rauheit Rq : 0,3 – 0,4 nm
Die Kombination der nicht-deterministischen klassischen Pechpolitur, die eine sehr glatte Oberfläche mit geringer Ortsfrequenz (low spatial frequencies surface) erzeugt, und der hoch deterministischen MRF-Politur mit einem selektiven Materialabtrags ermöglicht optische Oberflächen in höchster Qualität.
Solaris Optics hat die Technologie erfolgreich etabliert und erste Substrate in den Astromomie-Bereich geliefert.
Das Flagschiff war dabei die Herstellung hoch präziser Zylinderspiegel für das ESO Paranal Observatorium. Die Spiegel mit einem Durchmesser von 204 mm dienen zur Kompensation von astigmatischen Abweichungen. Mit der MRF in Kombination mit der Spannungs-Spiegel-Politur (stress mirror polishing – SMP) wurden 5 Spiegel gefertigt mit einer Genauigkeit von PVr von nur 22,4 nm über die volle Apertur.
Wir laden Sie ein, ein kurzes Video über die MRF-Maschine von Solaris Optics anzuschauen.
Durch diesen Erfolg wurde das Unternehmen in den Elite-100-Club der Firmen, die die MRF®-Technologie und SSI-Metrologie nutzen, aufgenommen.
Zur Geschichte der MRF-Technologie
Die Geschichte dieser Technologie begann in Minsk mit William Kordonski.1974 begann er seine Arbeiten mit magnetorheologischen Flüssigkeiten.
Magnetorheologische (abgekürzt auch mit MR) Flüssigkeiten sind Suspensionen die auf Öl oder auch Wasser basieren und ferromagnetische Partikel enthalten. Die Viskosität der Suspension hängt dann von der Stärke eines vorhandenen Magnetfelds ab, was als magneto-viskosischer Effekt (magnetoviscous effect) bezeichnet wird.
Die Wissenschaft, die das Verhalten von Substanzen beschreibt, die aus einem Festkörper und einer Flüssigkeit zusammengesetzt sind, ist die Fließkunde, wobei der aus dem griechischen stammende Begriff Rheologie verwendet wird.
Das ursprüngliche Interesse von William Kordinski war auf mechanische Anwendungen orientiert, z.B. zur Schwingungsdämpfung und für antriebstechnische Bauelemente (Aktuatoren). Es gelang ihm eine stabile MR-Suspension zu erzeugen und auch den ersten Magnetorheometer zu entwickeln, um die mechanische Eigenschaften im Magnetfeld zu untersuchen. Bis 1982 wurde der Prototyp einer magnetorheologischen Anlage entwickelt.
1986 erfuhr Kordonski von dem Bedarf asphärischer Optiken für Beobachtungen in der Raumfahrt, aber eine Technologie solche asphärischen Flächen herzustellen existierte nicht. Er wurde mit Leonid Gleb von einer Belarussischen Optomechanischen Organisation bekannt, der bereits mit Ferrofluiden getränkten Polierpads forschte. William Kordonski schlug vor, die Ferrofluid-Pads durch ein MR-Fluid zu ersetzen. Die im Magnetfeld verfestigte Suspension könne die Polierpads ersetzen.
Bis 1990 wurde dann eine funktionierende magnetorheologische Poliermaschine in Minsk entwickelt und spätestens 1992 war nachgewiesen, dass das Polieren von Optik mit dieser Methode möglich ist.
Nach Öffnung der Sowjetunion mit der Perestroika Ende der 80er Jahre entstanden vielfältige Geschäfts- und Wissenschaftsbeziehungen in die USA. aus den in Sachen MRF letztendlich die Gründung der Firma QED im Jahre 1997 resultierte. Die erste 4achsige MRF Maschine des Typs Q22 wurde von QED im Dezember 1998 bei Tropel in Rochester installiert. Es folgten Installationen bei Kodak und SVG Lithograhy
Eine ausführliche Beschreibung zur Geschichte und detaillierten technischen Aspekten bietet der Artikel :History of Magnetorheological Finishing, dem auch die obigen Auszüge entstammen :
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.
