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ZIM-Innovationsnetzwerk CAM-SYS-4.0 „Mikrooptiksysteme aus Kunststoff“

Spritzgegossene Mikrooptiken. (© Fraunhofer IPT)

Das Innovationsnetzwerk CAM-SYS-4.0 hat sich zum Ziel gemacht, den Bedarf an Mikrooptiksystemen aus Kunststoff zu analysieren und hierfür Realisierungswege aufzuzeigen. Die optischen Technologien gelten als Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts.

In vielen Anwendungsbereichen der Photonik wie der optischen Messtechnik, der industriellen Bildverarbeitung, Gesundheit, Umwelt, Verkehr und Beleuchtung sind Kunststoffprodukte und allen voran Linsen aus Kunststoff sehr gefragt: Sie ersetzen gerade bei Massenprodukten wie Leuchten, Sensoren, Displays und Handykameras das vergleichsweise teure Glas. Auch über die bereits etablierten Anwendungen hinaus ist der Einsatz von Kunststoffoptiken attraktiv, denn Kunststoffe haben zahlreiche funktionale, fertigungstechnische und nicht zuletzt wirtschaftliche Stärken:

  • Vergleichsweise einfachere Formteilherstellung durch den Spritzgießprozess
  • Geringeres Gewicht, kleinere Dimensionierung
  • Hohe Funktionalität durch Herstellung kompletter Systeme einschließlich Befestigungselementen in nur einem Arbeitsgang
  • Entfall der Nachbearbeitung durch Schleifen oder Polieren
  • Weitreichende Gestaltungsfreiheit
  • Erhebliche Kostenvorteile gegenüber Glas

Die vielfältigen Möglichkeiten, die diese Technologie hinsichtlich Design, Funktionalität und Ressourceneffizienz bietet, eröffnen den OEMs aus den verschiedensten Branchen neue Anwendungsbereiche.

Die Herausforderungen an Exaktheit und Qualität der Optiksysteme aus Kunststoff sind enorm hoch. Das gesamte Optimierungspotenzial, das den Einsatz von Kunststoffen in den optischen Technologien bietet, lässt sich nur mit einer genauen Kenntnis der Herausforderungen und deren Lösungsmöglichkeiten erschließen.

Die Kunststoffoptiksysteme sind maßgeblich verantwortlich für die spätere Qualität der Kamera und werden im Kunststoffspritzguss gepaart mit aufwendiger Automatisierung hergestellt.

Da es sich meist um Linsengrößen <10mm handelt – ist es sinnvoll, über Mikrospritzguss die Linsen zu fertigen. Der Produktionsprozess muss aufwendig validiert werden, um die Toleranzbereiche der Linsenfertigung so gering wie möglich zu halten. Des Weiteren muss man in der Lage sein, im Bereich weniger Mikrometer, mit höchster Wiederholgenauigkeit zu assemblieren. Nur so kann man eine qualitativ hochwertige und prozessstabile Serienproduktion gewährleisten.

Letztendlich ist ein genaues Wissen über die Performance der Materialien notwendig, um innerhalb einer erfolgreichen Produktentwicklung zwischen den Werkstoffen Kunststoff und/oder Glas entscheiden zu können.

Die Herstellung von miniaturisierten Linsensystemen aus Kunststoff wird vom asiatischen Markt dominiert, kein Hersteller ist in Europa. Marktführer ist ein taiwanesisches Unternehmen, welches ca. 80% Marktanteil im Telekommunikationsbereich besitzt. Das Marktvolumen ist weiterhin steigend.

Das Ziel des ZIM-Innovationsnetzwerks CAM-SYS-4.0 ist es, den erarbeiteten Bedarf an Mikrooptiksystemen aus Kunststoff in Forschungsprojekten weiter zu erarbeiten und Lösungsmöglichkeiten aufzuzeigen.

Der Hebel für die Nutzbarkeit der vielfältigen Vorteile von Mikrooptiksystemen liegt insbesondere in der Verbindung des Werkzeug- und Formenbaus mit der Produkt- und Prozessentwicklung sowie der Assemblierung.

Die beteiligten Akteure des Netzwerkes stellen dabei die gesamte technologische Wertschöpfungskette für Mikrooptiksysteme dar. Das Netzwerkmanagement wird von der KIMW Management GmbH durchgeführt.

Erste Ansätze in Bezug auf die Technologie- und Entwicklungsfelder sind neue innovative Anwendungen in der Telekommunikation bzw. bei Smartphones, wie auch Kamerasysteme in der Medizintechnik, hier z.B. der Arthroskopie, oder in der Automobilindustrie, insbesondere bei Systemen zum Fußgängerschutz oder beim autonomen Fahren.

Inhaltlich werden Fachthemen wie die Assemblierung, die Herstellung, Feinstbearbeitung für Werkzeugoberflächen, In-Line-Prüfung der optischen Teile bzw. Baugruppen und die Validierung der Prozesse bearbeitet.

Den in der Phase 1 gemeinsam erarbeiteten Bedarf an Mikrooptiksysteme aus Kunststoff, wird nun in der zweijährigen Phase 2 in Forschungsprojekte überführt und weiterentwickelt. Die Themen reichen von der Entwicklung eines Schnellwechselwerkzeugkonzeptes für Mikrooptiken über eine spezielle Prozessvalidierung zur Fertigung solcher Optiken bis hin zur Entwicklung einer modularen Assemblierungsanlage für Mikrooptiksysteme aus Kunststoff. Diese Entwicklungen haben ein breites Einsatzspektrum und können im Bereich verschiedener Anwendungen wie der Medizintechnik, der Automobiltechnik, der Telekommunikation oder Smart-Home-Produkte, eingesetzt werden.

Das erste aus dem Netzwerk beantragte ZIM-FuE-Kooperationsprojekt, dass sich mit der Entwicklung und Erprobung einer modularen Assemblierungsanlage zur Herstellung einer mikrooptischen Endoskopie-Einheit aus Kunststoff beschäftigt, wurde im Juli 2022 vom Projektträger VDI/VDE Innovation + Technik GmbH bewilligt. Ziel des Projekts ist es, am Beispiel eines medizinischen Optiksystems eine Assemblierungsanlage zu entwickeln, die im Idealfall an die unterschiedlichen Produktgruppen angepasst werden kann und über sehr kurze Rüstzeiten verfügt. Die beteiligten Netzwerkpartner haben bereits mit Ihrer Arbeit dazu begonnen.

Zusätzlich wurden die folgenden Anträge rund um das Thema Mikrooptiken nach der Wiedereröffnung des ZIM-Antragsfenster eingereicht. Sie widmen sich den Themenkomplexen:

  • Erzeugung von Hochglanzoberflächen für Mikrooptiksysteme
  • Entwicklung einer neuen temperaturbeständigen optischen AR-Beschichtung für Mikrooptiken aus Kunststoff
  • Entwicklung eines Schnellwechsel-Werkzeugkonzeptes für Mikrooptiken
  • Entwicklung einer Heißkanaldirektanspritzung für Mikrooptische Bauteile

Kunststoff-Institut Lüdenscheid, KIMW Management GmbH

Photonische Basistechnologie

  • Optik
  • Fertigungstechnik für Optik
  • Mess- und Prüftechnik

Anwendungsfelder / Märkte

  • Medizintechnik
  • Automobilbranche
  • Telekommunikation
  • Smart-Home

Impact

  • Ressourceneffizienz
  • Hohe Funktionalität
  • Höchste Präzision 
  • Energieschonung

www.kimw.de

Abbildung 1: Netzwerklogo von CAM-SYS-4.0, gefördert durch: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages. (© Kunststoff-Institut Lüdenscheid)

Abbildung 2: Spritzgegossene Mikrooptiken. (© Fraunhofer IPT)

Bildergalerie

Quelle: NMWP-Magazin