Blurred Tomography: 3D-Druckverfahren für Mikrolinsen

Kanadische Forschende haben ein neues 3D-Druckverfahren namens “Blurred Tomography” (unscharfe Tomographie) entwickelt, mit dem sich schnell Mikrolinsen in handelsüblicher optischer Qualität herstellen lassen. Die neue Methode könnte es einfacher und schneller machen, eine Vielzahl optischer Geräte zu entwerfen und herzustellen.

„Wir haben die Lichtstrahlen, die für dieses 3D-Druckverfahren zur Herstellung optischer Präzisionskomponenten verwendet werden, absichtlich optisch verwischt“, so Daniel Webber vom National Research Council of Canada. „Dies ermöglicht die Herstellung optisch glatter Oberflächen.“

In einer in der Zeitschrift Optica veröffentlichten Studie demonstrieren die Forschenden die neue Methode, indem sie eine millimetergroße plankonvexe optische Linse herstellen, deren Bildleistung einer kommerziell erhältlichen Glaslinse entspricht. Sie zeigen auch, dass die Methode optische Komponenten in nur 30 Minuten fertigstellen kann.

„Wir gehen davon aus, dass diese Methode aufgrund der Erschwinglichkeit des tomografischen 3D-Druckers und der verwendeten Materialien für das kostengünstige und schnelle Prototyping optischer Komponenten wertvoll sein wird“, so Webber. „Außerdem könnte die inhärente Freiformnatur des tomografischen 3D-Drucks Optikdesignern ermöglichen, Designs zu vereinfachen, indem sie mehrere Standardoptiken durch gedruckte Optiken mit komplexen Formen ersetzen.“

Die tomografische volumetrische additive Fertigung, eine relativ neue Herangehensweise, nutzt projiziertes Licht, um lichtempfindliches Harz in bestimmten Bereichen zu verfestigen. Dies ermöglicht das Drucken eines gesamten Teils auf einmal ohne Stützstrukturen. Bestehende tomografische Methoden können jedoch keine bildgebenden Linsen direkt drucken, da die stiftartigen Strahlen Streifen verursachen, die zu kleinen Kanten auf der Oberfläche des Bauteils führen.

„Die Herstellung optischer Komponenten ist aufgrund der strengen technischen Spezifikationen, die für eine funktionierende Linse erforderlich sind, sowie des komplexen und zeitaufwändigen Herstellungsprozesses kostspielig“, so Dr. Webber. „Mit Hilfe der Unschärfentomographie lassen sich Freiform-Designs kostengünstig herstellen. Wenn die Technologie ausgereift ist, könnte sie ein viel schnelleres Prototyping für neue optische Geräte ermöglichen, was für jeden nützlich wäre, von kommerziellen Herstellern bis hin zu Erfindern in der Garage.“

Die Forschenden erstellten zunächst eine einfache plankonvexe Linse und zeigten, dass sie eine mit einer kommerziellen Glaslinse vergleichbare Bildauflösung hatte. Sie wiesen auch einen mikrometergroßen Formfehler, sub-nanometer Oberflächenrauheit und eine dem Glas ähnliche Punktverteilungsfunktion nach.

Sie stellten auch ein 3×3 Array von Mikrolinsen mit Blurred Tomography her und verglichen es mit einem Array, das mit konventionellem tomografischem 3D-Druck gedruckt wurde. Das konventionell gedruckte Array konnte aufgrund großer Oberflächenrauheit keine Visitenkarte abbilden, das mit Blurred Tomography gedruckte jedoch schon.

Die Forschenden arbeiten nun daran, die Genauigkeit der Komponenten durch Optimierung der Lichtmusterungsmethode und durch Einbeziehung von Materialparametern in den Druckprozess zu verbessern. Sie planen auch, die Druckzeit zu automatisieren, um das System robust genug für den kommerziellen Einsatz zu machen.

„Der tomografische 3D-Druck ist ein sich schnell entwickelnder Bereich, der in vielen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommt“, so Webber. „Hier nutzen wir die Vorteile dieses 3D-Druckverfahrens, um optische Komponenten im Millimeterbereich herzustellen. Damit haben wir das Repertoire der optischen Fertigungstechniken um eine schnelle und kostengünstige Alternative erweitert, die sich möglicherweise auf zukünftige Technologien auswirken könnte.“