3D-Druck-Technologien am Fraunhofer IOF

3D-Tintenstrahldruck optischer Elemente

Abb. 1: Integrierte Funtionalitäten (LEDs, Baffles, gedruckte Silberspiegel) in tintenstrahlgedruckte Formkörper aus Ormocomp®.
© Fraunhofer IOF
Abb. 1: Integrierte Funtionalitäten (LEDs, Baffles, gedruckte Silberspiegel) in tintenstrahlgedruckte Formkörper aus Ormocomp®.
Abb. 2: Vollständig tintenstrahlgedruckte Formkörper aus Ormocomp®.
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Abb. 2: Vollständig tintenstrahlgedruckte Formkörper aus Ormocomp®.

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.

 

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