DE19938154C2 - Verfahren zur Herstelllung eines stabförmigen Abstandselementes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Abstandelementes aus Glaskeramik.

In optischen und/oder feinmechanischen Anwendungen werden sehr oft Baukastensysteme eingesetzt, deren einzelne Komponenten zu einem Gesamtaufbau zusammengesetzt werden. Derartige Systeme sind zum einen sehr flexibel und zum anderen kostengünstig.

Ein Beispiel für ein Baukastensystem mit optischen Komponenten ist ein Mikrobank-System, wie es beispielsweise von der Firma Spindler & Hoyer, Göttingen hergestellt wird. Die einzelnen Komponenten des Systems werden mittels Abstandselementen gehalten bzw. miteinander verbunden. Als Materialien für diese Abstandselemente wurden bislang zumeist Edelstahl oder Aluminium eingesetzt. Die Fixierung der einzelnen Komponenten erfolgte an den Abstandselementen bevorzugt mittels Schrauben.

Aus der DE 42 30 748 A1 ist für ein Laserinterferometer die Verwendung eines Werkstoffes mit niedrigem Ausdehnungskoeffizient, beispielsweise die Glaskeramik Zerodur oder CFK-Verbundwerkstoff, zumindest für die Regelstrecke bekanntgeworden.

Die DE 30 33 103 C2 zeigt bei einem Meßsystem zur Messung der Quer- und Längsausdehnung eines Werkstückes, insbesondere einer Eisenbahnschiene die Verwendung von Materialien mit geringer Wärmeausdehnung, wie zum Beispiel einer Glaskeramik.

Aus der DE 197 33 490 C1 sowie der DE 197 30 741 C1 ist die Verwendung von Glaskeramikmaterial zur Fassung von optischen Elementen bekanntgeworden.

Aus der DE 197 12 432 A1 ist eine Lagerbaugruppe bekanntgeworden, bei der eine Glaskeramik eingesetzt wird und ein Lagerspalt kleiner 2 µm realisiert werden kann.

Nachteilig am Stand der Technik war, daß Glaskeramiken wegen fehlender Bearbeitungstechniken als stabförmige Abstandselemente für Präzisionsfixierungen in optischen Baukastensystemen keine Verwendung fanden.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung eines Abstandselementes anzugeben, das zum einen eine ausreichende Temperaturinvarianz für eine Präzisionsfixierung aufweist, und andererseits eine Fixierung der Einzelkomponenten ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Abstandselementes aus Glaskeramik, insbesondere Zerodur, mit einer Wärmeausdehnung < 5 × 10^-6 K^-1 für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten folgende Schritte umfaßt:

• - Ausbohren der Abstandselemente aus einem Glaskeramikblock
• - Einspannen der ausgebohrten Abstandselemente in eine Rundiermaschine, wobei eine Fixierung des eingespannten Gegenstandes von beiden Enden her spitzenlos erfolgt, derart, daß ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm, insbesondere < 10 µm möglich ist,
• - Ablängen des Abstandselementes und Facettierung seiner Enden.

Bei diesem Verfahren ist der Verfahrensschritt des Einspannens der ausgebohrten Stäbe von ganz entscheidender Bedeutung, da nur eine derartige Einspannung, bei der die Fixierung von beiden Stabenden her spitzenlos erfolgt, ein Abdrehen auf das geforderte Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm bzw. in einer besonders bevorzugten Ausführungsform < 10 µm, ermöglicht.

In einer ersten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Material eine Glaskeramik, insbesondere Zerodur (Markenbezeichnung der Firma Schott Glas, Mainz) ist.

Besonders bevorzugt werden die erfindungsgemäßen Abstandselemente in Systemen für optische und/oder feinmechanischen Aufbauten eingesetzt. Insbesondere handelt es sich bei den Systemen um sogenannte Mikrobanksystembaukästen, die bei Verwendung von nur wenigen Grundkomponenten einen sehr variablen und flexiblen optischen Aufbau zulassen.

Um die Komponenten des Mikrobanksystems an den Abstandselementen zu fixieren, ist mit Vorteil vorgesehen, daß die Fixiervorrichtung, beispielsweise durch die Komponenten hindurchgeführte Schrauben, die mit dem Abstandshalter zur Anlage bzw. Klemmung kommen, auf der dem Abstandselement zugewandten Seite aus einem weichen Material bestehen.

Eine derartige Ausführungsform verhindert, daß beim Fixieren die Abstandselemente aufgrund der Druckbeanspruchung brechen. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Glaskeramiken als Materialien für die Abstandselemente, beispielsweise dem Zerodur der Fall.

In einer besonders vorteilhaften Form können die Fixierelemente Schrauben mit einem weichen Schraubenende sein, denkbar sind aber auch Schrauben, die vollständig aus einem weichen Material, beispielsweise einem Kunststoff bestehen.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Figuren beispielshaft beschrieben werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein System mit mehreren Aufnahmekomponenten und Abstandselementen, das zu einem Mikrobanksystem zusammengebaut ist.

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Komponente für optische und/oder feinmechanische Aufbauten mit mehreren erfindungsgemäßen Abstandselementen.

