3D-Inkjet-Druck optischer Elemente

Additive Fertigung hochgradiger individualisierter mikro- und makrooptische Komponenten und Systeme

Additiv gefertigte Mikro- und Makrooptiken und optische Systeme eröffnen neue Möglichkeiten in Entwicklungsprozessen wie dem Rapid Prototyping oder in der Produktion von individualisierten Kleinserien. Mit dem 3D-Tintenstrahldruck von optischen Elementen werden am Fraunhofer IOF Lösungen für die Optikproduktion der Zukunft entwickelt. Das additive Verfahren ermöglicht nicht nur die kostengünstige Herstellung individualisierter optischer Komponenten. Die Kompatibilität des Prozesses zu zahlreichen funktionalen Materialien eröffnet auch neue Möglichkeiten bei der Herstellung hochintegrierter optischer Systeme.

Am Fraunhofer IOF wird die gesamte Prozesskette von der Vorbehandlung der Substrate, über die Entwicklung des Druckprozesses, bis hin zur gezielten Nachbehandlung der gedruckten Strukturen untersucht und entwickelt. Unsere langjährigen Erfahrungen führen dabei zu einer zielgerichteten Parameteroptimierung des gesamten Druckprozesses.

Unser Leistungsangebot

Wir realisieren für unsere Kunden maßgeschneiderte Lösungen mit der Entwicklung von Einzelprozessen und Prozessketten im Bereich 3D-Druck optischer Systeme. Unser Leistungsspektrum umfasst dabei u.a. die Auswahl geeigneter Materialien und die Entwicklung von Tinten, die Entwicklung gezielter Substratvorbereitungsprozesse, die Entwicklung der Druckprozesse der verschiedenen Materialien und Tinten, sowie die gezielte Nachbehandlung gedruckter Strukturen. Zudem erfolgt auf Kundenwunsch eine umfangreiche optische, elektrische und mechanische Charakterisierung der gedruckten Strukturen.

Ihre Vorteile an der Zusammenarbeit mit uns

 

Wir entwickeln hochindividuelle Feature-Integrationen auf verschiedenen Materialien mit Hilfe der Inkjet-Drucktechnologie.

Die Kombination aus unserer Erfahrung und der Leidenschaft, mit der wir technologische Grenzen herausfordern, ermöglicht es uns, außergewöhnliche, maßgeschneiderte Multilayer- und Multimaterialfunktionalitäten auf unterschiedlichen Substraten zu entwickeln.

Inkjet-gedruckte Mikrolinsenarrays.
© Fraunhofer IOF
Inkjet-gedruckte Mikrolinsenarrays.
Gedruckte Freiformoptiken zur Lichtfeldformung.
© Fraunhofer IOF
Gedruckte Freiformoptiken zur Lichtfeldformung.
Gedruckte optische Bauelemente können mit verschiedenen Funktionalitäten bestückt werden. Hier: Optisches Bauelement mit integrierter LED.
© Fraunhofer IOF
Gedruckte optische Bauelemente können mit verschiedenen Funktionalitäten bestückt werden. Hier: Optisches Bauelement mit integrierter LED.

Unsere Palette an druckbaren Materialien

 

  • ORMOCER® - Organisch/anorganisches Hybridpolymer
    • Hohe thermische / mechanische / chemische Stabilität
  • Acrylate
    • Maßgeschneiderter Brechungsindex
  • Silber / Gold / Graphit
    • Optische Spiegel
    • Verdrahtung / Elektroden
  • Verschiedene Funktionspolymere
    • Lichtfilter, Baffel, Absorber

Die Vorteile unserer 3D-Druck-Technologie im Überblick

 

  • Kostengünstiger Materialauftrag
  • Digitale Drucktechnik
    • Materialeinsparung
    • Einfacher Designwechsel
    • Fähigkeit zum Rapid Prototyping
  • Maskenfreie, berührungslose Abscheidung
  • Abscheidung bei Normalatmosphäre
  • Verarbeitung bei Raumtemperatur
  • Kompatibel mit Glas-, Polymer- und Papiersubstraten

Technische Ausstattung im Bereich 3D-Inkjet-Druck

 

  • Zur Reinigung und Aktivierung verschiedenster Substrate (Glas, Kunststoff, Metall, Keramik, Papier) stehen uns eine nasschemische Reinigungsstraße sowie Plasmaöfen zur Verfügung.
  • Für den Druck verwenden wir kommerzielle Tintenstrahldrucker im Desktop-Format.
  • Der Einsatz laminarer Flow Box Module ermöglicht nahezu partikelfreie Druckergebnisse.
  • Tinten, welche eine inerte Atmosphäre benötigen, verdrucken wir in einer Stickstoffatmosphäre unter Ausschluss von Sauerstoff und Wasser.
  • Die Verwendung verschiedener industrietauglicher Druckköpfe renommierter Hersteller ermöglicht uns den Einsatz verschiedenster Tinten in einem großen Viskositätsbereich.
  • Heizbare Substrattische führen zu einem optimierten Druckergebnis. UV-Lampen mit unterschiedlichen Wellenlängen gestatten eine Aushärtung UV-vernetzender Materialien.
  • Für die Nachbehandlung verwenden wir Heiz- und Plasmaöfen sowie Vakuumkammern, um die gewünschten Eigenschaften zu erreichen.

