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Glass Industry News

Präzisionsmaterial mit praktischer Nullausdehnung Mit ZERODUR® fertigt SCHOTT seit fünf Jahrzehnten einen Werkstoff für anspruchsvolle High-Tech-Anwen

, Schott AG

Der Name ist seit 50 Jahren Programm: ZERODUR®. Vor einem halben Jahrhundert entwickelten Werkstoffspezialisten von SCHOTT durch findige Prozesstechnik diese besondere Glaskeramik, deren Ausdehnungskoeffizient nahezu Null ist. Dies prädestiniert den Werkstoff für Anwendungen, bei denen höchste Präzision gefordert ist – sei es in der Astronomie, der IC-Lithographie, der Halbleiterindustrie, in der Messtechnik oder der Flat Panel Display-Herstellung. Aktuelles Highlight ist der Auftrag der Europäischen Südsternwarte (ESO) für das Extremely Large Telescope (ELT)-Projekt, für das SCHOTT neben mehreren monolithischen Spiegeln auch ZERODUR® Segmente für den aus 798 Hexagonen bestehenden Primärspiegel liefern wird. Aktuell investiert SCHOTT einen mittleren zweistelligen Millionen-Euro-Betrag in sein Glaskeramik-Kompetenzzentrum in Mainz. Mit neuen Schmelzkapazitäten und Nachbearbeitungsmöglichkeiten für vielfältige technische Anwendungen ist das Unternehmen damit für die Zukunft bestens aufgestellt.

Normalerweise dehnen sich alle Stoffe bei Wärme aus und schrumpfen bei Kälte. Bei der ZERODUR® Glaskeramik ist das nicht der Fall: Temperaturschwankungen machen ihr kaum etwas aus, sie bleibt in hohem Maße formstabil. „Das Geheimnis liegt in der ausbalancierten Mischung von 30 bis 50 Nanometer kleinen Kristalliten, die in einer Glasmatrix aus Lithium-, Aluminium- und Siliziumoxiden eingebettet sind“, erklärt Dr. Thomas Westerhoff, Director Strategic Marketing ZERODUR® bei SCHOTT Advanced Optics. Das Material ist zudem isotroph, homogen und hervorragend polierbar. Außergewöhnliche Materialeigenschaften wie die namensgebende thermische Ausdehnung nahe Null schrieben die Erfolgsgeschichte für ZERODUR®.#

 

Für Weltraumteleskope oder Satelliten, bei denen jedes Gramm zählt, fertigt SCHOTT Leichtgewichtsspiegelträger aus ZERODUR® Glaskeramik. Foto: SCHOTT

 

 

Starker Fokus auf Astroprojekten
In ihrem Hauptanwendungsgebiet, der Astronomie, wird die Glaskeramik seit Anfang der 1970er Jahre als Substratmaterial für Teleskopspiegel eingesetzt. Im Auftrag des Max-Plank-Instituts für Astronomie (MPIA) fertigte SCHOTT 1968 erstmalig ein Spiegelsubstrat mit fast 4 Metern Durchmesser. Heute bestehen die Hauptkomponenten nahezu aller bedeutenden Spiegelteleskope weltweit aus ZERODUR® Glaskeramik: zum Beispiel die Primärspiegel des Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte (mit einem Durchmesser von über acht Metern), die segmentierten Hauptspiegel des Gran Telescopio Canarias (GTC) auf La Palma und die der beiden 10-Meter-Keck-Teleskope auf Hawaii. Zudem das Big Bear Solar-Teleskop in Kalifornien, das GREGOT Sonnenteleskop auf Teneriffa, das 4-Meter große DKIST Sonnenteleskop auf dem Vulkan Heleakal/ Hawaii sowie die fliegende Sternwarte SOFIA, die sich an Bord eines Jumbo-Jets befindet. In Luft- und Raumfahrt ist das Material besonders gefragt, da es sich sehr gut schleifen lässt. Durch den Abtrag des Materials auf den Rückseiten der Spiegelträger in eine Wabenstruktur gelingt es SCHOTT, superleichte aber dennoch extrem stabile Spiegel herzustellen. Mit Ätzen können sogar millimeterdünne Strukturen hergestellt werden, die filigrane Satellitenoptiken ermöglichen.

