Optomechanik-Frästeile: Werkstoffe, Toleranzen, Lieferant

Optomechanische Teile sind gefräste Halterungen, Gehäuse, Grundplatten und Kühlplatten, die optische Elemente in Position halten und ihre Wärme abführen. In Photonik und Lasertechnik entscheiden Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit und Steifigkeit über den Werkstoff, und die Zeichnung muss Ebenheit, Oberflächengüte und Beschichtung festlegen, weil wenige Mikrometer Maßänderung die optische Achse verschieben.

Was leisten optomechanische Teile in Photonik und Lasertechnik?

Von den Metallteilen einer Optikbaugruppe werden drei Dinge verlangt. Halterungen, Halteringe, Tubusse und Adapter legen die Optik fest. Grundplatten, Gehäuse und Rahmen verbinden die Halterungen und halten ihre Abstände. Kühlplatten und Kühlkörper führen die Wärme von Dioden, Kristallen und Absorbern ab.

Grundplatten, Gehäuse und Kühlplatten werden aus Platte oder Block gefräst, Ringe, Tubusse und Adapter gedreht. Die Zeichnung kommt vom Optikdesigner. Der Lieferant hält die angegebene Geometrie und fragt nach den Stellen, die offen bleiben. Die Übersicht zu Photonik und Lasersystemen beschreibt das Umfeld.

Welche Werkstoffe kommen für optomechanische Teile infrage?

Tabelle 1 stellt fünf Metalle gegenüber, die auf optomechanischen Zeichnungen stehen. Die Werte stammen aus Herstellerdatenblättern bei Raumtemperatur. Die letzte Spalte ist die Steifigkeit je Masse, also E-Modul geteilt durch Dichte, aus den beiden Spalten davor gerechnet.

Tabelle 1. Eigenschaften üblicher optomechanischer Werkstoffe

Quelle: Datenblätter von Proto Labs (6061), Kaiser Aluminum (7075, T651), Marcegaglia Fagersta (316L), High Temp Metals (Invar 36, geglühter Stab) und Aurubis (Cu-OFE). Typische Werte, keine Konstruktionsmindestwerte. E/ρ berechnet.

Aluminium ist der erste Werkstoff, den man prüft. 6061 und 7075 liegen bei der Steifigkeit je Masse weniger als 1 % auseinander, deshalb wird 7075 wegen Festigkeit und Verschleißverhalten gewählt, nicht wegen der Steifigkeit. Die Aluminiumlegierungen im Vergleich nennt Mindestfestigkeiten, Schweißeignung und Eloxalverhalten. Die Leitfähigkeit hängt am Zustand: Kaiser gibt für 7075-T651 130 W/(m·K) an, für 7075-T7351 155 W/(m·K).

316L hat eine Steifigkeit je Masse nahe Aluminium, leitet aber nur 15,0 W/(m·K). Die Wärme bleibt, wo sie entsteht. Geglüht ist der Werkstoff unmagnetisch, was neben Magnetsensoren zählt; nach Kaltverformung wird er leicht magnetisch.

Invar 36 ist die Wahl gegen Ausdehnung. Bezahlt wird das mit Dichte, geringer Leitfähigkeit und 31 % weniger Steifigkeit je Masse als Aluminium. Kupfer verteilt Wärme am besten, 394 W/(m·K), und ist der schwerste der fünf.

Wie weit verschiebt Wärmedehnung eine Halterung?

Die Längenänderung ist Länge × CTE × Temperaturänderung. Eine Grundplatte von 300 mm, die sich um 5 K erwärmt, wächst in 6061 um 35 µm und in Invar 36 um 2 µm. In einem Objektivhalter zählt aber der Unterschied zwischen Metall und Glas.

