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08.10.2015

Reik Krappig, Fraunhofer IPT: Hightech trifft Handwerk

Reik Krappig, Fraunhofer IPT

Im Geschäftsfeld „Optik“ bündelt das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie seine Kompetenzen für die Fertigung und Evaluation komplexer optischer Komponenten. Entlang der gesamten Wertschöpfungskette wird eine Vielzahl an Produktionsstufen abgedeckt. Reik Krappig ist Leiter des Geschäftsfeldes „Optik“ am Fraunhofer IPT.


1. Schleifen und Polieren sind Kerntechnologien bei der Fertigung von Glasoptiken. Wie ist da der Stand der Technik?

Reik Krappig: Schleifen und Polieren sind nach wie vor wichtige Fertigungstechnologien für die optische Industrie. Auch heute wird immer noch ein beträchtlicher Teil der optischen Komponenten auf diese Weise in sehr hoher Präzision hergestellt. Deshalb ist auch dieser Bereich durch stetige Weiterentwicklung gekennzeichnet, zum Beispiel durch das Sup-Apertur- und Fluid-Jet-Polieren, mit dem sich komplexe, auch nicht-rotationssymmetrische Geometrien polieren lassen. Mit Blick auf die aktuellen Forschungsthemen im Bereich der Optik spielt das Schleifen und Polieren jedoch nicht mehr die zentrale Rolle. In der Tendenz ist die Dynamik der Entwicklung dieser Verfahren nicht so groß, wie bei den replikativen oder generativen Verfahren.


2. Die stetige Forderung nach wachsenden Abbildungsleistungen bei sinkenden Kosten ist mit Schleifen und Polieren kaum mehr zu erfüllen. Welche neuen Ansätze können da die konventionelle Fertigung ersetzen?

Reik Krappig: Für Produktionsprozesse in großen Stückzahlen eignen sich Replikationsverfahren. Dabei verteilt sich der vergleichsweise hohe Aufwand zur Herstellung des Formwerkzeugs über die Anzahl der gefertigten Komponenten. Eine Möglichkeit ist das Blankpressen optischer Komponenten aus Glas.

Die technologische Fähigkeit und die Wirtschaftlichkeit solcher Replikationsprozesse hängen jedoch stark von der konkreten Anwendung ab. Vergleichen Sie beispielsweise die Fertigung einer Quarzglaslinse mit der Fertigung einer infrarot-transmissiven Chalkogenidlinse: Ungeachtet der Geometrie erfordern Komponenten aus Quarzglas rein werkstoffbedingt Umformtemperaturen von circa 1400 °C. Dagegen können die Chalkogenide bereits bei weniger als 250 °C umgeformt werden. Hohe Temperaturen gehen mit hohen Anforderungen an das zugehörige Formwerkzeug einher.


3. Geringere bis mittlere Qualitätsanforderungen bei mittleren und hohen Stückzahlen—da denkt man sofort an Kunststoff. Inwieweit und wo haben Polymere in der Optikfertigung das Glas schon verdrängt?

Reik Krappig: Auf den ersten Blick besitzen Glas und Kunststoff jeweils ganz eigene Merkmale, die sie für unterschiedliche Anwendungsfelder auszeichnen. Bei einem Objektiv für die Mikroskopie wird sicher Glas eingesetzt werden, die Vorsatzoptik einer Zimmerleuchte besteht wahrscheinlich eher aus einem Polymer.

Interessant wird diese Betrachtung in den Grenzbereichen: Immer lichtstärkere LED emittieren trotz ihres hohen Wirkungsgrades nicht nur einen Leuchtstrom von mehr als 1000 Lumen. Sie werden auch besonders heiß und brauchen deshalb ein optisches Vorsatzelement, das diese Temperaturen dauerhaft aushalten kann. Deshalb erlebt Glas heute ein Comeback in zunächst verloren geglaubten Bereichen. Auf der anderen Seite bahnen sich Polymere den Weg in klassische Einsatzgebiete der Glasoptik. Beispiele sind optische Silikone, die bis knapp 200 °C temperaturstabil sind oder Spritzguss-Mikrolinsen, beidseitig asphärisch mit Aperturdurchmessern von etwa einem Millimeter, für abbildende endoskopische Systeme.

