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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR DIGITALLY PRODUCING AN OPTICAL ELEMENT HAVING INTEGRATED FUNCTIONALITIES AND OPTICAL ELEMENT THUS PRODUCED
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2021/013567
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for digitally producing an optical element having integrated functionalities, wherein a three-dimensional structure is produced from a printing material containing an inorganic-organic hybrid polymer by means of 3D printing, and a modification in regions on the surface and/or in the volume of the structure produces at least one region having an additional functionality. The invention also relates to an optical element containing a three-dimensional structure produced by means of 3D printing from an inorganic-organic hybrid polymer, wherein the structure has, on the surface and/or in the volume, at least one region having an additional functionality.

Inventors:
DOMANN GERHARD (DE)
STEENHUSEN SÖNKE (DE)
KLEIN MATTHIAS (DE)
REHBERGER MATTHIAS (DE)
MITLACHER MATTHIAS (DE)
VEDDER CHRISTIAN (DE)
NIPPGEN SEBASTIAN (DE)
BECKERT ERIK (DE)
KEMPER FALK (DE)
Application Number:
EP2020/069395
Publication Date:
January 28, 2021
Filing Date:
July 09, 2020
Export Citation:
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Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
International Classes:
B29C64/112; B29C64/106; B29C64/135; B29C64/273; B29D11/00; B33Y10/00; B33Y30/00; B33Y70/00; B33Y80/00; C07F7/18; C08G77/00; C08G77/14; C08G77/20; C08G77/28; C08L83/04; B29L11/00
Foreign References:
US20150291833A12015-10-15
EP2943331B12018-06-27
DE102017002986A12018-06-14
Other References:
S SURESH NAIR ET AL: "Additive Manufacturing of Functional (Photoluminescent) Optical Components", 119. DGAO TAGUNG, 20 July 2018 (2018-07-20), XP055740561
SURESH NAIR S ET AL: "3D-printed optical active components", PROCEEDINGS OF SPIE; [PROCEEDINGS OF SPIE ISSN 0277-786X VOLUME 10524], SPIE, US, vol. 10529, 21 February 2018 (2018-02-21), pages 105290W - 105290W, XP060102261, ISBN: 978-1-5106-1533-5, DOI: 10.1117/12.2287427
Attorney, Agent or Firm:
PFENNING, MEINIG & PARTNER MBB (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur digitalen Erzeugung eines optischen Elements mit inte grierten Funktionalitäten, bei dem a) eine dreidimensionale Struktur aus einem anorganisch

organischen Hybridpolymer enthaltenden Druckmaterial mit tels 3D-Druck erzeugt wird,

b) in der dreidimensionalen Struktur durch eine bereichsweise Modifikation auf der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur mindestens ein Bereich mit einer zusätzlichen Funkti onalität erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Funktionalitäten aus gewählt sind aus optischen Funktionalitäten, insbesondere Licht ab sorbierende und/oder reflektierende und/oder brechende und/oder streuende Elemente, oder elektrischen Funktionalitäten.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das anorganisch-organische Hybridpo lymer durch Hydrolyse- und Poly-Kondensationsreaktionen von min destens einem Alkoxy- oder Hydroxysilanen der allgemeinen Formel I hergestellt wird:

RxSi(OR')4-x (I)

mit

R= organische Gruppe; ausgewählt aus CI - C8, insbesondere Me thyl, Ethyl, Isopropyl, Tert.-butyl, Cyclohexyl, Phenyl, und ggf. funktionalisiert, insbesondere mit Vinyl, Allyl, Glycidyloxypropyl, [2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyl]trimethoxy- silan, (Meth-)Acryloxypropyl, Styryl, Thiolenen, Norbonen,

R' = H, Cl-C8-Alkyl, insbesondere Methyl oder Ethyl, wobei Si zumindest teilweise durch Zirkonium und/oder Titan ersetzt sein kann.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass das Druckmaterial Partikel enthält, ins besondere

• Partikel mit hoher Brechzahl, bevorzugt Zirkonoxid oder Ti tanoxid, oder Nanopartikel zur Erhöhung der Laserabsorption

• Licht konvertierende, insbesondere verstärkende und/oder wellenlängenumwandelnde Partikel,

• streuende Partikel,

• Partikel zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit, der Dispersion, der thermische Ausdehnung

• Partikel als Label oder

• Kombinationen hiervon.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass der 3D-Druck mittels Inkjet- Druckverfahren, Stereolithographie oder digitaler Lichtverarbeitungs- Technologie (DLP) erfolgt.

Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der dreidimensiona len Struktur mittels Inkjet-Druckverfahren folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

(1) Ausstößen einer Vielzahl von Tröpfchen des das anorganisch organische Hybridpolymer enthaltenden Druckmaterials in Richtung eines Substrats, wobei die Tröpfchen nebeneinander zur Ausbildung einer Lage abgeschieden werden. (2) Photochemisches Aushärten der Vielzahl von Tröpfchen in der Lage mittels Bestrahlung, bevorzugt UV-Strahlung oder blauer LED-Beleuchtung, wobei die Schritte (1) und (2) bis zum Aufbau der gewünschten drei dimensionalen Struktur wiederholt werden.

