Experimente und Untersuchungen mit optischen Anordnungen gehören zum Alltag in vielen Unternehmen. Wichtig sind Genauigkeit, einfache Handhabung und Flexibilität in der Montage der optischen Baugruppen. Neben der optischen Bank für eindimensionale Anordnungen haben sich optische Tische für zwei-dimensionale Versuche etabliert.
Optische Tische: So können sie sich unterscheiden
Optische Tische sind die Plattform für den Aufbau optischer Anordnungen aus Lichtquellen, Spiegeln und Messgeräten in verschiedenen Bereichen der Naturwissenschaften und der Technik. Optische Tische unterscheiden sich in den verwendeten Materialien, im Aufbau der Tischplatte, in der Beschaffenheit der Tischbeine und in deren Befestigung an der Tischplatte. Je nach vorgesehener Anwendung und den Bedingungen in der Umgebung des optischen Tisches sind die Merkmale verschieden zu gewichten. Ein optischer Tisch sollte mit seiner Platte eine möglichst günstige Kombination von Eigenschaften passend zur geplanten Anwendung bieten. Wir zeigen Ihnen im Folgenden, welche Unterschiede es für optische Tische gibt und wie Sie sie gewichten können.
Unterschiede bei Optischen Tischen in Materialien & Platte
Optische Tische müssen hohen Anforderungen an die Biegesteifigkeit und Unempfindlichkeit gegen Temperaturunterschiede genügen. Ähnlich wie bei Messtischen wurden Granit und Diabas eingesetzt, um diese Anforderungen zu erfüllen. Neben dem hohen Gewicht haben optische Tische mit einer Platte aus Gestein weitere Nachteile, die die Entscheidung für eine Ausführung der Tischplatte aus Stahl in Sandwich-Bauweise unterstützen. Zu den Vorteilen einer Metallplatte gegenüber einer massiven Steinplatte gehört, dass Bohrungen mit Gewinde angebracht werden können. In den Bohrungen sind die optischen Komponenten mit Schrauben zu verankern. Außerdem sind magnetische Tischplatten möglich, die die Befestigung der Aufbauten erleichtern.
Tischplatten aus Stein
Die Gesteinsarten Granit und Diabas sind für die Herstellung hochwertiger Tische etabliert und werden noch immer verwendet. Sie werden in Deutschland abgebaut. Nachteilig ist das hohe Gewicht, das bei einer großen Tischplatte mehrere Tonnen betragen kann. In Laboren, in denen häufig umgebaut werden muss, wird das Bewegen solcher Gewichte zur Herausforderung.
In die Tischplatte aus Stein können metallene Führungsschienen eingelassen werden, um optische Instrumente zu befestigen. Es ist in der Planung des Aufbaus sicherzustellen, dass die unterschiedlichen Temperaturausdehnungskoeffizienten von Stein und Metall die Ergebnisse nicht beeinflussen.
- Laser-Geräten
- Optischen und elektronischen Geräten
- Medizinischen Geräten
- Mikroskopen
- Waagen und anderen
- Erschütterungsempfindlichen Mess- und Prüfgeräten
Der optische Tisch als schwingendes System
Optische Tische sind schwingende Systeme. Sie können durch äußere Einflüsse und den optischen Aufbau selbst zum Schwingen angeregt werden. Es sind hochfrequente und niederfrequente Einflüsse zu unterscheiden. Zum hochfrequenten Bereich gehören Frequenzen von 100 Hz und höhere Anregungen. Anregungen mit 3 Hz und geringerer Frequenz werden als niederfrequente Einflüsse betrachtet. Je nach Bauweise und Maßnahmen zur Dämpfung und Isolation sind die Auswirkungen auf den optischen Aufbau und die Messungen recht unterschiedlich. Sie müssen einzeln betrachtet werden, um die Qualität von Messergebnissen und Produktionsprozessen sicherzustellen.
Eine Tischplatte hat Schwingungsmodi mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen, die sich über ein Frequenzband erstrecken. Konzentrieren sich die Maßnahmen zur Dämpfung nur auf einen Teil des Frequenzbandes, können sich Schwingungsmodi im nicht betrachteten Teil störend bemerkbar machen. Eine Tischplattenkonstruktion mit breitbandiger Dämpfung kann dann einer schmalbandigen Dämpfung, wie sie mit Öldämpfern zu erreichen ist, überlegen sein.
