Metallische optische Bank für neues Athena-Teleskop der ESA

Herausforderung

Wie bildeten sich die großräumigen Strukturen im Universum, wie sind Schwarze Löcher gewachsen und wie prägten sie das Universum? Das Advanced Telescope for High-Energy Astrophysics (Athena) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) soll das heiße und energetische Universum erforschen und Antworten auf diese Fragestellungen liefern. Dieses neuartige Teleskop verfügt über eigens entwickelte wissenschaftliche Instrumente, die ortsaufgelöste Röntgenspektroskopie (X-ray Integral Field Unit) sowie großflächige und energieaufgelöste Röntgenaufnahmen (Wide Field Imager) ermöglichen. Mithilfe von speziellen Silizium-Poren-Optiken wird die Röntgenstrahlung auf die 12 Meter entfernten Instrumente gelenkt. Getragen werden die Optiken von einer hochpräzisen Optischen Bank (Ø ~ 2700 mm, Höhe 250 mm). Diese ist eines von drei Hauptbauteilen des Teleskops und Forschungsgegenstand unseres gemeinsamen Projekts mit ESA und Airbus Space. 

Ziel

Im Athena-Projekt spielt neben zentralen Forschungsfragen zur Fräsprozessentwicklung und dem Eigenspannungszustand des Ausgangswerkstoffs auch die ganzheitliche Digitalisierung eine wichtige Rolle. Ziel ist es, während der Bearbeitung der Werkstoffe aus den präzise dokumentierten Ergebnissen zu lernen und das Gelernte unmittelbar und iterativ wieder in die Bearbeitung der Optischen Bank einfließen zu lassen. Zielorientiert formuliert, ermöglicht der iterative Ansatz hochpräzise Großbauteile trotz toleranzkritischer Eigenspannungen im Ausgangsmaterial.

Vorgehensweise

Während der Fertigung werden Prozessdaten aus der Maschine über eine standardisierte Schnittstelle extrahiert und in ein gesichertes Netzwerk transferiert. Mithilfe von Fraunhofer IWU-Softwarelösungen werden die Daten dann sortiert, korreliert, in einem Prozessdatenmodell (PDM) fusioniert und visualisiert. Das PDM ist eine digitale Ressource, die den involvierten Experten während der schrittweisen Herstellung des Bauteils eine Adaption der Vorgehensweise ermöglicht, mit der eine Bauteilpräzision von wenigen Mikrometern erreicht werden konnte. 

Gesellschaftliche Relevanz

Die Projektergebnisse leisten einen substanziellen technologischen Beitrag für die Realisierung des Athena-Teleskops. Das zugrundeliegende Konzept wurde im Jahr 2013 von der ESA als einer der dringendsten wissenschaftlichen Schwerpunkte für eine zukünftige große Weltraummission ausgewählt, was die hohe gesellschaftliche Relevanz unterstreicht. Aus produktionstechnischer Sicht adressiert der digitale Fertigungsansatz eine auf Anhieb fehlerfreie Produktion (First-Time-Right) bei gleichzeitiger Senkung von Kosten und Lead-Time. Darüberhinaus wird durch die datenbasierte Prozessüberwachung eine neue Dimension der Qualitätssicherung erschlossen. All diese Aspekte sind auch außerhalb der Raumfahrt von großer Bedeutung, woraus sich ein hohes Transferpotenzial ableitet.