Technologie zur Herstellung optischer Formeinsätze

Optische Polymerkomponenten haben auf dem heutigen Markt zunehmend an Bedeutung gewonnen. Da die Leistungsanforderungen an optische Elemente immer weiter steigen, stehen Herstellungsprozesse vor erheblichen Herausforderungen. Dabei sticht die Herstellung von Formeinsätzen für Replikationsverfahren als besonders kritisch hervor, da sie direkten Einfluss auf die Endqualität optischer Komponenten hat. In dieser Übersicht werden derzeit verfügbare Fertigungstechnologien untersucht, um Ingenieuren dabei zu helfen, fundierte Entscheidungen in praktischen Anwendungen zu treffen.

Optische Elemente aus Polymer bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Glaslinsen. Sie ermöglichen eine schnelle Massenproduktion durch Spritzgießen oder Spritzprägen bei geringeren Herstellungskosten. Darüber hinaus können Montage- und Ausrichtungsfunktionen direkt in optische Komponenten integriert werden, sodass keine zusätzlichen Vorrichtungen und Montageverfahren erforderlich sind. Von Beleuchtungssystemen bis hin zu Automobilanwendungen, von bildgebenden Geräten bis hin zu Sensoren – die Anwendungsbereiche optischer Polymerelemente erweitern sich ständig.

Besondere Aufmerksamkeit verdient die Entstehung mikrostrukturierter optischer Komponenten. Das Hinzufügen von Mikrostrukturmerkmalen zu Linsenoberflächen kann die Leistung erheblich verbessern, das Systemgewicht reduzieren, Aberrationen korrigieren und Lichtstrahlen formen. Mikrostrukturen wie Mikrolinsen-Arrays, diffraktive optische Elemente, Fresnel-Linsen und Prismen-Arrays spielen eine wichtige Rolle in Bereichen wie Sonnenkonzentration, Strahlformung und Messsystemen.

Klassifizierungssystem für Fertigungstechnologien

Fertigungstechnologien für optische Formeinsätze lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Methoden zur Erzeugung von Oberflächen mit optischer Qualität und Techniken zur Erzeugung optischer Mikrostrukturen. Da optische Formeinsätze typischerweise eine extrem hohe Formgenauigkeit und Oberflächenqualität erfordern, dienen diese beiden Faktoren als zentrale Messgrößen für die Bewertung verschiedener Technologien.

Ultra-Präzisionsbearbeitung: Die Grundlage der optischen Fertigung

Seit ihrer Einführung in den 1960er Jahren ist die Ultrapräzisionsbearbeitung die am häufigsten verwendete Methode zur Herstellung optischer Formeinsätze. Der Hauptvorteil dieser Technologie liegt in der Erzielung einer Positionierungsgenauigkeit im Nanometerbereich und damit in der Erzielung einer außergewöhnlichen Oberflächenqualität und Formgenauigkeit. Mit Diamant-bearbeitete Komponenten weisen typischerweise eine Oberflächenrauheit von weniger als 10 Nanometern auf und erzielen Oberflächen in Spiegelqualität-ohne Nachbearbeitung-.

Um qualitativ hochwertige-Teile zu erhalten, müssen Maschinenkomponenten bis an ihre Grenzen arbeiten. Diamantbearbeitungssysteme verwenden Granit als Basis und sind mit hochpräzisen Positionierungssystemen, Hochgeschwindigkeitsspindeln sowie präzisen Vorrichtungen und Betriebsgeräten ausgestattet. Luftgelagerte Spindeln und hydrostatische Lager ermöglichen eine präzise Bewegung von Werkzeugen und Teilen, wobei die Positionskontrolle durch Glasgitter mit einer Auflösung unter 1 Nanometer gewährleistet wird. Ebenso wichtig ist die Temperaturkontrolle, die eine Wartung im Bereich von ±0,1 K oder weniger erfordert.

Einkristalliner Diamant bildet aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte und der Fähigkeit, extrem scharfe Kanten mit einer Kantenrundheit von unter 50 Nanometern zu erzeugen, die Schneidkante von Werkzeugen. Die erreichbare Teilequalität und Präzision hängen stark von der Qualität des Diamantwerkzeugs ab. Allerdings ist die Diamantbearbeitung auf Nichteisenmaterialien beschränkt, weshalb die Nickel-{5}}Phosphorbeschichtung zum Industriestandard geworden ist. Nickel-Phosphor kann mit Diamantwerkzeugen mit praktisch vernachlässigbarem Werkzeugverschleiß bearbeitet werden.

