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Einfache Integration funktionaler Bereiche in durch 3D-Druck erzeugte optische Bauteile

Kurzfassung

Mit diesem Verfahren lassen sich 3D-gedruckte optische Elemente optimieren. Mit funktionalen Substanzen ausgestattete Mikrokavitäten können Funktionseigenschaften wie Blenden, Farbfilter oder Achromate in das Design optischer Bauteile integriert werden. Das Verfahren ist kostengünstig implementierbar und ermöglicht die einfache und effiziente Integration neuer Materialien.

Hintergrund

Ausgereifte 3D-Drucktechnologien, die einen hohen Frei­heits­grad beim Design und eine hohe Auf­lösung beim Dru­cken bieten, machen den Druck von optischen Elemen­ten zu einer vorteilhaften Alternative zu herkömmlichen Mikro­guss­ver­fahren.

Problemstellung

Der 3D-Druck von optischen Elementen hat in den letzten Jahren immer mehr Bedeutung gewonnen, da er flexibler und kostengünstiger ist, als die herkömmlichen Mikroguss­verfahren. Auf dem Markt sind 3D-Drucker erhältlich, mit denen kom­plexe Optiken herge­stellt werden kön­nen. Bislang ist allerdings ein Schwach­punkt, dass ins­be­sondere beim stereolithografischen Ver­fahren das zu dru­ckende Bauteil zu­mindest im nahen Infrarot­bereich kom­plett transparent sein muss, also keine absor­bie­renden Be­reiche in die Optik „einge­druckt“ werden können. Es gibt ein System, das kann zwar zusätzliche ab­sorbie­rende Ma­terialien aufbringen, die Möglichkeiten sind aber gerade für Mikrooptiken nicht so flexibel.

Lösung

In einem von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH ge­förderten Projekt entwickelten Wissenschaftler der Uni­ver­sität Stuttgart nun ein Verfahren, mit dem einfach und prä­zise funktionale Bereiche wie Blenden und Strukturen zur Streu­licht­absorption auch in komplexe gedruckte 3D-Opti­ken inte­griert werden können. Hierzu wird das mikro­opti­sche Element bereits beim Druck mit kleinsten Hohl­räumen (Mikrokavitäten) ver­sehen, die später zur Auf­nahme von funktionalen Sub­stanzen dienen. Durch die ge­ringe Größe der Hohlräume übernehmen Kapillarkräfte die Verteilung der Flüssigkeit in den Hohl­räumen. Die Befül­lung kann durch einen Dispenser erfol­gen oder auch durch Beauf­schlagen von Druck unterstützt werden. Anschlie­ßend wird die funktionale Flüssigkeit getrocknet oder aus­gehärtet.
Eigenschaften wie z. B. Absorptions-, Reflexions- oder Streueigenschaften der funktio­nalen Bereiche werden durch die Auswahl der Substanz bzw. der darin enthal­te­nen Nanopartikel präzise festgelegt.

Schemazeichnung einer Linse mit Mikrokavität bei der Befüllung mit einer funktionalen Substanz (li.); Linse mit resultierender Blende (re.).

Vorteile

  • Erweiterung der Funktionalitäten optischer Bauteile durch bspw
    • Blenden
    • Farbfilter
    • Achromate
  • Einsatz von marktüblichen 3D-Druckern
  • Einfaches und kostengünstiges Verfahren
  • Einfache Integration neuer Materialien in das Optik-Design

Anwendungsbereiche

Gedruckte optische Ele­mente können jetzt mithilfe mikro­fluidischer Strukturen, die in das Drucklayout der op­ti­schen Bauteile integriert sind und beim 3D-Druck mit ausgebildet werden, mit funktionalen Bereichen, wie z. B. Blenden und Strukturen zur Streulichtabsorption, einfach und kosten­günstig hergestellt werden.

Exposé
Kontakt
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Entwicklungsstand
Validierung / TRL4
Patentsituation
EP 3162549 A1 anhängig
US 2017120548 A1 anhängig
Referenznummer
15/024TLB
Service
Die Technologie-Lizenz-Büro GmbH ist mit der Verwer­tung der Technologie beauftragt und bietet Unternehmen die Möglichkeit der Lizenznahme.