WO1992015031A1 - Axialsymmetrische fügeverbindung hoher thermischer belastbarkeit - Google Patents

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WO1992015031A1
WO1992015031A1 PCT/DE1992/000110 DE9200110W WO9215031A1 WO 1992015031 A1 WO1992015031 A1 WO 1992015031A1 DE 9200110 W DE9200110 W DE 9200110W WO 9215031 A1 WO9215031 A1 WO 9215031A1
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intermediate ring
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joining
joint
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Norbert GÖTSCHMANN
Ortwin Hahn
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Leica Industrieverwaltung Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/008—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation
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    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
    • G02B7/02—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses
    • G02B7/028—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for lenses with means for compensating for changes in temperature or for controlling the temperature; thermal stabilisation

Definitions

  • the invention relates to an axially symmetrical joint connection of high thermal strength, in particular a lens and a cylindrical lens frame.
  • the cylinder can be, for example, an optical lens or a shaft, and the ring can be a lens mount or a hub.
  • the invention is explained in more detail below with the aid of a schematic illustration.
  • the three-part joining connection shown consists of a cylindrical glass block (“first joining part”) which embodies the glass lens 1.
  • the optical axis of the lens 1 to be captured coincides with the axis 4 of the entire lens system.
  • the cylindrical frame 2 (“second part to be joined") surrounds the lens 1 while maintaining a cylindrical spacing space which is filled by an intermediate ring 3 ("third part to be joined").
  • Adhesive layers not shown may be present between the cylindrical inner wall 5 of the intermediate ring 3 and the lens 1 on the one hand, and between the cylindrical outer wall 6 of the intermediate ring 3 and the cylindrical inner wall of the holder 2.
  • the different hatching selected in the figure for the three joining parts illustrates their different material selection (from the outside to axis 4): metallic material (socket 2) - organic material (intermediate ring 3) - non-metallic-inorganic material (lens 1).
  • the intermediate ring 3 for a lens 1 made of optical glass can also consist of a metallic material (metal or metal alloy).
  • the shaft for example from a metallic material.
  • the joining part designated as the intermediate ring 3 could in principle also consist of a very thick adhesive layer, which, however, would pose considerable technical problems with the adhesives currently available: due to the reaction shrinkage that occurs when these adhesives cure, especially with thick adhesive layers , residual stresses are built up.
  • the adhesive layer thickness which corresponds to the intermediate ring thickness, should be at least ten times thicker than that of conventional adhesive layers.
  • permanent fixation of the optical axis 4 in the case of thick adhesive layers would not be guaranteed due to creep phenomena which occur in the adhesive layer.
  • the material used for the intermediate ring 3 has a larger linear thermal expansion coefficient ⁇ R than that for the lens material ⁇ L or the frame material ⁇ r. At the lower limit of the permissible operating temperature, no residual stresses should act in the lens 1. When heated, because of the different expansion of lens 1 and mount 2, the spacing for the intermediate ring 3 increases. The intermediate ring 3 - because its material has an even greater coefficient of thermal expansion ⁇ R than the material of the mount 2 - tends to have its outer diameter to enlarge more than the inner diameter of the socket 2. Since it is partially obstructed by the socket 2 and the material of the intermediate ring 3 is almost incompressible, it must expand towards the axis 4.
  • the dimensioning of the intermediate ring 3 is now precisely matched to the rigidity of the mount 2 and the thermal expansion coefficient of the three materials involved, it can be achieved that the inner diameter 5 of the intermediate ring 3 expands when heated to the same extent as the diameter of the lens 1 . If the diameters of lens 1 and intermediate ring 3 expand to the same extent when heated, no stresses can occur in lens 1. So that is the problem net tension-free or at least low-tension version of Gothic architecture for polarization purposes.
  • the dimensioning of the intermediate ring 3 according to the invention is explained below using a one-dimensional approach to thermal expansion.
  • dp and d L mean the diameter of the mount 2 or the lens 1. If the condition that follows from equation I is met, the diameters (inner and outer diameter) of the intermediate ring 3 are not included with free thermal expansion the diameters of the lens 1 and the mount 2 match. If the intermediate ring 3 in the socket 2 expands, 3 compressive stresses occur in the tangential direction in the intermediate ring. Due to the multi-axis stress state, even small radial stresses are effective.
  • equation I can be
  • the bore diameter dp of the mount 2 is calculated from the equation V converted according to dp:
  • the expansion coefficient ⁇ L of the lens 1 is smaller than that of the frame 2, so that: ⁇ L ⁇ F.
  • V V ⁇ 1.
  • a V value of less than I is not possible, however, since V indicates the ratio of the outside to the inside diameter of the intermediate ring 3 and the outside diameter cannot be less than the inside diameter.
  • the material of the intermediate ring 3 should, as a preferred property, show as soft an elastic behavior as possible, so that the different thermal expansion of lens 1 and intermediate ring 3, which occurs in the axial direction, does not cause inadmissibly large shear stresses.
  • the soft elastic material comes e.g. a plastic intermediate ring made of a polycarbonate with the
  • the elasticity module with 3900 MPa is about 20 times smaller than that of a glass.
