3D-Druck: Serienproduktion von Mikro-Optiken

Ultrapräziser 3D-Druck ermöglicht die Serienproduktion von Mikro-Optiken: Auf der Messe Photonics West zeigt Nanoscribe erstmals Fertigungsprozesse vom 3D-gedruckten Polymer-Master zum Serienprodukt.

Die neue Generation der Nanoscribe 3D-Drucker – Photonic Professional GT2 – ebnet den Weg für neue Herstellungsprozesse von mikrooptischen Komponenten. Damit können hochpräzise Polymer-Master gedruckt und für die replizierende Fertigung von Mikro-Optiken verwendet werden.

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.

Auf der SPIE Photonics West in San Francisco (USA), der internationalen Leitmesse für Optik und Photonik, präsentiert die Nanoscribe GmbH erstmals die Prozessschritte zur Serienfertigung von Mikrooptiken (Stand 366, South Hall). Ausgangpunkt hierfür 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 Mikro-Optiken um kürzerer Produktionszeiten und reduzierte Kosten.

Serienfertigung im Spritzgussverfahren

3D-gedruckte Polymer-Master eignen sich für gängige industrielle Prozesse der Serienproduktion wie Spritzguss, Heißprägung und Nano-Imprint-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 das 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. Auf der SPIE Photonics West 2019 präsentiert Nanoscribe beide Prozesse zur Serienproduktion von Mikrostrukturen – Spritzguss und UV-Abformung.

Additive Fertigung von Mikro-Optiken

Basierend auf der hochpräzisen Technologie der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) verarbeiten die Nanoscribe 3D-Drucker nahezu beliebige mikro-optische 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 zum Beispiel kompakte refraktive Mikro-Optiken, Retroreflektoren mit scharfen Kanten, Freiform-Optiken 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 sogenannter Multilevel Diffractive Optical Elements (DOE): Mit dem 3D-Druck eines DOE-Masters und der sich anschließenden replizierenden Fertigung entfällt eine Vielzahl von Lithografie-Schritten 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 Femtosekunden-Laser 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 Mikro-Optiken 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.

Bild oben: Im 3D-Druck hergestellter Polymer-Master mit hochpräzisem Mikrolinsen-Array.