Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik IPT in Aachen hat seinen Maschinenpark um ein neues System zur automatisierten Formgebung von hochpräzisen optischen Glasbauteilen erweitert. Als Ergebnis ist das Institut nun die einzige Forschungseinrichtung in Europa, die Forschung zur effizienten Kleinserienproduktion kleiner Glasoptiken unter Verwendung eines Wafer-Level-Ansatzes anbieten kann. Auch große Einzeloptiken mit einem Durchmesser von bis zu 150 Millimetern können mit der Anlage hergestellt werden.
Die Herstellung komplexer Glasoptiken, wie sie in Kameras, Sensoren oder medizinischen Geräten zu finden sind, dauert oft mehrere Wochen. Im Forschungsprojekt „Optics48 arbeitet das Fraunhofer IPT derzeit mit Projektpartnern an einer neuen Technologiekette, die die Herstellung solcher Optiken deutlich beschleunigt. Mit digitalen Fertigungstechnologien, Automatisierung und moderner Maschinentechnik sollen künftig auch hochkomplexe Optiken in großen Stückzahlen in wenigen Tagen produziert werden.
Leichter Übergang zur Massenproduktion
Mit dem neuen Glasformsystem GMP-415VA-PX des japanischen Herstellers Shibaura Machine Company (ehemals Toshiba Machine Company) ist das Fraunhofer IPT nun die einzige Forschungseinrichtung in Europa, die Fertigungsprozesse für komplexe Wafer-Level-Optiken oder Multi-Cavity-Designs entwickeln und optimieren kann.
"Früher mussten wir die Optik nach dem Gießen manuell aus dem System entfernen und neue hinzufügen." Dies beschränkte uns auf die Prototypenfertigung in kleinen Stückzahlen, sagt Marcel Friedrichs, der am Fraunhofer IPT die Forschungsarbeiten zum Glasformen leitet. Das neue System verfügt über einen integrierten Autoloader, der nun eine weitgehend automatisierte Produktion ohne manuelle Eingriffe ermöglicht. Dadurch können nun Chargen von bis zu 100 Optiken pro Stunde mit hoher Präzision geformt werden. "Dieser Schritt ist für uns und unsere Partner in der Industrie enorm wichtig, denn optimierte Kleinserienprozesse ermöglichen einen reibungslosen Übergang zur Massenproduktion", sagt Marcel Friedrichs.
Großer Durchmesser: Glasformoptik bis 150 Millimeter
Mit dem neuen System kann das Aachener Team mehr als nur die Massenproduktion erkunden. In der besonders großen Prozesskammer können Glasoptiken mit einem Durchmesser von bis zu 150 Millimetern hergestellt werden. Bisher konnten die Aachener Forscher nur Optiken mit einem maximalen Durchmesser von 110 Millimetern herstellen. Es können sowohl optische Gläser für den sichtbaren Bereich als auch Infrarotgläser verarbeitet werden.
Integration von Sensoren zur Prozessüberwachung
Mit dem Neuzugang zum Maschinenpark vervollständigt das Fraunhofer IPT seine bereits umfassende Prozesskette für die Glasformung, die von der modellbasierten Prozessgestaltung und Werkzeugfertigung – inklusive speziell entwickelter Werkzeugbeschichtungen – über die isotherme und nicht isotherme Formgebung bis hin zur Qualitätskontrolle reicht.
Das Aachener Optikteam plant nun, verschiedene Sensoren in das neue System zur Prozessüberwachung und automatisierten Beschichtungslebensdauerprüfung einzubauen. Damit kann das Team künftig noch präzisere Analysen und Auswertungen für die automatisierte Kleinserienfertigung durchführen und so den Automatisierungsgrad in der Kleinserienfertigung und die Qualität der Optik weiter verbessern. "Die Anlage und damit der vermehrte Einsatz fortschrittlicher Simulationstechniken ermöglichen es uns, viele neue Anwendungsfelder wie Optoelektronik und Quantentechnologien zu erschließen." Wir führen bereits erste Gespräche mit Unternehmen, sagt Marcel Friedrichs.
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