  • such material combinations are particularly suitable in which the glass lens 1 in a metal frame 2 and an intermediate ring 3 made of a polymer material
  • V ' V - V ⁇ + ⁇ . (VIII)
  • Socket (2) brass 21.4 ⁇ 10 -6 l / K 96.00 GPa
  • Table 2 shows the material properties of a further exemplary embodiment for the use according to the invention of low-tension or tension-free optical frames for polarization microscopy:
  • Intermediate rino (3) aluminum 23.2 x 10 -6 l / K 69 GPa Fassuno (2) steel 12.0 x 10 -6 l / K 210 GPa
  • the intermediate ring 3 can also consist of a filled or unfilled polymeric casting compound or adhesive.
  • the coefficient of expansion ⁇ L of the lens 1 is greater than that of the barrel 2: ⁇ L > ⁇ F.
  • Table 3 shows the material properties of such an embodiment:
  • the intermediate ring (s) 3 is (are) preferably connected to the lens 1 or to the mount 2 via a thin adhesive layer on both contact sides.
  • the glass transition temperature in adhesive technology is understood to be the temperature at which the shear modulus determined in the torsional vibration test according to DIN 53445, depending on the temperature, drops by at least one order of magnitude and at which the loss factor is maximum. For the application of microscopy, this condition is adequately met, for example, by the "Araldit AY106" adhesive.
  • the temperature stresses that act in a conventional connection with 0.5 mm adhesive layer thickness were calculated.
  • the present invention results in new degrees of freedom in the selection of the adhesives.
  • the adhesive layer has to compensate for the different thermal expansion of the lenses and the frame by means of elastic expansion.
  • adhesives are used in which the range of the glass transition temperature is below the lowest permissible operating temperature. Above the glass transition temperature, the shear modulus and thus also the modulus of elasticity is significantly lower than below the glass temperature. Due to the low stiffness, lower stresses occur during elastic expansion. Until now, this had to be considered as a main feature in the selection of adhesives and disadvantages of a different kind had to be accepted. With the type of connection according to the invention, however, the processing properties of an adhesive can be taken into account to a greater extent than previously when selecting an adhesive.
  • the present invention also realizes an expanded range of operating temperatures. Since a higher glass transition temperature is permissible with the new solution, high-temperature-resistant adhesives can be used. Through the use of these adhesives and the lower mechanical load on the adhesive layer, the range of the permissible operating temperature can be expanded significantly. With a combination of materials in which the socket 2 is made of steel and the intermediate ring 3 is made of aluminum, the range of the application temperature can in fact be expanded so much that new areas of application for high-precision joint connections can be opened up.
  • the proposed solutions according to the invention also contribute to a reduction in the manufacturing costs.
  • the intermediate ring 3 and the second adhesive surface initially represent a certain additional effort, but this is not necessary however, the wage-intensive centering of the lens 1, because only a minimal adhesive layer thickness, which can be 0.05 mm, for example, is required. If the lower operating temperature is below the joining temperature, the fit between socket 2 and intermediate ring 3 must even be excessive.
  • the use of fast curing adhesives on the one hand and lower rejects on the other hand also help to reduce manufacturing costs.
  • Another advantage is that the axial and radial fixation of the lens is ensured by the intermediate elements on the cylindrical outer surface of the lens, while, for example, in the prior art explained, the axial fixation must be accomplished by additional elements lying on the end faces of the lens.
  • the principle on which the present invention is based namely to select the ratio of the outer to the inner diameter of the intermediate ring 3 in a first approximation so that the wall thickness of the intermediate ring 3 expands when heated to the same extent as the annular gap between the outer diameter the lens and the bore diameter of the frame 2 enlarged with free thermal expansion, opens up new possibilities for multi-part precision joint connections.

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Abstract

Die beschriebene Fügeverbindung (1, 3, 2) besteht aus mindestens drei Fügeteilen vorzugsweise unterschiedlicher Materialbeschaffenheit und damit unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten α. Zur optimalen Kompensation der vor allem radial wirkenden Verformungsdifferenzen, die bei einer Temperaturänderung auftreten, wird vorgeschlagen, zwischen einem ersten Fügeteil - beispielsweise einer optischen Linse (1) - und einem zweiten Fügeteil - beispielsweise einer Linsenfassung (2) - mindestens ein weiteres Fügeteil als Zwischenring (3) vorzusehen, wobei dessen Ringdicken-Dimensionierung und dessen Materialauswahl (Wärmeausdehnungskoeffizient αR) in der Weise vorgenommen werden, dass sich die erwähnten materialspezifischen und temperaturwechselbedingten Verformungserscheinungen in der Fügeverbindung (1, 3, 2) in der Weise kompensieren, dass eine spannungsfreie bzw. spannungsarme Fassung beispielsweise von Mikrooptiken (1) für die Verwendung in polarisationsoptischen Geräten realisiert werden kann.

Description

Axialsymmetrische Fügeverbindung hoher thermischer
Belastbarkeit
Die Erfindung betrifft eine axialsymmetrische Fügeverbindung hoher thermischer Belastbarkeit, insbesondere einer Linse und einer zylindrischen Linsenfassung.