7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität des Druckmaterials mit einem Reaktivverdünner, insbesondere Dodecandiol-dimethacrylat oder Ethylmethacrylat, im Bereich von 10 bis 50 mPas eingestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der dreidimensiona len Struktur mittels Stereolithographie folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

(1) Bereitstellen des Druckmaterials auf einer Trägerstruktur in ei nem Bad

(2) Lagenweise Belichtung des Druckmaterials mit einer geraster ten fokussierten (UV)-Lichtquelle durch den Boden des Bades unter Aushärtung einer Lage,

(3) Bewegung der Trägerstruktur mit der gebildeten Lage des Druckmaterials, so dass eine folgende Lage des Druckmaterials auf der gebildeten Lage belichtet wird, wobei die Schritte (2) bis (3) bis zum Aufbau der gewünschten dreidi mensionalen Struktur wiederholt werden.

Verfahren nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, dass bei der Erzeugung der dreidimensiona len Struktur mittels digitaler Lichtverarbeitungs-Technologie (DLP) fol gende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

(1) Bereitstellen des Druckmaterials auf einer Trägerstruktur in ei nem Bad (2) Lagenweise Belichtung des Druckmaterials mit einer Lichtquelle mit einem Raumlichtmodulator durch den Boden des Bades un ter Aushärtung einer Lage,

(3) Bewegung der Trägerstruktur mit der gebildeten Lage des

Druckmaterials, so dass eine folgende Lage des Druckmaterials auf der gebildeten Lage belichtet wird, wobei die Schritte (2) bis (3) bis zum Aufbau der gewünschten dreidi mensionalen Struktur wiederholt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise Modifikation im Vo lumen durch eine Ausstrahlung und Fokussierung von Laserstrahlung mit ultrakurzen Laserpulsen mit einer Pulsdauer von < 10 ps auf den zu modifizierenden Bereich erfolgt, wobei durch die ultrakurzen Laserpul se die bereichsweise Modifikation an der Oberfläche und/oder im Vo lumen der Struktur erfolgt, wobei die Laserpulse bevorzugt eine Puls wiederholrate von 1 bis 500 kHz und/oder eine Pulsenergien von 10 bis 3000 nJ aufweisen und/oder die Laserwellenlänge im Bereich von 300 bis 2200 nm liegt und/oder der Laserstrahldurchmesser im Fokus im Bereich von < 30 pm liegt.

11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet, dass durch die ultrakurzen Laserpulse eine Karbonisierung der organischen Bestandteile des anorganisch organischen Hybridpolymers erfolgt, durch die der zu modifizierende Bereich geschwärzt und/oder elektrisch leitfähig wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die bereichsweise Modifikation durch mindestens einen der folgenden Schritte erfolgt:

• Erzeugung von Licht absorbierenden und/oder reflektierenden und/oder brechenden und/oder streuenden Elementen auf der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur mittels Laser strahlung

• Entspiegelung der Oberfläche der Struktur mittels Plasmaätzen

• Erzeugung eines spiegelnden Elementes mittels Inkjet- Druckverfahren und anschließender thermischer Nachbehand lung und/oder photonischer Nachbehandlung, z.B. Blitzlam penbeleuchtung oder Lasernachbehandlung, wobei das Druck verfahren bevorzugt unter Verwendung von metallischen (Na- nojpartikeln, besonders bevorzugt Silber-(nano)partikeln durchgeführt wird

• Erzeugung eines achromatischen Elements mittels Inkjet- Druckverfahren, indem während des Inkjet-Druckverfahrens das erste Druckmaterial zumindest zeitweise durch ein weite res Druckmaterial ersetzt wird, das eine vom ersten Druckma terial sich unterscheidende Brechzahl aufweist und

• Kombinationen hiervon.

13. Optisches Element enthaltend eine mittels 3D-Druck aus einem anor ganisch-organischen Hybridpolymer hergestellte dreidimensionale Struktur, wobei auf der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur mindestens ein Bereich mit einer zusätzlichen Funktionalität angeord net sind.

14. Optisches Element nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Funktionalitäten aus gewählt sind aus optischen Funktionalitäten, insbesondere Licht ab sorbierende und/oder reflektierende und/oder brechende und/oder streuende Strukturen, oder elektrischen Funktionalitäten, insbesonde re eine elektrische Leitfähigkeit.

15. Optisches Element nach einem der Ansprüche 13 oder 14,

dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Funktionalitäten aus gewählt sind aus: • eine spiegelnde Oberfläche der Struktur, insbesondere gebildet mit metallischen (Nano)partikeln bevorzugt Silber- (nano)partikeln

• eine Entspiegelung an der Oberfläche des optischen Elements

• ein Licht brechendes Element an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur,

• eine Licht streuendes Element an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur,

• ein Licht absorbierendes Element, insbesondere eine Apertur blende, an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur,

• ein achromatisches Element an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur und

• Kombinationen hiervon.

16. Optisches Element nach einem der Ansprüche 13 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element durch 3D-Druck, insbesondere durch Inkjet-Druckverfahren, Stereolithographie, digita ler Lichtverarbeitungs-Technologie (DLP), herstellbar ist.

