Multilayer-Spritzgießen und-Spritzprägen für eine hochpräzise und wirtschaftliche Fertigung dickwandiger Kunststofflinsen

Photonische Systeme sind ein Innovationstreiber für viele verschiedene Branchen und stellen beispielweise für die Elektrotechnik, die Telekommunikation, die Automobilindustrie, die Medizintechnik oder den Maschinen- und Anlagenbau eine der Schlüsseltechnologien dar. Im Jahr 2020 wird weltweit ein Anstieg des Weltmarktvolumens auf 615 Milliarden Euro erwartet, was im Vergleich zum Jahre 2011 eine Steigerung von ca. 75% bedeutet. Insbesondere der technologische Wandel in der Beleuchtungsindustrie zur energetisch günstigeren und langlebigeren Light-Emitting Diode (LED) führt zu einem zunehmenden Einsatz von Kunststoffen als Werkzeug für optische Komponenten, wie Linsen oder Lichtleiter. Im Vergleich zum klassischen Werkzeug Glas bieten Kunststoffe vor allem eine größere Designfreiheit und mit dem Spritzgießen oder -prägen großserientaugliche Fertigungsverfahren.
Die technologischen, ästhetischen und wirtschaftlichen Anforderungen an die Geometrie, die Abformgenauigkeit, die inneren Eigenschaften und die Herstellungskosten lassen sich für viele spritzgegossene Kunststoffoptiken nicht oder nur mit Einschränkungen vereinbaren. So müssen Kunststofflinsen häufig dickwändig (teilweise bis zu 60 mm [Zin15]) mit komplexer Form und starken Wanddickensprüngen ausgeführt sein, was den Gestaltungsrichtlinien des konventionellen Spritzgießverfahren widespricht. Aufgrund der hohen Schwindung und der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Materials ist eine präzise Abformung in konventionellen Spritzgießverfahren nicht oder nur mit einer sehr lagen Zykluszeit oberhalb von 20 Minuten möglich. Dies steht einer wirtschaftlichen Großserienfertigung entgegen.
Das Multilayer-Spritzgießen (auch Mehrschichtspritzgießen oder Overmolding genannt) stellt eine Spritzgießsonderverfahren für die Herstellung von dickwandigen optischen Komponenten dar, welches den hohen Anforderungen an die Qualität und Wirtschaftlichkeit für viele dickwandige optische Komponenten gerecht wird. Bei diesem Verfahren wird in Anlehnung an das Mehrkomponentenspritzgießen eine dickwandige Linse in mehreren Schichten aufgebaut, indem ein Vorspritzling ein- oder mehrfach überspritzt wird. Dabei werden etablierte Werzeug- und Verfahrenskonzepte aus dem Mehrkomponentenspritzgießen, wie die Drehtellertechnik, die Transfertechnik oder die Core-Back-Technik, adaptiert. Der komplexeren Werkzeug- und Prozesstechnik steht als Hauptvorteil eine deutlich kürzere Gesamtkühlzeit entgegen, da insbesondere dickwandige Linsenbereiche deutlich schneller und effektiver abgekühlt werden können. Im Vergleich zum konventionellen Spritzgießen sind Einsparpotenziale in der Kühlzeit von bis zu 45% möglich. Darüber hinaus kann die Materialschwindung zuvor hergestellter Schichten durch die Folgeschichten kompensiert werden, sodass eine präzisere Abformung im Vergleich zum konventionellen Spritzgießen möglich ist.