Process chains to replicate complex optical components

For many years, the market for goods with optical systems has been on a constant rise, especially for consumer goods with electrooptical systems. This is due to product change cycles of optical systems being extremely short, in addition to their prices decreasing steadily. In order to maintain and, if possible, step up the market shares of German and European industries, it is crucial to provide new technologies. They enable manufacturers to produce optical goods flexibly, and within a shorter period of time, while allowing for higher accuracy and complexity.        

This target can only be achieved if development of technologies is coordinated, and takes place at the same time in all parts of the process chain of optical component production. The trans-regional collaborative research centre SFB/TR4 follows this holistic approach, developing technologies to meet the mentioned requirements. 

Research objective of SFB-TR4

The partners to the trans-regional collaborative research centre worked out the scientific basics of deterministic and affordable production of optical components with complex geometries. The idea underlying the research project was to join the area of mould making for optical components to the replication techniques of glass moulding, injection moulding and injection compression moulding to form a closed process chain. The critical factor when producing a replicated optical part is the time required from idea to final product, with the price closely connected. This leads to the SFB/TR4 research programme’s overall target of developing technologies that enable deterministic, and thus, low iteration manufacturing

Partial results IKV achieved

Partial project D - design, D2 mould and part technology

Partial project D2 was concerned with analysis of injection mould and part technology to generate precision components. The scientists worked out guidelines based on the component’s optical functionality, tailored to the respective plastic material and production process. Another focus is on design of an injection mould, with a particular stress on temperature control and gating system. In addition to the focal points of part design and injection mould technology, the D2 partial project was concerned with material pre-selection as a basis for the injection mould design and moulding tests in R1. 

Based on the experience and information obtained from injection mould design, various mould concepts for injection compression moulding were investigated, too. Injection compression moulding represents a hybrid process that connects the favourable features of injection moulding to those of compression moulding. By using the process of injection compression moulding, the qualities of optical components were expected to improve, which was confirmed in the course of the project.

Publications:

[BRP+03]        Brinksmeier, E., Riemer, O., Preuß, W., Klocke, F., Pfeifer, T., Weck, M., Michaeli, W., Mayr, P., Stock, H.R., Mehner, A., Goch, G., Lucca, D.A: Process Chains for the Replication of Complex Optical Elements, Annals of the WGP, Manuskript eingereicht

[For06]            Forster, J.: Vergleich der optischen Leistungsfähigkeit spritzgegossener und spritzgeprägter Kunststofflinsen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Dissertation, 2006

[MF02a]          Michaeli, W.; Forster, J.: Manufacturing of high precision optical plastics parts, Lecture Notes Vision Online "Precision and Micro Engineering – An Overview", Aachen, 22.-26.07.2002. URL: www.visiononline.tv, 17.12.2003

[MF02b]          Michaeli, W.; Forster, J.: Mould design for injection moulded optical plastics parts, Proceedings of the 3rd European Conference "Injection Moulding 2002", 24-25 October 2002, Copenhagen, Denmark, S. 3.1-3.5

[MF03a]          Michaeli, W., Forster, J.: Molded optics surface quality gets the critical measure. Modern Plastics 80 (2003) 7, S. 18-20

[MFG04]         Michaeli, W.; Forster, J.; Gärtner, R.: Spritzgießen polymerer Optiken - Werkzeugkonstruktion, Abformung, Messung, Auswertung. Konstruktion (2004) 10, S. 79-81

[MFH+07]       Michaeli, W.; Forster, J.; Heßner, S.; Klaiber, F.: Prozesskette zur optimierten Herstellung von optischen Bauteilen aus Kunststoffen im Spritzgieß- und -prägeverfahren, Zeitschrift Kunststofftechnik 3 (2007) 5

[MFH+07]       Michaeli, W.; Forster, J.; Heßner, S.; Klaiber, F.: Geometrical Accuracy and Optical Performance of Injection Moulded and Injection-compression Moulded Plastic Parts, Annals of the CIRP, 56/1, 2007

[MLH+07]        Michaeli, W.; Lettowsky, C.; Heßner, S.; Klaiber, F.: Advances in the injection moulding and injection-compression moulding of optical lenses. In: Proceedings of the 23rd Annual Meeting of the Polymer Processing Society, Salvador, Brasilien, May 27th-31st, 2007

[MH07]            Michaeli, W.; Heßner, S.: Nichts außer Acht gelassen, Plastverarbeiter 58 (2007) 6, S.32-34

