Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Replizierte gekapselte diffraktive Optiken mittels lithographisch strukturierter 3D-Werkzeugeinsätze für komplexe optische Kunstofflinsensysteme (REDOLIS 3D)

Polymeroptiken erfreuen sich einer stetig wachsenden Beliebtheit in einer Vielzahl an Anwendungen wie Messtechnik, Sensorik und Medizintechnik. Die Herstellung hochpräziser komplexer Polymeroptiken erfordert ein hohes Maß an Prozesswissen und Prozesskontrolle. Im Rahmen des Forschungsprojekts soll eine neuartige Prozesskette für die Herstellung diffraktiver optischer Elemente (DOEs) auf komplexen 3D-Optiken geschaffen werden. Als Demonstrator sollen gekrümmte verkapselte DOEs hergestellt werden, die durch die Verbindung von zwei optischen Komponenten hergestellt werden. Die Komponenten sollen dabei durch einen Spritzprägeprozess hergestellt werden. Hierdurch können kostengünstig Optiken hergestellt werden, die dadurch in verschiedenen Anwendungen mit Glaslinsen konkurrieren können. Herausforderungen bei der Herstellung von mikrostrukturierten optischen Bauteilen sind zum einen die Herstellung der hochgenauen Mikrostrukturen im (Sub-)Mikrometerbereich und zum anderen die exakte Positionierung der Mikrostrukturen auf dem optischen Bauteil. Hierbei limitieren oft die Herstellungsverfahren die Möglichkeiten für das Optikdesign.

Die Anwendung von DOEs in modernen optischen Systemen nimmt immer mehr an Bedeutung zu. Jedoch ist die Herstellung solcher Elemente, insbesondere gekrümmter Elemente, bisher mit hohen Kosten verbunden. Die vorgeschlagene Prozesskette beinhaltet dabei eine Kombination von folgenden Technologien: Ultrapräzisionsbearbeitung, Lithographie, Galvanoabformung und Spritzprägen. Das erarbeitete Prozesswissen ermöglicht KMU aus den Bereichen Werkzeugbau, Spritzguss und Galvanoabformung einen schnellen, kostengünstigen und risikoreduzierten Zugang zu komplexen Polymeroptiken. Zusätzlich profitieren KMU direkt durch die Entwicklung dieser Optiken, indem diese in Produkten im Bereich Medizintechnik, Sensorik, Messtechnik und Fertigungstechnik eingesetzt werden können. Durch die Ergebnisse des Projektes können die Entwicklungskosten für die einzelnen Unternehmen deutlich gesenkt werden, da Technologie- und Prozesswissen bereits erarbeitet wurde und dadurch direkt mit der Anwendungs- und Produktentwicklung gestartet werden kann.

Ergebniszusammenfassung:

In diesem IGF-Vorhaben wurden gekapselte, diffraktive Kunststofflinsen erfolgreich mittels Spritzprägen hergestellt. Dazu wurde eine Prozesskette etabliert, welche die Herstellung einer gekrümmten, mikrostrukturierten Masterstruktur mittels Laserdirektschreiben auf einem UPM-gefertigten Grundkörper, die galvanotechnische Replikation des Masters und den anschließenden Werkzeugbau zeigt. Der Werkzeugbau unterteilt sich dabei in die Konzeption und den Aufbau eines geeigneten Spritzprägewerkzeugs und dem passgenauen Einbringen einer galvanisch abgeformten Nickelstruktur in das Werkzeug.

Die Funktion der hergestellten Kunststofflinsen wird anhand eines sogenannten Nullbrechkraftelements gezeigt. Die Ergebnisse lassen sich auf weitere Geschäftsfelder, wie der Herstellung komplexer Objektive, in die Beleuchtungsindustrie oder allgemeiner die Integration funktionaler Mikrostrukturen in großflächige Bauteile zur Erweiterung deren Funktion übertragen.