17. Optisches Element nach einem der Ansprüche 13 oder 16,

dadurch gekennzeichnet, dass das anorganisch-organische Hybridpo lymer durch Hydrolyse- und Poly-Kondensationsreaktionen von min destens einem Alkoxy- oder Hydroxysilanen der allgemeinen Formel I hergestellt wird:

RxSi(OR')4-x (I)

mit

R= organische Gruppe; ausgewählt aus CI - C8, insbesondere Me thyl, Ethyl, Isopropyl, Tert.-butyl, Cyclohexyl, Phenyl, und ggf. funktionalisiert, insbesondere mit Vinyl, Allyl, Glycidyloxypro- pyl, [2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyl]trimethoxy-silan, (Meth- )Acryloxypropyl, Styryl, Thiolenen, Norbonen,

R' = H, Cl-C8-Alkyl , insbesondere Methyl oder Ethyl, wobei Si zumindest teilweise durch Zirkonium und/oder Titan ersetzt sein kann.

18. Optisches Element nach einem der Ansprüche 13 bis 17,

dadurch gekennzeichnet, dass die Licht absorbierenden und/oder bre chenden und/oder streuenden Elemente durch eine Modifikation ins besondere einer Karbonisierung der organischen Bestandteile des an organisch-organischen Hybridpolymers mittels ultrakurzen Laserpulsen herstellbar ist.

Description:
Verfahren zur digitalen Erzeugung eines optischen Elements mit integrierten Funktionalitäten und derart hergestelltes optisches Element

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur digitalen Erzeugung eines optischen Elements mit integrierten Funktionalitäten, bei dem eine dreidi mensionale Struktur aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer ent haltenden Druckmaterial mittels SD-Druck erzeugt und eine bereichsweise Modifikation auf der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur mindes tens ein Bereich mit einer zusätzlichen Funktionalität erfolgt. Ebenso betrifft die Erfindung ein optisches Element enthaltend eine mittels SD-Druck aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer hergestellte dreidimensionale Struktur, wobei die Struktur auf der Oberfläche und/oder im Volumen min destens einen Bereich mit einer zusätzlichen Funktionalität aufweist.

Optische Systeme werden bisher aus diversen optischen Elementen, wie Lin- sen, Spiegel, Blenden, etc. zusammengesetzt, um eine definierte Funktion zu erreichen. Im klassischen Fall von abbildenden Glasoptiken ist dafür die As semblierung von ganzen Baugruppen nötig, die jeweils präzise gefügt werden müssen und sowohl ein hohes Gewicht als auch ein großes Volumen haben.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kameraobjektiven werden di verse optische Komponenten, insbesondere geschliffene und polierte sphäri sche Linsen sowie Blenden zu einer gesamten Anordnung zusammengefügt. In diesem Fall wird ein komplexes System von Linsen benötigt, um nicht nur die bloße Abbildung zu bewirken, sondern geleichzeitig optische Aberrationen (z.B. Farbfehler und sphärische Aberrationen) zu korrigieren. Jede einzelne Komponente muss dafür aufwendig entspiegelt werden und verursacht neben der höheren Komplexität der Optik und den damit entstehenden Systemkos ten auch eine Verminderung des Lichtdurchsatzes. Genauso wie brechende Oberflächen, sind Aperturblenden (sog. Baffles) innerhalb des optischen Sys tems nötig, um Geisterbilder und ungewollte Lichtreflexe zu vermeiden.

Die zahlreichen Komponenten eines optischen Systems müssen durch opto- mechanische Bauteile präzise zueinander ausgerichtet werden, was nicht nur ein hohes Gewicht und Bauteilvolumen verursacht, sondern auch hohe Kosten für Komponenten, Montage und Justierung verursacht. Getrieben ist die Komplexität von optischen Systemen insbesondere durch die Verwendung von sphärischen Oberflächen, die kostengünstig durch Schleifen und Polieren gefertigt werden können. So lassen sich mit sehr hohem Aufwand exzellente Abbildungseigenschaften erreichen.

Eine erhebliche Verringerung der Komplexität von optischen Systemen kann durch den Einsatz von Freiformoberflächen bewirkt werden. Diese werden beispielsweise mit zerspanenden Verfahren wie Diamant-Drehen oder durch Präzisionspressen hergestellt. Der Kostenvorteil, der aus der geringeren An zahl an Komponenten resultiert, wird jedoch durch aufwendige Nachbearbei tungsschritte der Freiformen und teure Werkzeuge wieder vergeben. Wirt schaftlicher - und daher für viele„Consumer"-Optiken relevant - ist der Ein satz von Polymeren, die durch Prägeprozesse oder Präzisionsspritzguss zu Linsen verarbeitet werden. Ein BD-Druck von Polymeroptiken mittels Inkjet oder SLA-Technologie (Stereolithographie) stellt diesbezüglich einen elegan- ten Ausweg dar, weil per se Freiformen generiert werden können. Dies ist aus EP 2.943.331 Bl bekannt, die überwiegend organische Harze (ggf. mit einem Silikonanteil zur Verbesserung der Langzeitstabilität bei kurzen Wellenlängen) zu refraktiven Oberflächen für Beleuchtungsanwendungen und Ophthalmolo gie verdruckt. Im Stand der Technik sind verschiedene Varianten der additiven Fertigung von refraktiven (und in Teilen auch reflektiven) optischen Kompo nenten (siehe angehängte Literaturliste) bekannt, die aber die typischen Prob leme der 3D-gedruckten Polymeroptik aufweisen:

• Auftreten von Lagengrenzen im Volumen des gedruckten Körpers in Form von Brechzahlinhomogenitäten, die die Transmission durch den Körper vermindern.

