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Kunststoffoptiken Hohe Formgenauigkeit für die LED-Beleuchtung

Autor / Redakteur: Christian Brecher, Daniel De Simone, Bernd Meiers und Reik Krappig* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Kunststoffoptiken für LED-Leuchten bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Allerdings erfordert der Formgebungsprozess komplexer Kunststoffkomponenten Fachkenntnisse.

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Optiken für LEDs: Optische Kunststoffkomponenten bieten verschiedene Vorteile in der LED-Beleuchtung. Sie sind nicht nur leicht, sondern lassen sich preiswert herstellen.
Optiken für LEDs: Optische Kunststoffkomponenten bieten verschiedene Vorteile in der LED-Beleuchtung. Sie sind nicht nur leicht, sondern lassen sich preiswert herstellen.
( Fraunhofer IPT)

Komponenten für optische Anwendungen besitzen immer häufiger komplexe, nicht-rotationssymmetrische Freiformoberflächen oder mikrostrukturierte Oberflächen, welche die gewünschte optische Funktionalität maßgeblich beeinflussen. Die Komponenten für LED-basierte Beleuchtungsanwendungen werden dabei fast ausschließlich in replikativen Verfahren hergestellt. Dazu gehört unter anderem der Spritzguss. Um die jeweilige optische Funktionalität zu erreichen, muss die Oberflächentopographie während der Replikation zumeist mit Formgenauigkeiten im Sub-Mikrometerbereich abgebildet werden.

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Grundlage hierfür sind Werkzeugformeinsätze, die diese Abformgenauigkeit ermöglichen und gleichzeitig optische Oberflächenqualität mit Rauheitswerten im einstelligen Nanometerbereich besitzen. Die Herstellung der Werkzeugformen erfolgt mit Ultrapräzisionsdreh- und -fräsprozessen. Zum Einsatz kommen hier spezielle Maschinen mit hoher statischer, dynamischer und thermischer Stabilität, die durch klimatisierte Räume und aktiv gelagerte Maschinenbetten bestmöglich von umgebenden Einflüssen entkoppelt werden.

Um hochpräzise optische Oberflächengüten (Ra <10 nm) ohne Politur mit geometrisch bestimmter Schneide erzeugen zu können, werden monokristalline Diamanten als zerspanende Bearbeitungswerkzeuge verwendet. Erst durch ihre Schärfe und Härte sind hochpräzise optische Formeinsätze für die Replikation von Kunststoffoptiken herstellbar. Im Gegensatz zum Polieren besteht bei der ultrapräzisen Dreh- bzw. Fräsbearbeitung eine große Geometriefreiheit (beispielsweise Freiformflächen) und Formgenauigkeiten <1 µm können realisiert werden.

Gewünschte optische Oberflächengüte erreichen

Die Endbearbeitungszeiten, um die gewünschte optische Oberflächengüte zu erreichen, liegen dabei in Abhängigkeit der Komplexität der Form nicht selten bei mehreren Stunden oder Tagen, wobei nur sehr geringe Spanvolumina auftreten. Die optischen Werkzeugformeinsätze können aus gängigen Nicht-Eisenmetallen, wie etwa Aluminium oder Messing, hergestellt werden. Höhere Standzeiten der Formeinsätze können hierbei durch ergänzende Oberflächenbeschichtungen erreicht werden.

Um ähnliche thermische Eigenschaften sowohl im Formeinsatz, als auch im umgebenden Spritzgießwerkzeug zu erhalten, werden häufig Formeinsätze aus Stahl eingesetzt. Allerdings lässt sich Stahl nicht konventionell mit Diamantwerkzeugen bearbeiten. Um diese Restriktion zu umgehen, werden die Stahlgrundkörper zunächst mit einer wenigen hundert Mikrometer dünnen Nickel-Phosphor-Schicht versehen. Aufgrund des amorphen Gefüges der Nickel-Phosphor-Schicht kann im nachfolgenden Diamantzerspanungsprozess eine besonders hohe Oberflächengüte des Formeinsatzes erreicht und die Standzeit gegenüber Einsätzen aus Nicht-Eisenmetallen deutlich erhöht werden.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft LED- und OLED-Beleuchtungstechnik I erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Replikation von Kunststoffoptiken durch Spritzgießverfahren

Die eigentliche Herstellung und Vervielfältigung eines optischen Kunststoffbauteils, wie eine LED-Vorsatzoptik zur homogenen Ausleuchtung von Straßen, erfolgt für große Stückzahlen mit dem Spritzgieß- bzw. Spritzprägeverfahren. Das hierbei eingesetzte Spritzgießwerkzeug und die optischen Werkzeugformeinsätzen müssen dabei höchsten Ansprüchen genügen. Nur durch eine sorgfältige Planung, Konstruktion und höchster Fertigungspräzision können im Dauereinsatz unter hoher mechanischer und thermischer Belastung optische Formteile mit Produkttoleranzen im Bereich weniger Mikrometer mit reproduzierbarer Qualität hergestellt werden.

Hinsichtlich der Positionierung der optischen Flächen zueinander spielt die Zentrierung und Führung der Werkzeugformplatten eine bedeutende Rolle für die Funktion des Bauteils. Große Wanddicken und Wanddickenunterschiede bei Kunststoffoptiken erfordern zunehmend den Einsatz von speziellen Verfahrensvarianten, wie dem Spritzprägen und Mehrschichtspritzgießen. Für eine hohe Prozesseffizienz kommt darüber hinaus der Werkzeugtemperierung eine entscheidende Bedeutung zu. Das gilt umso mehr bei Werkzeugen für optische Bauteile, als dass sich bei diesen bereits kleinste Unregelmäßigkeiten in der Temperaturverteilung der Werkzeugoberflächen in Schlieren, Mattigkeit oder Formteilverzug äußern.

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