Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Erprobung einer Auslegungsroutine zur Ertüchtigung von Kunststoffoptiken für Laseranwendungen (KOptLas)

In optischen Anwendungen wie Beleuchtungssystemen haben sich Kunststoffe gegenüber dem klassischen Werkstoff Glas durchgesetzt. Laseranwendungen stellen höhere Anforderungen an die optischen Eigenschaften, die Kunststoffe bisher nicht erfüllen. Hauptursache ist die hohe Temperaturabhängigkeit der optischen Werkstoffeigenschaften, bspw. des Brechungsindex. Können diese Effekte bereits im Designprozess berücksichtigt werden, haben Kunststoffoptiken ein hohes Potenzial, Standardkomponenten, wie Laserkollimationen, in laserbasierten optischen Systemen mit einer Leistung bis zu 100 W zu ersetzen. Durch den Einsatz von Kunststoffen ist eine kostengünstige und massentaugliche Fertigung ohne Nachbearbeitungsschritte sowie eine Erhöhung der Designfreiheit möglich. Das gibt insbesondere den kleinen- und mittelständischen Unternehmen die Möglichkeit, die Effizienz ihrer Produktion zu steigern und auf diese Weise auch in Zukunft am Standort Deutschland wirtschaftlich zu produzieren. Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer Auslegungsroutine, welche die Simulation der optischen Eigenschaften und des Herstellungsprozesses koppelt und die Eigenschaften von Kunststoffen gezielt berücksichtigt. Hiermit soll von der Linsengeometrie über das Werkzeug und den gewählten Prozesseinstellungen auf die Performance der Linse unter Einsatzbedingungen geschlossen werden. Kostenintensive Werkzeugiterationen und die Herstellung von Prototypen werden auf diese Weise reduziert oder vermieden. Die Identifikation relevanter Übergabeparametern zwischen optischer und prozesstechnischer Simulation und die Entwicklung entsprechender Schnittstellen sind zentrale Fragestellungen. Ferner werden Modelle für eine zielgerichtete, virtuelle Optimierung der Linse entwickelt. Ein weiteres Ziel ist die Qualifikation von Kunststoffen als Werkstoff für optische Komponenten in Laseranwendungen. Dazu wird ein Demonstrator mit der entwickelten Routine ausgelegt und in praktischen Versuchen validiert.

Ergebniszusammenfassung:

Mithilfe einer gekoppelten thermo-optischen Auslegung können Kunststoffoptiken für die Verwendung in Laseranwendungen befähigt werden. Hierzu wurden thermische Effekte bereits bei der Erstellung der Linsengeometrie berücksichtigt. Durch eine Kopplung mit Spritzgiessimulationen, werden fertigungsbedingte Abweichungen durch eine Anpassung der Kavitätsgeometrie kompensiert.

In systematischen Untersuchungen wurden die Materialeigenschaften und die Auswirkung der Laserleistung auf die optische Leistungsfähigkeit der Linsen analysiert. Mit simulativen und praktischen Versuchen wurde die Kavitätsgeometrie im Spritzgießwerkzeug optimiert.

In den Prozessuntersuchungen wird eine große Sensitivität der Qualitätskennwerte Beugungszahl und mittlere absolute Differenz von dem Nachdruck im Spritzgießprozess erkennbar, und durch eine Anpassung der Prozessparameter konnte die Qualität der Linsen in Abformgenauigkeit und optischer Leistung gesteigert werden.

Die Ergebnisse der Auslegungsmethodik zeigen, dass eine simulative Optimierung mit sehr hoher Genauigkeit bei Abweichungen von max. 0,24 μm der Demonstrationsgeometrie erreicht werden konnte. Im Vergleich zur Linsengeometrie ohne abgeschlossene Kompensation konnte die Abweichung von der Sollbrennweite um 45% reduziert werden.

Die Ergebnisse kommen insbesondere den kleinen und mittelständischen Unternehmen im Bereich der optischen Technologien und Kunststoffverarbeitung zugute. So ermöglicht die entwickelte Auslegungsroutine eine erhebliche Reduktion von kosten- und zeitintensiven Werkzeuganpassungen. Durch die Nutzung der Auslegungsmethode könen neue Anwendungsgebiete effizient bedient werden und mit weniger Nachbearbeitungsschritten optimale Kunststofflinsen für Laseranwendungen kostengünstiger produziert werden. Auf diese Weise kann ein Wettbewerbsvorteil gegenüber Niedriglohnländern erlangt und so der Produktionsstandort Deutschland gestärkt werden.

Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht.