Investigations into the production of achromatic lenses by two-component injection compression molding of transparent plastics
Third party funded individual grant
Start date : 01.01.2021
End date : 30.06.2023
Project details
Short description
In dem Projekt geht es um die Herstellung einer achromatischen Linse im Verbundspritzguss. Daraus ergeben sich folgende Vorteile im Vergleich zu zwei einzelnen Linsen, die in einer Baugruppe kombiniert werden:
1.Wegfall von Füge,- Zentrierungs- und Montageschritten
2.Möglichkeit der direkten Anspritzung einer Fassung oder von Funktionselementen
3. Reduzierung zusätzlicher Abbildungsfehler durch einfache Realisierung von asphärischen und Freiformflächen bei einer achromatischen Linse
4.Potentiell günstige Möglichkeit der Massenfertigung achromatischer Linsen mit komplexen Freiformgeometrien
5. Um etwa 8 % erhöhte Transmission (bei nicht-entspiegelten Linsen), da durch die stoff- schlüssige Verbindung zwei reflektierende Grenzflächen wegfallen
Durch den Einsatz eines Achromats anstatt einer Standardlinse kann die Abbildungsqualität stark verbessert werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Substitution einer achromatischen Glaslinse durch eine achromatische Kunststofflinse oder die Kombination einzelner zueinander positionierter und montierter Kunststofflinsen durch eine im Verbundspritzguss hergestellte achromatische Linse mit den oben beschriebenen Vorteilen.
In dem Projekt geht es um die Erarbeitung eines grundwissenschaftlichen Verständnisses zum Einfluss von Kunststoffkombinationen, der Prozessführung im Spritzguss und der Gestaltung auf die Eigenschaften achromatischer Polymerlinsen. Im Fokus steht das verzugs- und schwindungsfreie Aufspritzen einer zweiten Komponente auf einen Vorspritzling zur Herstellung einer achromatischen Linse aus transparenten Kunststoffen unterschiedlicher Dispersion und die damit verbundene Ableitung einer allgemeinen Fertigungsstrategie zum Verbundspritzprägen bei großflächigen Kontaktflächen. Um die hohe optische Funktionalität der achromatischen Linse zu erreichen, müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein: So muss die zweite Komponente sehr schwindungsarm auf den Vorspritzling aufgespritzt werden; die Verbundfläche darf durch den Aufspritzvorgang nicht verformt werden und es muss eine ausreichende Haftung der beiden Kunststoffe gewährleistet sein. Die optischen Eigenschaften von dem Bauteilen werden intensiv erforscht.
Scientific Abstract
Kunststoffe zeigen, im Vergleich zu vielen optischen Gläsern, eine hohe Dispersion. Dies bedeutet, dass der Brechungsindex des Werkstoffs stärker mit zunehmender Wellenlänge abfällt. Als Folge haben unterschiedliche Wellenlängen des Lichts (Lichtfarben), die durch eine optische Linse fokussiert werden, unterschiedliche Fokuslagen. Dies führt zu Bildfehlern und unscharfen Abbildungen, weshalb abbildende Optiken meist aus mehreren kombinierten Linsen aufgebaut sind. Bei Beleuchtungsoptiken zeigt sich die Dispersion anhand eines Farbschleiers am Rand des Lichtkegels. Durch Kombination von zwei Linsen aus Materialien mit unterschiedlicher Dispersion zu einer achromatischen Linse lässt sich dieser als chromatische Aberration bezeichnete Abbildungsfehler reduzieren, was zu einer deutlichen Steigerung der Abbildungsleistung führt. Zur Verbesserung der Bildqualität werden optisch abbilde Linsensysteme aus Kunststoff üblicherweise aus mehreren Linsen in Montageschritten zusammengefügt. Dies erfordert die Herstellung mehrerer Bauteile, eine exakte Positionierung zueinander und weitere Montageschritte. Im Fokus des Projektes steht deshalb das verzugs- und schwindungsarme Aufspritzen einer zweiten Komponente auf einen Vorspritzling zur Herstellung einer achromatischen Linse aus unterschiedlichen transparenten Kunststoffen. Mögliche Kunststoffe, deren Kombination hier infrage kommt, sind Polycarbonat (PC) und Polymethylmethacrylat (PMMA). Neben der Reduktion von weiteren Bearbeitungs- und Montageschritten wird durch den Verbundspritzguss auch die Transmission durch Reduktion der Reflexionen an den Grenzflächen gesteigert. Aus der Anwendung einer achromatischen Linse soll im Forschungsvorhaben die allgemeine Ableitung einer Fertigungsstrategie zum schwindungs- und verzugsarmen Verbundspritzprägen mit großen Kontaktflächen erfolgen. Dieses Wissen ist für zahlreiche weitere Anwendungen, auch neben der Optik, relevant. Dennoch sind die Voraussetzungen für diesen Verbundspritzguss bei optischen Bauteilen besonders herausfordernd: die zweite Komponente muss sehr schwindungsarm auf den Vorspritzling aufgespritzt werden, die Verbundfläche soll durch den Aufspritzvorgang nicht verformt werden und es muss eine ausreichende Haftung der beiden Kunststoffe über eine große Fläche gewährleistet sein. Diese Punkte sollen u. a. durch einen angepassten Spritzprägeprozess erreicht werden. So soll durch eine angepasste Kompression der Schmelze im Prozess mittels Prägen eine nachgelagerte Schwindung der aufgespritzten Komponente möglichst reduziert werden. Die Einflüsse der Prozessparameter auf die Haftung, die Schwindung, die Form der Verbundfläche und den Brechungsindex sowie den Bauteileigenschaften werden dabei systematisch untersucht.
