IGF-Projekt: 18360 BR (2015 - 2017)
Die moderne Optik und Photonik eröffnet vielfältige Lösungsmöglichkeiten in den unterschiedlichsten Märkten, wie Energie, Messtechnik, Sicherheit, Mobilität, Kommunikation und den Lebenswissenschaften. Innovative Ansätze basieren vermehrt auf funktionellen Mikro- und Nanostrukturen, die durch traditionelle Aufbau- und Verbindungstechnik integriert werden müssen, zum Beispiel bei Umweltbeobachtungen mit satellitengestützten Spektrometern. Gerade solch extreme Arbeits- und Umgebungsbedingungen stellen besondere Anforderungen an die Fügetechnologien.
Derzeit werden hauptsächlich die Verfahren Kleben und Ansprengen eingesetzt. Geklebte optische Systeme, bei denen brechzahlangepasste Polymere zum Fügen optischer Flächen aus Glas verwendet werden, weisen Leistungsgrenzen bei erhöhten Temperaturen, unter Vakuumbedingungen oder gegenüber leistungsstarker Laserstrahlung sowie dem Einsatz im UV-Spektralbereich auf. Ursache ist die begrenzte Materialstabilität der Polymere, die zum Beispiel durch UV-Strahlung erheblich degradieren und ausgasen. Ebenso setzen bereits geringe thermische und mechanische Belastungen die Stabilität angesprengter optischer Komponenten herab.
Um die Limitationen der herkömmlichen Fügetechnologien für Glas zu überwinden und auf die aktuellen Erfordernisse der Industrie-Applikationen zu reagieren, sollten in dem Vorhaben neue und aussichtsreiche Fügetechnologien für optische Subkomponenten entwickelt, sowie deren Möglichkeiten und Grenzen evaluiert werden. Die im Vorhaben verfolgten Verfahren sind das direkte Bonden, das silikatische Bonden und das Ultrakurzpuls-(UKP)-Laserfügen.
Allen drei Fügeverfahren ist gemeinsam, dass an der Oberfläche zwischen den Fügepartnern im Ergebnis kovalente Silizium-Sauerstoff-Silizium-Brückenbindungen gebildet werden, die zu materialangepassten und hochstabilen Verbindungszonen führen.
Die schlüsselhaft ausgewählten Demonstratoren, Achromat, Strahlteiler und Faserendkappe (Abb. 1), zeigen das enorme Potential der Bondtechnologien. Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche optische Materialien mit teilweise sehr komplexen Geometrien herausragende Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit, Maßhaltigkeit, Transmission, Langzeitstabilität und thermischer Invarianz aufweisen und entsprechend die Spezifikationen der Anwender erfüllen. Es ist möglich, ein breites Bauteilspektrum auch aus unterschiedlichen Materialien abzudecken und insbesondere werden Applikationen bei hohen Temperaturen (über 100 °C) und/oder hohen Leistungsdichten mit gekrümmten Flächen ermöglicht. Darüber hinaus wurden die Anforderungen an die Probenbeschaffenheit reduziert (Kosteneinsparung) und die Stabilität gefügter Proben gegenüber Klebe- und Ansprengtechnologien signifikant verbessert. Die entwickelten Technologien ermöglichen, angepasst an die Applikationen, eine deutliche Vereinfachung und eine signifikant schnellere Prozessierbarkeit, z. B. beim Laserfügen, bei vergleichbarer Festigkeit.
Der Prozessfortschritt wurde im Folgenden auf verschiedene weitere Materialien (z. B. Borofloat, SF11, CaF2, NSF10, N-SF6) sowie auf Materialkombinationen (z. B. SiO2-Saphir, SiO2-CaF2, N-BK7 + N-SF6) übertragen, um langfristig eine breite Verwertung zu ermöglichen und neue Anwendungsfelder zu erschließen.
Die erzielten Ergebnisse sind von besonderem Nutzen für industrielle Applikationen und den Einsatz in KMUs. Die Entwicklung eines laserbasierten, spaltüberbrückenden Fügeverfahrens ermöglicht das dauerhafte und feste Verbinden selbst unterschiedlicher Fügepartner, ohne die Oberflächen der Fügepartner aufwändig auf die hohen Anforderungen des optischen Kontaktierens vorbereiten oder auf limitierende Klebeverbindungen zurückgreifen zu müssen. Die hohen Festigkeiten gestatten zudem sehr feste Verbindungen durch eine ausgedehnte Laserprozessierung der Fügefläche, sowie auch den gezielten Eintrag lokaler Bondflächen im Randbereich der zu fertigenden Komponenten, ohne Qualitätsbeeinflussung der optisch funktionellen Bereiche.
Die Resultate der Untersuchungen des UKP-Laserbondens sind von wesentlicher wissenschaftlich-technischer Bedeutung für die Akteure der optischen Forschung und Industrie. Die Technologie kann insbesondere zum Verbinden optischer Elemente für den Einsatz unter anspruchsvollen Umgebungsbedingungen genutzt werden, z. B. in der Medizintechnik. Das hier entwickelte Verfahren des laserbasierten Stoß-Bondens ermöglicht zusätzlich das Aneinanderfügen von Einzelelementen, wie Zylinderlinsen, zu großen optischen Komponenten und bietet so zukünftig neue Möglichkeiten der flexiblen und ökonomischen Fertigung.
Das IGF-Projekt Opti-Bond wurde als eines der drei aussichtsreichsten Projekte für die Endauswahl zum IGF-Projekt des Jahres 2018 ausgewählt.
Laufzeit: 01.06.2015 - 30.11.2017
Beteiligte Forschungseinrichtungen
Eingebundene Unternehmen
(Projektbegleitender Ausschuss, "PA")
Von diesen Unternehmen beteiligten sich die Unternehmen asphericon GmbH, Berliner Glas KGaA, Coherent Laser Systems GmbH & Co. KG, Hellma Optik GmbH Jena, Laserline GmbH, Optikron GmbH, POG Präzisionsoptik Gera GmbH, Qioptiq Photonics GmbH & Co. KG und Trumpf Laser- und Systemtechnik GmbH an der Deckung der auf freiwilliger Basis durch die Wirtschaft zu tragenden Administrationskosten. Die F.O.M. bedankt sich im Namen der begleitenden Branchen.
BMWi-Förderung
Wissenschaftliche Publikationen
Mediale Präsenz
Abschließende Ergebnisse
Weitere Informationen für eingebundene PA-Unternehmen
Die Projektergebnisse wurden am 18. Mai 2017 auf dem Innovationstag Mittelstand des BMWK in Berlin präsentiert.