• Digitalisierungsartefakte, d.h. eine Treppenbildung auf gedruckten Oberflächen durch die Zerlegung des Körpers in Schichten mit definier tem Abstand.

• Eingeschränkte Genauigkeit der realisierten Oberfläche und erhöhte Rauheit jeweils im Vergleich zu konventionell gefertigten Optiken.

• Haltbarkeits- und Zuverlässigkeitseinschränkungen durch die Verwen dung von Polymeren.

Mit dem Anspruch durch digitale Fertigung ein funktionierendes optisches System und nicht nur eine einzelne Komponente (wie eine Linse) zu erzeugen, fehlt außerdem die Integration von Blenden aus absorbierenden Materialien oder sogar weiteren Funktionselementen wie Spiegeln.

Blenden bzw. absorbierende Strukturen werden üblicherweise als optome- chanische Bauteile in das gesamte optische System eingefügt. Eine nachträgli che ggf. additive/digitale Integration von Blendenstrukturen ist nach dem Stand der Technik bei der klassischen Optikfertigung nicht vorgesehen. Be schrieben wird allerdings eine 3D-Volumenstrukturierung von optischen Glä sern oder Polymerblöcken, die durch Laserprozesse im Volumen der Kompo nente ausgelöst wird. Es handelt sich hierbei um eine Bildung von Mikrorissen oder auch eine gezielte - und ggf. durch Materialmodifikationen begünstigte - lokale Schwärzung. Typischerweise erfolgen diese Modifikationen aber nicht im Anwendungsbereich optischer Systeme und insbesondere nicht in 3D- gedruckten optischen Elementen.

Eine 3D-Formgebung von Optiken mit digitalen Prozessen ist nach aktuellem Stand der Technik auf wenige Arten möglich:

1. Selektives Laserätzen:

Hierbei wird typischerweise Quarzglas mit Femtosekunden- Laserpulsen belichtet und somit im Fokalbereich des Brennpunkts die Ätzrate gegenüber HF oder KOH erhöht. Nach der punktweisen Belich tung einer 3D Struktur erfolgt dann der Ätzschritt, nach dem die ge wünschte 3D Struktur als Negativ des belichteten Bereichs verbleibt (subtraktiver Prozess). Die Genauigkeit und Rauheit des Prozesses rei chen allerdings nicht aus, um optische Komponenten zu fertigen.

2. 3D-Druck:

3D-Duck von Kompositen bestehend aus Partikeln (z.B. mit Silica) und organischen Matrixmaterialien und anschließende Sinterung d.h. thermische Zersetzung des Matrixmaterials. Hiermit lassen sich glas ähnliche Komponenten additiv fertigen. Analog zu Ätzprozessen reicht die Qualität der Komponenten insbesondere aufgrund der Schrump fung im Sinterprozess nicht für optische Anwendungen aus.

3. Laserstrukturieren und -polieren:

Abtrag, Feinstabtrag, Polieren mittels C0 2 -Laserstrahlung

4. Abrasive Laserbehandlung:

Beschrieben ist die Laserbehandlung durch Abtrag für transmittive Op tiken auch für Acrylate (DE 10-2017002986 Al)

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur digitalen Erzeugung eines optischen Elements mit integrierten Funktionali täten bereitzustellen, das die Nachteile im Stand der Technik überwindet und ein optisches Element mit hoher Komplexität bei verbesserten optischen Ei genschaften ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das optische Element mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur digitalen Erzeugung eines optischen Elements mit integrierten Funktionalitäten bereitgestellt, bei dem a) eine dreidimensionale Struktur aus einem anorganisch

organischen Hybridpolymer enthaltenden Druckmaterial mittels SD-Druck erzeugt wird und b) in der dreidimensionalen Struktur durch eine bereichsweise Modi fikation auf der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur mindestens ein Bereich mit einer zusätzlichen Funktionalität er zeugt wird.

Die im Stand der Technik bekannten Herausforderungen werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine gezielte Wahl von additiven und digitalen Prozessen in Kombination mit geeigneten Materialien gelöst. Zunächst wird ein optisches Element als dreidimensionale Struktur mittels 3D-Druck, z.B. durch Inkjet-Druck, Stereolithographie oder digitale Lichtverarbeitungs- Technologie (engl. Digital Light Processing, DLP) erzeugt, um die Anzahl der brechenden Flächen im Rahmen eines Freiformansatzes zu reduzieren. Dies erlaubt prinzipiell die Generation von Lichtfeldverteilungen, die mit konventi onellen Optiken nicht möglich sind und vereinfacht die Komplexität und damit nachgelagert die Montage und Justierung des optischen Systems erheblich.

Die zusätzlichen Funktionalitäten sind vorzugsweise ausgewählt aus optischen Funktionalitäten, insbesondere Licht absorbierende und/oder reflektierende und/oder brechende und/oder streuende Elemente, oder elektrischen Funkti onalitäten.

