In Zeiten von multimedialer Vernetzung gehören Videos und Fotos zu den Banalitäten des Alltags. Smartphones oder Tablets verfügen heute über ein oder mehrere integrierte Kamerasysteme, die die Foto- oder Videoaufnahmen zu einem Kinderspiel machen. Zugleich nimmt die Bildqualität der Aufnahmen zu, was einerseits an der steigenden Qualität der Bildsensoren, andererseits an den Optiken, besser gesagt den Mikrooptiken liegt. Je besser das Zusammenspiel zwischen Bildsensor und Mikrooptik, desto höher die Qualität des Kamerasystems und folglich der Aufnahmen. Wie der Name schon vermuten lässt, sind Mikrooptiken klein.

So einfach es sich auch anhört, eine Definition ist schwer zu finden. Aus der Schnittmenge mehrerer Definitionen von Instituten, Universitäten und Herstellern optischer Komponenten kann folgende Definition als zutreffend formuliert werden: „Eine Mikrooptik ist ein optisches Bauteil mit einem Formteil-Gewicht von weniger als 0,1 Gramm.“ Die Limitierung des Formteil-Gewichts ist somit indirekt eine Limitierung der Größe. Abhängig von der Geometrie des Bauteils bewegt man sich in Größenordnungen von wenigen Millimetern. Mikrooptiken sind dabei aber keineswegs Kleinigkeiten, die man beiläufig herstellt. Sie unterliegen denselben physikalischen Gesetzen wie „normale“ optische Bauteile. Die Toleranzbereiche, wie zum Beispiel optische Genauigkeit oder Oberflächenrauigkeit, sind genauso einzuhalten, wie bei jeder optischen Komponente auch.

Spritzgießen von Vorteil

Das Spritzgussverfahren hat sich bei Mikrooptiken Kunststoffbauteilen durchgesetzt. Die Vorteile liegen auf der Hand. Einerseits ist die kostengünstige Reproduktion von Bauteilen möglich, andererseits lassen sich Freiformen realisieren. Die Geometrie der optischen Komponente kann so konzipiert werden, dass eine Integration in das Endprodukt, also das Kamerasystem, möglich ist. Im Konkreten sind das Halte- oder Befestigungsvorrichtungen, um die optische Komponente zu fixieren oder zu befestigen.

Neben dem Produktionsprozess ist die Automatisierung im Herstellungsprozess von Mikrooptiken wichtig. Je kleiner und filigraner die optische Komponente, desto mehr Präzision und Sorgfalt bedarf die Entnahme der Mikrooptik aus dem Werkzeug. Bei diesem Prozessschritt und der anschließenden Weiterverarbeitung darf die optische Komponente nicht deformiert oder beschädigt werden. Die zentrale Fragestellung ist: Wie entnimmt man die Mikrooptik unversehrt aus dem Werkzeug.

Geringste Formteil-Gewichte möglich

Insbesondere die Medizin setzt auf die Photonik – das Zusammenspiel zwischen Licht und Elektronik. Die minimal-invasive Chirurgie, wie bei der Endoskopie, hat zum Ziel, bei operativen Eingriffen ein kleinstmögliches Trauma (die kleinstmögliche Verletzung der Haut und Weichteile) zu verursachen. Kleinere und zugleich leistungsfähigere Komponenten ermöglichen schonendere Behandlungsmethoden.

Darüber hinaus finden Mikrooptiken in der medizintechnischen Analytik Anwendung. Bei der Mikrooptik handelt es sich um Endoskopie-Optik, oder auch Proximal Lens Cap. Diese schützt das dahinter liegende Kamera- und Lichtsystem und ist Teil eines Einweg-Endoskopie-Systems. Durch den Einsatz sogenannter steriler disposables (Einwegartikel) verringert sich das Infektionsrisiko. Mit einem Formteil-Gewicht von 0,043 Gramm erfüllt die Endoskopie-Optik die Gewichtsvorgaben für eine Mikrooptik laut vorangegangener Definition. Mit einer Wandstärke von 0,2 mm auf einer Länge von 8,2 mm und einem Durchmesser von 4,6 mm sind die Ausmaße sehr gering.

Das dünnwandige Spritzen von 0,2 mm auf der kompletten Länge von 8,2 mm stellt eine große Herausforderung dar. Damit dieses gelingt, sind der höchste Stand der Technik und viel Erfahrung notwendig. Die Schnittstelle zwischen Werkzeugbau und Spritzguss ist dabei besonders wichtig und der Schlüssel zum Erfolg. Die Konstruktion und Präzision des Werkzeugs entscheidet, ob die konstante Wandstärke von 0,2 mm auf der kompletten Länge von 8,2 mm realisiert werden kann, oder ob es zu Unregelmäßigkeiten kommt. Werkzeugbau-Konzept sowie -Konstruktion, Fließeigenschaften von Materialien und Parameter der Spritzgussmaschinen müssen perfekt aufeinander abgestimmt sein.

Auch die Weiterverarbeitung, das heißt die Entnahme aus dem Werkzeug und die Nachbearbeitung, wie das Entfernen des Angusses, sind wichtige Bestandteile. In diesem Fall löst ein Tunnelanguss, platziert an einer optisch nicht relevanten Position, die Problematik. Mittels des Tunnelangusses wird die Mikrooptik seitlich angespritzt und automatisch beim Öffnen der Formhälften vom Anguss an einer geplanten Sollbruchstelle getrennt. Der Vorteil dieser Methode ist das automatische Abtrennen vom Formteil und somit keine kritische Nachbearbeitung. Nachteilig ist der benötigte hohe Druck, um über den seitlich platzierten Angusses genug Kunststoff in das Werkzeug zu spritzen.

Ein Heißkanal-Werkzeug würde diesen Nachteil aufheben, jedoch wurde sich aus wirtschaftlicher Sicht für ein Kaltkanal-Werkzeug entschieden, da sich aufgrund der Produktionsmenge die Initialkosten für ein Heißkanal-Werkzeug nicht rentieren würden.

Die Entformung, das Herauslösen und die Entnahme aus dem Werkzeug sind in dem Fall der Endoskopie-Optik durch einen Auswerfer gelöst. Dabei drückt ein Stift die Mikrooptik heraus, sodass diese mittels eines Roboters entnommen werden kann. Der automatisierte Produktionsprozess inklusive der automatisierten Entformung bedeutet eine Reduktion der Kontaminierung und der Fehlerquote. Da es sich bei der Mikrooptik um ein Bauteil für ein Endoskop und somit um ein medizintechnisches Produkt handelt, ist ein weitestgehend keimfreier Prozess unter Reinraumbedingungen notwendig. Ein fertigungsbegleitendes Messen und Prüfen stellt den Prozess und somit das Qualitätsniveau sicher.

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Über den Autor

Stephan Kopka ist bei Polyoptics in Kleve tätig. Stephan.Kopka@polyoptics.de