Diamantdrehenstellt das Standardverfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer optischer Komponenten dar, geeignet für die Herstellung sphärischer und asphärischer Linsenformen. Die erreichbare Oberflächenqualität hängt maßgeblich von Prozessfaktoren und Materialfaktoren ab. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren gehören Spindeldrehzahl, Werkzeugspitzenradius und Vorschubgeschwindigkeit. Hohe Spindelgeschwindigkeiten, große Werkzeugspitzenradien und langsame Vorschübe verbessern im Allgemeinen die Oberflächenrauheit.

Slow-Tool-Servotechnologiewurde entwickelt, um den hohen Anforderungen asymmetrischer optischer Elemente gerecht zu werden. Aufbauend auf herkömmlichen Diamantdreheinrichtungen fügt es während der Bearbeitung eine Z--Achsen-Oszillation hinzu. Mit dem Slow-Tool-Servo können hochpräzise asymmetrische Teile ohne zusätzliche Maschinenausrüstung hergestellt werden. Diese Technologie kann zur Herstellung von Mikrolinsen-Arrays, Prismen-Arrays, diffraktiven optischen Elementen, außeraxialen Asphären und optischen Freiformflächen verwendet werden.

Schnelle Werkzeug-Servotechnologieähnelt einem langsamen Werkzeugservo, verwendet jedoch einen zusätzlichen Aktuator, um die Werkzeugspitze zu schwingen. Der schnelle Werkzeugservo ermöglicht eine präzise Werkzeugpositionierung, jedoch mit deutlich geringerem Hub als die langsame Werkzeugservotechnologie, der typischerweise zwischen mehreren Mikrometern und mehreren hundert Mikrometern liegt. Schnelle Werkzeugservos werden üblicherweise zur Herstellung diamantgedrehter Oberflächen mit Strukturen wie Mikroprismen und Linsenanordnungen verwendet.

Diamantfräsenverwendet Diamant-Kugelkopffräser mit einer einzigen Schneidkante, wobei das Werkzeug mit hoher Geschwindigkeit rotiert, um Späne im Mikrometerbereich zu entfernen. Im Vergleich zum Diamantdrehen ist das Fräsen deutlich langsamer, bietet aber eine größere Gestaltungsfreiheit. Das Diamantfräsen wird hauptsächlich zur Herstellung nicht-glatter Oberflächen, insbesondere von Mikrolinsenarrays und Freiformflächen, eingesetzt.

Fliegenschneidenverwendet ein rotierendes Werkzeug, wobei der Diamant außerhalb-der Achse positioniert ist, sodass der Diamant keinen dauerhaften Kontakt mit dem Material hat. Durch das Fliegenschneiden lassen sich flächig ebene Flächen mit optischer Oberflächengüte effizient erzeugen und es eignet sich auch zur Erzeugung von Mikrostrukturen und Freiformoptiken.

Durchbrüche in der Ultrapräzisionsbearbeitung von Stahl

Da gehärteter Stahl das beliebteste technische Material ist, wurden umfangreiche Forschungsarbeiten zur Bearbeitung von Eisenwerkstoffen mit Diamantwerkzeugen durchgeführt. Zu den primären Werkzeugverschleißmechanismen gehören Adhäsion und Aufbauschneidenbildung, Abrieb und Ermüdung, thermischer Reibungsverschleiß und tribochemischer Verschleiß. Chemische Mechanismen stellen die Hauptursache für Werkzeugverschleiß dar.

Um starken Werkzeugverschleiß zu vermeiden, haben Forscher verschiedene Ansätze vorgeschlagen:

Ultraschall-Vibrationsschneidenist die vielversprechendste Methode zur Bearbeitung von Eisenwerkstoffen mit Diamantwerkzeugen. Das Schneidwerkzeug vibriert elliptisch, wodurch die Reibungskräfte und die Kontaktzeit zwischen Diamant und Substrat deutlich reduziert werden. Diese Technologie eignet sich nicht nur für die Bearbeitung von Eisenwerkstoffen, sondern ermöglicht auch die Mikrostrukturierung von Oberflächen und erzielt gleichzeitig eine optische Oberflächenqualität mit Ra<10 nanometers.