Anders als im Stand der Technik wird ein Licht-härtendes, also photochemisch vernetzbares, anorganisch-organisches Hybridpolymer (ORMOCER) statt eines rein organischen Polymers als Druckmaterial verwendet. Dieses verfügt über einen anorganischen Anteil, der bessere optische Eigenschaften sowie eine erhöhte Stabilität gegenüber Temperatureinflüssen und anderen Alterungser scheinungen insbesondere Vergilbung bewirkt. Zudem kann die Materialklas se der anorganisch-organischen Hybridpolymere im Hinblick auf die Druckpa rameter und die Eigenschaften des Bauteils angepasst werden, so dass die Eigenschaften der gedruckten Optik im Allgemeinen gegenüber dem Stand der Technik erheblich verbessert werden können. Dies betrifft beispielsweise die Reduktion von Lagengrenzen durch eine Anpassung der Photochemie, eine glattere Oberfläche durch materialimmanente selbstglättende Effekte und eine erhöhte Transmission im sichtbaren Spektralbereich.

Es ist bevorzugt, dass das anorganisch-organische Hybridpolymer durch Hyd rolyse und Polykondensation von einem oder mehreren Alkoxy- oder Hydro- xysilanen der allgemeinen Formel I hergestellt wird:

R x Si(OR') 4 -x (I)

mit

R= organische Gruppe; ausgewählt aus CI- C8, insbesondere Me thyl, Ethyl, Isopropyl, Tert.-butyl, Cyclohexyl, Phenyl, und ggf. funktionalisiert, insbesondere mit Vinyl, Allyl, Glycidyloxypro- pyl, [2-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyl]trimethoxy-silan, (Meth- )Acryloxypropyl, Styryl, Thiolenen, Norbonen,

R' = H, Cl-Cx-Alkyl, insbesondere Methyl oder Ethyl,

Dabei kann das Silicium zumindest teilweise durch Zirkonium und/oder Titan ersetzt sein.

Die verwendeten anorganisch-organischen Hybridpolymere werden durch eine Hydrolyse und anschließender Kondensation von Alkoxysilanen als Precursoren hergestellt. Hierbei entsteht ein anorganisches Rückgrat aus Si-O- Einheiten, an das kovalent organische funktionelle Gruppen gebunden sind.

Zu diesen gehören im Fall von 3D-druckbaren anorganisch-organischen Hyb ridpolymere UV-vernetzbare Gruppen, insbesondere Acrylate und Methac- rylate. Bei derartigen Hybridpolymeren handelt es sich üblicherweise um Pho toresiste, die typischerweise in dünnen Sichten von mehreren Mikrometern aufgetragen und (mikro)strukturiert werden. Der lagenweise Aufbau im 3D- Druck Prozess erlaubt es, diese Materialien zu Volumenkörpern zu verarbei ten.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass das Druckmaterial funktio nale Partikel, insbesondere

Partikel mit hoher Brechzahl, bevorzugt Zirkonoxid oder Titanoxid, o- der Nanopartikel zur Erhöhung der Laserabsorption • Licht konvertierende, insbesondere verstärkende und/oder wellenlän- genumwandelnde Partikel,

• streuende Partikel,

• Partikel zur Einstellung der Wärmeleitfähigkeit, der Dispersion, der thermische Ausdehnung

• Partikel als Label oder

• Kombinationen hiervon.

Bevorzugt werden als funktionale Partikel Nanopartikel, d.h. Partikel mit einer maximalen Partikeldurchmesser von bis zu 1000 nm verwendet.

Vorzugsweise erfolgt der 3D-Druck mittels Inkjet-Druckverfahren, Stereolitho graphie oder digitaler Lichtvera rbeitungs-Technologie (DLP).

Bei der Erzeugung der dreidimensionalen Struktur mittels Inkjet- Druckverfahren werden bevorzugt folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

(1) Ausstößen einer Vielzahl von Tröpfchen des das anorganisch

organische Hybridpolymer enthaltenden Druckmaterials in Rich tung eines Substrats, wobei die Tröpfchen nebeneinander abge schieden werden zur Ausbildung einer Lage,

(2) Photochemisches Aushärten der Vielzahl von Tröpfchen in der La ge mittels Bestrahlung, bevorzugt UV-Strahlung oder blauer LED- Beleuchtung.

Die Schritte (1) und (2) werden dabei bis zum Aufbau der gewünschten drei dimensionalen Struktur wiederholt.

Alternativ ist auch die lagenweise Herstellung der Außenkontur des 3D Kör pers durch Ausstößen einer Vielzahl von Tröpfchen mit lagenweiser photo chemischer Aushärtung der Außenkontur Teil der Erfindung. Hier wird das Volumen der Struktur anschließend mit dem anorganisch-organischen Hyb ridpolymer geflutet und erneut belichtet.

Die Wahl der verwendeten anorganisch-organischen Hybridpolymere erfolgt zum einen derart, dass die oben genannten Bauteileigenschaften realisierbar sind und zum anderen in Abstimmung mit dem jeweiligen Druckprozess. Im Allgemeinen lässt sich nicht jedes anorganisch-organische Hybridpolymer mit tels BD-Druck zu einem Grundkörper verarbeiten. Es muss beispielsweise für den Inkjet-Druck durch die Syntheseführung (Wahl der Precusoren) oder die Zugabe von Reaktivverdünnern hinsichtlich seiner Viskosität angepasst wer den, so dass diese vorzugsweise von 10 bis 50 mPas bei Raumtemperatur be trägt. Ein geeigneter Reaktivverdünner, also ein im Druckprozess mitvernet zendes Molekül kann z.B. DDDMA (Dodecanediol Dimethacrylate) oder Ethyl- methacrylat (EMA) sein. Zudem muss das anorganisch-organische Hybridpo lymer photochemisch aushärtbar sein und sich für die Prozessierung in dicken Schichten (entsprechend dem Lagenabstand im Druckprozess) eignen.