Wenn ein zylindrischer Körper, der in einem Ring eingefaßt ist, sich aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Erwärmung weniger ausdehnt als der Ring, so wird ein vorhandener Spalt zwischen Ring und Zyl i nder bei Temperaturzunahme größer werden.
Ist der Spalt zwischen dem Ring und dem Zylinder zur Fixierung des Zylinders mit ausgehärtetem Klebstoff ausgefüllt, so wird der Klebstoff bei der Spaltdicken-Änderung gedehnt. Aus derartigen Dehnungen resultieren wiederum Spannungen, die auf den Zylinder und den Ring übertragen werden. Bei dem Zylinder kann es sich beispielsweise um eine optische Linse oder um eine Welle und beim Ring um eine Linsenfassung oder eine Nabe handeln.
Aus der DE-PS 34 37 228 ist eine Fassung für optische Linsen bekannt, bei der die Werkstoffe der vierteiligen Fassung bezüglieh ihrer jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten derart ausgewählt sind, daß eine lediglich in axialer Richtung der Linse erfolgende Dehnungskompensation resultiert. Radiale Ausdehnungsdifferenzen werden bei dieser bekannten Fassung durch eine dauerelastische Vergußmasse sowie einen elastisch verformten "0"-Rϊng ausgeglichen. Je nach Steifigkeit dieser Zwischenelemente werden Spannungen durch die elastischen Radialdehnungen verursacht, die eine Anwendung dieser Fassungstechnologie insbesondere für hochwertige spannungsarme bzw. spannungsfreie Mikrooptiken für Polarisationsgerate ausschließen. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fügeverbindung anzugeben, bei der weder konstruktionsbedingte Eigenspannungen noch durch innere oder äußere Einflüsse hervor gerufene Temperaturspannungen auf das zentrale zylindrische Fassungsteil in Radialrichtung (Linse) übertragen werden.
Diese Aufgabe wird bei einer axialsymmetrischen Fügeverbindung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie Anwendungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung näher erläutert. Die dargestellte dreiteilige Fügeverbindung besteht aus einem zylindrischen Glasblock ("erstes Fügeteil"), der die Glaslinse 1 verkörpert. Die optische Achse der zu fassenden Linse 1 fäl lt mit der Achse 4 des gesamten Fassungssystems zusammen. Die zylindrische Fassung 2 ("zweites Fügeteil") umgibt die Linse 1 unter Einhaltung eines zylindrischen Distanzraumes, der von einem Zwischenring 3 ("drittes Fügeteil") ausgefüllt wird. Zwischen άer zylindrischen Innenwand 5 des Zwischenringes 3 und der Linse 1 einerseits, sowie zwischen der zylindrischen Aussenwand 6 des Zwischenringes 3 und der zylindrischen Innenwand der Fassung 2 andererseits können nicht mit dargestellte Klebschichten vorhanden sein. Die in der Figur gewählte unterschiedliche Schraffur für die drei Fügeteile verdeutlicht deren unterschiedliche Materialauswahl (von außen zur Achse 4 hin): metallischer Werkstoff (Fassung 2) - organischer Werkstoff (Zwischenring 3) - nichtmetallisch-anorgam scher Werkstoff (Linse 1).
Für spezielle Konstellationen der Fügeverbindung kann erfinduncsgemäß für eine aus optischem Glas bestehende Linse 1 neben der Fassung 2 auch der Zwischenring 3 aus einem metallischen Werkstoff (Metall bzw. Metallegierung) bestehen. Schließlich ist es möglich, bei einer eine 'Welle und eine Nabe enthaltenden Fügeverbindung auch das "erste Fügeteil", im vorliegend erörterten Fall also die Welle, beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff zu fertigen. Das als Zwischenring 3 bezeichnete Fügeteil könnte pr i nz i p i e l l auch aus einer sehr dicken Klebschicht bestehen, was jedoch bei den derzeit verfügbaren Klebstoffen erhebliche fassungstechnische Probleme aufwerfen würde: Durch den Reaktionsschrumpf, der neim Aushärten dieser Klebstoffe - besonders bei dicken Klebschichten - in Erscheinung tritt, werden Eigenspannungen aufgebaut. Die Klebschichtdicke, die der Zwischenringdicke entspräche, müßte mindestens zehnmal dicker sein als diejenige von herkömmlichen Klebschichten. Außerdem würde eine dauerhafte Fixierung der optischen Achse 4 bei dicken Klebschichten aufgrund von Kriech-Erscheinungen, die in der Klebschicht auftreten, nicht gewährleistet sein.
