Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »3DOptics«
Die aktuellen Trends in der Entwicklung optischer Technologien führen zu einem wachsenden Bedarf an hochgenauen optischen Komponenten für Abbildungs- und Beleuchtungsanwendungen. Hochanspruchsvolle optische Mikrokomponenten, die durch ihre optische Funktion eine Miniaturisierung und/oder deutlich bessere Abbildungsqualität erzielen, kommen klassischerweise vor allem in der Messtechnik zum Einsatz. Immer öfter finden sie sich aber auch in neuen, stark wachsenden Marktsegmenten wieder, etwa in Kameras von Mobiltelefonen, optischen Messsystemen im Automobil oder optischen Speichermedien in der Informationstechnologie.
Hightech-Anwendungen fordern eine hohe Genauigkeit, gleichzeitig aber auch Reproduzierbarkeit, Wirtschaftlichkeit und Komplexität der erzeugten Bauteile. Aufgrund der hohen optischen Anforderungen kommt als Werkstoff ausschließlich Glas in Frage. Eine Fertigung entsprechender qualitativ hochwertiger Mikrooptiken ist jedoch heute oft noch zu kostspielig für die konkrete Anwendung. Ursache sind die aufwändigen Schleif- und Polierverfahren, die erforderlich sind, um optische Bauteile mit hoher Präzision zu fertigen. Einen neuen Weg, der es erlaubt, selbst große Stückzahlen in hoher Qualität aus Glas zu fertigen, bietet das Präzisionsblankpressen.
Entwicklungsarbeiten zum Präzisionsblankpressen wurden seit den 70er Jahren in Japan intensiv vorangetrieben. Parallel dazu gab es weitreichende Anstrengungen im ultrapräzisen Werkzeugbau. Als geeignete Werkstoffe haben sich binderarme Hartmetalle mit einem Feinstgefüge herausgestellt. Diese werden nach der UP-Bearbeitung beschichtet, um längere Standzeiten zu erzielen. Auf diese Weise gelang es der japanischen Optikindustrie, eine komplette Zulieferkette für die Herstellung der ultrapräzisen Werkzeuge aufzubauen. In Kombination mit der Presstechnologie gilt daher das Präzisionsblankpressen im asiatischen Raum als ein etabliertes Verfahren.
Marktchancen für deutsche Optikproduzenten durch 3DOptics
In jüngster Zeit verstärken sich die Bestrebungen, die Technologie des Präzisionsblankpressens auch in Deutschland zu etablieren. Da der japanische Anlagenbauer Toshiba Machine Co. Ltd. Maschinen zum Präzisionsblankpressen seit einigen Jahren auch hierzulande kommerziell anbietet, gilt es nun, einen leistungsfähigen Werkzeugbau bereitzustellen, der die notwendigen ultrapräzisen Formeinsätze zeitnah liefern kann.
3DOptics – Replikative Fertigung komplexer optischer Bauteile aus Glas
Das Verbundprojekt »3DOptics« leistete im BMBF-Rahmenkonzept »Forschung für die Produktion von morgen« einen Beitrag zur replikativen Fertigung komplexer optischer Bauteile aus Glas. Durch die Qualifizierung der gesamten Wertschöpfungskette des Präzisionsblankpressens kann sich Deutschland als konkurrenzfähiger Produktionsstandort für komplexe optische Komponenten im Weltmarkt platzieren. Nur durch eine entscheidende Weiterentwicklung der beschriebenen Prozessschritte und ihre Integration für Hochlohnländer lässt sich der Markt für gepresste Glasoptiken effizient erschließen. Das hohe Potenzial, das in den Anwendungen solcher Optiken ruht, untermauerte daher den Nutzen des Forschungsprojekts »3DOptics«.
Projektziele und Lösungsansatz
Übergeordnetes Ziel des Vorhabens »3DOptics« war, die gesamte Wertschöpfungskette zur Herstellung von Mikrooptiken – vom Optikdesign über den Werkzeugbau inklusive Materialaufbereitung und Schichtentwicklung bis hin zur Abformung und anschließenden optischen Qualifizierung – zu etablieren. Besonderes Augenmerk galt dabei den Schnittstellen zwischen den einzelnen Gliedern der Wertschöpfungskette.
Das Vorhaben unterstützt eine wirtschaftliche Fertigung von Mikrooptiken in großen Stückzahlen in Deutschland , um die Märkte der Wachstumsbranchen Medizintechnik, Lasertechnik, Kommunikationstechnik, aber auch etablierter Brachen wie der Automobilindustrie bedienen zu können. Im Mittelpunkt des Projekts stand die Technologie des Präzisionsblankpressens. Mit diesem Verfahren lassen sich anspruchsvolle 3D-Geometrien – stark gekrümmte, solche mit großer numerischer Apertur oder Freiformflächen – prozesssicher und mit höchsten Formgenauigkeiten herstellen. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum hochpräzisen Werkzeugbau entlang der gesamten Wertschöpfungskette – vom CAD/CAM über die Substratherstellung, Bearbeitung und Beschichtung bis zur Standardisierung der Werkzeugkomponenten. Dabei galt es, die für das Präzisionsblankpressen erforderliche und bisher in Deutschland fehlende Zuliefererstruktur zu qualifizieren. Indem sich eine Zuliefererkette für die Fertigung ultrapräzise gefertigter Formeinsätze und Werkzeuge etabliert, vollzieht sich der entscheidende Schritt zur Verbreitung des Präzisionsblankpressens in Deutschland. Dadurch ergeben sich unmittelbare Verwertungsmöglichkeiten und ein klarer Wettbewerbsvorteil gegenüber der europäischen und vor allem asiatischen Konkurrenz.
Grundlage der Arbeiten in diesem Verbundprojekt war ein integrierter und ganzheitlicher Lösungsansatz, der sich aus den betrachteten Produkten und dem daraus abgeleiteten Produktionskonzept ergab: Ganzheitlich, da er alle relevanten Elemente der Wertschöpfungskette »Optikdesign – Werkzeugbau inklusive Substratherstellung, Bearbeitung und Beschichtung – Optikfertigung inkl. Präzisionsblankpressen und Glasentwicklung – Optikqualifizierung« berücksichtigt. Integriert, da er vor allem deren Wechselwirkungen untereinander und die durchgängige Darstellung der zugehörigen »CAx-Datenkette« einbezieht.
3DOptics – Integrativer und ganzheitlicher Lösungsansatz
Stärken der deutschen Wettbewerbsposition im weltweiten Optikmarkt
Eine erfolgreiche Durchführung des Projekts kann die deutsche Wettbewerbsposition im weltweiten Optikmarkt deutlich stärken. Den beteiligten Unternehmen, vor allem den kleinen und mittleren, bietet sich die Chance, als »Key Player« innerhalb der modernen Wertschöpfungskette zur replikativen Fertigung komplexer Optiken aufzutreten. Die bereits vorhandene Infrastruktur des Hochlohnstandortes Deutschland und die enge Kooperation zwischen Forschung und industrieller Anwendung verbessern durch Innovation und technologische Differenzierung auch nachhaltig die Position der teilnehmenden Unternehmen und schaffen damit neue Arbeitsplätze in Deutschland.