Summa summarum: In 50 Jahren produzierte SCHOTT mehrere hundert Spiegelsubstrate in Form von Monolithen oder Hexagonen für viele Astronomie-Anwendungen. Ob in der chilenischen Atacamawüste, auf der Spitze des Mauna Kea-Vulkans auf Hawaii oder im Himalaya-Hochgebirge Indiens – die Teleskope der Welt setzen auf ZERODUR®. In den nächsten Jahren wird sich diese Zahl vervielfachen. Denn bis 2024 liefert SCHOTT über 900 Rundscheiben für die M1-Segmente des ELT.

Werkstoff für High-Tech-Anwendungen
Die Glaskeramik ZERODUR® eignet sich jedoch nicht nur für den Blick ins All, sondern auch für kommerzielle High-Tech-Applikationen mit hohen Präzisionsanforderungen etwa im Bereich Messtechnik, Luftfahrt sowie Halbleiter- und FPD-Technologie. In Messgeräten wird der Werkstoff beispielsweise als Substrat für Messnormale eingesetzt; in Ringlaser-Gyroskopen hilft er als Trägerstruktur für den Laser bei der Navigation von Flugzeugen und U-Booten; in der IC-Lithographie ermöglicht er die exakte Positionierung der Wafer und wird außerdem in der FPD-Herstellung als Spiegeloptikmaterial für die präzise Lichtführung angewendet.


Besondere Eigenschaften
ZERODUR® Glaskeramik besteht aus einer kristallinen und einer Restglasphase, beides zusammen ermöglicht den extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten nahe Null. Hinzu kommt eine hohe Homogenität der thermischen Ausdehnung. Selbst bei großen Materialkomponenten sind dadurch Schwankungen der mechanischen und thermischen Eigenschaften kaum nachweisbar, wodurch sich der Werkstoff als Basis für Optiken mit besonderen Anforderungen an Präzision und Temperaturstabilität eignet. Die optische Transparenz ermöglicht zudem eine optimale Prüfung der inneren Qualität. So können Blasen, Schlieren und Einschlüsse nahezu ausnahmslos eliminiert werden. ZERODUR® weist eine hohe chemische Beständigkeit auf und lässt sich zu extrem glatten Oberflächen polieren. Diese Eigenschaften sind sowohl bei kleinen als auch bei großen Komponenten stabil.

ZERODUR® ist eine eingetragene Marke der SCHOTT AG


Über SCHOTT
SCHOTT ist ein international führender Technologiekonzern auf den Gebieten Spezialglas und Glaskeramik. Mit der Erfahrung von über 130 Jahren herausragender Entwicklungs-, Material- und Technologiekompetenz bietet das Unternehmen ein breites Portfolio hochwertiger Produkte und intelligenter Lösungen an. Damit ist SCHOTT ein innovativer Partner für viele Branchen, zum Beispiel Hausgeräteindustrie, Pharma, Elektronik, Optik, Life Sciences, Automobil- und Luftfahrtindustrie. SCHOTT hat das Ziel, mit seinen Produkten zu einem wichtigen Bestandteil im Leben jedes Menschen zu werden. Das Unternehmen setzt auf Innovationen und nachhaltigen Erfolg. Mit Produktions- und Vertriebsstandorten in 34 Ländern ist der Konzern weltweit präsent. Rund 15.000 Mitarbeiter erwirtschafteten im Geschäftsjahr 2015/2016 einen Umsatz von 1,99 Milliarden Euro. Die Muttergesellschaft SCHOTT AG hat ihren Hauptsitz in Mainz und ist zu 100 Prozent im Besitz der Carl-Zeiss-Stiftung. Als Stiftungsunternehmen nimmt SCHOTT eine besondere Verantwortung für Mitarbeiter, Gesellschaft und Umwelt wahr.

 In zahlreichen Teleskopen der Superlative wird ZERODUR® Glaskeramik als Spiegelträgermaterial eingesetzt. Das Bild zeigt einen 3,6 Meter Spiegelträger für das größte optische Teleskop Asiens ARIES. Foto: SCHOTT

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