[MF05]            Michaeli, W.; Forster, J.: Ungetrübte Sicht - Produktion von Kunststofflinsen im Spritzgießprozess. Plastverarbeiter 56 (2005) 8, S. 50-51

[MFS+05]       Michaeli, W.; Forster, J.; Schmitt, R.; Dörner, D.: Aspekte des Formenbaus für optische Kunststoffbauteile. Kunststoffe 50 (2005) 12, S. 72-74

[SDM+05]       Schmitt, R.; Dörner, D.; Michaeli, W.; Forster,J: Unter Spannung - Interferometrische Formprüfung in der Spritzgießmaschine. Qualität und Zuverlässigkeit 50 (2005) 9, S. 72-74

 [Mic07]           Michaeli, W.: Quality and efficiency of injection moulded and injection-compression moulded optical plastics components. Tagungsumdruck der International Moulded Optics Conference (iMOC), Bremen, 2007

[MH07]            Michaeli, W.; Heßner, S.: Vergleich von Abformgenauigkeit und optischer Qualität spritzgegossener und spritzgeprägter Kunststofflinsen. Tagungs­umdruck der Fachtagung Transparente Kunststoffe, S. N1-N13, SKZ , Würzburg, 2007

[MF06]            Michaeli, W.; Forster, J.: Qualität und Effizienz bei der Herstellung optischer Kunststoffbauteile - Eine Herausforderung für Produktion und Entwicklung. Tagungsumdruck zum 23. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium, S. III-XV (Plenarvortrag), Aachen, 2006

[MF06]            Michaeli, W.; Forster, J.: Qualität optischer Kunststoffbauteile. Tagungs­umdruck zum 23. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium, S. 8-12 (Block 8), Aachen, 2006

[MF05]            Michaeli, W.; Forster, J.: Kunststoffoptik - Anwendungsbereiche, Abformgenauigkeit, Eigenschaften. Seminare zur Kunststoffverarbeitung: Optische Bauteile aus Kunststoff, S. 1-14. IKV, Aachen, 2005

[MS05]            Michaeli, W.; Schönfeld, M.: Abformung von Mikrostrukturen durch Spritzgießen. Seminare zur Kunststoffverarbeitung: Optische Bauteile aus Kunststoff, S. 1-11. IKV, Aachen, 2005

[MFG05]         Michaeli, W.; Forster, J.; Gärtner, R: Präzision in Serie - Herausforderung für Werkzeug und Prozess. Tagungsumdruck der Fachtagung "13. Würzburger Werkzeugtage", S. L1-L10. SKZ, Würzburg, 2005

[SDM+05]       Schmitt, R.; Dörner, D.; Michaeli, W.; Forster, J.: Spritzgießen und Spritzprägen von Kunststoffoptiken. Tagungsumdruck der Fachtagung Transparente Kunststoffe, S. N1-N13. SKZ, Würzburg, 2005

[MFG04]         Michaeli, W.; Forster, J.; Gärtner, R.: Bemerkungen zum Präzisionsspritzgießen. Polymerforschung in Paderborn, Tagungsband zur KTP-Jubiläumstagung "25 Jahre Kunststofftechnologie Paderborn", Shaker Verlag, Aachen, 2004, S. 139-149

In the scope of partial project R1, the researchers analysed and evaluated innovative manufacturing solutions (e.g. new mould concepts, compression concepts and ways to apply them in terms of engineering) to mould precision plastics components by injection or injection compression moulding.

In a preliminary step, the injection moulding plant was optimised for moulding. This included, first, modification of machine monitoring and control, because producing optical components frequently requires extremely low injection speeds. Second, the plasticating unit, in particular the plasticating screw, had to be adapted to the materials selected. Using modified injection moulding technology, the scientists moulded the optical parts developed, and evaluated the moulding qualities on the basis of defined quality characteristics. The major influencing factors are the process parameters from the injection moulding process and the cavity inserts themselves (material, applied structure, polish, etc.).

In addition to analysing the injection moulding process, the injection compression process was investigated, as well as the course of the process, with regard to their impact on moulding accuracy. This was done to obtain information on the requirements that are to be fulfilled when optimizing the injection mould. Moreover, the manufacture of optical components in multi-cavity moulds was subject to the investigations. A sensor system was employed to collect process data which was then correlated to the part quality achieved for each single cavity. 

Publications:

[BRP+03]        Brinksmeier, E., Riemer, O., Preuß, W., Klocke, F., Pfeifer, T., Weck, M., Michaeli, W., Mayr, P., Stock, H.R., Mehner, A., Goch, G., Lucca, D.A.: Process Chains for the Replication of Complex Optical Elements, WGP-Annals, Manuskript eingereicht.