Der nach einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für den Zwischenring 3 verwendete Werkstoff hat einen größeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αR als derjenige für den Linsenwerkstoff αL bzw. den Fassungswerkstoff αr. Bei der unteren Grenze der zulässigen Einsatztemperatur sollen keine Eigenspannungen in der Linse 1 wirken. Bei Erwärmung vergrößert sich wegen der unterschiedlichen Ausdehnung von Linse 1 und Fassung 2 der Distanzraum für den Zwischenring 3. Der Zwischenring 3 hat - weil dessen Werkstoff einen noch größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten αR als der Werkstoff der Fassung 2 aufweist - das Bestreben, seinen Außen-Durchmesser stärker zu vergrößern als den Innen-Durchmesser der Fassung 2. Da er hierbei von der Fassung 2 zum Teil behindert wird und der Werkstoff des Zwischenringes 3 nahezu inkompressibel ist, muß er sich zur Achse 4 hin ausdehnen. wird nun die Dimensionierung des Zwischenringes 3 exakt auf cie Steifigkeit der Fassung 2 und cie Wärmeausdehnungskoeffizienten der drei beteiligten Werkstoffe abgestimmt, so kann erreicht werden, daß sich der Innen-Durchmesser 5 des Zwischenringes 3 bei Erwärmung im gleichen Maß wie der Durchmesser der Linse 1 ausdehnt. Wenn sich die Durchmesser von Linse 1 und Zwischenring 3 bei Erwärmung im gleichen Maß ausdehnen, können keine Ssannungen in der Linse 1 auftreten. Damit ist das Problem ei net spannungsfreien bzw. zumindest spannungsarmen Fassung von Gotiken für Polarisaticnszwecke gelöst. Nachfolgend wird die erfindungsgemäße Dimensionierung des Zwischenringes 3 anhand einer eindimensionalen Betrachtungsweise bezüglich der Wärmeausdehnung modellhaft erläutert. Sie führt zu einem einfachen und recht genauen Ansatz zur Festlegung der optimalen Ringdicke, bei der alle Spannungskomponenten im Mittelbereich der Linse (75% des Linsen-Durchmessers) nahezu Null sind, wenn die Poisson'sche Querzahl V des Zwischenringwerkstoffs gleich Null ist. Grundgedanke ist, die Änderung der
Ringspaltdicke (= "Distanzraum"), die sich bei Erwärmung zwischen der Linse 1 und der Fassung 2 ergibt, durch die
Ringdickenänderung Δ RR gemäß der Gleichung I:
Figure imgf000006_0002
auszugleichen. Dabei bedeuten dp bzw. dL den Durchmesser der Fassung 2 bzw. der Linse 1. Wenn die Bedingung, die aus Gleichung I folgt, erfüllt wird, werden die Durchmesser (Innen- und Außen-Durchmesser) des Zwischenringes 3 bei freier Wärmedehnung nicht mit den Durchmessern von der Linse 1 und der Fassung 2 übereinstimmen. Dehnt sich der Zwischenring 3 in der Fassung 2 aus, so treten im Zwischenring 3 Druckspannungen in tangentialer Richtung auf. Aufgrund des mehrachsigen Spannungszustandes wirken deshalb auch geringe radiale Spannungen.
Bei Berücksichtigung einer linearen Wärmeausdehnung kann die Gleichung I zu
Figure imgf000006_0001
umgeformt werden, wobei die verwendeten Symbole folgende Bedeutung nabbn: α - Wärmeausdehnungskoeffizient [l/K]
d - Durchmesser
T - Temperaturänderung [K]
L - Linse
F - Fassung
Ra- Zwischenring außen (in der Figur mit der Ziffer 6 bezeichnet)
Ri- Zwischenring innen (in der Figur mit der Ziffer 5 bezeichnet).
Der Linsen-Durchmesser dL und der Bohrungs-Durchmesser der Fassung dp müssen mit den Durchmessern des Zwischenringes innen dai und außen dRa übereinstimmen, so daß gilt: dRi = dL (III) dRa = dF. (IV)
Mit den Gleichungen III und IV läßt sich die Gleichung II umschreiben in: αR (dF - dL) = dFαF - dLαL . (V)
Ist der Linsen-Durchmesser dL vorgegeben, so berechnet sich der Bohrungs-Durchmesser dp der Fassung 2 aus der nach dp umgestellten Gleichung V aus:
Figure imgf000007_0001
Soir.t Kann eine Verhältniszahl V
Figure imgf000007_0002
definiert werden, mit welcher den Bohrungs-Durchmesser dF der Fassung 2 bzw. die Ringdicke des Zwischenringes 3 für eine vorgegebene Werkstoffkombination ermittelt werden können.
Für ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sei angenommen, daß der Ausdehnungskoeffizient αL der Linse 1 kleiner als der derjenige der Fassung 2 sei, so daß gilt: αL < αF.
Hieraus resultiert die Bedingung, daß der Ausdehnungskoeffizient OR des Zwischenringes 3 größer als derjenige der Fassung 2 und derjenige der Linse 1 sein muß: αR > αF > αL. Ansonsten ergäbe sich aus der Gleichung VII eine Verhältniszahl
V < 1. Ein V-Wert von kleiner als I ist jedoch nicht mögl ich , da V das Verhältnis von Außen- zu Innen-Durchmesser des Zwischenringes 3 angibt und der Außen-Durchmesser nicht kleiner als der Innen-Durchmesser sein kann. Das Material des Zwi scnen- ringes 3 sol lte als bevorzugte Eigenschaft ein mögl ichst weichelastisches Verhalten zeigen, damit die unterschiedl iche Wärmedehnung von Linse 1 und Zwischenring 3 , die in Axialrichtung auftritt, keine unzulässig großen Schubspannungen verursacht. Als weichelastisches Material kommt in diesem Zusammenhang z.B. ein Kunststoff Zwischenring aus einem Polycarbonat mit dem
Warennamen "Kakrolon 8020" infrage , dessen Elastizitätsmodul mit 3900 MPa ca. 20fach kleiner als der eines Glases i st. Aus cen genannten Gründen eignen sich insbesondere solche Werkstoffkombinationen , bei denen die Glas l inse 1 in einer Metal l fassung 2 und einem Zwischenring 3 aus einem Polymer-Werkstoff
(gefül lt oder ungefül lt) eingefaßt wird , da Polymer-Werkstoffe einen wesentl ich größeren Ausdehnungskoeffizienten al s Metal lwerkstoffe aufwei sen und weichelastisch s ind.
