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3D-Kunststoffdruck

Linsen aus dem 3D-Drucker

| Autor/ Redakteur: Michael Vogel / Simone Käfer

Inzwischen werden viele Optiken aus Kunststoff gefertigt. Doch additiv gefertigte Kunststofflinsen haben noch den Nachteil, dass sie trüb sind. In Aalen arbeitet man an einem automatisierten Prozess.

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Max Schneckenburger, Masterand Maschinenbau, glättet die Oberfläche einer 3D-gedruckten Kunststoffoptik mit dem Robot-Dip-Coating-Verfahren. Dabei wird die Acrylat-Optik in ein Harzbad getaucht und unter UV-Licht ausgehärtet.
Max Schneckenburger, Masterand Maschinenbau, glättet die Oberfläche einer 3D-gedruckten Kunststoffoptik mit dem Robot-Dip-Coating-Verfahren. Dabei wird die Acrylat-Optik in ein Harzbad getaucht und unter UV-Licht ausgehärtet.
(Bild: © Thomas Klink, Hochschule Aalen)

Brillengläser, Kontaktlinsen, Bewegungsmelder und in der Kamera eines Smartphones: nichts geht mehr ohne Kunststofflinse. Denn Kunststoffoptiken lassen sich günstiger herstellen, ihre Oberflächenform kann komplexer gestaltet werden und das Material ist leichter als Glas. Außerdem muss man eine Kunststofflinse nicht schleifen, sondern kann sie spritzgießen. Aber auch hier gibt es Verbesserungspotenzial. Dieses sieht beispielsweise Prof. Andreas Heinrich von der Hochschule Aalen: „Fertigt man etwa eine Linsenkombination im Spritzguss, so entwickelt man die Optik und ihre mechanische Halterung immer separat. Das kostet Zeit und Bauraum. Zudem lassen sich in so gefertigten Linsen keine Strukturen ins Innere einbringen.“ Der 3D-Druck hebt solche Beschränkungen für die Optik auf. Das Potenzial ist bekannt, auch wenn es bislang nicht viele gibt, die daran forschen. Heinrichs Arbeitsgruppe und das Team seines Kollegen Prof. Rainer Börret gehören zu diesen wenigen.

Von Lichtleiter bis Qualitätssicherung

Die Kunststoffe liegen für den Druck entweder als dünne Fäden vor, die aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen werden, oder als flüssiges Ausgangsprodukt, das Schicht für Schicht mit UV-Licht oder einem Laser gehärtet wird. Als Produkt entsteht dann zum Beispiel eine komplexe 3D-Optik, die als Ausgang eines Lichtleiters dient. Mit ihr lässt sich während der Fertigung die Qualität eines Pumpenbauteils prüfen. „Das Bauteil sieht aus wie ein Turm mit einer Wendeltreppe an seiner Innenwand. Die Form dieser Wendeltreppe möchten wir vermessen“, sagt Heinrich. „Die Steigung der Wendel kann von Bauteil zu Bauteil variieren. Das heißt: Die bei der Qualitätskontrolle zu vermessende Fläche hat überall eine andere Neigung und Krümmung.“ Mit klassischer Messtechnik ist das schwierig zu prüfen – und nicht billig. „Per 3D-Druck dagegen können wir eine preisgünstige Optik fertigen, die dem komplexen Verlauf der Wendel nachempfunden ist“, sagt Heinrich. Die erforderliche Optik erinnert an die Wendel und lässt sich mit konventionellen Verfahren nicht fertigen.

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Einen weiteren Ansatz verfolgen der Physiker und sein Team mit Flüssiglinsen: zwei dünne Membranen, die ein zylinderförmiges Volumen begrenzen. Pumpt man ein optisches Öl in den Hohlraum, lassen sich die Membranen wölben, sodass eine Linse entsteht. Über den Öldruck ist die Brennweite veränderbar. „Per 3D-Druck können wir mechanische Strukturen einbringen, die mit den Membranen verbunden sind – etwa Ringe oder einen dreizackigen Stern –, und so der Linse mehrere Brennweiten aufprägen“, sagt Heinrich. Durch einen Ring im Inneren entstehen zwei ringförmige Linsenbereiche, die verschiedene Brennweiten haben. Der dreizackige Stern erzeugt drei „Tortenstücke“ unterschiedlicher Brennweite. „Interessant sind gedruckte Flüssiglinsen für die Messtechnik oder die optische Inspektion zur Qualitätssicherung, zum Beispiel in der Massenfertigung“, sagt Heinrich.

Ein Roboter für den klaren Blick

Eine Optik aus dem 3D-Drucker ist allerdings nicht so schön durchsichtig, wie man sich das wünscht. Vielmehr müssen die optisch wirksamen Flächen wie bei einer Glaslinse zunächst poliert werden. Hier kommt Rainer Börrets Team ins Spiel, das Verfahren entwickelt, um mit Industrierobotern komplexe Kunststoffoberflächen zu polieren. „Heute geschieht das meist noch von Hand“, berichtet Börret. „Das ist wirtschaftlich nicht sehr attraktiv und geeignetes Personal ist schwer zu finden.“ Doch Börrets Team will bereits den vorherigen Prozess automatisieren: „Wir untersuchen, ob sich mit einem modernen Industrie­roboter, der sich in alle Richtungen bewegen kann, der Druckprozess optimieren lässt.“ Der Druckkopf wäre damit beliebig kippbar, zusätzlich ließe sich die Fläche, auf der die Optik schichtweise entstünde, in den drei Raumachsen bewegen.

Verdeutlichen lässt sich das an einem schichtweise gefertigten, gebogenen Lichtleiter: An jedem Schichtübergang gibt es unvermeidliche Inhomogenitäten, also Unterschiede in den Materialeigenschaften, an denen das Licht gestreut wird. Das ist unerwünscht. Könnte man, so der Gedanke der Aalener Forscher, die zu druckenden Schichten möglichst häufig parallel zum Lichtweg legen, gäbe es weniger Streuung. „Mit einem beliebig schwenkbaren Druckkopf und einem passenden Bahnverlauf beim Drucken ist das möglich, wie wir bereits belegen konnten“, verrät Börret. „Unser Ziel ist aber, eine Oberflächengenauigkeit von einem Mikrometer zu erzielen, sodass wir mit der Genauigkeit im Spritzguss konkurrieren können.“ Rainer Börret und sein Team sind auf dem Weg dorthin.

* Weitere Informationen: Hochschule Aalen – Technik und Wirtschaft in 73430 Aalen, Tel. (0 73 61) 5 76-0, info@hs-aalen.de

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