Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPTForschungsprojekt »FlexPAET«
Energieeffiziente Beleuchtung – Herausforderungen für die Mikrotechnik
Die stetige Weiterentwicklung von lichtemittierenden Dioden (LED) hat in den vergangenen Jahren leistungsfähige, ressourcenschonende Lichtquellen hervorgebracht. Der Einsatz solcher Lichtquellen beschränkt sich bisher jedoch auf wenige Anwendungen, obwohl die Vorzüge hinsichtlich Energieeffizienz und Lebensdauer durchaus bekannt sind. Das Fraunhofer IPT entwickelt ein Verfahren und ein Maschinensystem zur kostengünstigen Produktion flächiger Optiken, die in Zukunft zur Verbreitung der LED-Beleuchtungstechnik beitragen wird.
Strukturierte, flächige Lichtleiter besitzen als Optiken für die Beleuchtungstechnik und als Hintergrundbeleuchtung für LCDs optimale Eigenschaften. Die optische Funktionalität stellen dabei komplexe, dreidimensionale Mikrostrukturen sicher. Die Herstellung großflächiger Bauteile, in deren Oberfläche solche Strukturen mit Abmessungen von wenigen tausendstel Millimetern eingebracht werden, stellt die Produktionstechnik vor bislang unlösbare Probleme. Die flexible Mikrostrukturierung durch mehrschrittige Heißprägeverfahren bietet nun die Chance, die fertigungstechnischen Defizite der bisherigen Verfahren zu beseitigen: Im Forschungsprojekt »FlexPAET«, das von der Europäischen Union im 7. Rahmenprogramm gefördert wurde entwickelte das Fraunhofer IPT ein Verfahren zum adaptiven, mehrschrittigen Heißprägen und band die Technologie in eine Prozesskette zur kostengünstigen Herstellung flächiger Beleuchtungsoptiken ein.
Der Schwerpunkt der Forschungsaktivitäten lag im Aufbau eines Maschinensystems, das die Struktur komplexer Mikrowerkzeuge gezielt in ein thermoplastisches Bauteil abprägt. Im Gegensatz zum herkömmlichen Heißprägevorgang werden einzelne Strukturelemente auf einer Oberfläche modular kombiniert. Auf Flächen bis zu 1 x 2 m² lassen sich mit dem Maschinensystem Mikrostrukturen mit einer Positioniergenauigkeit von 2 µm einbringen. Hinschtlich der Flexibilität und Geschwindigkeit ergeben sich so ungekannte Möglichkeiten für die Herstellung optisch funktionalisierter Oberflächen. Die optische Funktion des gepägten Bauteils wird mit integrierter Messtechnik direkt im Maschinensystem untersucht. Auf diese Weise lassen sich Fehler im optischen Design direkt in der Maschine feststellen. Ein Algorithmus vergleicht die optische Funktion des geprägten Bauteils mit den Werten, die für die Komponente gefordert sind. Auf diese Weise identifiziert das System die Positionen auf der Oberfläche, an denen die Strukturierung nachgebessert werden muss. Der Optimierungsvorgang wird so lange fortgesetzt, bis die gemessenen optischen Eigenschaften den geforderten Spezifikationen entsprechen.
Das Fraunhofer IPT bindet das Verfahren in eine Prozesskette zur massentauglichen Replikation ein: Analog zur Vorgehensweise in der CD- und DVD-Produktion werden vom geprägten Bauteil durch galvanische Abformung Formwerkzeuge erstellt, die in Massenproduktionsverfahren wie dem Spritzguss eine kostengünstige Herstellung qualitativ hochwertiger Optiken erlauben.