Schnittbedingungen optimierenstellt eine weitere Methode zur Reduzierung des Diamantverschleißes dar. Forschungsteams haben verschiedene Schneidbedingungen ausprobiert, darunter kryogene Bearbeitung und Bearbeitung in Gasumgebungen. Durch das Diamantdrehen unter kryogenen Bedingungen kann der Werkzeugverschleiß erheblich reduziert werden, wobei die Oberflächenrauheit besser als 25 Nanometer ist.

Bindemittellose Werkzeuge aus kubischem Bornitridstellen eine der vielversprechendsten Methoden zur Erzielung optischer Oberflächen auf Eisenwerkstoffen dar. Kubisches Bornitrid verfügt über eine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit und chemische Stabilität, wobei die Härte nur von Diamant übertroffen wird. Beim Drehen von rostfreiem Stahl mit einer Härte von 52 HRC unter Verwendung von bindemittelfreien kubischen Bornitrid-Werkzeugen beträgt die Oberflächenrauheit Ra<10 nanometers can be obtained.

Andere Umformtechnologien

Funkenerosionsbearbeitungist ein thermoelektrischer Bearbeitungsprozess, bei dem Material durch eine Reihe elektrischer Funken zwischen der Werkzeugelektrode und dem Werkstück entfernt wird. Durch die elektrische Entladungsbearbeitung können hochpräzise Formen mit relativ hohen Materialabtragsraten erzeugt werden. Allerdings reicht die erreichbare Oberflächenqualität für optische Anwendungen nicht aus und erfordert eine Nachbearbeitung wie Schleifen, Schneiden oder Polieren, um glatte und genaue optische Oberflächen zu erhalten. Die Mikro-elektrische Entladungsbearbeitung eignet sich besonders für Anwendungen, die Mikrostrukturen mit hohem-Seitenverhältnis- erfordern, mit Strukturgrößen von nur 3 Mikrometern und Seitenverhältnissen bis zu 100.

Elektrochemische BearbeitungEntfernt Material durch anodische Auflösung von Metall während der Elektrolyse. Im Vergleich zu herkömmlichen Bearbeitungstechnologien bietet die elektrochemische Bearbeitung hohe Materialabtragsraten, Anwendbarkeit bei jeder Materialhärte, keinen Werkzeugverschleiß und glatte Oberflächen. Diese Technologie kann zur Nachbearbeitung konventionell bearbeiteter Werkstücke eingesetzt werden, wenn man von elektrochemischem Polieren spricht. Durch verbesserte elektrochemische Bearbeitungsverfahren kann die Oberflächenrauheit 0,06 Mikrometer erreichen.

Schleifenwird üblicherweise zur Herstellung optischer Formen verwendet. Da die beim Schleifen erreichbare Rauheit für optische Anwendungen nicht ausreicht, muss eine Nachbearbeitung wie Polieren durchgeführt werden. Beim Ultrapräzisionsschleifen können Harzdiamantscheiben oder Scheiben aus kubischem Bornitrid verwendet werden, um eine gute Formgenauigkeit und Oberflächenrauheit von Ra zu erreichen<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Mikrostruktur-Fertigungstechnologien

LIGA-Prozess: Pionier hochpräziser-Mikrostrukturen

LIGA steht für drei deutsche Wörter: Lithographie, Galvanisieren und Formen. Diese Technologie wurde in den 1980er Jahren entwickelt und wird häufig zur Herstellung von Spritzgusswerkzeugen eingesetzt. Für Teile mit Strukturen mit hohem -Seitenverhältnis- bietet diese Technologie besondere Vorteile im Vergleich zu anderen Fertigungstechnologien und erzeugt Mikrostrukturen kleiner als 1 Mikrometer.