Überraschenderweise können durch die lageweise Herstellung des Bauteils mit Hybridpolymeren bestimmter Ausführungstypen makroskopische Körper aufgebaut werden, bei denen mit anderen Herstellungsverfahren durch den internen Materialstress Rissbildungen Versprödungen auftreten können.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass bei der Er zeugung der dreidimensionalen Struktur mittels Stereolithographie folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

(1) Bereitstellen des Druckmaterials auf einer Trägerstruktur in einem Bad

(2) Lagenweise Belichtung des Druckmaterials mit einer gerasterten fokussierten (UV)-Lichtquelle durch den Boden des Bades unter Aushärtung einer Lage,

(3) Bewegung der Trägerstruktur mit der gebildeten Lage des Druck materials, so dass eine folgende Lage des Druckmaterials auf der gebildeten Lage belichtet wird, wobei die Schritte (2) bis (3) bis zum Aufbau der gewünschten dreidimensio nalen Struktur wiederholt werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, dass bei der Er zeugung der dreidimensionalen Struktur mittels digitaler Lichtvera rbeitungs- Technologie (DLP) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: (1) Bereitstellen des Druckmaterials auf einer Trägerstruktur in einem Bad

(2) Lagenweise Belichtung des Druckmaterials mit einer Lichtquelle mit einem Raumlichtmodulator durch den Boden des Bades unter Aushärtung einer Lage,

(3) Bewegung der Trägerstruktur mit der gebildeten Lage des Druck materials, so dass eine folgende Lage des Druckmaterials auf der gebildeten Lage belichtet wird, wobei die Schritte (2) bis (3) bis zum Aufbau der gewünschten dreidimensio nalen Struktur wiederholt werden.

Es ist bevorzugt, dass die bereichsweise Modifikation im Volumen durch eine Ausstrahlung und Fokussierung von Laserstrahlung mit ultrakurzen Laserpul sen < 10 ps auf den zu modifizierenden Bereich erfolgt, wobei durch die ultra kurzen Laserpulse die bereichsweise Modifikation an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur erfolgt. Die Laserpulse weisen bevorzugt eine Puls wiederholrate von 1 bis 500 kHz und/oder eine Pulsenergie von 10 bis 3000 nJ auf. Die Laserwellenlänge liegt bevorzugt im Bereich von 300 bis 2200 nm. Der Laserstrahldurchmesser im Fokus liegt vorzugsweise im Bereich von < 30 pm.

Durch die ultrakurzen Laserpulse kann bevorzugt eine Karbonisierung der or ganischen Bestandteile des anorganisch-organischen Hybridpolymers erfol gen, durch die der zu modifizierende Bereich geschwärzt und/oder elektrisch leitfähig wird.

Neben den bereits verbesserten Eigenschaften der gedruckten optischen Komponenten ist durch die Wahl von geeigneten anorganisch-organischen Hybridpolymeren als Druckmaterial die Integration von weiteren Funktionali täten möglich, so dass ein optisches System durch digitale Prozesse kreiert werden kann. Eine konkrete Funktionalität ist das Erzeugen von absorbieren den Strukturen im Volumen des gedruckten Körpers durch die Wechselwir kung des Druckmaterials mit Laserstrahlung. Dafür wird ein Laser durch ein optisches System in den Körper fokussiert. Die Wechselwirkung im Volumen erfolgt durch nichtlineare Absorptionsprozesse ultrakurzer Laserpulse, die wiederum mikroskopische Materialmodifikation des Druckmaterials bewirken. Durch die verwendete Fokussieroptik und die verwendeten Laserparameter lässt sich die geometrische Ausprägung dieser Modifikation manipulieren, wobei die durch einen Einzelpuls ausgelöste Modifikation von dem Abstand des Fokus im Material zur Probenoberfläche abhängig ist. Eine Kombination mehrerer durch Einzelpulse ausgelöster Modifikationen in konstanter Bear beitungstiefe unter der Probenoberfläche erlaubt folgerichtig eine makrosko pische Materialmodifikation des Druckmaterials. Dies kann ebenso in unter schiedlichen Bearbeitungstiefen unter der Probenoberfläche erfolgen, was im Hinblick auf eine homogene makroskopische Materialmodifikation allerdings eine tiefenangepasste Laserprozesssteuerung erfordert. Im Sinne der absor bierenden Strukturen zum Vermeiden von Geisterbildern und ungewollten Reflexionen kann es sich bei den laserinduzierten Materialmodifikationen konkret um eine Karbonisierung, d.h. eine Zersetzung von organischen ORMOCER e -Bestandteilen handeln, die im Volumen als breitbandig absorbie rende (= dunkle) Struktur erscheint. Durch Anpassung der Prozessparameter und/oder ein mehrfaches Auslösen der Modifikationen - entweder an glei cher Stelle oder in eng benachbarten Regionen - lässt sich die Gesamtabsorp tion/Transmission durch den makroskopisch bearbeiteten Bereich definiert einstellen.

