Entwicklungen im Bereich Drucken am Fraunhofer IOF

Die industrielle Herstellung optischer Komponenten erfolgt heutzutage durch klassische Schleif-, Polier- und Freiformbearbeitung von gegossenen oder replizierten Glas- und Polymerpreformen. Wirtschaftlich sind diese Prozesse nur, wenn die Optiken in sehr hohen Stückzahlen und einfachen Geometrien hergestellt werden. Der Trend entwickelt sich jedoch zu individualisierten Optikkomponenten für verschiedenste Anwendungen. Dieser Trend hat sich bereits in der Herstellung von Brillengläsern etabliert, bei denen kleinste Stückzahlen bis hin zu einzeln und individuell angefertigten Gläsern hergestellt werden müssen. Im Projekt »InkEye« wird am Fraunhofer IOF mit dem Tintenstrahldruck von Brillengläsern nun ein additives Herstellungsverfahren entwickelt, das dank seines digitalen Charakters eine kostengünstige Individualisierung von Freiformoptiken sowie das Aufbringen weiterer Funktionsschichten ermöglicht. Dies wird am Beispiel von vollständig gedruckten Brillengläsern mit einer Kratzfestbeschichtung demonstriert.

Zur Herstellung der Brillengläser werden niedrigviskose Tinten in einem Mehrschichtverfahren verdruckt und durch UV-Vernetzung zu individuellen Volumenkörpern aufgebaut. Je nach gewählter Auflösung beträgt die Dicke einer einzelnen Drucklage zwischen 3 μm und 15 μm. Die Gläser werden daher aus mehreren hundert Einzelschichten aufgebaut. Durch die Anpassung der Prozessführung sowie die exakte Kontrolle der Vernetzungsreaktion könnendas Polymerisationsverhalten an Grenz- und Oberflächen gesteuert und damit optisch homogene, formtreue Volumenkörper mit dem Tintenstrahldruck hergestellt werden. Abschließend werden die Brillengläser mit einer optisch an das Volumenmaterial angepassten Kratzfestbeschichtung bedruckt. Dies erhöht die Abriebfestigkeit und garantiert, dass die Brillengläser beim Reinigen nicht beschädigt werden.

Die erzielten Formgenauigkeiten der gedruckten Brillengläser liegen bei < 150 nm PV und die erzielten Oberflächenrauheiten bei < 3 nm rms. Der Brechungsindex des verwendeten druckbaren Acrylatgemisches liegt bei über 1,54 mit einer Transmission von über 90 % im sichtbaren Bereich. Die Glasübergangstemperatur der UV-vernetzten Volumenkörper beträgt zudem mehr als 80 °C. Dies entspricht typischen Anforderungen für Brillengläser.

Mit dem entwickelten Prozess lassen sich qualitativ hochwertige Brillengläser herstellen, die in ihren Eigenschaften mit konventionell gefertigten Polymergläsern vergleichbar sind.

Autorenschaft

Falk Kemper, Erik Beckert, Maximilian Reif, Lisa Pohle, Thomas Schönfelder

3D-Tintenstrahldruck optischer Elemente

Konventionell werden Mikro- und Makrooptiken über spanende Verfahren aus Glas oder durch die Abformung viskoser Polymere und Gläser gefertigt – damit lassen sich große Losgrößen realisieren. Hochindividualisierte optische Komponenten können bisher jedoch nicht wirtschaftlich hergestellt werden. Am Fraunhofer IOF wird mit dem Tintenstrahldruck von Ormoceren® nun ein neues additives Herstellungsverfahren von dreidimensionalen Mikro- und Makrooptiken untersucht, das durch seinen digitalen Charakter die Herstellung individualisierter Optikkomponenten flexibel und kostengünstig ermöglicht. Die Optiken werden dabei aus einem organisch-anorganischen Hybridpolymer, dem sogenannten Ormocomp®, gefertigt. Dieses Material ist im gesamten visuellen Spektralbereich hochtransparent und lässt sich genauso flexibel verarbeiten wie konventionelle organische Polymere. Durch den hohen anorganischen Anteil im Materialverbund hat Ormocomp®jedoch eine erhöhte chemische, thermische und mechanische Stabilität und ermöglicht somit die Herstellung robuster, hochindividualisierter und dreidimensionaler Optiken.

Mit einem kommerziellen Tintenstrahldrucker wird Ormocomp® schichtweise zu einem 3D-Körper aufgebaut. Hierzu wird eine niederviskose Tinte lagenweise verdruckt und durch eine UV-Belichtung vernetzt und verfestigt. Je nach gewählter Auflösung beträgt die Dicke einer einzelnen Drucklage zwischen 3 μm und 10 μm. Gedruckte Makrooptiken werden daher aus mehreren tausend Einzelschichten aufgebaut. Durch die Optimierung der Auflösung der gedruckten Lagen, der UV-Belichtung und der Anpassung der Druckdesigns lassen sich bereits Formgenauigkeiten der gedruckten Optiken erreichen, wie sie für Beleuchtungsoptiken üblich sind. So konnten schon Oberflächen von gedruckten Makro-optiken mit Rauheiten von < 60 nm und einem PV < 20 μm gedruckt werden. Abbildung 2 zeigt einige Beispiele vollständig gedruckter optisch transparenter 3D-Körper aus Ormocomp®. Durch das additive Herstellungsverfahren lassen sich in die gedruckten Optiken zusätzliche Funktionen einbringen. Abbildung 1 zeigt hybrid integrierte LEDs mit gedruckten Silberleitbahnen, monolithisch integrierte Absorberstrukturen und tintenstrahlgedruckte Silberspiegel in gedruckten Ormocer®-Körpern. Das Anwendungspotenzial des Verfahrens liegt im Rapid-Prototyping von Optiken und der Herstellung hochindividualisierter Komponenten mit kleinen Losgrößen.

Autorenschaft: Falk Kemper, Maximilian Reif, Lisa Pohle, Thomas Schönfelder, Erik Beckert