Der LIGA-Prozess beschreibt eine Prozesskette aus drei aufeinanderfolgenden Vorgängen. Der erste Schritt ist ein lithographischer Prozess zur Strukturierung des Substrats. Anschließend erfolgt ein Nickel-Galvanisierungsprozess, bei dem das strukturierte Substrat als Vorlage zur Herstellung der Form verwendet wird. Im letzten Schritt können die Teile durch Spritzgießen oder Heißprägen hergestellt werden. Die Hauptanwendung des LIGA-Prozesses in der Optik ist die Herstellung diffraktiver optischer Elemente. Darüber hinaus können Mikrolinsenarrays, Mikroprismen, Mikrospiegel und Wellenleiter hergestellt werden.

Nanoimprint-Lithographie: Die Kunst der nanoskaligen Präzision

Die Nanoimprint-Lithographie ist eine lithografische Technologie, die die Strukturierung von Polymer-Nanostrukturen mit hohem-Durchsatz ermöglicht. Diese Technologie wurde erstmals 1995 vorgeschlagen und besteht aus drei Hauptschritten: Zuerst wird ein Master mithilfe der Mikrostrukturtechnologie hergestellt, dann wird die Masterstruktur in eine Form repliziert und schließlich findet der Prägeprozess statt.

Bei der Nanoimprint-Lithographie gibt es zwei Varianten: Beim thermischen Prägen wird die Resisttemperatur durch Erhitzen über die Glasübergangstemperatur erhöht und anschließend auf Raumtemperatur abgekühlt. Beim UV-Druck wird ultraviolettes Licht zum Aushärten des Resists verwendet, wofür transparente Formen erforderlich sind. Mithilfe der Nanoimprint-Lithographie-Technologie können Nanostrukturen mit Strukturgrößen unter 10 Nanometern hergestellt und repliziert werden. Es wird häufig in Photonikanwendungen verwendet, darunter Hologramme, diffraktive Strukturen, Antireflexstrukturen, Mikrolinsenarrays und Roll-zu-Roll-Anwendungen.

Laserdirektschreiben: Flexible Mikrostrukturerstellung

Im Vergleich zur Laserbearbeitung wird beim Laser-Direktschreiben ein Laserstrahl zur Strukturierung des Fotolacks verwendet, ähnlich wie bei Lithographieprozessen in der Halbleiterfertigung. Auf dem Substrat wird eine dünne Fotolackschicht abgeschieden, anschließend wird der Fotolack im Laser-Direktschreibverfahren strukturiert. Das Laserdirektschreiben ermöglicht die Herstellung binärer und kontinuierlicher Strukturen und wird sehr häufig zur Herstellung von Fresnel- oder diffraktiven Strukturen, insbesondere auf planaren Substraten, verwendet.

Im Vergleich zu Lithographieverfahren vermeidet das Laser-Direktschreiben die Ausrichtungsanforderungen im Sub-Mikrometerbereich aufeinanderfolgender Belichtungsschritte. Um solche Strukturen nachzubilden, müssen Formeinsätze hergestellt werden, die mit Nickel galvanisiert werden können. Die im Fotolack erzeugte Struktur stellt den Master dar, gefolgt vom Gießen. Jüngste Entwicklungen beim Laser-Direktschreiben haben die Strukturierung auf gekrümmten Substraten ermöglicht und so die Einschränkungen planarer Substrate überwunden. Strukturgrößen liegen typischerweise bei etwa 5 Mikrometern, können aber auch auf 1–3 Mikrometer reduziert werden.

Elektronenstrahlschreiben und Ionenstrahllithographie

Schreiben mit Elektronenstrahlenist eine alternative Methode zur Fotolackstrukturierung, ähnlich der Laser-Direktschreibtechnologie, die zur Herstellung von Masterstrukturen und anschließenden Nickelgalvanisierungsprozessen verwendet wird. Diese Technologie wurde ursprünglich für das Schreiben von Halbleitermasken entwickelt, kann aber auch zur Herstellung mikro-optischer Elemente verwendet werden, insbesondere zur Erzeugung von Fresnel- und diffraktiven Strukturen.

Das Schreiben mit Elektronenstrahlen wird in Halbleiterprozessen eingesetzt, daher wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die erreichbare Auflösung zu verbessern. Die Schreibauflösung des Elektronenstrahls in PMMA--basierten Fotolacken kann bis zu 10 Nanometer betragen. Diese Technologie kann auch als Polierverfahren für Metalloberflächen eingesetzt werden, wobei defokussierte Elektronenstrahlen zum Scannen von Oberflächen verwendet werden, wobei das Schmelzen der Metalloberfläche zu einer verringerten Oberflächenrauheit führt.