Aus F i nite-Element-Berechnungen wurde die empirische Formel abge leitet , daß für Zwischenringwerkstoffe , wel che eine
Poi sson ' sche Querzahl γ verschieden von Nul l aufweisen , die nach Gleichung VII berechnεtε Verhältniszahl V wie folgt in V' umgerεchnεt werden muß:
V' = V - Vγ + γ. (VIII)
Die Materialεigenschaften des erstεn Ausführungsbeispiεls sind in der nachfolgendεn Tabelle 1 aufgeführt:
Tabelle 1:
Beispiel Werkstoff Ausdehnungs- Elastizitäts-
Nr. 1 koeffizient modul
Linse (1) BK7 7,1·10-6 l/K 81,00 GPa
Zwischenrinα (3) Makrolon 8020 45,0·10-6 l/K 0,39 GPa
Fassung (2) Messing 21,4·10-6 l/K 96,00 GPa
Es ist natürlich auch möglich, für besondere Fügeverbindungen, beispielsweise für die Fassung eines Glasfaserbündels, einen (oder mehrere) Zwischenring(e) aus Metall vorzusehen. Gleiches gilt auch für Einfassungen optischer Linsen, die in Umgebungsbereichen eingesetzt werden, in denen die Erweichungstemperaturen normaler Kunststoffe überschritten werden.
In Tabelle 2 sind die Materialeigenschaften eines weiteren Ausführungsbeispiels für die erfindungsgemäße Verwendung von spannungsarmen bzw. spannungsfreien Optik-Fassungen für die Polarisationsmikroskopie angegeben:
Tabelle 2:
Beispiel Werkstoff Ausdehnungs- Elastizitäts- Nr. 2 koeffizient modul
Linse (1) BK7 7,1·10-6 l/κ 81 GPa
Zwischenrino (3) Aluminium 23,2·10-6 l/K 69 GPa Fassuno (2) Stahl 12,0·10-6 l/K 210 GPa Darüber hinaus kann der Zwischenring 3 auch aus einer gefüllten oder unαefüllten polymeren Vergußmasse bzw. Klebstoff bestehen.
Für ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gilt, daß der Ausdehnungskoeffizient αL der Linse 1 größer als derjeniαe der Fassunα 2 ist: αL > αF.
Diese Vorschrift ist beispielsweise für die Werkstoffkombina- tion: optisches Glas "FK51" und Stahl erfüllt. Es gilt dann die Bedingung, daß der Ausdehnungskoeffizient αR des Zwischenringes 3 kleiner sein muß als derjenige der Fassung 2 und der Linse 1: αR < αL.
In Tabelle 3 sind die Materialeigenschaften eines derartigen Ausführungsbeispiels aufgeführt:
Tabelle 3:
Beispiel Werkstoff Ausdehnungs- Elastizitäts- Nr. 3 koeffizient modul
Linse (1) FK51 13,6·10-6 l/K 79 GPa
Zwischenring (3) 10 Ni 14-Stahl 9,6·10-6 l/K 205 GPa Fassung (2) unlegierter Stahl 12,0-10-6 l/K 210 GPa
Der (oder die) erfindungsgemäße(n) Zwischenring(e) 3 ist (sind) vorzugsweise zu beiden Kontaktseiten hin über eine dünne Klebschicht mit der Linse 1 bzw. mit der Fassung 2 verbunden. Dabei hat die fassungsseitige Klebschicht (vgl. den Bereich, der mit der Bezugsziffer 6 gekennzeichnet ist) die Aufgabe, daß bei Erwärmung Druckspannungen (gilt für den Fall: αL < αF) bzw. Zugspannungen (gilt für den Fell: αL > αF) zwischen der Fassung 2 und dem Zwischenring 3 übertragen werden, ohne daß hierbei ein "Kriechen" in der Klebschicht auftritt, so daß also lediglich eine elastische Verformung auftritt. Diese Bedingungen erfüllen in όer Regel Klebstoffe, deren Glasübergangstemperaturen höher liegen als die höchste Temperatur, bei der die Baugruppe (=Fü geverbindung) eingesetzt wird. Unter der Glasübergangstemperatur wird in der Klebtechnik diejenige Temperatur verstanden, ab der der im Torsionsschwingungsversuch nach DIN 53445 in Abhängigkeit von der Temperatur ermittelte Schubmodul um mindestens eine Größenordnung abfällt und bei der der Verlustfaktor maximal ist. Für den Anwendungsfall der Mikroskopie wird diese Bedingung z.B. vom Klebstoff "Araldit AY106" hinreichend gut erfüllt.