Tabelle 2. Durchmesserzunahme eines Halterings von 25 mm und der Optik, ΔT = 20 K

Quelle: berechnet aus Tabelle 1, SCHOTT N-BK7 (7,1 ×10⁻⁶/K, −30 bis +70 °C: 3,55 µm) und Corning HPFS 7980 Quarzglas (0,52 ×10⁻⁶/K, 5 bis 35 °C: 0,26 µm). Abschätzung erster Ordnung; die CTE-Werte gelten für unterschiedliche Temperaturbereiche.

Ein Aluminiumring um eine BK7-Linse öffnet sich bei 20 K um 8,3 µm mehr als die Linse wächst, der Sitz wird locker. Das Minuszeichen bei Invar ist der Punkt der Tabelle: Ein Invarring wächst 2,9 µm weniger als das Glas, das Glas drückt also gegen den Ring. Niedrige Ausdehnung allein ist kein Kriterium. Passen Sie den CTE der Halterung an den CTE der Optik an, und prüfen Sie den Sitz an beiden Enden des Betriebsbereichs.

Wie bleibt ein gefrästes optomechanisches Teil stabil?

Jeder Span baut Eigenspannungen ab, und ein dünnes oder unsymmetrisches Teil kann sich nach dem letzten Schnitt verziehen. Für Aluminium bestellen Sie Platte in einem entspannten Zustand. Die 51 in T651 bedeutet nach EN 515:2017, Abschnitt 8.3.1, entspannt durch Recken; die Norm wurde 2022 bestätigt. Bei Invar und anderen Legierungen mit niedriger Ausdehnung gehört der Wärmebehandlungszustand des Vormaterials in die Zeichnung. Wo Ebenheit halten muss: schruppen, Spannungen abbauen, schlichten.

Form und Lage schreiben Sie nach ISO 1101:2017 vor, die ISO 2022 bestätigt hat, und binden sie an benannte Bezüge. Allgemeintoleranzen wie ISO 2768-m passen nicht auf eine Montagefläche oder eine Zentrierbohrung. Unser Netzwerk fertigt standardmäßig nach ISO 2768-m und enger, wo die Zeichnung es vorgibt, also braucht jede Schnittstelle ihren eigenen Eintrag. Wie Allgemeintoleranz, Passung und Form- und Lagetoleranzen auf einem Teil zusammenwirken, zeigt das Handbuch zu Toleranzen in der CNC-Fertigung.

Messergebnisse gelten nur bei der Bezugstemperatur der ISO 1:2022. Bei Teilen mit 23,6 ×10⁻⁶/K sollte der Prüfbericht die Raumtemperatur nennen, denn 3 K Abweichung auf 200 mm sind 14 µm.

Welche Oberflächen und Beschichtungen brauchen Halterungen und Gehäuse?

Tabelle 3. Verfahren, Norm und was die Zeichnung angeben muss

Quelle: ISO-Katalogeinträge. ISO 7599:2018 wurde 2023 bestätigt; ISO 10074:2021 ist die vierte Ausgabe; ISO 21920-2:2021 ersetzt ISO 4287:1997 und ist seit 07.10.2025 zur Überarbeitung angemeldet. Stand: 30.10.2026.

Schwarz eloxiert wird, wo ein Gehäuse oder eine Halterung kein Streulicht reflektieren darf. Die Schicht verändert die Maße: Enge Bohrungen und Planflächen werden nach dem Beschichten toleriert, Bereiche für elektrischen Kontakt oder blanke Schnittstellen werden abgedeckt. Wie viel die Schicht je Fläche aufträgt, steht im Leitfaden zur Oberflächenbehandlung. Bei der Rauheit erklärt Ra und Rz bei Oberflächenrauheit, warum die Ausgabe der Norm entscheidet, wie ein Wert ausgewertet wird.

Wie werden Kühlplatten und Grundplatten spezifiziert?

Kupfer leitet mit 394 W/(m·K) gegen 167 bei 6061, also um den Faktor 2,4 besser, wiegt aber 3,3-mal so viel. Je Kilogramm nimmt 6061 mehr Wärme mit: 61,9 gegen 44,1 W/(m·K) je g/cm³ (berechnet). Kupfer gewinnt bei engem Bauraum, Aluminium, wo Masse zählt.

