Replizierte gekapselte diffraktive Optiken mittels lithographisch strukturierter 3D-Werkzeugeinsätze für komplexe optische Kunststofflinsensysteme (REDOLIS 3D)

In diesem IGF-Vorhaben wurden gekapselte, diffraktive Kunststofflinsen erfolgreich mittels Spritzprägen hergestellt. Dazu wurde eine Prozesskette etabliert, welche die Herstellung einer gekrümmten, mikrostrukturierten Masterstruktur mittels Laserdirektschreiben auf einem UPM-gefertigten Grundkörper, die galvanotechnische Replikation des Masters und den anschließenden Werkzeugbau zeigt. Der Werkzeugbau unterteilt sich dabei in die Konzeption und den Aufbau eines geeigneten Spritzprägewerkzeugs und dem passgenauen Einbringen einer galvanisch abgeformten Nickelstruktur in das Werkzeug.

Die Motivation für den vorliegenden Forschungsantrag ist die Herstellung gekapselter diffraktiver optischer Elemente in Kunststoff mittels Thermoplastspritzguss. Dem zugrunde liegt die Problematik, dass mikrooptische Kunststoffbauteile oftmals einer hohen Anfälligkeit gegenüber Verschmutzung und Schädigung in Form von Rissen und Kratzern unterliegen. Um diese Problematik einzudämmen, sollten innerhalb des Forschungsvorhabens Lösungen zu Herstellung und Kapselung von gekrümmten, optischen Strukturen, welche mit diffraktiven Mikrostrukturen kombiniert wurden, erarbeitet werden.

Sogenannte Hybridelemente vereinen verschiedene optischen Elemente in einem Bauteil, bilden die Grundlage für komplexe optische Kunststoffbauteile und verbessern als optisches Gesamtsystem die Funktion einer optischen Komponente oder eines Sensors. Es ist daher wichtig, dass diese optischen Systeme unauffällig und stärker integriert werden, auf Grund ihrer steigenden Präsenz in den verschiedensten technischen Einsatzfeldern, wie z.B. Smartphone-Kameras, Inspektionssystemen, Sensoren und Beleuchtungssystemen. Hierzu kann die Kombination von Makro- und Mikrostrukturen, z.B. in Form gekrümmter Linsen mit diffraktiven Elementen wesentlich beitragen.

Der Vorteil solcher Elemente und Bauteile liegt in der günstigeren Herstellung durch den kombinierten Herstellungsprozess und der daraus resultierenden Funktionsintegrität. Das Bauteil kombiniert die Funktion von zwei Bauteilen und verzichtet dabei auf zusätzliche Grenzflächen.

In Hinsicht auf KMUs sollte im Projekt REDOLIS3D eine geeignete Prozesskette erarbeitet werden, welche die Herstellung gekapselter, diffraktiver Elemente erlaubt. Folgende Schritte sollten Teil der Prozesskette sein:

• Herstellung von laserstrukturierbaren Masterstrukturen in Metall
• Laserdirektstrukturierung der Metallstrukturen mittels Spincoating und anschließendem Laserdirektschreibe-Prozess
• Galvanische Replikation der gekrümmten, strukturierten Oberfläche von der Masterstruktur in einem metallischen Nickelbauteil
• Nachbearbeitung des Nickelbauteils zu einem Nickel-Werkzeugeinsatz, welcher in ein Spritzgusswerkzeug integriert werden kann
• Replikation diffraktiver optischer Strukturen in Form eines thermoplastischen Kunststoffbauteils
• Fügen der Kunststoffbauteile zu gekapselten, diffraktiven Kunststoffoptiken am Beispiel eines Nullbrechkraftelements
• Aufbau eines Demonstrators zur Funktionsprüfung des Nullbrechkraftelements