Prozessketten zur Replikation komplexer Optikkomponenten

Seit vielen Jahren wächst der Markt für Güter, die optische Systeme enthalten, insbesondere für Konsumgüter mit elektrooptischen Systemen. Dies wird durch den extrem schnellen Produktwechselzyklus und den stetig sinkenden Preis von optischen Systemen begründet. Eine Sicherung und möglichst auch Steigerung des deutschen und auch europäischen Marktanteils ist nur über die Bereitstellung neuer Technologien möglich, mit denen die Industrie flexibel optische Güter in kürzerer Zeit, mit einer höheren Genauigkeit und einer höheren Komplexität fertigen kann.

Dies kann nur erreicht werden, wenn parallel an allen Gliedern der Prozesskette, in der die optischen Komponenten gefertigt werden, eine aufeinander abgestimmte Technologieentwicklung stattfindet. Der transregionale Sonderforschungsbereich SFB/TR4 verfolgte diese holistische Herangehensweise und entwickelte Technologien, die den genannten Anforderungen genügen.

Forschungsziel des SFB-TR4

In dem transregionalen Sonderforschungsbereich wurden die wissenschaftlichen Grundlagen zur deterministischen und kostengünstigen Herstellung von optischen Bauelementen mit komplexen Geometrien erarbeitet. Der dem Forschungsvorhaben zugrunde liegende Kerngedanke bestand darin, den Formenbau für optische Komponenten und die Replikationsverfahren Blankpressen und Spritzgießen bzw. –prägen zu einer geschlossenen Prozesskette zusammenzuführen. Da ein entscheidendes Kriterium für die Fertigung einer replizierten Optik die Zeit von der Idee bis zum Produkt ist - und hiermit auch eng der Preis verbunden ist – besteht das übergeordnete Ziel des SFB/TR4 in der Entwicklung von Technologien, die eine deterministische und damit iterationsarme Fertigung ermöglichen.

Teilprojekte die am IKV erforscht wurden

Inhalt des geplanten Teilprojektes D2 war die Analyse der Spritzgießwerkzeug- und Formteiltechnik zur Abformung hochgenauer Komponenten. Hierbei wurden kunststoff- und fertigungsgerechte Gestaltungsrichtlinien basierend auf der optischen Funktionalität der Komponenten erarbeitet. Einen weiteren Schwerpunkt bildete die Auslegung eines Spritzgießwerkzeugs, wobei die Gestaltung von Temperierung und Angusssystem von besonderer Bedeutung ist. Neben den Themenschwerpunkten Formteilauslegung und Spritzgießwerkzeugtechnik wurde im Teilprojekt D2 die Materialvorauswahl als Grundlage für die Spritzgießwerkzeugauslegung und die Abformversuche in R1 vorgenommen.

Aufbauend auf den Erfahrungen und Informationen der Auslegung des Spritzgießwerkzeugs wurden ebenfalls verschiedene Werkzeugkonzepte zur Realisierung des Spritzprägens untersucht. Das Spritzprägen ist ein Hybridverfahren, das die Vorteile des Spritzgießens und Pressens miteinander kombiniert. Durch das Spritzprägeverfahren wurde eine Verbesserung der Qualitäten der Optikkomponente aus Kunststoff erwartet, welche im Laufe des Projekts bestätigt werden konnte.

Veröffentlichungen:

[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

Im Rahmen des Teilprojektes R1 wurden innovative Fertigungslösungen (wie z.B. neue Werkzeugkonzepte, Prägekonzepte und deren maschinentechnische Realisierung) für die Abformung hochgenauer Kunststoffkomponenten im Spritzgießen und -prägen analysiert und bewertet.

Im ersten Schritt wurde dazu die Spritzgießmaschinentechnik zur Realisierung der Abformung optimiert. Dazu gehörte zum einen eine Modifizierung der Maschinensteuerung und -regelung, da für das Spritzgießen optischer Komponenten häufig extrem langsame Einspritzgeschwindigkeiten benötigt werden. Zum anderen musste die Plastifiziereinheit, insbesondere die Plastifizierschnecke an die ausgewählten Materialien angepasst werden. Unter Einsatz der modifizierten Spritzgießmaschinentechnik wurden die entwickelten Optiken abgeformt und die Abformungsqualität anhand definierter Qualitätsmerkmale bewertet. Wichtige Einflussgrößen sind hier die Prozessparameter aus dem Spritzgießprozess und die Formeinsätze selbst (Werkstoff, eingebrachte Struktur, Politur usw.).

Neben der Analyse des Spritzgießprozesses wurde der Einfluss der Spritzprägetechnik und des Prozessablaufs auf die Abformungsgenauigkeit untersucht, um Vorgaben für die Optimierung der Spritzgießwerkzeugtechnik geben zu können. Darüber hinaus wurde die Fertigung von Optikkomponenten in Mehrkavitätenwerkzeugen betrachtet. Mithilfe von Sensorik wurden Prozessdaten aufgenommen und mit der erzielten Formteilqualität der einzelnen Kavitäten korreliert. 

Veröffentlichungen:

[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

Abteilungsleiter Spritzgießen +49 241 80-93827 matthias.theunissen@ikv.rwth-aachen.de

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Weitere Informationen zum Projekt

Der transregionale Sonderforschungsbereich SFB/TR4 wurde nach 11-jähriger Laufzeit 2012 abgeschlossen. Weitere Informationen zu diesem SFB finden Sie auf den Webseiten der Universität Bremen.

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