[MFG04]         Michaeli, W., Forster, J., Gärtner, R.: Methoden zur Herstellung präziser Optikkomponenten durch Spritzgießen, Konstruktion – Zeitschrift für Produktentwicklung, Springer VDI Verlag, Manuskript eingereicht.

[MF03a]          Michaeli, W., Forster, J.; Präzisionsspritzgießen optischer Bauteile - erweiterte Möglichkeiten der Prozessanalyse durch innovative Messtechnik, Tagungsumdruck zur 4. Fachtagung: Transparente Kunststoffe, S. I/1 - I/12. SKZ ConSem GmbH, Festung Marienberg, Würzburg, 2003

[MFH+07b]     Michaeli, W.; Forster, J.; Heßner, S.; Klaiber, F.: Prozesskette zur optimierten Herstellung von optischen Bauteilen aus Kunststoffen im Spritzgieß- und -prägeverfahren, Zeitschrift Kunststofftechnik 3 (2007) 5

[MFH+07a]     Michaeli, W.; Forster, J.; Heßner, S.; Klaiber, F.: Geometrical Accuracy and Optical Performance of Injection Moulded and Injection-compression Moulded Plastic Parts, Annals of the CIRP, 56/1, 2007

[MDZ+07]       Mehner, A.; Dong, J.; Zoch, H.-W.; Brinksmeier, E.; Grimme, D.; Lucca, D.A.; Ghisleni, R.; Michaeli, W.; Klaiber, F.: Diamond Machinable Sol-Gel SiOxCy-Coatings for High Precision Optical Molds. In: Proceedings of THE Coatings in Manufacturing Engineering, Hannover, 2007

[MLH+07]        Michaeli, W.; Lettowsky, C.; Heßner, S.; Klaiber, F.
Advances in the injection moulding and injection-compression moulding of optical lenses. In: Proceedings of the 23rd Annual Meeting of the Polymer Processing Society, Salvador, Brasilien, May 27th-31st, 2007

[MF07]            Michaeli, W.; Klaiber, F.
Investigations in Injection Moulding of Micro Structures and Microstructured Surfaces. In: Proceedings of the Third International Conference on Multi-Material Micro Manufacture (4M). Oxford, Amsterdam: Elsevier, 2007

[MOG05]         Michaeli, W.; Opfermann, D.; Gärtner, R.
Injection Moulding of Micro Structures and Micro-Structured Surfaces. In: Proceedings of the 21st Annual Meeting of the Polymer Processing Society, Leipzig, June 19th-23rd, 2005

[MH07]            Michaeli, W.; Heßner, S.: Nichts außer Acht gelassen, Plastverarbeiter 58 (2007) 6, S.32-34

[MF05]            Michaeli, W.; Forster, J.: Ungetrübte Sicht - Produktion von Kunststofflinsen im Spritzgießprozess. Plastverarbeiter 56 (2005) 8, S. 50-51

[MFS+05]        Michaeli, W.; Forster, J.; Schmitt, R.; Dörner, D.: Aspekte des Formenbaus für optische Kunststoffbauteile. Kunststoffe 50 (2005) 12, S. 72-74

[SDM+05]       Schmitt, R.; Dörner, D.; Michaeli, W.; Forster, J: Unter Spannung - Interferometrische Formprüfung in der Spritzgießmaschine. Qualität und Zuverlässigkeit 50 (2005) 9, S. 72-74

[Mic07]            Michaeli, W.: Quality and efficiency of injection moulded and injection-compression moulded optical plastics components.
Tagungsumdruck der International Moulded Optics Conference (iMOC), Bremen, 2007

[MH07]            Michaeli, W.; Heßner, S.: Vergleich von Abformgenauigkeit und optischer Qualität spritzgegossener und spritzgeprägter Kunststofflinsen. Tagungsumdruck der Fachtagung Transparente Kunststoffe, S. N1-N13, SKZ, Würzburg, 2007

[MF06]            Michaeli, W.; Forster, J.: Qualität und Effizienz bei der Herstellung optischer Kunststoffbauteile - Eine Herausforderung für Produktion und Entwicklung. Tagungsumdruck zum 23. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium, S. III-XV (Plenarvortrag), Aachen, 2006

[MF06]            Michaeli, W.; Forster, J.: Qualität optischer Kunststoffbauteile. Tagungsumdruck zum 23. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium, S. 8-12 (Block 8), Aachen, 2006

