Paneelfertigung aus Aluminium oder Magnesium

Die geforderte Formgenauigkeit der Oberfläche ist abhängig von der zu empfangenden Frequenz. Die Reflektoren für Radioteleskope werden aus Segmenten (Paneele genannt) zusammengesetzt. Typische Durchmesser der Reflektoren sind 10 bis 15m. Um beispielsweise im Bereich von 0,8mm Wellenlänge zu forschen darf der Reflektor maximal 0,05mm vom idealen Paraboloiden abweichen. Das einzelne Paneel sollte eine mittleren quadratischen Formfehler (RMS) von weniger als 10 Mikrometer aufweisen. Um dieses erreichen zu können, ist äußerste Spannungsarmut des Materials vor und nach jedem Bearbeitungsschritt gefordert. BÖHM bearbeitet besonders ausgewähltes Aluminium mit optimierter Frässtrategie. Der Paneelfertigung gingen jahrelange Untersuchungen an ähnlich beanspruchten Teilen voraus. Es stellte sich heraus, dass bereits die Herstellung des Rohmaterials entscheidend für die Langzeit-Formstabilität der Paneele ist. Deshalb erfolgt bereits die Herstellung, Lagerung und Teilung des Rohmaterials im Aluminiumwerk nach unseren Vorgaben.

Der zweite wichtige Punkt ist die nahezu spannungsfreie mechanische Bearbeitung und die kombinierte thermische und chemische Behandlung der Paneele, um nachträgliche Formänderungen zu vermeiden. Eine Forderung ist die Langzeit-Dimensionstabilität. Ein Radioteleskop wird Jahrzehnte betrieben. Wenn ein ursprünglich hochpräziser Reflektor durch interkristalline Veränderung, Veränderung der Oberflächenzusammensetzung oder durch das  Freiwerden von Bearbeitungsspannungen sich mit der Zeit in seiner Form ändert, wird er für Forschung im Submillimeterbereich unbrauchbar.

Besondere Beachtung verlangt auch die Anordnung und Ausbildung der Montagepunkte für die Paneele. Sie sollten so angeordnet sein, dass bei der Montage eine Justierung innerhalb einiger Mikrometer erfolgen kann, andererseits aber keine unzulässigen Spannungen in die Paneele eingebracht werden.

Bisher wurden Paneele für Radioteleskop-Reflektoren aus Aluminium hergestellt. BÖHM untersucht zur Zeit die Verwendbarkeit von Magnesium. Dieser Werkstoff hat den Vorteil eines um 33% geringeren Gewichtes. Das Bild zeigt ein Paneel mit hoher Steifigkeit und hoher Präzision bei vergleichsweise geringem Gewicht. Die Oberfläche lässt sich mit bekannten Verfahren schützen, ohne die elektrische Leitfähigkeit zu mindern.

Für die Feinstbearbeitung, bei der die Formabweichung nochmals halbiert wird, ist ein laborähnliches Umfeld erforderlich. Das bedeutet, dass die Präzisions-Werkzeugmaschinen auf schwingungsfreien Fundamenten montiert sein müssen, der Raum klimatisiert sein muss, die Werkstücke bei der Bearbeitung eine bestimmte thermische Konsistenz wahren, nur definierte geringste Schnittdrücke enstehen und geeignete Messmittel verwendet werden dürfen.. Diese Anforderungen erfüllt das Labor für Mikrozerspanung der Uni-Bremen mit dem BÖHM im Bereich Paneelfertigung eng zusammenarbeitet.

 

Vorderseite: Formgenauigkeit des Paraboloids <10µm RMS

 

Rückseite, Verrippung BÖHM-Konstruktion

 

Paneele dieser Bauart sind von BÖHM bereits für das KOSMA-Teleskop, dem zur Zeit genauesten Radioteleskop der Welt, (Betreiber: 1. Physikalisches Institut der Universität zu Köln) und den Prototypen des ALMA-Projektes (amerikanisch-europäisches Gemeinschaftsprojekt) gefertigt worden.

 

Fertigung

1. Konstruktion der Paneel-Rückseite bei BÖHM

2. Mechanische Bearbeitung bei BÖHM

3. Thermisch chemischer Zwischenschritt

4. Feinstbearbeitung des Paraboloids beim LFM

5. Chemische Strukturierung und Oberflächenschutz

6. Vermessung auf einer 3-Koordinaten Messmaschine

Problematisch bei der Messung der Formgenauigkeit eines Paraboloiden ist die Messunsicherheit und Handhabung der Messmaschine. Neben der Messunsicherheit der Koordinaten X-Y-Z sind hier noch die Winkelfehler der drei Achsen zu beachten. Darauf weist VDI/VDE2617 Blatt 2.1 Absatz 3.2 hin.

 

Wir zitieren hier aus einer Veröffentlichung des „Haus der Technik e.V.“ auszugsweise:

 

Auch die Richtlinie VDI/VDE2617 definiert zwar die Messgeräteabweichungen und ihre Prüfverfahren, gibt aber keine Hinweise zum Vorgehen bei praktischen Messungen. Hier wird das Ergebnis jedoch ganz wesentlich von der Anzahl und Lage der Messpunkte auf der durch Formabweichungen geprägten Oberfläche des Werkstückes beeinflusst. Die daraus resultierenden Messabweichungen können in Extremfällen sogar die in der Zeichnung vorgegebenen Toleranzen weit übersteigen. Damit werden Werkstücke fälschlich als gut oder schlecht bewertet, und es entstehen unnötige Kosten und Verzögerungen im Fertigungsablauf.”

 

Die üblichen Qualitätsmerkmale für Paneele sind:

  • Die Formabweichung gegenüber der absoluten Parabolform ausgedrückt als quadratischer Mittelwert RMS
  • Zulässige Anzahl pro Flächeneinheit der Erhöhungen und Vertiefungen auf der Oberfläche peak to valley
  • Werkstoffauswahl und Herstellungsverfahren des Rohmaterials hinsichtlich Langzeit-Dimensionstabilität (Alterungseffekt)
  • Steifigkeit bei geringen Gewicht
  • Justierbarkeit der Paneele zu einem Parabol-Reflektor ohne Verschlechterung des RMS-Wertes
  • Anwendungsspezifische Forderungen bezüglich der Reflektoroberfläche (spiegelnd, strukturiert, Leitfähigkeit/Dämpfung, Reinigungsmöglichkeit, Korrosionsschutz und Anderes)

Rundumansicht

Die Reflektorfläche wurde zur Minderung der Sonnenreflektion strukturiert.