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Hightech-Optik aus Kunststoff

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17.10.2017

Unter dem Motto "Kunststoffoptik aus Aachen" präsentieren Forscher auf der Fakuma aktuelle Ergebnisse aus dem Forschungs- und Entwicklungsfeld "Optik". Herzstück ist die Herstellung von mikrostrukturierten Linsen aus Flüssigsiliconkautschuk (LSR). Über die Besonderheiten dieses Materials sprach DIE MESSE mit Malte Röbig, Experte für optische Komponenten am IKV.

 - Spritzgegossene Kunststoffoptik mit Mikrostrukturen
© Fraunhofer ILT
Spritzgegossene Kunststoffoptik mit Mikrostrukturen

Herr Röbig, das Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) stellt zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT auf der Fakuma in Halle B4 am Stand 4404 mikrostrukturierte Linsen aus Flüssigsilikonkautschuk (LSR) vor. Was ist das Besondere an diesem Material?
Materialentwicklungen haben erst in den letzten Jahren zu hochtransparenten Flüssigsilikonkautschuken (LSR) geführt. LSR ist im Spritzgießverfahren verarbeitbar, sodass sich hinsichtlich der Designfreiheit und Wirtschaftlichkeit mindestens die gleichen Vorteile wie bei thermoplastischen Werkstoffen ergeben. Die Verarbeitungseigenschaften von Flüssigsilikonkautschuk (LSR) unterscheiden sich jedoch deutlich von denen thermoplastischer Werkstoffe. Im Gegensatz zu Thermoplastformmassen liegt LSR als Zwei-Komponenten-System vor und härtet nach einer Mischung durch eine in der Regel thermisch aktivierte Vernetzungsreaktion im Werkzeug aus. Filigrane Elemente, wie Mikrostrukturen, können aufgrund der niedrigen Verarbeitungsviskosität direkt im Spritzgießprozess mit hoher Genauigkeit abgeformt werden. Mit thermoplastischen Werkstoffen ist hingegen eine Abformung von Mikrostrukturen häufig nur mit einer aufwendigen dynamischen Werkzeugtemperierung möglich. Bei Werkzeugtemperaturen von 150 °C oder mehr expandiert das LSR gleichmäßig. Gepaart mit einer Kaltkanaltechnolgie können komplexe Bauteile mit Wanddickensprüngen nahezu eigenspannungs- und einfallstellenfrei hergestellt werden. Insbesondere für optische Bauteile sind diese Vorteile essenziell.

 - Malte Röbig, Gruppenleiter Verfahrenstechnik, Optische Komponenten, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen
© IKV
Malte Röbig, Gruppenleiter Verfahrenstechnik, Optische Komponenten, Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) in Industrie und Handwerk an der RWTH Aachen

Für welche Einsatzzwecke ist Flüssigsilikonkautschuk besonders interessant?
Es existieren bereits zahlreiche Anwendungen aus optischem LSR, bei denen die Eigenschaften von LSR gezielt genutzt werden. Vorteile besitzen optische LSR-Typen beispielsweise aufgrund ihrer hohen Beständigkeit gegenüber Temperatur- und Umwelteinflüssen. Die hohe Stabilität gegenüber UV- und Blaulicht machen den Werkstoff für Primär- und Sekundärlinsen in LED-Beleuchtungsanwendungen besonders interessant.Den hohen mechanischen, thermischen und optischen Anforderungen in der Nähe des Halbleiterchips können thermoplastische Kunststoffe aber auch aber auch Harzsysteme wie Epoxidharznicht genügen.

Welche neuen Designkonzepte lassen sich damit umsetzen?
Im Gegensatz zu optischen Thermoplasten und Gläsern sind Flüssigsilikonkautschuke hochflexibel. Damit können neuartige Designkonzepte realisiert werden, welche die Flexibilität der Optiken gezielt ausnutzen. Es werden Ansätze verfolgt, durch eine definierte Verformung optischer Elemente aus LSR unterschiedliche Lichtverteilungen zu erzeugen. Die Flexibilität und Elastizität des Materials ermöglicht auch eine Entformung von leichten Hinterschnitten.
Darüber hinaus können auch starke Wanddickensprünge problemlos realisiert werden. So können mit LSR optimierte Linsendesigns rea­lisiert werden, welche mit konventionellen Werkstoffen nicht oder nur mit großem Aufwand möglich sind.

Welche weiteren neuen Entwicklungen zum Spritzgießen optischer Komponenten zeigen Sie in Friedrichshafen?
Neben dem Einsatz von Flüssigsilikonen wird auch die Spritzgießverarbeitung thermoplastischer Werkstoffe thematisiert. Dazu zählt beispielsweise das Multilayer-Verfahren, bei welchem eine dickwandige thermoplastische Optik in mehreren Schichten im Spritzgießverfahren hergestellt wird. Da die Kühlzeit bei spritzgegossenen Kunststoffbauteilen quadratisch mit der Wanddicke zunimmt, ist dabei die Summe der Kühlzeiten der einzelnen Schichten geringer als die Kühlzeit bei konventionell einschichtig hergestellten Optiken. Die Wirtschaftlichkeit kann folglich durch einen mehrschichtigen Aufbau deutlich gesteigert werden kann. Weitere Vorteile sind ein geringeres Schwindungspoten­zial der einzelnen Schichten sowie eine geringere Verweilzeit in der Plastifiziereinheit. Am IKV wurden im Rahmen eines kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekts die Schichtdickenverteilung und die Werkzeugtemperierung optimiert, um die Wirtschaftlichkeit und Qualität der mehrschichtigen Linsen weiter zu steigern.

Welchen Stellenwert hat die Fakuma für Ihr Institut und für die Kunststoff-Branche insgesamt?
Angefangen vom Materialhersteller über Hersteller von Spritzgießmaschinen und Peripheriegeräten bis hin zu Werkzeugbauern und Verarbeitern ist die gesamte Wertschöpfungskette auf der Fakumavertreten. Das IKV befasst sich seit Jahrzehnten mit der grundlagen- und anwendungsorien­tierten Forschung im Bereich des Spritzgießens, der Spritzgießwerkzeugtechnik und der Spritzgießsonderverfahren. Für das IKV besitzt die Messe daher einen überaus hohen Stellenwert. In einer vergleichsweise familiären Atmosphäre bietet die Fakuma einen Spritzgießbranchentreffzur fachlichen Diskussion über zukunftsträchtige Technologien.
Nicht zuletzt aufgrund der örtlichen Nähe zu Österreich, der Schweiz und Italien wird die Messe immer attraktiver für ein internationales Publikum. Insbesondere für Unternehmen der Spritzgießbranche ist die Fakuma eine der weltweit führenden Messen und stellt einen wichtigen Anlaufpunkt dar.