[MBE+06]       Michaeli, W.; Blömer, P.; Ederleh, L.; Scharf, M.; Gärtner, R.; Opfermann, D.; Klaiber, F.; Tondorf, A.: Mikrostrukturierte Oberflächen. In: 23. Internationales Kunststofftechnisches Kolloquium, Aachen, 2006

[MF05]            Michaeli, W.; Forster, J.: Kunststoffoptik - Anwendungsbereiche, Abformgenauigkeit, Eigenschaften. Seminare zur Kunststoffverarbeitung: Optische Bauteile aus Kunststoff, S. 1-14. IKV, Aachen, 2005

[MS05]            Michaeli, W.; Schönfeld, M.: Abformung von Mikrostrukturen durch Spritzgießen. Seminare zur Kunststoffverarbeitung: Optische Bauteile aus Kunststoff, S. 1-11. IKV, Aachen, 2005

[MFG05]         Michaeli, W.; Forster, J.; Gärtner, R: Präzision in Serie - Herausforderung für Werkzeug und Prozess. Tagungsumdruck der Fachtagung "13. Würzburger Werkzeugtage", S. L1-L10. SKZ, Würzburg, 2005

[SDM+05]       Schmitt, R.; Dörner, D.; Michaeli, W.; Forster, J.: Spritzgießen und Spritzprägen von Kunststoffoptiken. Tagungsumdruck der Fachtagung Transparente Kunststoffe, S. N1-N13. SKZ, Würzburg, 2005

[MFG04]         Michaeli, W.; Forster, J.; Gärtner, R.: Bemerkungen zum Präzisionsspritzgießen. Polymerforschung in Paderborn, Tagungsband zur KTP-Jubiläumstagung "25 Jahre Kunststofftechnologie Paderborn", Shaker Verlag, Aachen, 2004, S. 139-149

[For06]            Forster, J.: Vergleich der optischen Leistungsfähigkeit spritzgegossener und spritzgeprägter Kunststofflinsen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Dissertation, 2006

[Gär05]            Gärtner, R.: Analyse der Prozesskette zur Herstellung mikrostrukturierter Bauteile durch Spritzgiessen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Dissertation, 2005

[Hes10]    Hessner, S.: Spritzprägen sphärischer und asphärischer Kunststofflinsen. RWTH Aachen, Dissertation, 2010 – ISBN: 3-86130-973-4

[HMH+11]       Hopmann, Ch.; Michaeli, W.; Hessner, S.; Walach, P.: Injection-compression moulding of aspherical plastics lenses. Journal of Plastics Technology 7 (2011) 3, S. 115-136

[HMW11] Injection moulding – Mould design for high precision optical lenses without centering error. Proceedings of the 11th International Conference of the European Society for Precision Engineering & Nanotechnology. Lake Como, Italy, 2011, S.25-28

[Kla10]     Klaiber, F.: Entwicklung einer Anlagen- und Prozesstechnik für die Herstellung superhydrophober Oberflächen im Spritzgießverfahren. RWTH Aachen, Dissertation, 2010 – ISBN: 3-86130-972-6

[KMD+10]       Klaiber, F.; Mehner, A.; Dong, J.; Hoja, T.; Prenzel, T.; Mutlugünes, Y.; Brinksmeier, E.; Lucca, D.: Diamond Machinable Sol-Gel Silica Based Hybrid Coatings for High Precision Optical Molds. Key Engineering Materials 438 (2010) 65-72

[MKS08]  Michaeli, W.; Klaiber, F.; Scholz, S.: Investigations in Variothermal Injection Moulding of Microstructures and Microstructured Surfaces. 4M 2008 Conference. Cardiff, Wales, 2008

[HW12]    Hopmann, Ch.; Walach, P.: Formeinsätze justieren – Zentrierfehler minimieren. Umdruck zum 26. Internationalen Kunststofftechnischen Kolloquium: „Integrative Kunststofftechnik“, Aachen, 2012, S. 12/15-21

[HW11]           Hopmann, Ch.; Walach, P.: Prozessstrategien zur Herstellung komplexer optischer Komponenten. Umdruck zur 2. VDI-Fachkonferenz „Kunststoffe in Optischen Systemen“, Baden-Baden, 2011

Dr.-Ing. Matthias Theunissen

Head of department Injection Moulding +49 241 80-93827 matthias.theunissen@ikv.rwth-aachen.de

Further information on the project

The trans-regional collaborative research centre SFB/TR4 was concluded after its 11 years of duration in 2012. More information on this SFB you can find on the websites of Bremen University.

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