Auch in der linsenseitigen Klebschicht 5 sollte ebenfalls kein Kriechen stattfinden. Jedoch kann in diesem Bereich auch ein solcher Klebstoff eingesetzt werden, dessen Glasübergangstemperatur im oder unter dem Bereich der Bauteil-Einsatztemperatur liegt, da bei richtiger Dimensionierung des Zwischenringes 3 keine signifikanten Normalspannungen über die zylindrischen Fügeflächen 5,6 übertragen werden. Die auftretenden Tangentialspannungen in axialer Richtung sind aufgrund der geringen Zylinderlänge unkritisch. Durch das weichelastische Verhalten können Spannungen verringert werden, die ansonsten infolge inhomogener Temperaturverteilung bei schneller Erwärmung oder Abkühlung auftreten.
Bei Anwendungsfallen, bei denen temporär Spannungen infolge inhomogener Bauteil-Temperatur zugunsten der Sicherheit gegen irreversible Klebschichtverformungen in Kauf genommen werden können, hat sich für die linsenseitige Klebschicht 5 der Einsatz des gleichen Klebstoffes, wie er für die fassungsseitige Klebschicht 6 eingesetzt wird, als zweckmäßig erwiesen. Dies erbringt darüber hinaus Kostenvorteile für die Fertigung.
Nachfolgend wird ein erfindungsgemäß dimensioniertes Ausführungsbeispiel angegeben und die Temperaturspannungen diskutiert, die bei einer Erwärmung dieser Fügeverbindung von 120 K auftreten. Es handelt sich um eine Linseneinfassung 2 aus Aluminium (αF = 12 · 10-6 l/K) mit einem Außen-Durchmesser von 60,4 mm und einem Bohrungs-Durchmesser von 55,2 mm. Der
Zwischenring 3 besteht aus Kunststoff (αR = 45·10-6 l/K) und weist einen Innen-Durchmesser von 50 mm auf. Linse 1 besteht aus optischem Glas (αL = 7,1· 10-6 l/K). Die Verhältniszahl V' (vgl. Gleichungen VII und VIII) berechnet sich zu V = 1,104. Hieraus ergibt sich bei einem Linsen-Durchmesser von 50 mm eine erfindungsgemäße Zwischeπringdicke Δ RR = 2,6 mm. Darüber hinaus wurden die Temperaturspannungen berechnet, die in einer herkömmlichen Verbindung mit 0,5 mm Klebschichtdicke wirken. Ein Vergleich aller Spannungen, die in den beiden Verbindungen bei einer Erwärmung von ΔT = 120 K wirken, zeigt, daß zwar auch in der erfindungsgemäßen Fügeverbindung Spannungen am Linsenrand aufgrund des menrachsigen Spannungszustandes auftreten, daß jedoch die radial und die tangential wirkenden Spannungen im mittleren Teilgebiet (75% des Linsen-Durchmessers) der Linse von 5,8 MPa bei der herkömmlichen Verbindung auf nahezu Null (σ < 0,1 MPa) bei der erfindungsgemäßen Verbirdung herabgesetzt werden. Mit einer Nachkorrektur der
Zwischenringdicke mittels Finite-Element-Rechnung kann ein absolut temperaturspannungsfreier Zustand in diesem Bereich realisiert werden. Es ergeoen sich insgesamt also folgende Vorteile für die vorliegende Erfindung:
Es werden Wärmespannungen vermieden bzw. drastisch reduziert. Hält man sich an die vorgeschlagene Dimensionierungsvorschrift, so treten in der Klebschicht 5 zwischen Linse 1 und Zwischen- ring 3 keine Normal Spannungen senkrecht bezüglich der Fügeflachen auf.
Da die Klebschichten keine nennenswerte Belastung in Normalrichtung der Fügeflächen erfahren, können auch keine Schädigungen in der Klebschicht aufgrund von Temperaturänderungen auftreten. Die partiellen Schädigungen in Klebschichten herkömmlicher Linseneinfassungen führen zu Verformungszuständen, die nicht rotationssymmetrisch sind. Durch die Nichtsymmetrie wird die Funktion einer optischen Linse gestört, so daß insbe sondere ein Einsatz in polarisationsoptischen Systemen ausgeschlossen ist.
Von weiterem Vorteil ist, daß sich durch die vorliegende Erfindung neue Freiheitsgrade bei der Auswahl der Klebstoffe ergeben. Bei der herkömmlichen Verbindung muß die Klebschicht die unterschiedliche Wärmedehnung von Linsen und Fassung durch elastische Dehnung ausgleichen. Hierfür werden Klebstoffe eingesetzt, bei denen der Bereich der Glasübergangstemperatur unterhalb der tiefst zulässigen Einsatztemperatur liegt. Oberhalb der Glasübergangstemperatur ist der Schubmodul und somit auch der Elastizitätsmodul wesentlich kleiner als unterhalb der Glastemperatur. Entsprechend der geringen Steifigkeit treten bei den elastischen Dehnungen geringere Spannungen auf. Dies mußte bislang als ein Hauptmerkmal bei der Klebstoffauswahl berücksichtigt und Nachteile anderer Art in Kauf genommen werden. Bei der erfindungsgemäßen Verbindungsart können hingegen die Verarbeitungseigenschaften eines Klebstoffes stärker als bislang bei einer Klebstoffauswahl berücksichtigt werden.