Eine Kühlplatte besteht meist aus gefrästem Kanal und Deckel. Der Deckel wird geschweißt oder mit Dichtung verschraubt, und jede Fuge ist eine mögliche Leckstelle. Kühlmittel und Druck, Prüfverfahren und Abnahmegrenze sowie die geforderte Sauberkeit nach der Bearbeitung muss die Zeichnung nennen, nicht der Fräser. Ob Kupfer und Aluminium in einem Kühlkreis zusammenpassen, entscheidet der Systementwickler; aus der Zeichnung lässt sich das nicht klären.

Bei Grundplatten legen Sie das Lochsystem früh fest. Metrische Breadboards haben M6-Gewinde auf einem 25-mm-Raster, zöllige 1/4-20 UNC auf 25,4 mm, OptoSigma führt beide. Zehn Teilungen unterscheiden sich um 4 mm; eine Platte im einen System nimmt keine Bauteile des anderen auf.

Unterliegen Teile für Lasersysteme der Exportkontrolle?

Die Verordnung (EU) 2021/821 regelt die Ausfuhr von Dual-Use-Gütern in der EU. Anhang I ist die gemeinsame Liste, ihre Kategorie 6 heißt „Sensors and lasers“. Die Kommission ersetzt Anhang I per delegierter Verordnung, wenn sich die internationalen Kontrollregime ändern: Die Delegierte Verordnung (EU) 2025/2003 wurde am 8. September 2025 erlassen, und die Seite der Kommission nennt eine weitere Aktualisierung vom 14. September 2026. Prüfen Sie, welche Fassung am Versandtag gilt.

Ob ein Teil gelistet ist, hängt an seiner technischen Spezifikation in Anhang I. Werkstoff und Fertigungsverfahren entscheiden das nicht. Ist Ihr System ein gesteuerter Laser oder könnte es einer sein, nennen Sie Einstufung und Endverwendung in der Anfrage. Wir fertigen nach Zeichnung des Kunden und bieten keine Auslegung von Teilen für Hochleistungslaser an.

Was gehört in eine Anfrage für optomechanische Teile?

• Werkstoff mit Zustand, zum Beispiel EN AW-6061 T651, und bei Invar der Wärmebehandlungszustand.
• Die Paarungen, bei denen der CTE zählt, also Metall und Glas oder Metall und Metall, und der Betriebstemperaturbereich.
• Ebenheit, Parallelität und Position nach ISO 1101:2017 mit Bezügen, Rauheit nach ISO 21920-2:2021 mit Annahmebedingung.
• Norm der Beschichtung, Dicke, Farbe, Abdeckung und ob Maße vor oder nach dem Beschichten gelten.
• Gewindesystem, M6 oder 1/4-20 UNC, und das Raster eines Lochbilds.
• Bei Kühlplatten: Kühlmittel, Druck, Prüfverfahren und Abnahmegrenze.
• Prüftemperatur und Berichtsformat, dazu die Exporteinstufung, falls es eine gibt.

Zwei unserer Leitfäden decken die ersten drei Punkte ab: das Handbuch zu Toleranzen für die Geometrie und die Aluminiumlegierungen im Vergleich für Werkstoff und Zustand.

Häufige Fragen

Welche Aluminiumlegierung eignet sich für optomechanische Halterungen?

EN AW-6061 im entspannten Zustand T651 ist der übliche Ausgangspunkt: 2,70 g/cm³, 167 W/(m·K), 23,6 ×10⁻⁶/K zwischen 20 und 100 °C. EN AW-7075 hat fast dieselbe Steifigkeit je Masse und eine geringere Leitfähigkeit von 130 W/(m·K) in T651; gewählt wird es wegen der Festigkeit, nicht wegen Steifigkeit oder Wärmeabfuhr.