Ionenstrahllithographienutzt fokussierte Ionenstrahlen, um Oberflächen zu scannen und so sehr kleine Strukturen zu erzeugen. Diese Technologie ist dem Schreiben mit Elektronenstrahlen sehr ähnlich, allerdings sind Ionen schwerer und tragen mehr Ladung, wobei die Wellenlängen der Ionenstrahlen kleiner sind als die der Elektronen, was zu einer höheren Auflösung führt. Bei der Verwendung fokussierter Ionenstrahlen wurden Strukturgrößen unter 5 Nanometern berichtet. Diese Technologie wird auch als Poliermethode für lithografische optische Elemente verwendet, wobei energiearme Ionen verwendet werden, um Formfehler zu beseitigen und die Rauheit zu reduzieren, wodurch eine Oberflächenrauheit von Ra erreicht wird<1 nanometer.

Laserbearbeitung und Polieren

Die Verwendung von Kurz-{0}Puls- und Ultrakurzpuls--Pulslasern ist eine aufstrebende Technologie für verschiedene Mikrobearbeitungsanwendungen und kann zur Strukturierung von Formwerkzeugen verwendet werden. Der Hauptvorteil der Laserbearbeitung besteht darin, dass nahezu alle Materialien bearbeitet werden können. Wenn alle Parameter optimiert sind, kann die Laserbearbeitung sogar als Polierbehandlung eingesetzt werden, wobei die Oberflächenqualität Ra erreicht<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Polieren und Läppensind Endbearbeitungen, die durch undefinierte Schnittkanten glatte Oberflächen erzeugen. Allen Polierverfahren gemeinsam ist die Verwendung von Schleifmitteln zum Glätten von Oberflächen, wobei die Schleifmittel in einer Flüssigkeit suspendiert sind und eine Aufschlämmung bilden. Durch Polieren kann eine sehr hohe Oberflächenqualität im Nano- und Sub--Bereich erzielt werden, die Abtragsraten sind jedoch im Allgemeinen sehr niedrig. Mit dem Polieren können planare, sphärische, asphärische und Freiformwerkstücke sowie strukturierte Oberflächen bearbeitet werden.

Technologieauswahl

Um Entscheidungen zur Auswahl geeigneter Fertigungsmethoden zu unterstützen, können wir drei Kategorien unterscheiden: Umformung, Mikrostrukturierung und Nachbearbeitung.

Bei den Umformverfahren können durch Schleifen und Ultrapräzisionsbearbeitung hohe Präzision und gute Oberflächen erreicht werden, allerdings mit deutlich geringeren Materialabtragsraten im Vergleich zur elektrochemischen Bearbeitung und Funkenerosionsbearbeitung. Die Ultrapräzisionsbearbeitung als Formgebungsverfahren bleibt die vielversprechendste Technologie, insbesondere wenn eine präzise Formgebung bei optischen Formeinsätzen erforderlich ist. Wenn komplexe Geometrien erforderlich sind, bietet keine andere Technologie so große Gestaltungsfreiheit wie die Ultrapräzisionsbearbeitung.

Bei Mikrostrukturtechnologien ist die erreichbare Strukturgröße ein wichtiger Faktor. Als Faustregel gilt: Mit abnehmender Strukturgröße und zunehmender Formgenauigkeit nimmt die strukturierbare Fläche aufgrund längerer Bearbeitungszeiten ab. Die Ultrapräzisionsbearbeitung eignet sich nicht nur zur Formgebung von Formeinsätzen, sondern kann auch zur Erzeugung von Mikrostrukturen eingesetzt werden. Insbesondere mit dem Fly-Cutting-Verfahren lassen sich große Strukturflächen im Zentimeterbereich schnell und wirtschaftlich herstellen.

Bei allen Bearbeitungsverfahren, bei denen die Oberflächenqualität für optische Anwendungen nicht ausreicht, kann eine Nachbearbeitung die Oberflächenqualität nachträglich verbessern. Insbesondere durch Polieren und Läppen können optische Oberflächen hergestellt werden. Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass Nachbearbeitungsvorgänge die Gesamtform und die Formgenauigkeit beeinträchtigen können.