Schnelles Heißprägeverfahren für hochwertige mikrooptische Komponenten

Für die Produktion von hochwertigen optischen Komponenten aus Glas (asphärische Linsen) wurden Grundlagen einer neuen Prozess- und Anlagentechnik entwickelt, mit der langzeitstabile Optikkomponenten mit komplexen optischen Wirkflächen in hoher Qualität zu geringen Stückkosten hergestellt werden können. Zur Umsetzung in die Anwendung wurden im Verbundprojekt technologische Lösungen für alle erforderlichen Schritte einer durchgängigen Prozesskette erarbeitet: Konditionierung und Handling der Glasrohlinge, Präzisionsbearbeitung von Formwerkzeugen aus Hartmetall, Herstellung und Qualifizierung von Formenbeschichtungen. Bisher verfügbare Produktionstechniken verursachen entweder sehr hohe Stückkosten oder erreichen nicht die notwendige optische Präzision für die adressierten Anwendungen. Mit der neuen Prozesstechnik werden Optikkomponenten beidseitig in einem replizierenden Heißformgebungsverfahren bei kurzen Prozesszeiten in hoher Konturgenauigkeit und Oberflächenqualität geformt. Die Prozesszeiten betragen weniger als 2 Minuten und damit weniger als 20 % der Prozessdauer der bekannten Präzisions-Blankpressverfahren. Kurze Zykluszeiten werden in dem neuen Prozess dadurch erreicht, dass die Glasrohlinge heiß in die Pressform eingebracht werden, und die Formgebung unter nicht-isothermen Bedingungen erfolgt, bei denen das Glas heißer ist als das Formwerkzeug. Hohe Konturgenauigkeiten werden durch genau reproduzierbare Prozessführung und den Einsatz von Formwerkzeugen mit vorausberechneten Konturen erreicht. Die erforderlichen Formwerkzeugkonturen werden aus der numerischen Simulation des temperatur- und zeitabhängigen Materialverhaltens der jeweils eingesetzten Glassorte berechnet. Im Testbetrieb der Versuchsanlage wurden Demonstrator-Komponenten von 6 mm bis 14 mm Durchmesser aus verschiedenen optischen Glasarten (low Tg-Gläser) hergestellt, und die Qualität der gepressten Linsen sowie Reproduzierbarkeit und Wirtschaftlichkeit des Verfahrens nachgewiesen. Anwendungen der mit diesem Verfahren hergestellten Optikkomponenten aus Glas liegen in den Bereichen optische Sensortechnik, Laserstrahlformung, Informationstechnik, Bildübertragung, u.v.a.m.

A novel glass molding process technology for the production of high quality glass optical components with complex surface figure (e.g. aspherical lenses) at low costs was investigated, and the basic setup for a respective glass molding machine technology was developed. All essential technological steps of a continuous process chain for application of the novel glass precision molding technology were investigated in this joint research project: conditioning and handling of glass preforms, precision machining of molding dies from cemented tungsten carbide, deposition and qualification of thin film tool coatings. Presently available technologies for the fabrication of high precision optical lenses of inorganic glasses either cause high production costs or yield insufficient optical precision for the addressed applications. With this novel glass molding technology, finished optical components are produced by a hot embossing process which yields high surface figure accuracy and high surface quality at short process cycle duration. Cycle duration of this process amounts to less than 2 min which is shorter by a factor 5 than conventional glass precision molding processes. Short cycle duration is achieved by loading preheated glass preforms to the molding die, and conducting the molding step at non-isothermal conditions with the glass preform at higher initial temperature than the molding die. High surface figure accuracy of the molded components is achieved by precise process control and the use of molding dies with appropriately designed surface figure. Surface figure of the dies is calculated from numerical simulation of the time-temperature material behavior of the type of optical glass to be molded. During test runs, demonstrator lenses with diameters ranging from 6 mm to 14 mm from various low Tg glasses were manufactured to prove the quality of the molded lenses as well as the reliability and cost efficiency of the molding process. Principal applications of optical components from this manufacturing process are expected in the fields of optical sensors, laser beam shaping, information technology, image transmission, etc.