Warum wird Invar in optischen Baugruppen verwendet?

Invar 36 dehnt sich im Mittel mit 1,30 ×10⁻⁶/K bis 93 °C aus, 6061 mit 23,6 ×10⁻⁶/K. Eine Grundplatte von 300 mm, die sich um 5 K erwärmt, wächst in Invar um etwa 2 µm und in 6061 um etwa 35 µm. Invar ist dicht (8,05 g/cm³) und leitet nur 10,5 W/(m·K).

Verändert Eloxieren die Maße oder die Ebenheit einer Halterung?

Ja. Die Oxidschicht wächst auf der Oberfläche und in sie hinein, eine Bohrung oder eine Montagefläche verschiebt sich damit um einen Teil der Schichtdicke. Schreiben Sie in die Zeichnung, ob ein Maß vor oder nach dem Beschichten gilt, und messen Sie die Ebenheit nach dem Beschichten.

Gilt ISO 4287 noch für die Oberflächenrauheit?

Nein. ISO 21920-2:2021 hat ISO 4287:1997 im Dezember 2021 abgelöst. Eine Zeichnung, die nur Ra nennt und weder Ausgabe der Norm noch Annahmebedingung, lässt die Auswertung offen.

Soll ein Breadboard metrisches oder zölliges Lochbild haben?

Beides gibt es. Metrische Breadboards haben M6-Gewinde auf einem 25-mm-Raster, zöllige 1/4-20 UNC auf 25,4 mm. Die 0,4 mm je Teilung summieren sich über zehn Löcher auf 4 mm, eine Platte im einen Raster nimmt also keine Bauteile des anderen auf.

Brauchen optomechanische Teile eine Ausfuhrgenehmigung?

Nur wenn der Gegenstand in Anhang I der Verordnung (EU) 2021/821 gelistet ist, dessen Kategorie 6 Sensoren und Laser umfasst. Die Einstufung hängt an der technischen Spezifikation des Gegenstands, nicht am Werkstoff oder am Fertigungsverfahren.

Quellen

1. Aluminum 6061-T651/T6 material data sheet, 2026 (Proto Labs)
2. Sheet, coil and plate alloy 7075, technical data, rev. 05/06 (Kaiser Aluminum, Kopie bei Proto Labs)
3. EN 1.4404 (316L) data sheet, ENG 2025 edition 2 (Marcegaglia Fagersta Stainless)
4. Invar 36 technical data (High Temp Metals)
5. Cu-OFE (PNA 203, EN CW009A) material data sheet, DE_2026_01 (Aurubis)
6. SCHOTT N-BK7 datasheet, as of 2023-12-01, in the Optical Glass Datasheets collection (SCHOTT)
7. Corning 7980 HPFS fused silica standard grade data sheet (Corning, Kopie bei UQG Optics)
8. ISO 1101:2017, geometrical tolerancing, edition 4 (ISO-Katalog, überprüft 2022)
9. ISO 1:2022, standard reference temperature for geometrical and dimensional properties (ISO-Katalog)
10. ISO 21920-2:2021, surface texture: profile, terms and parameters, ersetzt ISO 4287 (ISO-Katalog)
11. ISO 7599:2018, decorative and protective anodic oxidation coatings (ISO-Katalog)
12. ISO 10074:2021, hard anodic oxidation coatings (ISO-Katalog)
13. EN 515:2017, wrought aluminium products, temper designations (Genorma, CEN-Katalogdaten)
14. Optical breadboard M6, 450 mm × 600 mm, hole pitch 25 mm and 25.4 mm (OptoSigma)
15. Exporting dual-use items, Regulation (EU) 2021/821 and Annex I updates (European Commission, DG Trade)
16. Regulation (EU) 2021/821, Inhaltsverzeichnis mit Anhang I Kategorie 6 „Sensors and lasers“ (Lexaris, Text des Amtsblatts)

Fragen zu einer Zeichnung? sales@ertas.engineering

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