Niederfrequente Bodenschwingungen dämpfen
Niederfrequente Bodenschwingungen im Bereich von 0,5 bis 30 Hz müssen möglichst weitgehend durch Isolation vom optischen System ferngehalten werden, weil sie durch die Steifigkeit und Dämpfung der Tischplatte nicht zu verringern sind. Es kommt zu Starrkörperbewegungen der Tischplatte, wenn die anregenden Frequenzen so niedrig sind, dass die erste Eigenschwingung nicht angeregt wird. Niederfrequente Anregungen können von Fußgängern und Straßenverkehr in der Nähe des Aufstellortes des optischen Tisches ausgehen. Weitergehende Maßnahmen zur Dämpfung der Biegeschwingungen helfen nicht. Niederfrequente Anregungen, die nicht von den Aufbauten auf der Tischplatte ausgehen, müssen durch Isolation entkoppelt werden. Je nach angewendeter Technologie lassen sich Isolatoren in verschiedenen Frequenzbereichen einsetzen. Für die Isolation niedriger Frequenzen sind Luftfedern gut geeignet.
Der Trend zu besserer Ausnutzung des Bauraums mit gleichzeitiger Leistungssteigerung bei Maschinen und Fertigungseinrichtungen, auch in Laboren, führt zu stärkeren Kräften und Impulsen. Sie müssen von der Tischplatte ferngehalten werden, um die Versuchs- und Messergebnisse nicht zu beeinflussen. Werden optische Tische in der Fertigung als Plattform für ein 3D-Messsystem eingesetzt, sind Vibrationen und Stöße durch Maschinen und Transportsysteme, wie Kräne, Gabelstapler und fahrerlose Transportsysteme (FTS) möglich.
Werkstoffe machen den Unterschied
Auch Aluminium und Kohlefaser kommen bei der Herstellung von optischen Tischen zum Einsatz. Kohlefaser zeichnet sich gegenüber Stahl durch eine sehr hohe Steifigkeit aus. Allerdings ist die Verarbeitung aufwendig. Aluminium kann bei Gewichts-kritischen Anwendungen vorteilhaft sein. Der Wärmeausdehnungskoeffizient soll möglichst gleichmäßig über den Tisch verteilt sein, um ungleichförmige, temperaturbedingte Verformungen der Tischplatte zu minimieren. Eine einheitliche Werkstoffauswahl im gesamten Tisch kann für eine ausreichende thermische Stabilität erforderlich sein.
Vorteilhaft ist die direkte Verbindung von Oberplatte und Unterplatte mit der Zwischenschicht. Dies ergibt eine höhere Steifigkeit der Platte und eine bessere thermische Stabilität. Es gibt auch Ausführungen mit Kunststoffschichten dazwischen, die zur Abdichtung der Lamellen gegen Flüssigkeiten und Kleinteile, die durch die Rasterbohrungen eindringen können, dienen. Eine Alternative ist die Anbringung einer Zwischenplatte, die als Deckschicht der Lamellen fungiert.
Seitenwände aus Stahlblech statt aus Holz (Spanplatte) erhöhen die Beständigkeit gegen Feuchtigkeit und Temperatureinfluss.
Zur Verbesserung der Dämpfung in bestimmten Frequenzbereichen können Ölfüllungen verwendet werden. Nachteilig ist, dass sich die Öleigenschaften mit der Zeit verändern. Werden nachträgliche Modifikationen am Tisch vorgenommen, wie weitere Rasterbohrungen oder ein Laserport, besteht die Gefahr der Beschädigung der Ölbehälter. Eine trockene Dämpfung ist in diesem Fall vorteilhaft.
Enge Lamellen bringen Steifigkeit
Eng angeordnete Lamellen in der Wabenstruktur bringen eine höhere Steifigkeit. Wird ein Lochraster in der Deckplatte angebracht, muss die Anordnung der Lamellen dem Lochraster folgen. Hier sind wesentliche Qualitätsunterschiede in den Platten verschiedener Hersteller zu finden.
Die Wertigkeit liegt im Detail
In der praktischen Anwendung von optischen Tischen zeigt sich der Nutzen von vermeintlich nebensächlichen Details. Die Abrundung der Tischplattenecken hilft, Verletzungen und Störungen der Aufbauten zu vermeiden. Die Abdichtung der Bohrungen im Lochraster verhindert das Hineinfallen von Kleinteilen. Durch die Abdichtung wird auch das Eindringen von Flüssigkeiten verhindert, die zu Beschädigungen des Wabenkerns und zu unerwünschten Veränderungen der Schwingungseigenschaften führen können.