Durch die vorliegende Erfindung wird auch ein erweiterter Bereich der Einsatztemperatur realisiert. Da bei der neuen Lösung eine höhere Glasübergangstemperatur zulässig ist, können hoch-temperaturbeständige Klebstoffe eingesetzt werden. Durch den Einsatz dieser Klebstoffe und die geringere mechanische Belastung der Klebschicht kann der Bereich der zulässigen Einsatztemperatur wesentlich erweitert werden. Mit einer Werkstoffkom- bination, bei der die Fassung 2 aus Stahl und der Zwischenring 3 aus Aluminium besteht, kann in der Tat der Bereich der Einsctztemperatur so stark erweitert werden, daß neue Anwendungsgebiete für hochpräzise Fügeverbindungen erschlossen werden können.
Schiießlich tragen die erfindungsgemäßen Lösungsvorschläge auch zu einer Senkung der fertigungstechnologischen Herstellungskosten bei. Der Zwischenring 3 und die zweite Klebfläche stellen zwar zunächst einen gewissen Mehraufwand dar, dafür entfällt jedoch das lohnintensive Zentrieren der Linse 1, weil nur noch eine minimale Klebschichtdicke, die beispielsweise 0,05 mm betragen kann, erforderlich ist. Soll die untere Einsatztemperatur unter der Fügetemperatur liegen, muß die Passung zwischen Fassung 2 und Zwischenring 3 sogar ein Übermaß aufweisen. Der Einsatz schnell härtender Klebstoffe einerseits sowie geringere Ausschußanteile andererseits tragen ebenfalls zur Senkung der Fertigungskosten bei.
Des weiteren ist als Vorteil hervorzuheben, daß die axiale und die radiale Fixierung der Linse durch die Zwischenelemete an der zylindrischen Linsenaußenfläche gewä Eistet wird, während beispielsweise beim erläuterten Stand der Technik die axiale Fixierung durch zusätzlich an den Stirnflächen der Linse aufliegende Zwischenelemente bewerkstelligt werden muß. Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Prinzip, nämlich das Verhältnis von Außen- zu Innen-Durchmesser des Zwischenringes 3 in erster Näherung so zu wählen, daß sich die Wandstärke des Zwischenringes 3 bei Erwärmung im gleichen Maß ausdehnt, wie sich der Ringspalt zwischen dem Außen-Durchmesser der Linse und dem Bohrungs-Durchmesser der Fassung 2 bei freier Wärmedehnung vergrößert, eröffnet neue Möglichkeiten bei mehrteiligen Präzisions-Fügeverbindungen.
Abwandlungen und geringe Modifizierungen bei den Dimensionierungsvorschriften liegen im Rahmen der vorliegenden Erfindung. So kann je nach Steifigkeit von Fassung 2 und Zwischenring 3 eine geringfügige Korrektur des in erster Näherung ermittelten Durchmesserverhältnisses des Zwischenringes 3 durchgeführt werden, damit auch kleinste radiale Dehnungsunterschiede zwischen dem Außen-Durchmesser der Linse und der Bohrung der Verbundfassung, die sich bei freier Dehnung einstellen würden, beseitict werden. L i ste der Bezugsz iffern , -zeichen und Formelsymbole
1 - erstes Fügeteil (L inse (L))
2 - zweites Fügeteil (Fassung (F))
3 - drittes Fügeteil (Zwischenring (R))
4 - Achse des Fassungssystems (optische Achse)
5 - zylindrische Innenwand von (3)
5 - zylindrische Außenwand von (3)
7 - Außenwand von (2) L - Linse (1)
F - Fassung (2)
R - Zwischenring (3)
αR - linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Werk- Stoffs für den Zwischenring (R) [1/K]
αL - linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Werkzeugs für die Linse (L) [1/K]
αF - linearer thermischer Ausdehnungskoeffizient des Werkstoffs für die Fassung (F) [1/K]
Δ RR - Ringdickenänderung
dF - Bohrungs-Durchmesser der Fassung (2)
αL - Durchmesser der Linse (1)
dRa - Außen-Durchmesser des Zwischenringes (3) (in der Figur mit (6) angedeutet)
dRi - Innen-Durchmesser des Zwischenringes (3) (in der Figur mit (5) angedeutet)
T - Temperatur [K]
Δ T - TemDeraturänderung [K]
V - Verhältniszahl
V'- (umgerechnete) Verhältniszahl
γ - Poisson'sche Querzahl des Zwischenringwerkstoffs
Figure imgf000015_0001
- mechanische Spannung [MPa]

Claims

A n s p r ü c h e
1. Axialsymmetrische Fügeverbindung hoher thermischer Belastbarkeit zum spannungsfreien bzw. spannungsarmen Einfassen eines aus einem ersten Material bestehenden zylindrischen Fügeteils in ein aus einem zweiten Material bestehendes zylindrisches Fügeteil, insbesondere einer optischen Linse und einer Linsenfassung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Fügeteil (1 bzw. 2) mindestens ein drittes zylindrisches Fügeteil als Zwischenring (3) vorgesehen ist, wobei dessen Ringdicken-Dimensionierung und dessen Materialauswahl in Abhängigkeit von der vorgegebenen Dimensionierung und dem Material des ersten und/oder des zweiten Fügeteils (1 bzw. 2) in der Weise vorgenommen werden, daß die bei einer
Temperaturänderung auftretenden radialen Verformungsdifferenzen zwischen den einzelnen Fügeteilen (1 bzw. 3 bzw. 2) der Fügeverbindung (1,3,2) optimal kompensiert werden.
