Zahlreiche moderne Produkte vom Handy bis zum Fahrerinformationssystem in Kraftfahrzeugen enthalten mikrooptische Bauteile und Systeme als funktionsbestimmende Schlüsselkomponenten. Insgesamt erwirtschaftet die Branche der Optik und Feinmechanik in Deutschland mit solchen Systemen einen jährlichen Umsatz von ca. 24 Mrd. € bei einem sehr hohen Exportanteil. In Teilbereichen wie der optischen Sensortechnik ist Deutschland aktuell zwar mit innovativen Produkten am Weltmarkt mit führend; um zukünftig am Markt zu bestehen sind jedoch die Produktion innovativer optischer Systeme sowie Neuentwicklungen im Präzisions- und Sondermaschinenbau und deren erfolgreiche Vermarktung unabdingbar.
Der Bedarf an optischen Komponenten wird vornehmlich geprägt durch die Miniaturisierung der Produkte, die Verringerung der Leistungsaufnahme, die Verbesserung der Zuverlässigkeit und die Forderung nach erheblich niedrigeren Herstellkosten. Die Miniaturisierung der optischen Systeme erfordert die Herstellung von Komponenten mit neuen optischen Designs mit bisher nicht oder kaum genutzten Freiheitsgraden durch Asphärisierung der optischen Wirkflächen und durch azylindrische Konturen oder Freiformflächen. Die Fertigung von solchen optischen Komponenten stellt allerdings wesentlich höhere Anforderungen an die produktionstechnische Ausrüstung als die klassische Herstellung von optischen Komponenten mit sphärischen Flächenkonturen. Wegen der hohen Herstellungskosten von asphärischen optischen Komponenten werden diese heute meist aus Kunststoffen hergestellt, weil für diese Materialien sehr kostengünstige Replikationstechnologien (z.B. Spritzgießen) verfügbar sind. Zukünftige Anwendungen innovativer optischer Systeme stellen jedoch auch höhere Anforderungen hinsichtlich Präzision und Langzeitstabilität sowohl bei hoher Leistungsdichte als auch bei wechselnden Umgebungstemperaturen und erfordern daher optische Komponenten aus anorganischen Gläsern. Die Fabrikation von mikrooptischen Bauteilen aus anorganischen Gläsern mit asphärischen optischen Wirkflächen wird jedoch in Deutschland nur von wenigen Firmen beherrscht, wobei die bislang verfügbaren Produktionstechniken entweder viel zu hohe Kosten verursachen oder nicht die notwendige optische Präzision erreichen.
Die Beschaffung von mikrooptischen Komponenten ausschließlich aus der Produktion in Fernost bedeutet für die deutschen Systemproduzenten erhebliche Einschränkungen in der kundenspezifischen Systementwicklung. Wie darüber hinaus Anwender bereits schmerzlich erfahren mussten, ist dieser Weg mit einem hohen Risiko behaftet, weil deutsche Firmen mangels alternativer Lieferquellen in Europa kurzfristig von der Versorgung abgeschnitten wurden. Langfristig strategisch gesehen bedeutet dies eine erhebliche Gefährdung des Technologie- und Produktionsstandorts Deutschland.
Für die mehr als 1000 produzierenden Unternehmen der Feinmechanik und Optik in Deutschland - dies sind zum großen Teil kleine und mittelständische Unternehmen besteht daher ein hoher und dringender Bedarf an wesentlich verbesserten Produktionstechniken für die kostengünstige Herstellung von präzisen mikrooptischen Komponenten aus Glas. Der Bedarf besteht insbesondere an automatisierbaren Produktionsanlagen und neuen Maschinenkonzepten, die abgestimmt sind auf eine Produktion in der für den deutschen Markt benötigten Produktvielfalt, auf die benötigten Stückzahlen und Losgrößen, in der produktspezifisch erforderlichen Präzision und insbesondere auf markttaugliche Produktionskosten.
Zielsetzungen
Ziel dieses Verbundprojekts ist es, für die Produktion hochwertiger optischer Komponenten in kleinen und mittleren Unternehmen in Deutschland ein neues Maschinenkonzept mit Integration neuer Technologien zur wirtschaftlichen Komponentenherstellung zu entwickeln und in einer Pilotanlage zu realisieren. Mit dieser Pilotanlage sollen langzeitstabile mikrooptische Komponenten aus Glas durch ein replizierendes Heißformgebungsverfahren bei kurzen Prozesszeiten in hoher Qualität und zu geringen Stückkosten hergestellt werden. Die kurzen Zykluszeiten werden im Prozess dadurch erreicht, dass die Formgebung unter nicht-isothermen Bedingungen erfolgt, bei denen das Glas wesentlich heißer ist als das Formwerkzeug.