Unsere Forschungsstärke

 

Jahresberichtsbeiträge

Die Forschungsstärke unserer Expertinnen und Experten zeigt sich u. a. in den Beiträgen des Fraunhofer IOF Jahresberichts. In diesem werden jährlich ausgewählte Forschungsergebnisse aus dem vorherigen Jahr (Archiv Jahresberichte) veröffentlicht. Hier finden Sie die Beiträge zu den Entwicklungen rund um das Inkjet-Drucken aus den vergangenen Jahren:

 

Exzellente wissenschaftliche Publikationen

Eine Vielzahl wissenschaftlicher Ergebnisse wird von unseren Forscherinnen und Forschern in Fachzeitschriften publiziert. Eine Auflistung von Fachbeiträgen zum 3D-Inkjet-Druck optischer Bauelemente finden Sie nachfolgend:

Auswahl an wissenschaftlichen Publikationen

Märkte und Anwendungen für 3D-gedruckte optische Elemente

Der 3D-Tintenstrahldruck optischer Elemente ist für viele Anwendungsfälle und insbesondere für die Herstellung von Kleinserien und individualisierten Produkten interessant. Am Fraunhofer IOF werden bereits Applikationen im Bereich der Medizintechnik, der Lebenswissenschaften und der Automobilindustrie entwickelt. Dabei ermöglicht der Tintenstrahldruck flexible Lösungen für die Herausforderungen unserer Kunden.

In verschiedenen Projekten wurden am Fraunhofer IOF maßgeschneiderte mikro- und makrooptische Komponenten und Systeme für den Einsatz als Beleuchtungs- und Abbildungsoptiken realisiert. Zu den entwickelten vollständig 3D-Tintenstrahl-gedruckten Funktionalitäten gehören unter anderem:

  • LED-Lichtleiter
  • Lichtwellenleiter
  • Refraktive Freiformoptiken zur Beleuchtung
  • Mikrolinsenarrays

Neben den genannten Applikationen beschäftigt sich das Fraunhofer IOF auch mit dem 3D-Druck von Brillengläsern (weitere Infos weiter unten).

Mittels 3D-Inkjet-Druckverfahren hergestellte optische Komponenten (u. a. Freiformen, Linsen) für verschiedene Einsatzbereiche.
© Fraunhofer IOF
Mittels 3D-Inkjet-Druckverfahren hergestellte optische Komponenten (u. a. Freiformen, Linsen) für verschiedene Einsatzbereiche.

Alles wichtige auf einen Blick

 

Finden Sie die wichtigen Informationen zusammengefasst in unserem Datenblatt zum Thema 3D-gedruckte Optiken.

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Stellen Sie uns Ihre Fragen.
Wir helfen gern weiter.

Bei Fragen zur Zusammenarbeit mit uns, finden Sie unter folgendem Link weitere Infos: 

 

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Wir entwickeln maßgeschneiderte Lösungen für photonische Fragestellungen aus der Wirtschaft und Wissenschaft.

Weiterführende Informationen

 

Eine Auswahl wissenschaftlicher Ergebnisse im Bereich 3D-Inkjet-Druck

Am Fraunhofer IOF mit 3D-Polymerdruck hergestellte Brillengläser.
© Fraunhofer IOF
Am Fraunhofer IOF mit 3D-Polymerdruck hergestellte Brillengläser.

InkEye - 3D-Polymerdruck von Brillengläsern

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

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®.
© Fraunhofer IOF
Abb. 2: Vollständig tintenstrahlgedruckte Formkörper aus Ormocomp®.

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

Inkjet-Druck funktionaler Materialien

Mit Hilfe der Tintenstrahl-Drucktechnologie entwickeln wir hochindividuelle 2D-Strukturen auf verschiedenen Materialien am Fraunhofer IOF.

Inkjet-Druck funktionaler Materialien

Opto-mechatronische Komponenten und Systeme

Erhalten Sie einen Überblick über das gesamte Leistungsangebot unserer wissenschaftlichen Fachabteilung »Opto-mechatronische Komponenten und Systeme« am Fraunhofer IOF.

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Additive Fertigung von Metalloptiken

Am Fraunhofer IOF werden Technologien zur Additiven Fertigung von metallischen Hochleistungs-Komponenten mittels selektivem Laserschmelzens entwickelt.

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