Formstabil und federleicht: Zerodur-Leichtgewichtsstrukturen für die Raumfahrt
ShapeFab bearbeitet Zerodur® für den Luft- und Raumfahrtbereich. Mit hochpräzisem 5-Achs-CNC Koordinatenschleifen entstehen Leichtgewichtstrukturen und komplexe Freiformflächen für optisch wirksame Oberflächen- umgesetzt durch die Kombination von Schleifen, Läppen und Vorpolitur auf einer Maschine. Die bei uns gefertigten Zerodur-Grundbauteile sind u.a. Teil des Laser-Retroreflektors der GRACE-Schwerefeldmission.
REFERENZ · RAUMFAHRT
Zerodur-Grundbauteile für den Laser-Retroreflektor der GRACE-Mission
Worum es geht.
Die GRACE-Schwerefeldmission vermisst das Schwerefeld der Erde mit einem Satelliten-Paar, das mit einem Abstand von rund 200 km hintereinander auf derselben Bahn fliegt. Aus winzigen Änderungen dieses Abstands im Nanometerbereich lassen sich Massenverlagerungen ableiten – etwa Grundwasserstände, Dürren oder schmelzende Eismassen. Diese Daten fließen unter anderem in das bekannte Geoid-Modell des GFZ Potsdam ein, die „Potsdamer Schwerekartoffel“, und sind eine zentrale Grundlage für die Beobachtung des globalen Wasserhaushalts und des Klimawandels.
Die technische Herausforderung.
Den Abstand der beiden Satelliten misst ein Laser Ranging Interferometer auf Bruchteile einer Lichtwellenlänge genau. Herzstück ist ein Drei-Spiegel-Retroreflektor (Triple Mirror Assembly), der den Laserstrahl zwischen den Satelliten umlenkt – sein virtueller Scheitelpunkt liegt exakt im Schwerpunkt des Satelliten. Die Spiegelbaugruppen bestehen aus Zerodur und sind für die Präzisionsausrichtung verantwortlich. Jede thermische oder mechanische Instabilität würde die Messung verfälschen.
Unser Beitrag.
Damit das Interferometer auf wenige Nanometer genau messen kann, müssen die optischen Bauteile absolut maßhaltig und formstabil sein – und für den Start dennoch so leicht wie möglich. ShapeFab fertigte die Zerodur-Grundbauteile des Retroreflektors per 5-Achs-CNC und vereint dabei drei Anforderungen, die sich in sprödem Material sonst gegenseitig ausschließen:
- komplexe 5-Achs-Freiformgeometrien mit integrierten Leichtgewichtsstrukturen
- Toleranzen von 20 µm für große präzise Funktionsflächen
- Oberflächengüten von Ra < 0,1 µm – direkt aus der CNC-Bearbeitung, ohne nachgelagerte Sonderprozesse
Im Verbund.
Das Projekt entstand gemeinsam mit der Carl Zeiss AG, der Hensoldt Optronics GmbH, der SpaceTech GmbH und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt e. V. (DLR). ShapeFab fertigte die präzisionsbearbeiteten Zerodur-Grundbauteile des Spiegelsystems.
Werkstoffeigenschaften Zerodur® (Richtwerte)
Eigenschaften | Wert |
|---|---|
Dichte | 2,53 g/cm³ |
Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE, 0–50 °C) | 0 ± 0,007 bis 0 ± 0,100 10⁻⁶/K (je nach Ausdehnungsklasse) |
E-Modul (20 °C) | 90,3 GPa |
Poissonzahl | 0,24 |
Knoop-Härte (HK 0,1/20, ISO 9385) | 620 |
Wärmeleitfähigkeit (20 °C) | 1,46 W/(m·K) |
Max. Anwendungstemperatur | 600 °C |
Der nahezu verschwindend geringe Wärmeausdehnungskoeffizient ist die definierende Eigenschaft von Zerodur® – er liegt um eine Größenordnung unter dem der meisten Glaswerkstoffe. (Quelle: SCHOTT AG)
Warum Zerodur® CNC-bearbeiten lassen?
Zerodur® ist hart und spröde. Es lässt sich präzise schleifen und auf optische Oberflächengüten polieren, reagiert aber empfindlich auf Bearbeitungsfehler – besonders an den dünnen Stegen und Taschenwänden von Leichtgewichtsstrukturen. Eine falsch ausgelegte Aufspannung, ungeeignete Werkzeuge oder zu hohe Schnittkräfte führen zu Kantenausbrüchen oder unsichtbaren Schädigungen unter der Oberfläche (Subsurface Damage), die die optische Funktion beeinträchtigen.