2. Fügeverbindung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der (bzw. die) Zwischenring(e) (3) durch dünne Klebschichten mit den Fügeteilen (1 bzw. 2) verbunden ist (sind).
3. Fügeverbindung nach Anspruch 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das erste Fügeteil ein optisches Bauteil - beispielsweise eine Linse (1) - aus opti- schem Glas, das zweite Fügeteil eine Fassung (2) aus einem Metall oder einer Metallegierung und das dritte (oder weitere) Fügeteil(e) (ein) Zwischenring(e) (3), vorzugsweise aus einem Polymermaterial, ist (sind).
4. Fügeverbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Material für den (oder die) Zwischenring(e) (3) für den Fall, daß der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient αL der Linse (1) kleiner als derjenige αp der Fassung (2) ist, einen solchen Ausdehnungskoeffizienten αR aufweist, daß die Beziehung: αR > αF > αL gilt.
5. Fügeverbindung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dreiteil ige Fügeverbindung (1,3,2) aus folgender Materialkombination besteht:
Linse (1): optisches Glas: "BK 7"
Zwischenring (3): Kunstoff (Polycarbonat): "Makrolon 8020" Fassung (2): Metallegierung: Messing
6. Fügeverbindung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dreiteilige Fügeverbindung aus folgender Materialkombination besteht:
Linse (1): optisches Glas: "BK 7"
Zwischenring (3): Metall: Aluminium
Fassung (2): Metallegierung: Stahl
7. Fügeverbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der (oder die) Zwischenring(e) (3) aus einer gefüllten oder ungefüllten polymeren Vergußmasse bzw. Klebstoff besteht (bestehen).
8. Fügeverbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Material für den (oder die) Zwischenring(e) (3) für den Fall, daß der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient αL der Linse (1) größer als derjenige αF der Fassung (2) ist, einen solchen Ausdehnungskoeffizienten αR aufweist, daß die Beziehung: αR < αF < αL gilt.
9. Fügeverbindung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die dreiteilige Fügeverbindung (1,3,2) aus folgender Materialkombination besteht:
Linse (1): optisches Glas: "FK 51"
Zwischenring (3): Metallegierung: "10 Ni 14"-Stahl Fassung (2): Metallegierung: unlegierter Stahl.
10. Fügeverbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Klebschicht zwischen dem Zwischenring (3) und der Fassung (2) vorgesehen ist, wobei der zu verwendende Klebstoff die Eigenschaft hat, daß dessen Glasübergangstemperatur höher liegt als die höchste Temperatur, der die zu verbindenden Fügeteile (2 bzw. 3) ausgesetzt sind.
11. Fügeverbindung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Klebstoff "Araldit AY 106" ist.
12. Fügeverbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß eine Klebschicht zwischen dem ersten Fügeteil (1) und dem Zwischenring (3) vorgesehen ist, wobei der zu verwendende Klebstoff die Eigenschaft hat, daß dessen Glasübergangstemperatur im oder unter dem Bereich der Einsatztemperatur für die zu verbindenden Fügeteile (1 bzw. 3) liegt.
13. Fügeverbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß für die linsenseitige (5) und für die fassungsseitige (6) Klebschicht der gleiche Klebstoff verwendet wird.
14. Fügeverbindung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie aus einer zylindrischen Fassung (2) aus Stahl
( αF = 12 · 10-6 l/K) mit einem Innen-Durchmesser von ca. 55,2 mm bei einer Wandstärke von ca. 2,6 mm, einem Zwischenring (3) aus Kunststoff (αR = 45 10-6 l/K; γ = 0,3) mit einem Innen-Durchmesser von ca. 50 mm bei einer Ringstärke von ca. 2,6 mm sowie einer Linse (1) aus optischem Glas (αL = 7.1·10-6 l/K) besteht.
15. Verwendung der Fügeverbindung (1,3,2) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche für Fassungen von optischen Baugruppen, beispielsweise Objektiven und Kondensoren, für die Polarisations-Mikroskopie. 16. Verwendung der Fügeverbindung (1,3,2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 für Einfassungen von Glasfasern bzw. Glesfaserbündeln.
11. Verwendung der Fügeverbindung (1,3,2) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14 für eine Achse/Welle-Nabe-Verbindung.
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