Dichtheit der Rasterbohrungen
Die Hersteller sehen unterschiedliche Maßnahmen vor, um die Ausgasung von Reinigungsmitteln und Chemikalien aus den Öffnungen in der Deckplatte zu verhindern. Je nach System werden Silikonfüllungen und Kappen aus Kunststoff und Edelstahl eingesetzt, um die Rasterbohrungen abzudichten. Auch Kunststofffolien unter der Deckplatte kommen zum Einsatz.
Die sorgfältige Entfernung von Schneidölrückständen aus den Gewindebohrungen ist ein Qualitätsmerkmal. Die Entgratung der Gewindebohrungen und die Anbringung einer Fase zeichnen hochwertige Tischplatten aus.
Optischer Tisch mit Laserport
Um einen Laserstrahl durch die Tischplatte zu führen, wie es für manche optische Aufbauten erforderlich ist, kann ein Durchbruch in der Tischplatte angebracht werden. Der Durchbruch wird auch als Laserport bezeichnet. Ein Laserport erlaubt die Anbringung der Lichtquelle unterhalb der Tischplatte. Diese Anordnung schafft freien Platz auf der Tischplatte für die Anordnung der optischen Komponenten und den Strahlengang. Vibrationen, die von der Lichtquelle ausgehen, wie durch Lüfter und Transformatoren, können mit der Anordnung unter der Tischplatte und einem Laserport vom Aufbau ferngehalten werden.
Der optische Tisch im Reinraum
Für Produkte, die im Reinraum (Cleanroom) gefertigt werden müssen, können optische Tische in Gehäusen oder Kabinen eingehaust werden. Die Ausführung in Edelstahl ist eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz des optischen Tisches in Reinräumen. Zu beachten ist, dass in diesem Fall auch die Bodenplatte aus Edelstahl gefertigt wird.
Die Oberflächen: Ein Unterscheidungsmerkmal bei Optischen Tischen
Ein Unterscheidungsmerkmal bei optischen Tischen ist die Oberflächengüte. Die Ebenheit bestimmt, ob sich die optischen Bauteile befestigen lassen, ohne geringfügig auf erhabenen Oberflächenbereichen zu schwanken. Die Ausrichtung der optischen Bauteile auf der Platte muss auf Bruchteile der Wellenlänge des verwendeten Lichtes genau sein. Schon minimale Bewegungen durch den Eintrag von Schwingungen in die Tischplatte können über Erfolg und Misserfolg des Experiments entscheiden. Ein optischer Tisch mit einer Platte aus Metall kann sehr flach gefertigt werden.
Gitter aus Gewindebohrungen
Um ein optisches System betriebsbereit aufzubauen, ist es auf der Tischplatte mit maximaler mechanischer Stabilität zu fixieren. Auf einer Tischplatte mit Rasterbohrungen können Spannelemente und handelsübliche Pratzen zur Befestigung eingesetzt werden. Der Vorteil liegt in der gesteigerten Flexibilität der Anwendung. Die optischen Komponenten können schnell an- und abgeschraubt werden, bei Erhaltung der Positionsgenauigkeit.
Eine Alternative zum Schneiden der Gewinde in die Deckplatte ist die schwimmende Lagerung von Gewindeeinsätzen. Spannschrauben, die in die Gewindeeinsätze eingedreht werden, haben durch die schwimmende Lagerung einen Spielraum in horizontaler Richtung und in der Neigung. Der Spielraum ist hilfreich bei der Ausrichtung der optischen Komponenten auf der Deckplatte.
Ebenheit erhöht die Messgenauigkeit
Eine Ebenheit, auch Planität genannt, von besser als +/- 0,13 mm wird von einem Hersteller durch ein hochgenaues Fertigungsverfahren angeboten. Ein wichtiges Vergleichskriterium ist dabei die Größe der Fläche, auf der die angegebene Planität erreicht wird. Hochwertige Tischplatten erfüllen die Anforderung an die Planität auf der gesamten Tischfläche.
