Ultrapräziser 3D-Druck
für Mikrooptiken

Kleine Optiken mit submikrometergenauen Details werden beispielweise in mobilen und Augmented-Reality-Anwendungen sowie in der Sensorik und Automobilindustrie benötigt. Auch hochspezialisierte Lösungen für die Medizintechnik können damit entwickelt werden.

Ausgangspunkt für die Prozessschritte zur Serienfertigung von Mikrooptiken ist eine 3D-gedruckte Polymer-Struktur als Master. Aufgrund der hohen Anforderungen an Formgenauigkeit und Oberflächengüte ist die Fertigung von Mikrooptiken besonders anspruchsvoll. Mit herkömmlichen Fertigungsmethoden sind innovative mikrooptische Designs oft nicht realisierbar. Zudem geht es auch bei der Fertigung von Mikrooptiken um kürzere Produktionszeiten und reduzierte Kosten.

Serienfertigung im Spritzgussverfahren

3D-gedruckte Polymer-Master eignen sich für gängige industrielle Prozesse der Serienproduktion wie Spritzguss, Heißprägung und Nanoimprint-Lithografie. So wird beispielsweise der Master eines Mikrolinsen-Arrays durch Galvanoformung in einen Nickel-Shim abgeformt. In diese Spritzgussform wird ein thermoplastisches Polymer eingespritzt, beispielsweise PMMA (Polymethylmethacrylat) oder PC (Polycarbonat). Innerhalb von Sekunden kühlt der geschmolzene Thermoplast ab und verfestigt sich, wodurch in kurzer Zeit viele Duplikate mit Submikrometerpräzision entstehen. Dieser Standardprozess verkürzt die Produktionszeit und die Stückkosten für Produkte, die in großen Stückzahlen benötigt werden. Eine alternative Methode zur Serienfertigung ist die Replikation eines lichtempfindlichen Materials mit Negativstempeln aus PDMS (Polydimethylsiloxan) durch UV-Abformung.

Additive Fertigung von Mikrooptiken

Basierend auf der hochpräzisen Technologie der Zwei-Photonen-Polymerisation verarbeiten die Nanoscribe-3D-Drucker nahezu beliebige mikrooptische Designs, um daraus funktionale Objekte mit submikrometerfeinen Strukturen entstehen zu lassen. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden, wie der Graustufen-Lithografie, thermischen Verfahren (Reflow) oder dem Diamantfräsen, bietet die 2PP-Technologie eine enorme Designfreiheit kombiniert mit einem stabilen chemischen Prozess.

Dies ermöglicht es, nahezu beliebige konkave oder konvexe Topographien zu erzeugen wie kompakte refraktive Mikrooptiken, Retroreflektoren mit scharfen Kanten, Freiformoptiken oder Verbundlinsensysteme, die aus zwei oder mehr gestapelten Linsen bestehen. Die direkte Umsetzung eines CAD-Modells in ein fertiges 3D-gedrucktes Objekt erleichtert die schnelle Optimierung von Designs und verkürzt somit die Iterationszyklen.

Von dem direkten Druckverfahren profitiert außerdem die Fabrikation so genannter Multilevel Diffractive Optical Elements (DOE): Mit dem 3D-Druck eines DOE-Masters und der sich anschließenden replizierenden Fertigung entfällt eine Vielzahl von Lithografieschritten und die dafür jeweils notwendigen Masken. Das spart Zeit und Kosten.

Nanoscribes Drucktechnologie beruht auf dem Zusammenspiel von hochpräzisem 3D-Druck, einer eigens entwickelten Software für die Drucksteuerung mit anwendungsspezifisch optimierten Parametern sowie maßgeschneiderten Fotolacken. Im 3D-Drucker Photonic Professional GT2 kommt ein Femtosekundenlaser zum Einsatz, der lichtempfindliches Druckmaterial ausschließlich im engsten Fokuspunkt belichtet.

Der Fotolack wird beim Druck Schicht für Schicht gescannt und punktweise ausgehärtet. Das dreidimensionale Scanraster kann so fein gewählt werden, dass in einem Durchlauf eine Mikrostruktur mit optischer Oberflächenqualität entsteht. Dieser additive Fertigungsprozess ermöglicht die Herstellung von Mikrooptiken mit anspruchsvollen Designs, die bisher mit anderen Technologien nicht realisierbar waren. So können halbkugelförmige und asphärische Mikrolinsen-Arrays mit beliebig kleinen Abständen zwischen den Linsen oder sich überlappende Linsenanordnungen hergestellt werden.

Die gedruckten Strukturen erreichen eine optische Qualität, ihre Oberflächenrauigkeit beträgt nur wenige Nanometer bei einer hohen Formgenauigkeit mit Abweichungen von weniger als einem Mikrometer. Sowohl regelmäßige als auch computergestützt zufällige Linsenanordnungen sind realisierbar und eignen sich zum Beispiel für Beleuchtungsanwendungen, wo es auf eine homogene Lichtverteilung ankommt.