Konkurrenz für Thermoplaste: Mit einem neuen Verfahren sollen sich hochtransparente optische Elemente aus Silikon additiv fertigen lassen – mit hoher Formgenauigkeit und Oberflächenqualität.
Bislang genügen additive Fertigungsverfahren noch nicht den Bauteiltoleranzen, wie sie für optische Elemente aus konventioneller Fertigung gefordert sind.
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Silikone sind die Ausnahme unter den Polymeren. Wo sich die Riesen- oder Makromoleküle der meisten Polymere aus Kohlenwasserstoffen aufbauen, ist bei den Silikonen Silicium zentraler Bestandteil der Ketten. Die technischen Eigenschaften von Silikonwerkstoffen sind anderen Polymeren oftmals überlegen; zudem lassen sie sich auch in unterschiedlichsten Formen herstellen, beispielsweise als Flüssigkeiten, Fette oder Feststoffe, wie Suranjan Sikdar im Kapitel Reactive Silicones as Multifacetic Materials schreibt. Damit bieten sie das Potenzial, das Feld der Kunststoffe für zusätzliche Anwendungen zu öffnen.
Im Bereich der Optik haben sich Kunststoffe bereits als interessante Materialalternative zu Gläsern etabliert. Im Kapitel Optische Materialien des Buchs Tutorium Optik beschreibt Christoph Gerhard Kunststoffe als leichter, weniger spröde und somit weniger zerbrechlich als Glas. Sie lassen sich einfach formen, etwa in Pressverfahren, und kostengünstig in hohen Stückzahlen fertigen, beispielsweise durch Pressverfahren. Neben der hohen Kratzempfindlichkeit haben optische Elemente aus Kunststoff bislang jedoch einen wesentlichen Nachteil: Sie sind temperaturempfindlicher als Glas. Brechungsindex und plastische Verformbarkeit variieren in einem engen Temperaturbereich.
Silikon ist robuster als Thermoplaste
Vielversprechend ist da der Einsatz von Silikonwerkstoffen, da sie im Vergleich zu thermoplastischen Kunststoffen temperatur-, UV- und witterungsbeständiger sind. Silikone sind bis -60 °C kälteflexibel und widerstehen auch Temperaturen von bis zu 250 °C, kurzzeitig auch bis zu 300 °C. Sie erreichen Transmissionsgrade von über 90 % mit einem Brechungsindex zwischen 1,41 und 1,44, womit sie sich als Werkstoff für transmissive optische Elemente eignen, etwa im Bereich von Einzel- und Kleinserienprodukten im Fahrzeugbau, in der Biomedizin oder für Sensoren und Messtechnik.
Ihr Potenzial könnten Silikonwerkstoffe dabei insbesondere in Verbindung mit der additiven Fertigung ausspielen. Im 3D-Druck lassen sich individualisierte Freiformoptiken in kurzen Prozesszeiten und mit geringen Werkzeugkosten fertigen. Allerdings hat die additive Fertigung von optischen Elementen auch ihre Tücken, wie die Autoren um Tobias Biermann im Artikel Konzepte für die Additive Fertigung optischer Elemente mit hochtransparenten Silikonwerkstoffen des Buchs Konstruktion für die Additive Fertigung 2020 darlegen.
Herausforderung additive Fertigung optischer Elemente
Zwar lassen sich Silikone etwa mittels Material-Jetting oder Foto-Polymerisation additiv verarbeiten, die ISO-Normvorgaben hinsichtlich Brechzahl, Transmissionseigenschaften oder Homogenität von optischen Elementen lassen sich mit additiven Fertigungsverfahren bislang aber nicht erreichen. Ein Grund dafür ist der schichtweise Aufbau, mit dem Krümmungsradien nur eingeschränkt abgebildet werden können. Stattdessen bildet sich an Krümmungen der sogenannte Treppenstufeneffekt. Es stehen also Kanten hervor, die bei den nachgiebigen Silikonen nachträglich nicht abgetragen werden können. Ähnlich problematisch hinsichtlich der Oberflächeneigenschaften gestaltet sich die Entfernung von Stützstrukturen nach dem Druck. Zudem können die Grenzschichten zwischen den einzelnen Layern die optische Funktion beeinträchtigen; nicht zuletzt, da sie Einschlüsse und Fremdkörper enthalten können.
Fertigung mittels Hexapod und Stützgel
Die Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover haben nun ein Konzept entwickelt, das den hohen Ansprüchen an die optische Bauteilqualität einerseits und an eine flexible Fertigung andererseits genügen soll. Grundlage ist das additive Verfahren Freeform-Reversible-Embedding (FRE). Dabei spritzen die Wissenschaftler einen niedrigviskosen UV-vernetzenden Silikonwerkstoff über ein Nadel in ein Bad aus hydrophilen Carbopol-Gel ein. Eine umlaufende UV-Belichtungseinheit vernetzt das Silikon. Das Gelbad erfüllt dabei mehrere Funktionen: Es stützt das entstehende Silikonelement und lässt sich nach der Fertigung abwaschen. Es sind also keine Stützstrukturen nötig, die aufwendig mechanisch entfernt werden müssten. Zudem schützt das Gel vor ungewollten Einschlüssen im Bauteil.
Non-planares Slicing erzeugt hohe Oberflächengüten und der innerer Schichtenaufbau lässt sich je nach optisch gewünschten Eigenschaften einstellen
Leibniz Universität Hannover
Ein wichtiges Kriterium für das Anlagenkonzept ist weiterhin, dass es das sogenannte non-planare Slicing unterstützt. Damit wird das konstruierte Bauteil für die Fertigung nicht mehr in die bei additiven Verfahren sonst üblichen horizontale Schichten entlang der Z-Achse zerlegt, sondern es kann unabhängig von der X-Y-Ebene geschichtet werden. Dadurch verbessern sich die Oberflächenqualität und die optischen Eigenschaften des inneren Aufbaus. Für höchste Flexibiliät beim Aufbau verwenden die Wissenschaftler eine Hexapod-Kinemaik, an die der Dispenser mit angeschlossener Auftragsnadel montiert ist. So kann der Auftragsrichtung entlang von sechs Freiheitsgraden ausgerichtet werden.
In weiteren Arbeiten untersuchen die Wissenschaftler unter anderem die genauen Vernetzungsbedingungen des Silikons, die erzielbare Oberflächenqualität und wie sich das non-planare Slicing mittels Software anhand von strahlenoptischen Simulationen steuern lässt.