Optiken für die LED-Beleuchtung So lässt sich mit präzise geformtem Glas das Licht bündeln

Autor / Redakteur: Holger Kreilkamp und Olaf Dambon * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Präzise Optiken aus Glas sind gefragt. Dank neuer Konzepte der Heißformgebung ist es möglich, komplexe und gleichzeitig kostengünstige Beleuchtungsoptiken zu fertigen.

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Glas als optische Komponente: Die Formeinsätze aus Keramik für das Blankpressen. Damit lassen sich Optiken aus Glas fertigen, die gegenüber extremen Temperaturen und UV-Strahlung beständig sind.
Glas als optische Komponente: Die Formeinsätze aus Keramik für das Blankpressen. Damit lassen sich Optiken aus Glas fertigen, die gegenüber extremen Temperaturen und UV-Strahlung beständig sind.
(Bild: Fraunhofer IPT)

Für viele Anwendungen in der Beleuchtung bietet sich der Werkstoff Glas an: So weist Glas eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie eine hohe Widerstandsähigkeit gegenüber UV-Strahlung und Feuchtigkeit auf.

Weiterhin ist der Werkstoff Glas, vor allem im Vergleich zu optischen Kunststoffen, extrem kratzfest und langzeitbeständig. Mit seinem breiten Spektrum an optischen Eigenschaften lässt er sich damit für vielfältigste Anwendungen einsetzen und ist für die LED-Beleuchtungstechnik geradezu prädestiniert. Während für LED-Optiken aus Kunststoff bereits etablierte und kostengünstige Fertigungsprozesse zur Verfügung stehen, ist die Herstellung von Glasoptiken noch immer mit hohem Aufwand verbunden: So werden Glasoptiken klassischerweise immer noch aufwendig geschliffen und poliert.

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Aufgrund der hohen Komplexität typischer Beleuchtungsoptiken, die in großen Stückzahlen unter extremem Kostendruck hergestellt werden müssen, ist diese Direktfertigung der Optiken für den Beleuchtungsmarkt bis heute nicht wirtschaftlich möglich.

Eine vielversprechende Technik, um kostengünstig LED-Optiken herzustellen, sind replikative Verfahren der Heißformgebung, vor allem das nicht-isotherme Blankpressen. Dabei wird ein vorportionierter Glasrohling unter hoher Temperatur und hohem Druck umgeformt. Die aufwendige Herstellung der komplexen optischen Oberfläche ist dabei nur jeweils einmal für das Formwerkzeug erforderlich.

Kurze Prozesszeiten und der Verzicht auf weitere Schritte zur Nachbearbeitung der Bauteile erlauben es, Beleuchtungsoptiken in Serie zu fertigen. Bei der Heißformgebung von Beleuchtungsoptiken lassen sich ganz unterschiedliche Eigenschaften einbringen, die mit der klassischen Direktfertigung durch Schleifen und Polieren nicht zu erzielen sind. Beispielsweise Fresnelstrukturen, Facetten oder nicht-roationssysmmetrische Oberflächen. Außerdem lassen sich Ausrichtmarken integrieren und komplexe Optikdesigns mit einer Vielzahl optischer Funktionsflächen in nur einem Bauteil erzeugen.

Angepasstes Optikdesign als Ausgangspunkt

Am Anfang der Prozesskette zur Heißformgebung steht das Optikdesign, das die fertigungstechnischen Randbedingungen der Heißformgebung berücksichtigen muss. So sind beispielsweise sehr dünne Wandstärken, scharfe Kanten und Hinterschneidungen unbedingt zu vermeiden, da diese sich mit dem Verfahren kaum herstellen lassen. Andererseits erlaubt die Heißformgebung jedoch komplexe optische Freiformflächen oder mikrostrukturierte Oberflächen und Designs mit einer Vielzahl unterschiedlicher optischer Funktionsflächen.

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In jedem Fall liefert das Optikdesign die Grundlage für das Formwerkzeug, das nicht nur das Negativ der zu pressenden Optik sein darf, sondern auch die thermischen Schrumpfungsvorgänge des Glases während der Abkühlung berücksichtigen muss. Das Fraunhofer IPT setzt hier auf ein FEM-Simulationsmodul, mit dessen Hilfe eine kompensierte Formwerkzeuggeometrie berechnet werden kann. Das Modell wurde vom Fraunhofer FEP entwickelt. Zusätzlich wird das Formwerkzeug thermisch sowie hinsichtlich des Glasflusses während der Umformung optimiert. Nicht zuletzt müssen dabei auch die Randbedingungen der Bearbeitungsverfahren für den Formenbau berücksichtigt werden.

Hohe Präzision bei der Diamantzerspanung

Zum nicht-isothermen Blankpressen kommen in der Regel hochlegierte Warmarbeitsstähle oder Nickelbasislegierungen als Formwerkstoffe zum Einsatz. Die Werkstoffe lassen sich anhand ultraschallunterstützter Diamantzerspanung in hoher Präzision bearbeiten. Im Vergleich zur klassischen Diamantzerspanung, die überwiegend auf Nicht-Eisen-Metalle, Kunststoffe und einige kristalline Werkstoffe begrenzt ist, wird das Werkzeug bei der ultraschallunterstützten Zerspanung zu einer einachsigen Schwingung angeregt.

Durch die Schwingung und die damit hervorgerufenen Effekte, wie bessere Kühlschmierung und Unterbindung von Diffusionsvorgängen, gelingt es, auch eisenhaltige Werkstoffe, also vor allem auch die oben genannten Formwerkstoffe zu bearbeiten. So können ohne weitere Nachbearbeitung Oberflächenrauheiten von Ra <10 nm und Formgenauigkeiten von PV <1 µm erreicht werden. Durch die Wahl spezieller Bearbeitungskinematiken können so in einem Prozessschritt komplexe Oberflächen wie diffraktiv strukturierte und freigeformte, nicht-rotationssymmetrische Oberflächen in optischer Güte erzeugt werden.

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