Monolithische Kunststoffoptiken

  Kunststoffoptiken Urheberrecht: Foto: Thilo Vogel

Die Eigenschaften von Kunststoffbauteilen werden nicht nur durch die Wahl des Materials, sondern in hohem Maße auch durch die Gestaltung der Bauteiloberfläche beeinflusst. Dabei sind oftmals Oberflächenstrukturen mit Größenordnungen von wenigen Mikrometern ausreichend, um beispielsweise das Anhaften von Schmutzpartikeln oder Wassertropfen zu verhindern oder um optisch funktionale Oberflächen zu erzeugen. Bedingt durch die fortschreitende Miniaturisierung in Sensorik, Bild- und Datenverarbeitung werden konventionelle, makroskopische Optiken zunehmend durch mikrooptische Systeme ersetzt. Die Forderung nach kompakten Bauweisen in Consumer-Produkten sowie die generelle Herausforderung der Justage von miniaturisierten optischen Systemen führen zusätzlich zu einer fortschreitenden Integration mikrooptischer Elemente in monolithische Bauteile. Diese eignen sich dabei aufgrund ihrer Abmessungen besonders zur Massenherstellung im Spritzguss und im Extrusionsprägen. Solche monolithischen, multifunktionalen Kunststoffoptiken finden Anwendung in neuen Abbildungsverfahren wie Lichtfeld-Photographie und -Mikroskopie, in der Display- und Sicherheitstechnik sowie in miniaturisierten Sensoren.

 

Praxisproblem

Strukturierte Optik Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Defizite der etablierten Auslegungs- und Herstellungsverfahren sind:

  • Mangelnde Flexibilität hinsichtlich der Geometrie einzelner mikrooptischer Elemente
  • Durch Anforderungen an die Funktionalität begrenzte Kompaktheit der optischen Komponente
  • Abformgenauigkeit der optischen Elemente

Zur zukünftigen Steigerung der Effizienz und Funktionalität auf hybriden Optiken basierender Produkte sind Prozessketten notwendig, die durch Abstimmung von Auslegung und Herstellung eine höhere Anpassbarkeit mikrooptischer Elemente erlauben. Ein Beispiel für ein nichtabbildendes mikrooptisches System, das sich für weitere monolithische Integration eignet, ist die Hintergrundbeleuchtung eines Flüssigkristall- Bildschirms, die in konventioneller Ausführung aus mehreren Komponenten aufgebaut ist. Weitere Anwendungsfelder sind unter anderem Strahlformung (Lasertechnik), Sicherheitstechnik (Hologramme) oder auch Warnhinweise (Reflexion).

 

Lösungsidee

Maschine Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Im Test-Case „Optische Bauteile“ wird an der Entwicklung und Etablierung einer durchgängigen Prozesskette zur Auslegung und Herstellung optisch funktionaler Kunststoffbauteile gearbeitet. Im ersten Prozessschritt erfolgt die Auslegung von hybriden mikrooptischen Bauteilen. Dazu wird eine Methode entwickelt, die eine Optimierung der optischen Oberflächen mit einer hohen Anzahl an Freiheitsgraden erlaubt und die Fertigungsgenauigkeiten der weiteren Prozessschritte miteinbezieht. Im folgenden Prozessschritt werden die auf den Simulationsergebnissen basierenden Strukturen mittels ps-Laserabtrags in ein Abformwerkzeug übertragen. Durch diesen „kalten“ Abtrag können Strukturgrößen im unteren Mikrometerbereich realisiert werden. Zur Herstellung funktionaler Folien und Platten werden das variotherme Extrusionsprägen sowie das variotherme Spritzgießen zur Herstellung komplexer funktionaler 3D-Bauteile untersucht. Es wird entweder eine laserstrukturierte und beschichtete Prägewalze oder ein strukturiertes und beschichtetes Spritzgießwerkzeug eingesetzt. Um die Abformgenauigkeit und Entformbarkeit in diesem Produktionsschritt zu verbessern, werden Werkzeugbeschichtungen eingesetzt. Diese werden mit dem Physical Vapour Desposition (PVD) Verfahren abgeschieden und dienen der Reduzierung der Adhäsion zwischen Kunststoffbauteil und Werkzeugoberfläche sowie dem Verschleißschutz. Eine Kopplung der Auslegungs- und Herstellungsmethoden erfolgt dabei iterativ durch Vermessung des fertigen Bauteils und daraus abgeleiteten Fertigungsgenauigkeiten, die als Nebenbedingungen in die weitere Auslegung einfließen. Das funktionale Bauteil bzw. die funktionale Folie stellt schließlich den Bauteil-Demonstrator dieses Testcases dar. Die Funktion der Strukturen wird durch das TOS (Lehrstuhl für Technologie Optischer Systeme) sichergestellt, die qualitativ hochwertige Abformung vom Institut für Kunstverarbeitung an der RWTH Aachen (IKV). Der Strukturierungsprozess und die vorherige Auslegung stellen den Demonstrator seitens TOS und des Lehrstuhls für Lasertechnik (LLT) dar. Für die Beschichtung ist das Institut für Oberflächentechnik (IOT) verantwortlich.

 

Technische Herausforderungen

Höhenprofile der Negativstruktur Urheberrecht: Exzellenzcluster Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer

Bisher extrem rechenintensive Methoden zur effizienten Auslegung von hybriden mikrooptischen Systemen müssen durch ein zielgerichteteres Verfahren ersetzt werden, das gleichzeitig die Beschränkungen der Prozesskette miteinbeziehen kann. Für die Realisierung dieser Strukturen ist die Validierung und Etablierung neuer Bearbeitungsansätze mittels ultrakurzgepulster Laserstrahlung notwendig. Je nach Strukturgröße muss diese entweder direkt ins Werkzeugmaterial oder in die Beschichtung eingebracht werden. Seitens der Beschichtung liegt die Herausforderung in der gleichmäßigen Schichtabscheidung auf komplexen Strukturgeometrien sowie in der Auslegung von kunststoffangepassten Schichtsystemen zur Reduktion der Adhäsion und des Werkzeugverschleißes. Der variotherme Abformprozess bietet sich als einstufiger Prozess für die schnelle und kostengünstige Herstellung von funktionalen Bauteilen an. Eine Herausforderung ist die Kontrolle der entstehenden Struktur durch die Einstellung geeigneter Prozessparameter. Hierzu sind Kenntnisse über den Prozess beeinflussende Größen notwendig, wobei die zu erwartenden Auswirkungen nach Möglichkeit im Vorfeld berücksichtigt werden sollen. Grundsätzlich lassen sich Variationen in der Prozessführung nutzen, um für jede Negativstruktur eine Vielzahl an Abformungsergebnissen zu erzeugen.