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IGF-Projekt: 20750 BG  (2019 - 2021)

DIE HERAUSFORDERUNG

3Die industrielle Herstellung optischer Bauteile erfolgt derzeit vornehmlich klassisch durch Schleif-, Polier- und Freiformbearbeitung von gegossenen oder replizierten Glas- und Polymerpreformen. Nur mit diesen Verfahren lassen sich aktuell die benötigten sehr geringen Toleranzen in der Konturtreue der optischen Oberflächen und die hohe Transparenz der vollständig bearbeiteten optischen Bauteile erreichen. Eine kostengünstige Herstellung ist somit nur bei Optiken mit einfachen Geometrien und sehr hohen Stückzahlen erzielbar. Es zeichnet sich jedoch ein Trend zu individualisierten Optiken mit teils komplexen Geometrien für verschiedenste Anwendungen ab. Dieser Trend hat sich z. B. bei der Herstellung von Brillengläsern, bei der kleinste Stückzahlen bis zu einzelnen individualisierten Gläsern realisiert werden müssen, bereits durchgesetzt. Für solche Optiken sind die klassischen Bearbeitungsverfahren sehr kostenintensiv. Die additive Fertigung hat das Potenzial, hier einen Paradigmenwechsel herbeizuführen. Die hohen Anforderungen an die zu realisierende Transparenz und Formtreue haben allerdings den Einsatz der additiven Fertigung für optische Komponenten bisher verhindert.

DIE INNOVATIONSIDEE

Ziel war die Entwicklung eines Fertigungsprozesses zur kostengünstigen Herstellung individualisierbarer Brillengläser mittels 3D-Tintenstrahldruck in vertretbaren Prozesszeiten. Die Form der gedruckten Gläser sollte über die gesamte Oberfläche weniger als 100 µm abweichen. Die Rautiefe (vertikaler Abstand zwischen höchstem und niedrigstem Punkt des Oberflächenprofils) sollte weniger als 5 µm und der Quadratische Mittenrauwert (Mittelwert der quadratischen Höhenabweichungen von der Mittellinie des Oberflächenprofils) weniger als 5 nm betragen. Durch schichtweisen Tintenstrahldruck und UV-Aushärten optischer Polymere sollten Volumenkörper mit einem Brechungsindex n > 1,5 und einer vergleichbaren Transparenz und Bruchfestigkeit zu bisherigen Kunststoff-Brillengläsern (z. B. CR39) hergestellt werden. Das Aufbringen einer Kratzfestbeschichtung sollte eine vielfach benötigte Funktionalisierung ermöglichen. Zur Erreichung der Ziele sollten bestehende Materialien angepasst und neue Materialien entwickelt werden, die mit einem Tintenstrahldrucker verarbeitbar sind. Der Druckprozess selbst sollte für den Druck optisch homogener Gläser optimiert werden.

DIE ERGEBNISSE

Zur Herstellung der Volumenkörper und Kratzfestbeschichtung der Brillengläser wurden verdruckbare Polymermaterialien entwickelt: Bei den entwickelten Materialen für die Volumenkörper konnten ein Brechungsindex n > 1,55, eine Abbe-Zahl ν > 55 und gleichzeitig geringe Absorptionswerte (A) im sichtbaren Bereich (A < 1 %) erreicht werden. Zudem konnten die Viskositäten der Drucktinten im Bereich von η < 40 mPa·s sowie hohe Glasübergangstemperaturen der mit den Tinten hergestellten UV-vernetzten Volumenkörper von Tg > 90 °C erreicht werden. Für die Kratzfestbeschichtung wurden neuartige Hybridpolymer-Formulierungen aus der Materialklasse der ORMOCER®e entwickelt, die neben einer hohen Transparenz (A < 1,5 % bei 450 nm, A < 0,5 % bei > 500 nm) eine hohe Kratzfestigkeit aufweisen: Die maximal erzielte Schichthärte lag bei mehr als 350 MPa bei einer gleichzeitig hohen Schichthaftung auf dem Volumenmaterial. Zudem konnten Viskositäten der verdruckbaren Tinten in dem Bereich η < 40 mPa·s erreicht werden.

Parallel wurde der 3D-Tintenstrahldruckprozess für den Druck von Brillengläsern angepasst. Dazu wurden zunächst Einzellagen der entwickelten Materialien auf gekrümmte Substrate gedruckt und anschließend mittels UV-Bestrahlung ausgehärtet. Die Feinabstimmung aus Druckauflösung und Aushärtebedingungen ermöglichte die Reduktion interner Grenzflächen und den Druck vollständig transparenter, optisch homogener Glaskörper. Die Gläser wiesen Bruchfestigkeiten vergleichbar mit CR39 auf. Durch Anpassung des Druckdesigns jeder Einzellage gelang die Herstellung von Brillenglasformkörpern mit sehr hoher geometrischer Genauigkeit, wie anvisiert. Der angestrebte Quadratische Mittenrauwert konnte mit 2,7 nm erreicht werden, im Gegensatz zu der angestrebten maximalen Rautiefe. Für die benötigte Krümmung der Brillengläser sind die einzelnen Schichtdicken aktuell noch zu dick und müssen durch weitere Verfahrensverbesserungen reduziert werden.

KMU-NUTZEN

Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit, die konventionelle Fertigung von Brillengläsern durch den 3D-Druck zu ergänzen oder sogar zu ersetzen. Mittels additiver Fertigung werden Durchlaufzeiten und Fertigungskosten besonders bei der Herstellung individuell korrigierender Brillengläser für komplexe Fehlsichtigkeiten verringert werden können. Kleinstserienfertigungen und Losgrößen von 1 bei gleichbleibenden Prozesskosten können dann wirtschaftlich werden. Durch weitere Entwicklungen, z. B. die Implementierung einer UV-Schutzbeschichtung, kann der Einsatz der additiven Brillenglasherstellung ausgebaut und der wirtschaftliche Vorteil erhöht werden.

Die entwickelten Materialien für die Volumenkörper eignen sich aufgrund ihrer sehr guten optischen Eigenschaften für verschiedenste optische Komponenten, z. B. für gedruckte (und auch gegossene) Lichtwellenleiter, Linsen- oder Prismen. Die Materialien der Kratzfestbeschichtung ermöglichen zudem Änderungen der tribologischen Eigenschaften der Oberflächen. Sie sind damit nicht nur für verschiedenste Optiken, sondern auch außerhalb der Optik verwendbar. Der angepasste Tintenstrahldruck lässt sich aufgrund der Flexibilität des Verfahrens leicht zur Herstellung verschiedener bzw. wechselnder Optiken adaptieren. So ist der Tintenstrahldruck von Abbildungs- und Beleuchtungsoptiken verschiedener Formen und Größen und sogar smarten optischen Systemen möglich.

Laufzeit: 01.07.2019 - 31.12.2021