Eine Zugabe von Nanopartikeln zur Modifikation des Absorptionsverhaltens im Volumenkörper und damit zur besseren Kontrolle der Laser-induzierten Wechselwirkung zur Schwärzung von digital festgelegten Bereichen ist eben falls denkbar. Dieser Materialtechnologische Ansatz erlaubt ferner die Anpas sung der Brechzahl des Druckmaterials.

Das Auslösen einer laser-induzierten Karbonisierung hat außerdem den Vor teil, dass die modifizierten Bereiche elektrisch leitfähig sind. Dies ermöglicht folglich nicht nur die Integration von Licht-absorbierenden Strukturen, son dern auch das nachträgliche Integrieren von elektrischen Leiterbahnen z.B. zur Kontaktierung von integrierten elektrooptischen Komponenten, Heizelemen ten oder Sensoren. Bei der bereichsweisen Modifikation der dreidimensionalen Struktur handelt es sich vorzugsweise um mindestens einen der folgenden Schritte:

• Erzeugung von Licht absorbierenden und/oder reflektierenden

und/oder brechenden und/oder streuenden Elementen auf der Ober fläche und/oder im Volumen der Struktur mittels Laserstrahlung

• Entspiegelung der Oberfläche der Struktur mittels Plasmaätzen

• Erzeugung eines spiegelnden Elementes mittels Inkjet-Druckverfahren und anschließender thermischer Nachbehandlung und/oder photoni- scher Nachbehandlung, z.B. Blitzlampenbeleuchtung oder Lasernach behandlung, wobei das Druckverfahren bevorzugt unter Verwendung von metallischen (Nano)partikeln, besonders bevorzugt Silber- (nano)partikeln durchgeführt wird

• Erzeugung eines achromatischen Elements mittels Inkjet- Druckverfahren, indem während des Inkjet-Druckverfahrens das erste Druckmaterial zumindest zeitweise durch ein weiteres Druckmaterial ersetzt wird, das eine vom ersten Druckmaterial sich unterscheidende Brechzahl aufweist und

• Kombinationen hiervon.

Erfindungsgemäß wird ebenso ein optisches Element bereitgestellt, das eine mittels BD-Druck aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer herge stellte dreidimensionale Struktur enthält, wobei die Struktur auf der Oberflä che und/oder im Volumen mindestens einen Bereich mit einer zusätzlichen Funktionalität aufweist.

Es ist bevorzugt, dass die zusätzlichen Funktionalitäten ausgewählt sind aus optischen Funktionalitäten, insbesondere Licht absorbierende und/oder re flektierende und/oder brechende und/oder streuende Strukturen, oder elektrischen Funktionalitäten, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeit. Es ist bevorzugt, dass die zusätzlichen Funktionalitäten der dreidimensionalen Struktur ausgewählt sind aus

• eine spiegelnde Oberfläche der Struktur, insbesondere gebildet aus metallischen (Nano)partikeln bevorzugt Silber-(Nano)partikeln

• eine Entspiegelung an der Oberfläche des optischen Elements durch Plasmaätzen

• ein Licht brechendes Element an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur,

• eine Licht streuendes Element an der Oberfläche und/oder im Volu men der Struktur,

• ein Licht absorbierendes Element, insbesondere eine Aperturblende, an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur,

• ein achromatisches Element an der Oberfläche und/oder im Volumen der Struktur und

• Kombinationen hiervon.

Die grundlegende Herangehensweise ein optisches System aus anorganisch organischen Hybridpolymeren durch 3D-Druck in Kombination mit anderen digitalen Prozessen zu fertigen, erlaubt die Integration von noch viel komple xeren Funktionalitäten. Sofern das Druckmaterial kompatibel zu weiteren Funktionsmaterialien sowie Prozessen ist - und dies lässt sich durch die Che mie bewerkstelligen - können entweder im Druckprozess zwischen den ein zelnen Drucklagen oder nach der Fertigstellung des gedruckten Körpers weite re Funktionalitäten realisiert werden.

Insgesamt leiten sich die Vorteile der Herangehensweise zum einen konkret aus den Vorteilen der 3D-gedruckten Optiken ab. Zum anderen resultieren weitere signifikante Vorteile aus der Integration von Funktionen, die aus der Wahl des Druckmaterials und der Prozessführung (3D-Druck, Laserprozess) resultieren. Diese Vorteile umfassen:

• Weniger Gewicht und Volumen

• Geringere Kosten

• Erheblich verbesserte Materialeigenschaften im Vergleich zu reinen Polymer-basierten Druckmaterialien (Temperaturstabilität, Vergilbung, ·..)

• Verbesserte Zuverlässigkeit

• Völlige Designfreiheit bezüglich der refraktiven Oberfläche(n) und den integrierten Absorberstrukturen/Baffles

• Keine Geisterbilder oder/und ungewollte Reflexe

• Deutlich erhöhte Funktionsdichte und weitere Funktionen, die bisher in optischen System nur sehr schwer oder ggf. gar nicht zu integrieren waren (z.B. Spiegel, Absorberstrukturen)

• Verbesserte optische Eigenschaften: Verringerte (Brechung/Streuung an) Lagengrenzen, geringe Oberflächenrauigkeiten, AR-Schichten ohne zusätzliches Aufträgen von Schichten

• Design bis Losgröße 1 ohne Werkzeuganpassung

Anhand der nachfolgenden Figuren und des Beispiels soll der erfindungsge mäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen.

