Untersuchung des nanoskaligen Werkstoffverhaltens bei der Umformung metallischer Werkstoffe mittels Präge- und Furchkinematik zur Erzeugung optisch funktionaler Mikrostrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens war die Untersuchung von Mechanismen zur Erzeugung großflächiger mikrooptischer Strukturen mit hoher Strukturdichte in Metallen mittels oberflächennaher Umformung. Im ersten Projektzeitraum wurden Umformmechanismen bei Präge- und Furchprozessen untersucht und geeignete Parameter für reproduzierbare Herstellprozesse abgeleitet. Im zweiten wurden technologische Grenzen bei der Fertigung von Beugungsgittern und Linsenmasterarrays fokussiert. Schwerpunkte waren das elasto-plastischen Werkstoffverhalten im Submikrometerbereich sowie die Ausbildung der Randzonen. Ultrafeinkörniges RSA-501 und galvanische Au- Schichten waren gut mittels Mikroprägen umformbar. Geprägte sphärische Mikrostrukturen wiesen kompensierbare, durch elastische Rückverformung verursachte Abweichungen des Krümmungsradius vom Werkzeugradius auf. Masterstrukturen für die Replikation von Mikrolinsenarrays konnten mit Rubinwerkzeugen, 3-Achs-Kinematik und geringem zeitlichem Aufwand gefertigt werden. Mikroprägen stellt somit ein wirtschaftliches Fertigungsverfahren dar. Allerdings begrenzen Aufwürfe die Strukturdichte. Mikroprägungen in NiP zeigten großflächige, die Strukturdichte beeinträchtigende, Einsenkungen um die Strukturen. Im zweiten Projektzeitraum wurden Wechselwirkungen zwischen benachbarten Strukturen sowie die Reduktion von Formfehlern untersucht. Die Untersuchungen zeigten u. a. die Aufwärtsverdrängung von Mikrostrukturen. Die Prägestrategie wurde intensiv untersucht. Die spaltenweise Reihenfolge und eine aufeinanderfolgende Schrittfolge ermöglichten Strukturen mit den geringsten Formabweichungen. Beim Furchen von Beugungsgittern in RSA-501 wurde ein großes Prozessfenster ermittelt. Mit Blazewinkeln 4° ≤ α ≤ 13° und Gitterkonstanten 0,83 µm ≤ b ≤ 3,33 µm konnten defektfreie Gitterstrukturen gefertigt werden. Bei α < 3° beeinträchtigten Verrundungen an der Spitze der Blazefläche die Struktur. NiP lässt sich ebenfalls mittels Furchen umformen, jedoch nur in sehr engen Prozessgrenzen. Querschliffe von Beugungsgittern zeigen Falten zwischen Blaze- und Antiblazefläche, was auf eine Materialverdrängung entlang der Blazefläche hinweist und die Reduzierung der Furchentiefe bedingt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Advances in micro gap creation between form molds for thin-film replication of diffractive optical elements with strong curvature. Euspen Special Interest Group: Precision Motion Systems & Control, `s-Hertogenbosch, 2022
Kastl, P.; Kühne, S. & Oberschmidt, D.
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Embossing of concave micro-structures in metals as moulds for the replication of micro-lens arrays. Euspen Special Interest Group: Structured & Freeform Surfaces, Huddersfield, 2022
Kober, J.; Rolon, D.A. & Oberschmidt, D.
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Micro-embossing of micro-structures in RSA-501 as mold inserts for the replication of micro-lens arrays. Results in Engineering, 17, 100793.
Kober, Julian; Rolón, Daniel; Hölzel, Florian; Kühne, Stefan; Oberschmidt, Dirk & Arnold, Thomas
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Investigation of the influence of neighbouring concave structures on the form error in micro-embossing of optical moulds for microlens arrays. Euspen Special Interest Group: Structured & Freeform Surfaces, Nottingham, 2024
J. Kober, D. Rolon, S. Kühne & D. Oberschmidt