Fig. 1 zeigt in einer Draufsicht und schematischen Darstellung ein Mikrobanksystem umfassend insgesamt drei Haltevorrichtungen 1.1, 1.2 sowie 1.3 für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten. Die einzelnen Haltevorrichtungen 1.1, 1.2, 1.3 sind durch die erfindungsgemäßen Abstandselemente 3.1, 3.2 miteinander verbunden und werden nach Fixierung an diesen, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben sowohl in Längsrichtung X wie in Querrichtung Y auf Abstand zu benachbarten Halteeinrichtungen für Komponenten gehalten.

Die Abstandshalter 3.1, 3.2 sind stabförmig ausgebildet und bestehen aus einem Material mit einer geringen Wärmeausdehnung, vorzugsweise < 5 × 10^{- 6} K^-1, besonders bevorzugt < 0,1 × 10^-6 K^-1. Die obengenannte Wärmeausdehnung der Materialien bezieht sich auf einen Temperaturbereich von ca. -20 bis +300°C, bevorzugt auf einen Temperaturbereich von 0 bis +50°C. Als besonders bevorzugtes Material mit geringer Wärmeausdehnung kommen insbesondere Glaskeramiken in Betracht, beispielsweise Zerodur der Firma Schott Glas, Mainz.

Neben Glaskeramikmaterialien ist auch der Einsatz von Metallegierungen, Keramiken sowie faserverstärkten Kunststoffen möglich. Die faserverstärkten Kunststoffe können sowohl Glasfasern wie Kohlenstoffasern umfassen.

In Fig. 2 ist eine Halteeinrichtung für eine optische Komponente 10 mit insgesamt vier Abstandshaltern 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 gezeigt. Das Halteelement 10 ist vorliegend eine Fassung mit einer zentrierten Öffnung 14, in die eine optische Komponente, beispielsweise eine Linse eingesetzt werden kann. Die Abstandselemente 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 werden durch insgesamt vier Bohrungen des Halteelementes, die vorliegend nicht dargestellt sind, durchgeführt. Wiederum sind die einzelnen Abstandselemente 12.1, 12.2, 12.3 sowie 12.4 stabförmig ausgebildet und aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten geringer als < 5 × 10^-6 K^-1 im Temperaturbereich von -20 bis +300°C ausgebildet.

Die als Stäbe ausgebildeten Abstandselemente, die bevorzugt aus einer Glaskeramik mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, werden durch Herausbohren aus einem Glaskeramikblock, anschließendes Rundbearbeiten bei dem die Einspannung spitzenlos erfolgt und insoweit ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm, bevorzugt < 10 µm möglich ist, hergestellt. Erst eine derart genaue Bearbeitung erlaubt den Einsatz von Glaskeramikmaterialien zur Herstellung von Abstandselementen, die den Anforderungen an die Paßgenauigkeit für einen optischen und/oder feinmechanischen Aufbau erfüllen.

Der Durchmesser der einzelnen als Abstandselemente ausgebildeten Stäbe beträgt ca. 6 cm, die Bohrung 14 für die Fassung weist einen Durchmesser von ca. 25 bis 35 cm auf.

Die Fixierung der Abstandselemente 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 erfolgt mit Hilfe von in die Halteeinrichtung 10 eingetretenen Schrauben 16 durch Kraftschluß. Um zu verhindern, daß aufgrund der kraftschlüssigen Verbindung von Schraube 16 und Abstandselement 12.1, 12.2, 12.3, 12.4 eine Beschädigung, insbesondere ein Bruch des Abstandselementes auftritt, sind die Schrauben in dem Bereich, in dem die Schraube mit dem Abstandselement zur Anlage kommt, aus einem weichen Material ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Schrauben 16 vollständig aus einem weichen Material, beispielsweise einem Kunststoffmaterial wie Polyethylen oder Teflon.

Bevorzugt sind die Kunststoffschrauben als Rändel-Schrauben ausgebildet.

Alternativ zur Ausbildung als Kunststoffschrauben können bei der Verwendung von Glaskeramik-Abstandshaltern auch Metallschrauben zum Einsatz gelangen, allerdings müssen diese dann mit Drehmomentschraubenziehern angezogen werden, um die auf den Abstandshalter wirkende Kraft zu begrenzen und somit der Bruchgefahr zu begegnen.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abstandselemente in Systembaukästen für optische und/oder feinmechanische Aufbauten Verwendung finden. Dies ermöglicht zum einen einen flexiblen und kostengünstigen Aufbau. Mit der Erfindung ist erstmals für einen derartigen kostengünstigen Aufbau die Herstellung einer temperaturinvarianten Präzisionsfixierung möglich, der die wirtschaftlichen Vorteile eines Systembaukastens mit den technischen Vorteilen der Materialeigenschaften verbindet.

Claims (1)

1. Verfahren zur Herstellung eines stabförmigen Abstandselementes aus Glaskeramik, insbesondere Zerodur, mit einer Wärmeausdehnung < 5 × 10^-6 K^-1 für eine Haltevorrichtung für Komponenten von optischen und/oder feinmechanischen Aufbauten umfassend folgende Schritte:

• - Ausbohren der Abstandselemente aus einem Glaskeramikblock
• - Einspannen der ausgebohrten Abstandselemente in eine Rundiermaschine, wobei eine Fixierung des eingespannten Gegenstandes von beiden Enden her spitzenlos erfolgt, derart, daß ein Abdrehen auf Maß mit einer Genauigkeit < 50 µm, insbesondere < 10 µm möglich ist,
• - Ablängen des Abstandselementes und Facettierung seiner Enden.