Untersuchung des nanoskaligen Werkstoffverhaltens bei der Umformung metallischer Werkstoffe mittels Präge- und Furchkinematik zur Erzeugung optisch funktionaler Mikrostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Oberschmidt
• Fachliche Zuordnung: Ur- und Umformtechnik, Additive Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 440840282

Ziel des gesamten Vorhabens ist die grundlegende Untersuchung von Mechanismen zur Erzeugung großflächig aufgebrachter mikrooptischer Strukturen mit hoher Strukturdichte in Metallen durch Umformung des oberflächennahen Bereichs. Die Dimensionen von Mikrooptiken liegen nur wenige Größenordnungen über der Anwendungswellenlänge oder sogar darunter. Die Genauigkeitsanforderungen können bis in den Nanometerbereich reichen. Als Optikarrays kommen sie in Wabenkondensoren, zur Strahlhomogenisierung in Lasersystemen und als Belichtungsanlagen sowie zur Lichtleitung in der Displaytechnik zum Einsatz. Eine wirtschaftliche Fertigung erfolgt durch Replikation in Kunststoffe und Gläser mittels Spritzgusses oder Prägeprozesse mit ggf. thermischer Unterstützung. In der Fertigung der Masterstrukturen konkurrieren lithographische und spanende Verfahren (Ultrapräzisionsbearbeitung). Die Fertigung optischer Strukturen in Abformwerkzeuge mittels Ultrapräzisionszerspanung erfolgt als Einzelfertigung und bedarf erheblicher Aufwände hinsichtlich Herstellzeit und maschineller Voraussetzungen. Der Aufwand steigt, wenn Arrays oder großflächige diffraktive Optiken gefertigt werden. Die Möglichkeit, ultrapräzise optische Strukturen in metallische Oberflächen mittels Umformens herzustellen, würde bei Vereinfachung des kinematischen Aufwandes von Werkzeugmaschinen auch die Fertigungszeit erheblich verringern. Das Projekt fokussiert das vertiefte Verständnis der technologischen Grenzen bei der Erzeugung von Blaze-Gittern und Linsenmasterarrays mittels Mikroumformung. Die Profilqualität und Rauheit müssen auch bei dichten Mikroumformungen engen Grenzen unterliegen, um Anwendungen für Wellenlängen im sichtbaren Bereich oder geringer zu ermöglichen. Für Fertigungsprozesse von mikrooptischen Arrays und Beugungsgittern soll daher ein grundlegendes Verständnis als Grundlage zur Optimierung der Bearbeitungsparameter erforscht werden, um strukturierte Flächen mit hoher Strukturdichte zu erzeugen. Die folgenden zentralen Forschungsfragen werden adressiert: • Wie können Defekte von gefurchten Gittern wie Über- und Unterverdrängung verringert werden? Welchen Einfluss habe die Prozessparameter auf die Defekte? • Wie beeinflussen sich Linsenmasterstrukturen gegenseitig bei der Reduzierung ihres Abstandes? • Welche Prägestrategie kann angewendet werden, um eine Erhöhung der Strukturdichte zu erzielen? • Wie sind die optischen Eigenschaften von umgeformten Beugungsgittern und Mikrolinsenarrays? Das Projekt erforscht das Verständnis der Mikroumformung von metallischen Werkstoffen, was dazu beiträgt die Qualität von umgeformten Beugungsgittern und Mikrolinsenarrays zu steigern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen