15.10.2019

Weniger Fehler in Mikrolinsen

Kompensation optischer Abweichungen mindert Ausschussrate drastisch.

Das enorme Potenzial mikro­optischer Systeme zeigt sich in der Kommunikations­technik und Konsumgüter­industrie, wo Kunststoff­optiken mit nur wenigen Millimetern Durchmesser als Kamera­objektive in Mobil­telefonen eingesetzt werden. Bei der Massen­produktion dieser hochpräzisen Baugruppen stößt die Fertigung heute immer noch an technologische Grenzen: Bei der geforderten hohen Präzision liegt die Ausschussrate in der Herstellung solcher Systeme oft bei bis zu vierzig Prozent. Das Fraunhofer-Institut für Produktions­technologie IPT in Aachen hat gemeinsam mit seinen Projektpartnern Innolite GmbH und Polyoptics GmbH nun einen neuen Produktionsansatz entwickelt, um die Mikro­optik-Systeme aus mehreren einzelnen Linsen mit verschiedenen Brenn­weiten modular aufzubauen. Dadurch werden optische Abweichungen kompensiert und die Ausschussrate auf einen niedrigen einstelligen Prozent­bereich minimiert.

Abb.: Serien­produktion von Mikro­linsen: Form­einsatz für Spritzguss und...
Abb.: Serien­produktion von Mikro­linsen: Form­einsatz für Spritzguss und abge­formte Linse mit Anguss. (Bild: Fh.-IPT)

Bei optischen Systemen führen bereits kleine Formabweichungen zu starken funktionalen Abweichungen. Dieser Effekt wird umso deutlicher, je kleiner die Optik ist. Für die Produktfunktion mikro­optischer Systeme ist deshalb eine hochpräzise Fertigung der Einzel­komponenten sowie exakte Ausrichtung und Fixierung unerlässlich – häufig mit einer Genauigkeit von wenigen Mikrometern oder wenigen Mikroradiant. Bei einer Massen­produktion steigt hier schnell der Investitions­aufwand und lässt sich auch durch Minimierung der Fertigungs­kosten – häufig durch die Produktion in Niedriglohnländern – nur schwer ausgleichen. Genau an dieser Stelle setzt das Forschungs­projekt „HiTecMass“ an.

Im Projekt wurde eine effiziente Wertschöpfungs­kette entwickelt, die kosten­günstige Herstellungs­verfahren für Mikrooptiken mit sensor­integrierten intelligenten Montage­verfahren kombiniert. Dazu setzt das Konsortium unter anderem auf ein serien­taugliches Werkzeug­konzept für den Spritzguss, mit dem sich die Kunststoff­linsen mit höchster Qualität produzieren lassen. Eine der Herstellung direkt nachge­lagerte messtechnische Charak­terisierung der indi­viduellen Mikrooptiken und die Weitergabe der Informationen an die Montage­linie schafft die Voraussetzungen für die massen­taugliche Montage des Gesamtsystems unter höchsten Toleranz­anforderungen. Mithilfe eines „Tolerance-Matching-Verfahrens“ können geeignete Linsen so miteinander kombiniert werden, dass sich die Toleranz­abweichungen der Einzeloptiken, die durch den Spritzgieß­prozess entstehen, wechsel­seitig kompensieren.

Durch das neue Fertigungs­konzept lässt sich nicht nur die Produktqualität verbessen, sondern auch die Ausschuss­rate senken. Gleichzeitig sinkt der Investitions­aufwand für die Fertigung mikrooptischer Systeme, sodass ihre Produktion nicht mehr in Niedrig­lohnländer ausgelagert werden muss und hiesige Produktions­standorte für hochwertige und hochpräzise mikro­optische Systeme gestärkt werden können.

Fh.-IPT / JOL

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