Für große Anwendungen - optischer Tisch mit Kopplung
Optische Tische sind durch die Bearbeitungs- und Transportmöglichkeiten in der Größe begrenzt. Ein typisches Beispiel für maximale Abmessungen sind 150 cm x 480 cm. Für optische Aufbauten, die noch mehr Platz erfordern, bieten einzelne Hersteller die Kopplung optischer Tische an. Die Kopplung muss so ausgeführt sein, dass die Anforderungen an die Steifigkeit, die Dämpfung und die Oberfläche auch für die gekoppelten Tische erfüllt werden. Ist die Kopplung so konstruiert, dass die Tische auch getrennt aufgestellt werden können, bringt dies zusätzliche Vorteile in der Handhabung.
Thermische Stabilität
Die Ausführung des optischen Tisches in einem einheitlichen Material, wie Stahl oder Edelstahl, gewährleistet eine gleichmäßige Wärmeausdehnung aller Tischkomponenten. Maximale Anforderungen an die thermische Stabilität können so erfüllt werden. Tische mit Kunststofffolien zur Abdichtung unter der Deckplatte und Spanplatten oder anderen Materialien als seitliche Stützwände können bei einseitiger Temperaturbelastung zu starken Verformungen führen.
Tischbeine bei Optischen Tischen: Unterschiede sind möglich
Das Tischgestell mit den Auflagepunkten und den Tischbeinen gehört zu den leistungsbestimmenden Merkmalen optischer Tische. Die Gestellgröße bestimmt die Position der Auflagepunkte unter der Tischplatte und damit die Eigenmodi des Systems. Typischerweise befinden sich die größten Auslenkungen an den Ecken des Tisches. Die Entfernung der Tischbeine voneinander hat Einfluss auf die Schwingungen in der Tischmitte. Je nach Zweck der Anwendung und Position der optischen Aufbauten muss ein Kompromiss gefunden werden zwischen der Nähe der Tischbeine zu den Ecken des Tisches und der Distanz zwischen den Tischbeinen.
Optischer Tisch - effektive Dämpfung mit passivem Schwingungsisolator
Für das Fernhalten unerwünschter Schwingungen von den Aufbauten auf der Tischplatte wird die passive Isolierung angewendet. Die Möglichkeiten der aktiven Isolierung von Schwingungseinflüssen aus der Umgebung sind begrenzt, da schon Fußgänger und Autoverkehr in der Nachbarschaft des Gebäudes, in dem der optische Tisch eingesetzt wird, zu einer Störung des Prozesses oder einer Verzerrung der Messergebnisse führen können.
Zur Schwingungsisolation werden von den Herstellern unterschiedliche Systeme eingesetzt. Eine einfache Lösung ist der Einsatz von passiven Isolatoren aus Gummi mit einer Luftfüllung. Mit einer automatischen Niveauregulierung von Luftkammern über Regelventile kann die Tischplatte sehr genau in der Höhe ausgerichtet werden. Wird das Luftvolumen auf zwei miteinander verbundene Kammern aufgeteilt, kann über die Regelung des Querschnitts der Verbindungsröhre eine einstellbare Dämpfung für jeden Auflagepunkt erzeugt werden. Auch dieses System ist am Markt verfügbar. Ein Vorteil liegt in der minimalen horizontalen Auslenkung. Mit einer Regelung kann eine Genauigkeit bei der Niveauregulierung von +/- 0.01 mm erreicht werden. Eine weitere Leistungssteigerung ist mit piezoelektrischen Isolationssystemen möglich.
Unterschiede bei optischen Tischen: Andere Vibrationsdämpfung
Für besonders anspruchsvolle Anwendungen, bei denen der Einfluss niederfrequenter Schwingungen mit konventionellen Maßnahmen nicht ausreichend reduziert werden kann, bietet der Markt weitergehende Lösungen an.
Ein Untergestell mit gekoppelter Ausführung von pneumatischer Isolation und piezoelektrischen Aktoren kann für die Dämpfung sehr niedriger Frequenzen zur Anwendung kommen.
Zusätzliche, über ihre Lagerung entkoppelte optische Platten können als Aufbau auf der Tischoberfläche genutzt werden, um besonders empfindliche Instrumente und optische Komponenten zu isolieren. Diese Maßnahme kann zur Ausrichtung von Präzisionswaagen und Präzisionsgeräten in der Medizin zum Einsatz kommen. Auch Systeme zur aktiven Schwingungsdämpfung werden angeboten und können spezielle Probleme mit niederfrequenten Schwingungen kleiner Amplitude durch Straßenverkehr und Fußgängerbewegungen beseitigen.