Auch wenn die Tendenz sich insgesamt zugunsten der Kunststoffe zu entwickeln scheint: Es bleibt weiterhin spannend, die Entwicklung beider Materialklassen zu beobachten.


4. Optik und Präzision sind wohl zwei Begriffe, die untrennbar miteinander verbunden sind. Wie stellt man letztere bei den mittlerweile extremsten Toleranzgrenzen sicher?

Reik Krappig: Fertigungstechnik und Metrologie stehen in einem steten Wettbewerb, anspruchsvolle Geometrien nicht nur herzustellen, sondern auch messtechnisch bewerten zu können. Funktionsintegration und Miniaturisierung führen dazu, dass die Toleranzgrenzen immer weiter sinken. Zur Zeit sind die Fertigungstechnologien häufig der Messtechnik einen Schritt voraus.

Da unter anderem die Genauigkeit des Messmittels idealerweise um den Faktor 10 höher liegen soll, als die zu erfassende Größe, ergeben sich Anforderungen, die durch die zur Verfügung stehenden Geräte häufig nicht erfüllt werden können.

Hier liegt auch der Grund, warum die Messtechnik immer noch stetig weiterentwickelt werden muss: Sie muss fähig bleiben – oder es wieder werden –, hochpräzise gefertigte Komponenten ausreichend exakt zu charakterisieren und die Produktion geeignet zu überwachen.


5. Sie haben vor kurzem zu einer Konsortialstudie mit dem Titel „Grenzbereiche der Optikproduktion“ aufgerufen. Wo sehen sie die Grenzbereiche?

Reik Krappig: Die optische Industrie ist eine stark technologiegetriebene und hochinnovative Branche. Viele kleine Unternehmen besetzen mit bestimmten Technologien wertvolle Nischen. Das können spezielle Sensoren sein oder die Fertigung bestimmter Komponenten. Die zugehörigen Technologien befinden sich dabei häufig im Grenzbereich des technisch Machbaren und müssen unter diesen speziellen Bedingungen weiterentwickelt werden.

Die Grenzbereiche beschränken sich also dabei nicht nur auf bestimmte Werkstoffe. Auch mit Blick auf das Optikdesign und die Fertigungsverfahren ergeben sich immer neue Möglichkeiten, die es auszuloten gilt. Und das betrifft dann auch nicht zuletzt die Messtechnik. In Summe sehen wir darin also vier große Leitthemen, die sich in den kommenden Jahren sehr dynamisch entwickeln werden. Mit der Studie »Grenzbereiche der Optikproduktion« wollen wir in Kooperation zwischen Forschung und Industrie solche Entwicklungen aufspüren.


6. Welche Vorteile haben die teilnehmenden Unternehmen?

Reik Krappig: Die Unternehmen können durch die Teilnahme an der Studie konkret die inhaltliche Ausgestaltung im Rahmen der vier Leitthemen mitbestimmen. Auf diese Weise entsteht ein unmittelbarer Nutzen für das jeweilige Unternehmen: Es erhält wissenschaftlich fundierte Informationen zu hochaktuellen Technologien, die für die eigene Produktion wichtig sind oder werden können.

Darüber hinaus bietet das Konsortium der Studie eine geeignete Plattform, durch die die Unternehmen über ihren eigenen Tellerrand hinausblicken können. Als Forschungspartner erarbeiten wir mit ihnen wesentliche Informationen, die für die mittelfristige Technologieplanung von großer Bedeutung sein können. Ergänzt um Marktzahlen, die wir auf die kommenden fünf bis zehn Jahre extrapolieren, hat die Studie auch einen starken strategischen Wert.

Mehr Informationen:
www.ipt.fraunhofer.de/optik

 
 
 
 
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