Unser Vorteil liegt in der durchgängigen Prozesskette: Schleifen, Läppen und Polieren erfolgen bei uns in einer Aufspannung auf 5-Achs-CNC-Bearbeitungszentren. Das reduziert das Umspann- und Handlingrisiko bei genau den dünnwandigen, bruchempfindlichen Geometrien, die Leichtgewichtsstrukturen ausmachen – und hält Toleranzen und Oberflächengüten über die gesamte Bearbeitung konstant. Jedes Bauteil wird abschließend per Multisensor-Koordinatenmesstechnik geprüft.
Leichtgewichtsstrukturen aus Zerodur®
Leichtgewichtsstrukturen in sprödhartem Material: maximale Massereduktion bei erhaltener Steifigkeit und optischer Funktionsfläche. Über Taschen- und Rippenstrukturen reduzieren wir das Bauteilgewicht und erhalten gleichzeitig die mechanische Stabilität, die ein Bauteil braucht, um die Startlasten einer Rakete zu überstehen.
- 5-Achs-Simultanbearbeitung komplexer 3D-Geometrien und Freiformflächen
- integrierte Leichtgewichtsstrukturen (Taschen, Rippen)
Exemplarische Fertigungsparameter
Fertigungsmerkmal | Wert |
|---|---|
Allg. Fertigungstoleranzen | bis ± 3 µm |
Toleranz auf 3D-Freiformflächen | 20 µm über große Flächenbereiche |
Oberflächenrauheit (Ra) | bis < 0,1 µm aus der CNC-Bearbeitung; <20 nm im Polierprozess |
Maximale Bauteilgröße | 400×500×200 mm |
Zertifizierung | ISO 9001 |
Losgröße | ab 1 Stück |
Mögliche Bauteile & Anwendungen
- Retroreflektoren und Spiegelträger für Laser-Interferometrie
- Spiegelsubstrate und Leichtgewichts-Spiegel für optische Systeme
- optische Bänke und Strukturbauteile
- Bauteile für Metrologie und Präzisionspositionierung
- Vakuumspannplatten aus Zerodur
Typische Branchen
- Raumfahrt
- Optik & Photonik
- Halbleiter/Lithografie
Häufige Fragen
Warum wird Zerodur® in der Raumfahrt eingesetzt?
Wegen seiner nahezu verschwindenden Wärmeausdehnung: Optische Systeme aus Zerodur® bleiben auch bei Temperaturschwankungen dimensionsstabil. In Kombination mit Leichtgewichtsstrukturen entstehen Bauteile, die sowohl die optische Präzision als auch die Gewichtsanforderungen einer Raumfahrtmission erfüllen.
Stellt ShapeFab Zerodur® her?
Nein. Zerodur® ist ein Werkstoff der SCHOTT AG. ShapeFab ist Entwicklungs- und Fertigungsdienstleister und bearbeitet das Material per 5-Achs-CNC zu fertigen Präzisionsbauteilen – inklusive Leichtgewichtsstrukturen, Freiformflächen und Vorbearbeitung optischer Oberflächen.
Fertigt ihr Zerodur-Bauteile ab Stückzahl 1?
Ja. Wir fertigen ab Losgröße 1 – vom Prototyp über Einzelstücke bis zur Kleinserie.
Welche Oberflächengüten und Toleranzen sind bei Zerodur® möglich?
Wir erreichen Oberflächengüten bis Ra < 0,1 µm aus der CNC-Bearbeitung sowie <20 nm Ra aus der Vorpolitur und Toleranzen bis ± 3 µm; auf komplexen 3D-Freiformflächen 20 µm über große Flächenbereiche. Die im Einzelfall erreichbaren Werte hängen von Geometrie und Anforderung ab.
Warum ShapeFab?
- Über 27 Jahre Erfahrung in der Präzisionsbearbeitung von hartspröden Materialien
- Innovative Kombination von Schleif-, Läpp- und Poliertechnologien auf einer einzigen CNC-Maschine (Details)
- ISO-zertifiziert, Entwicklung und Fertigung am Standort Deutschland
- Persönliche Beratung durch unsere technische Experten
- Kurze Angebots- und Lieferzeiten, Expresslieferungen auf Anfrage möglich