Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »HiTecMass«
Das enorme Potenzial mikrooptischer Systeme zeigt sich bereits heute in der Kommunikationstechnik und Konsumgüterindustrie, wo Kunststoffoptiken mit nur wenigen Millimetern Durchmesser als Kameraobjektive in Mobiltelefonen eingesetzt werden. Um den wachsenden Anforderungen nachzukommen, werden die Mikrooptik-Systeme immer öfter aus mehreren einzelnen Linsen mit verschiedenen Brennweiten modular aufgebaut. Bei der Massenproduktion dieser hochpräzisen Baugruppen stößt die Fertigung heute immer noch an technologische Grenzen. Das interdisziplinäre HiTecMass-Konsortium sah hier die Chance, mit einem neuen Produktionsansatz im Land Nordrhein-Wesfalen einen Produktionsstandort für hochwertige und hochpräzise mikrooptische Systeme zu etablieren.
Spritzgießwerkzeug für hochpräzise Mikrooptiken
Optische Technologien sind elementare Funktionsbausteine in vielen Anwendungsfeldern. Sie sind Innovationstreiber für ein breit gestreutes Spektrum industrieller Produkte – von elektrooptischen Endgeräten der Messtechnik über die Konsumgüterwelt bis hin zur Medizintechnik. Der Trend zur Miniaturisierung zeigt sich in immer kompakteren optischen Bauelementen und Systemen, zum Beispiel als Einweg-Endoskop-Objektive oder innerhalb von Kamerasystemen zur Gesten- oder Iriserkennung.
Für die Produktfunktion innovativer mikrooptischer Systeme ist eine hochpräzise Fertigung der Einzelkomponenten sowie exakte Ausrichtung und Fixierung unerlässlich, häufig mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern, beziehungsweise wenigen Mikroradiant oder genauer. Hinsichtlich einer Massenproduktion steigt hier schnell der Investitionsaufwand und lässt sich auch durch Minimierung der Fertigungskosten – beispielsweise durch die Produktion in Niedriglohnländern – nur schwer ausgleichen. Genau hier setzte das Projekt »HiTecMass« an.
Die wichtigste Innovation bestand in einer effizienten Wertschöpfungsskette, die kostengünstige Herstellungsverfahren für Mikrooptiken mit sensorintegrierten intelligenten Montageverfahren kombiniert – ganz im Sinne der Industrie 4.0. Eine direkt der Herstellung nachgelagerte messtechnische Charakterisierung der individuellen Mikrooptiken und die Weitergabe der Informationen an die Montagelinie ermöglicht die massentaugliche und zugleich höchsten Toleranzforderungen entsprechende Montage des Gesamtsystems. Mithilfe eines Tolerance-Matching-Verfahrens können geeignete Bauteile miteinander kombiniert werden, um die spritzgießtechnisch bedingten Toleranzen der Einzeloptiken wechselseitig zu kompensieren.
Dieses übergeordnete Ziel erforderte eine Vielzahl an Entwicklungsschritten in der Prozesskette:
- Entwicklung eines Tolerance-Matching-Ansatzes für die massentaugliche Montage hochauflösender optischer Systeme auf Basis einer informationstechnisch integrierten Wertschöpfungskette.
- Ergänzung der Fertigung um einen Charakterisierungsschritt für optische Funktionen.
- Zerlegung der Montageaufgabe in Vor- und Endmontage.
- Entwicklung eines adaptiven Werkzeugkonzepts für die Herstellung von Mikrooptiken mit verschiedenen Formen und Dimensionen. Neuland wird vor allem bei der Möglichkeit zur Nachjustierung spezifischer Bauteilgrößen über das in der Spritzgießmaschine eingebaute Werkzeug betreten.
- Herstellung spritzgegossener Mikrooptiken mit höchster Reproduzierbarkeit und hohen Anforderungen an die Maßhaltigkeit.
- Optimierung des Spritzgießprozesses durch Rückführung von Messdaten. Herausfordernd ist hier auch die reproduzierbare, defektfreie Herstellung der Mikrooptiken. Dies umfasst auch eine bauteilgerechte Entformung der Optiken aus dem Spritzgießwerkzeug
Projektkoordination
- Fraunhofer-Institut für Poduktionstechnologie IPT
Projektpartner
- Innolite GmbH
- Polyoptics GmbH
Projektträger
- Projektträger Jülich│ Forschungszentrum Jülich GmbH