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.
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.