Die im Projekt durchzuführenden Forschungs- und Entwicklungsarbeiten umfassen alle wesentlichen Schritte der Prozesskette und zielen im Einzelnen auf:
- Realisierung von kurzen Prozesszeiten durch eine nicht-isotherme Prozessführung, bei der sehr heißes Glas mit deutlich kälteren Formwerkzeugen beidseitig in optischer Qualität ausgeformt wird. Dadurch können Prozesszeiten erreicht werden, die um mehr als den Faktor 5 kürzer sind, als bei konkurrierenden Verfahren wie z.B. beim Fix-Mold-Blankpressen.
Verwendung von preisgünstigem Glas-Ausgangsmaterial im Vergleich zu Precision Gobs oder voll auspolierten Kugeln durch Einsatz von kostengünstig herstellbaren Glas-Rohteilen mit teilpolierten Oberflächen und Ausnutzen des Potenzials für eine thermisch induzierte Glättung der Glasoberfläche. Die Auswahl der Gläser erfolgt unter den Gesichtspunkten einer breiten Verfügbarkeit kostengünstiger Rohlinge (Kugeln, Gobs, Plättchen), der Verarbeitungstemperatur (Low-Tg Gläser) und gemäß der Anforderungen aus dem Optikdesign (RoHS-konform, Brechungsindex).
Anwendung von neuen Verfahren zum schnellen Vorheizen der Glas-Vorformlinge außerhalb der Pressform mittels angepasster Infrarotstrahlung und Transport des heißen Glases in die Pressform.
Einsatz von hochtemperaturbeständigen Materialien für die Formwerkzeuge und Präzisionsbearbeitung der optischen Funktionsflächen durch duktiles Schleifen bzw. duktiles Drehen von spröd brechenden Formenmaterialien wie z.B. Silicium-Einkristall, ultrafeinkörniges Hartmetall.
Erstellung eines numerischen Simulationsmodells zur Berechnung des Werkzeugvorhalts auf Basis experimentell ermittelter Konturdaten (interferometrisch/taktil) und unter Berücksichtigung des thermomechanischen Materialverhaltens von Glas sowie aller relevanten Prozessgrößen.
Bereitstellung hochtemperaturbeständiger Schichtmaterialien für die Formwerkzeuge zur Vermeidung des Anklebens des zähflüssigen heißen Glases und zum Korrosions- und Verschleißschutz. Die Schichten auf Basis von keramischen Hartstoffen und edelmetallhaltigen Kompositen ermöglichen verlängerte Standzeiten der Formwerkzeuge. Angestrebt werden Standzeiten von 10.000 bis 40.000 Presszyklen und darüber.
Regenerierung des Schichtmaterials der Formenbeschichtungen durch Abscheidung und Aufaddierung von Nitriden im atmosphärischen Plasmaprozess zum Ausgleich von Fehlstellen und stofflichen Defiziten in der Schicht auf Grund von Oxidation und von Diffusion von Glasbestandteilen während des Glaskontakts im Pressvorgang.
Automatisierte Anlagentechnik und präzise Regelung des zeitlichen Verlaufs der relevanten Prozessparameter (Temperaturen, Umformweg, Presskraft) zum Erreichen hoher Maß- und Konturgenauigkeit bei gleichzeitiger Robustheit für den industriellen Produktionseinsatz.
Bereitstellung von Technologieschritten und Entwicklung von Maschinenkomponenten für die Serienproduktion in einer beispielhaften Prozesskette mit Etablierung einer Versorgung mit den erforderlichen Formwerkzeugen für die Anwender der hier entwickelten Heißpressanlagen.
Die Entwicklung von Maschinenkomponenten und der Verfahrensführung zielen schwerpunktmäßig auf die Produktion von kleinen Einzellinsen mit relativ großer Mittendicke, die mit bislang verfügbaren Verfahren nicht wirtschaftlich herstellbar sind. Gleichzeitig soll dabei größtmögliche Flexibilität bezüglich Größe und Form der herstellbaren mikrooptischen Bauteile gewahrt werden, vor allem im Hinblick auf die Produktion von Komponenten mit refraktiven und diffraktiven Wirkflächen und von Mikrolinsen-Arrays