Entwicklung und Erprobung einer Auslegungsroutine zur Ertüchtigung von Kunststoffoptiken für Laseranwendungen (KOptLas)

Abstract

In vielen optischen Anwendungen wie Beleuchtungs- oder Kamerasystemen haben sich thermoplastische Kunststoffe gegenüber dem klassischen Werkstoff Glas durchgesetzt. Neben einer deutlichen Gewichtsreduzierung zählen vor allem die große Designfreiheit und die massentaugliche Verarbeitbarkeit mittels Spritzgießen ohne aufwendige Nachbearbeitungsschritte zu den Stärken von Kunststoffoptiken. Laseranwendungen mit mittleren Laserleistungen von 1 bis 100 W, wie das Laserbeschriften, stellen höhere Anforderungen an die optischen Eigenschaften, die von Kunststoffoptiken bisher nicht erfüllt werden. Mithilfe einer gekoppelten thermomechanischen Auslegung können Kunststoffoptiken für die Verwendung in Laseranwendungen befähigt werden, da die Materialausdehnung und die thermische Brechungsindexänderung der Linsen im Einsatzfall betrachtet werden. Die thermomechanische Auslegung gepaart mit einer optischen Simulation ermöglicht die Berechnung der nötigen Linsengeometrie. Dazu werden die Materialeigenschaften und der Einfluss der Laserleistung auf den Kunststoff untersucht und die Auswirkung auf die optische Leistungsfähigkeit analysiert. Als Qualitätskennwert für den Einfluss der Materialeigenschaften auf die Fokussiereigenschaften der Linse wird die Beugungsmaßzahl M² verwendet. Es zeigt sich eine deutliche Abhängigkeit der Fokussiereigenschaften der Linse vom Brechungsindex und dem gewählten Laserstrahldurchmesser. Auf Grundlage der in der optischen Auslegung bestimmten Linsengeometrie wird eine Kompensationsmethode entwickelt und eingesetzt, die auf Basis von vollfaktoriellen simulativen Versuchsplänen die Kavitätsgeometrie im Spritzgießwerkzeug optimiert. Dadurch ist eine mehrfache Werkzeugnachbearbeitung nicht mehr notwendig und es konnten Linsen mit einer mittleren absoluten Differenz von 1,27 μm zu der Soll-Geometrie in realen Spritzgießversuchen hergestellt werden. In den Prozessuntersuchungen wird eine große Sensitivität der Qualitätskennwerte Beugungszahl und mittlere absolute Differenz von dem Nachdruck im Spritzgießprozess erkennbar, und durch eine Anpassung der Prozessparameter konnte die Qualität der Linsen in Abformgenauigkeit und optischer Leistung gesteigert werden. Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Datei-Upload durch TIB