Optikmontage mit höchster Präzision

Vibrationstest und Klimakammer – das sind typische Stationen bei der Quali­fi­zierung eines Laser­systems für den Weltraum­einsatz. Trotz höchster Belastungen müssen die Systeme mikro­meter­genau justiert bleiben, um im All sicher arbeiten zu können. Am Fraun­hofer-ILT in Aachen wurde in den vergangenen Jahren die Montage­technik für solche Laser­systeme entwickelt und immer weiter verbessert. Für den Aufbau solcher komplexen optischen Systeme werden modernste Techno­logien ein­ge­setzt: Alle wesent­lichen Justier­schritte werden mit manuell geführten Robotern im Pick & Align-Verfahren vorgenommen. Ein zentrales Werkzeug ist der Greifarm. Er sitzt auf einem Hexapoden und positioniert die Bauteile mikro­meter­genau im optischen Aufbau. Dort werden sie auf wenige mikrorad genau justiert und durch Löten fixiert. Der Aufbau des Greifarms ist entscheidend für die Präzision der Montage und gibt auch das maximale Gewicht der optischen Komponenten vor.

Um die Leistungsfähigkeit der Aufbau­techno­logie weiter zu steigern, entwickelte das Fraunhofer-ILT einen komplett neuen Greifarm. Nach seiner Konstruktion legten Forscher der RWTH Aachen University zudem die bionischen Strukturen so aus, dass bei kleinerem Eigen­gewicht seine Nutzlast vergrößert werden konnte. Gefertigt wurde der topologie­optimierte Greifarm schließlich via Laser Powder Bed Fusion, also mit einem 3D-Drucker. Dank einer speziellen Nach­bearbeitung erreicht der Greifarm die Reinraum­klasse ISO5. Das ist ein absolutes Novum – bislang verhinderte Restpulver an den Bauteilen den Einsatz additiver Methoden bei solchen Präzisions­werkzeugen im Reinstraum. Der neue Greifarm ist zweigeteilt mit einem statischen und einem beweglichen Teil. Zuleitungen für benötigte Medien sind zur Minimierung der Konta­mi­nation in den Greifarm integriert.

Das Präzisionswerkzeug bewegt deutlich schwerere Teile als das bislang eingesetzte Werkzeug, gleichzeitig ermöglicht es eine stabilere Justage. „Wir beschreiten mit dieser Technologie einen für uns neuen Weg. Es wird nicht erst konstruiert und dann geschaut, ob das Bauteil die gewünschten Eigen­schaften hat, sondern die Bauteil­geometrie wird für die Belastungsszenarien optimiert“, beschreibt Michael Janßen vom Fraunhofer-ILT die Vorgehens­weise.

Eingesetzt wird der neue Greifer im Rahmen von FULAS – einer universellen Technologie­plattform zum Aufbau von Lasersystemen in Luft- und Raumfahrt­projekten. „Wir haben in die Fertigung des neuen Greifers die Erfahrungen aus der gesamten FULAS-Entwicklung eingebracht“, sagt Projekt­leiter Heinrich Faidel vom Fraunhofer-ILT. Ein System auf FULAS-Basis wird derzeit für die deutsch-französische Klima­mission MERLIN aufgebaut. Dieser Klein­satellit MERLIN soll die Verteilung von Methan in der Erd­atmo­sphäre kartieren. Kern­kompo­nente des Satelliten ist ein LIDAR-Laser, der Lichtpulse in die Atmosphäre schickt und aus dem zurück­ge­streuten Licht die Methan­konzentration bestimmt.

Fh.-ILT / RK

Weitere Infos

• Laser und Optik, Fraunhofer-Institut für Lasertechnik, Aachen
• Digital Additive Production, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen