16.06.2010 VDI Technologiezentrum GmbH
Denkt man an das Wort „Optik“, so gehören hochwertige optische Geräte wie etwa Ferngläser, Mikroskope oder Kameraobjektive mit zu den häufigsten Assoziationen, wenn es um „Qualität made in Germany“ geht. Während die klassischen Optiken abbildender Systeme modular aus einzelnen Linsen verschiedener Brennweite mit kugelförmiger (= sphärischer) Oberfläche aufgebaut werden, zeichnet sich in den letzten Jahren immer deutlicher ein Wechsel hin zu maßgeschneiderten Einzelkomponenten mit Freiformoberflächen ab, die speziell auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sind. Neben einer enormen Qualitätssteigerung der optischen Abbildung werden optische Systeme zudem wesentlich kompakter und leichter. Ein prominentes Beispiel solcher Optiken der nächsten Generation findet man in den ultrakompakten Kameras, die heute in nahezu jedem Mobiltelefon verbaut sind.
Zusätzlich zu den auf Brechung oder Reflexion von Licht basierenden optischen Komponenten sind nunmehr auch solche verfügbar, deren Funktionsprinzip auf einer Beugung des Lichts beruht, so genannte diffraktive optische Elemente (DOE).
In der ersten Jahreshälfte des vergangenen Jahres hat das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) die Förderinitiative „Freiformoptiken“ ausgerufen, um die traditionelle Stärke deutscher Unternehmen bei der Fertigung hochwertiger, innovativer Optiken in die nächste Generation zu überführen. Insgesamt elf Forschungsverbünde sind aus der Initiative hervor gegangen, von denen die ersten sechs Verbünde nun gestartet sind. Für die Umsetzung ihrer Projekte werden die sechs Forschungsverbünde vom BMBF mit insgesamt 14,4 Millionen Euro unterstützt. Die Verbundprojekte, Zusammenschlüsse von namhaften Unternehmen und Instituten sowie hoch spezialisierten Klein- und Mittelständischen Unternehmen (KMU) zu einem gemeinsamen Forschungsthema, laufen über einen Zeitraum von jeweils drei Jahren.
Die neuen Optiken finden breite Anwendung in unterschiedlichen Bereichen wie Medizintechnik, Konsumerelektronik, Beleuchtung, Automotive, Sicherheitstechnik, Materialbearbeitung sowie im Maschinen- und Anlagenbau.
Verbundprojekt Autolight und LEDO - Innovative Optik für neue LED-Scheinwerfer
LEDs halten zunehmend Einzug in den Automobilsektor. Während Bremsleuchten und in den letzten Jahren auch das Tagfahrlicht auf LED-Basis bereits auf dem Großserienmarkt verfügbar sind, werden infolge des hohen Fertigungsaufwands LED-Hauptscheinwerfer, die eine hohe optische Präzision erfordern, für das Abblend- und Fernlicht lediglich in wenigen Fahrzeugen im Hochpreissegment mit geringen Stückzahlen bei hohen Fertigungskosten hergestellt.
Mit den Verbundprojekten „Autolight“ und „LEDO“ stellen sich gleich zwei industriegeführte Verbünde mit unterschiedlichen Lösungsansätzen der Herausforderung, hochpräzise Spritzgussteile für LED-Optiken in Automobilscheinwerfern kostengünstig für den stückzahlstarken Bereich der Klein- und Mittelklasseautos zu realisieren. Die speziellen Kunststoffoptiken für LED-Automobilscheinwerfer werden durch ein Optikdesign auf der Basis von Freiformflächen dünnwandiger. Gleichzeitig solle die angestrebte Innovation im Spritzgussprozess eine höhere Präzision und eine wirtschaftlichere Fertigung erlauben. Neben den gestalterischen Freiheiten beim Scheinwerferdesign und einem geringeren Stromverbrauch bieten die neuen LED-Optiken deutliche funktionale Vorteile beim Einsatz für Abblend- und Fernlicht. Beispielsweise kann ein adaptierbares Fernlicht realisiert werden, dessen Lichtkegel sich stets an die Fahrbahn- und Verkehrsverhältnisse anpasst, so dass eine Blendung des Gegenverkehrs vermieden wird.
Im Rahmen des vom BMBF geförderten Vorhabens „AutoLight“ haben sich die Partner Hella, Bayer MaterialScience, Innolite und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik zusammengeschlossen, um hochintegrierte, multifunktionale und dünnwandige Freiformflächen-Optiken sowie innovative Spritzgussprozesse zu realisieren.
Der Lösungsansatz des BMBF-Verbundprojekts „LEDO“ besteht in der Erarbeitung technologischer Grundlagen zur Erstellung einer durchgehenden Prozesskette für ein variothermes Spritzgießverfahren für LED-Optiken. Die Projektpartner Automotive Lighting Reutlingen GmbH, FWB Kunststofftechnik GmbH, Kugler GmbH Feinmechanik + Optik, GWK Gesellschaft Wärme Kältetechnik mbH, Fraunhofer Institut für Werkstoffmechanik IWM und die KraussMaffei Technologies GmbH tragen jeder in ihren Teilvorhaben zum Gesamtergebnis des Verbundprojekts „LEDO - Verfahrensentwicklung zur kostengünstigen Erzeugung hochwertiger LED-Optiken für den Automobilbereich“ bei.
Die beiden Verbundprojekte werden vom BMBF mit insgesamt 2,9 Millionen Euro gefördert.
Verbundprojekt DesiChain - Bindeglied für eine komplette Technologiekette
Zielsetzung des Projekts ist die Erstellung einer ganzheitlichen, integralen und breitenwirksamen Technologiekette zur Fertigung komplexer optischer Freiformflächen. Am Beginn dieser Kette steht ein neuer Ansatz für das Design von Freiformflächen. In dem Forschungsprojekt soll eine automatisierte Fertigung anstelle der üblicherweise hoch-manuellen Fertigung, insbesondere von hochkomplexen Freiformflächen, ermöglicht werden. Die Technologiekette wird im Vorhaben zur Herstellung der Optikkomponenten eines Head-Up-Displays, sowie einer Vorsatzlinse für einen LED-Scheinwerfer verwendet. Praktisch nutzbar sein wird die Technologie später für eine Vielzahl von Anwendungen, wie beispielsweise anamorphotische (entzerrende) Optiken, Weitwinkelobjektiven, Laserstrahlformungsoptiken, Beleuchtungsoptiken etc.
Für die Herstellung kleiner bis hoher Stückzahlen von maßgeschneiderten Freiformoptiken wird ein neues Maschinenkonzept auf Basis einer automatisierten und integrierten Ultrapräzisionsbearbeitung entwickelt. Zum einen soll dann eine Echtzeit-Kompensation von Restfehlern bei der Werkzeugführung mit Nanometer-Genauigkeit erfolgen, was eine signifikante Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit ermöglichen wird. Zum anderen wird die Maschine soll sowohl polierte, als auch raue Oberflächen mit hoher Genauigkeit während des Prozesses an Ort und Stelle charakterisieren können. Dadurch entfällt insbesondere das aufwändige Aus- und Wiedereinspannen des Werkstückes, das bei der heute üblichen externen Vermessung zwingend erforderlich ist. Hierdurch kann auch das Risiko eines kostenintensiven Werkstückverlusts signifikant minimiert werden.
Die Verbundpartner OEC AG, Robert Bosch GmbH und ViaOptic GmbH des Forschungsprojekts „Design Chain“ werden vom BMBF mit 1,5 Millionen Euro gefördert.
Verbundprojekt Free - Hochpräzise Freiformoptik für einen breiten Markt
Die fünf Unternehmen und Institute des Forschungsverbundes „Free“ haben sich zum Ziel gesetzt, eine vollständige Technologieplattform für die Herstellung von Freiformoptiken, Mikrooptiken, DOE und deren Hybride zu erstellen. Dabei sollen unterschiedliche, aber repräsentative Anwendungen bei Nutzung verschiedener Herstellungsverfahren und Materialien entsprechend der jeweils geforderten Genauigkeiten bzw. Abbildungseigenschaften der Freiformoptiken demonstriert werden. Unter der ökonomischen Zielvorgabe günstigerer Herstellungskosten soll eine hohe Qualität der optischen Elemente und Systeme erreicht werden, so dass bisher nur als Einzelstück oder Kleinstserie mit großem Aufwand produzierbare Komponenten und Systeme für einen umfangreichen Markt verfügbar werden. Soll eine wirtschaftliche Fertigung möglich werden, muss jedoch nahezu die komplette Technologiekette beginnend beim Optikdesign über flexible, hochgenaue mikro- und makroskopische Herstellverfahren bis hin zu Methoden zur zielgerichteten Montage und Justage neu definiert werden. Die Montage von Freiformsystemen soll auf Basis von neuartigen Justagestrategien, Justagesimulation, sowie entsprechender Mess- und Montageplätze erfolgen. Die Optikkomponenten kommen bei verschiedenen Anwendungen wie etwa einem Head Up Display für die Verwendung im Automobil zum Einsatz.
Das BMBF unterstützt die Projektpartner des Forschungsverbundes „Free“ zur Freiform-Präzisionsoptik (Zeiss AG, Jenoptik Polymer Systems, OptoTech Optikmaschinen GmbH, Linos Photonics GmbH und Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik) mit knapp 5,6 Millionen Euro.
Verbundprojekt Freelas - 10.000 kostengünstige Laserdioden auf einen Streich
Das im April 2010 gestartete Forschungsprojekt Freelas hat zur Zielsetzung, heutige Diodenlasersysteme durch die Verbindung von Diodenlaser und Mikrooptik auf Waferebene radikal zu vereinfachen. Erstes Anwendungsgebiet soll hierbei die Druckindustrie sein.
Vertikal emittierende Laserdioden, so genannte VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), zeichnen sich durch eine besonders einfache Herstellung auf Basis von „Gallium-Arsenid Wafern“ aus. Solche Laserdioden befinden sich heute beispielsweise in nahezu jeder optischen Computermaus. Dank des runden Laserstrahls, der senkrecht zur Waferebene abgestrahlt wird, ist es möglich, einen kompletten Wafer mit einem Glaswafer zu verbinden, in den die erforderlichen optische Mikrostrukturen für eine Formung das Strahls eingepresst sind. Bei freier Formgebung dieser Mikrolinsen lässt sich die abgestrahlte Leistung räumlich so verteilen, wie es für eine bestimmte Anwendung ideal ist. Während heute in kostenintensiven Einzelprozessen Linsen vor jedem einzelnen Laser justiert werden müssen, können zukünftig mehr als 10.000 Laser in einem Fertigungsschritt hergestellt werden. Die damit ermöglichte Kostensenkung wird neue Anwendungsfelder für Laser erschließen.
Der industriegeführte Verbund „Freelas“ wird vom BMBF mit knapp 2,1 Millionen Euro unterstützt. Die Firma Philips übernimmt die Rolle des Verbundkoordinators und bringt die notwendige VCSEL Technologie ein. Das Fraunhofer Institut für Lasertechnologie trägt mit Konzepten und Software zum optischen Design bei. Die Firma Ingeneric ist für blankgepresste Optiken verantwortlich während die Firma Trioptics mit neuartigen Messverfahren zum Verbund beiträgt. Die Firma Heidelberger Druckmaschinen erprobt die neuen Komponenten in Bebilderungsanwendungen.
Verbundprojekt Kompass - Kombinierte Freiformen aus Glas für Beleuchtungsoptiken
Der Forschungsverbund „Kompass“ konzentriert sich auf die Herstellung von kombinierten Freiformkomponenten. In dem Projekt sollen beispielhaft drei unterschiedliche Kombinationen, den optischen Funktionen entsprechend, demonstriert werden. Dabei wird eine refraktive Komponente mit einem Mikrolinsenarray, einem diffraktiven optischen Element und einer weiteren Freiformoberfläche kombiniert. Der dritte Demonstrator verbindet also beispielsweise zwei verschiedene Freiformflächen zu einer Primäroptik für Automobilscheinwerfer mit dem Ziel einer gleichmäßigen Ausleuchtung bei kontraststarker Hell-Dunkel-Kantenformung.
Die im Vorhaben gewählte Herstellungsmethode der hybriden Freiformkomponenten ist das Blankpressen. Bei diesem Verfahren werden optische Glaselemente wie Linsen und Spiegel mit einem speziellem Verfahren gepresst, so dass die optischen Flächen nicht nachbearbeitet werden müssen. Der wesentliche Fortschritt besteht darin, unter Verwendung des Blankpressens Genauigkeiten zu erreichen, die bislang nur mit weit aufwändigeren - und daher in der Praxis aus Kostengründen nicht einsetzbaren - Fertigungsmethoden erreichbar waren. Konkret soll für das Blankpressen im Vorhaben eine Steigerung der Genauigkeit um den Faktor 10 erzielt werden.
Die Verbundpartner Docter Optics GmbH, FRT Fries Research & Technology GmbH, Ingeneric GmbH, LIMO Lissotschenko Mikrooptik GmbH und das Fraunhofer IOF Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik, werden für ihr Projekt vom BMBF mit 2,3 Millionen Euro gefördert.
Weitere Informationen