Fig.l zeigt eine fotografische Aufnahme eines erfindungsgemäßen optischen Elements

Fig. 2 zeigt ein Transmissionsspektrum eines erfindungsgemäßen optischen Elements im Vergleich zu Quarzglas und PMMA

Fig. 3 zeigt eine fotographische Aufnahme von erfindungsgemäßen opti schen Elementen mit integrierten funktionalen Bereichen (absorbie rende Strukturen)

In Fig. 1 ist eine fotografische Aufnahme eines erfindungsgemäßen optischen Elements aus einem anorganisch-organischen Hybridpolymer (ORMOCER).

Aus der Aufnahme ist zu erkennen, dass das optische Element eine hohe Transparenz aufweist und zudem keine Vergilbung des Materials festzustellen ist. Ferner handelt es sich bei der obenliegenden Oberfläche um eine Frei form.

In Fig. 2 ist ein Transmissionsspektrum von erfindungsgemäßen optischen Elementen dargestellt. Die Messung erfolgte an einer 3D-gedruckten planpa- rallelen Platte mit einer Dicke von 3 mm (Material 1: kommerziell erhältliches ORMOCER; Material 2: modifiziertes ORMOCER mit DDDMA). Das Spektrum zeigt als Referenz die Transmission einer PMMA-Platte mit einer Stärke von 1 mm (Material 3) und 5 mm (Material 4) sowie als Referenz für ein rein anor ganisches Material die Transmission von Quarzglas. Die Daten belegen, dass eine ähnlich hohe Transmission der 3D-gedruckten Körper im Wellenlängen bereich von 400 bis 1100 nm wie bei den klassisch prozessierten Materialien gegeben ist. Dies zeigt die hohe optische Qualität im Hinblick auf Transmission (Vermeidung von streuenden/brechenden Lagengrenzen) bei Verwendung eines geeigneten ORMOCERs im 3D-Druckprozess (hier: Inkjet).

In Fig. 3 ist eine fotographische Aufnahme von erfindungsgemäßen optischen Elementen mit integrierten funktionellen Bereichen. In dem linken optischen Element sind hierbei vertikale Absorberstrukturen integriert, im rechten opti schen Elemente sind horizontale Absorberstrukturen integriert, die als graue Bereiche erkennbar sind.

Beispiel

Es werden 3-(Trimethoxysilyl)propylmethacrylat, Diphenyldimethoxysilan und Methoxytrimetylsilan im molaren Verhältnis von 1:1:1,75 in einer sauren Hyd rolyse/Kondensationsreaktion mit Hilfe von HCl umgesetzt. Nach Aufarbeitung wird das erhaltene Harz mit Dodecandioldimethacrylat auf eine Viskosität von 40 mPas eingestellt und mit einem geeigneten Photoinitiator versetzt.

Diese Materialformulierung wird dann mittels Inkjet-Verfahren zu einem 3- dimensionalen Grundkörper verdruckt. Dies erfolgt lagenweise mit einer La gendicke von 10 miti, wobei die jeweils gedruckte Schicht nach dem eigentli chen Druckprozess mittels UV-LEDs (Wellenlänge: 405 nm) für 2 s belichtet, d.h. gehärtet wird und anschließend der Druckkopf mit dem Hybridpolymer um den Lagenabstand vom Träger entfernt wird. Durch mehrfache Wiederho lung von Druck (gemäß aktuellen Lage nach dem Computermodell des Grund körpers), Belichtung und Entfernen des Trägers entsteht so die 3- dimensionale Struktur. Diese weist typischerweise eine Transparenz > 90% im sichtbaren Spektralbereich für eine Gesamtdicke von 1 mm auf. Zur laserinduzierten Erzeugung von Modifikationen im Volumen der Struktur wird diese anschließend in eine Laserschreibanlage eingebracht. Dort wird ein Ultrakurzpulslaser (Wellenlänge 10S0 nm) mit einem Fokusdurchmesser von 1.6 miti, einer Pulsdauer zwischen 0,35 und 1.5 ps sowie einer Pulswiederhol rate zwischen 1 und 500 kHz in das Volumen mit einer numerischen Apertur von 0.4 fokussiert. Entsprechend der digitalen Daten, die die zu erzeugende Volumenmodifikation repräsentieren, wird der Laserfokus dann entlang ver schiedener Trajektorien (in XY-Richtung oder auch in YZ- oder XZ-Richtung) durch den 3D-gedruckten Körper mit einer Pulsenergie zwischen 10 und 3000 nJ geführt. Im Sinne der absorbierenden Strukturen zum Vermeiden von Geis terbildern und ungewollten Reflexen kann es sich bei den laserinduzierten Materialmodifikationen konkret um eine Karbonisierung, d.h. eine Zersetzung von organischen Hybridpolymer-Bestandteilen handeln, die im Volumen als breitbandig absorbierende (= dunkle) Struktur erscheint. Leichtere Modifikati onen des Materials unterhalb der Karbonisierungsschwelle werden genutzt, um Licht brechende oder streuende Strukturen einzubringen.

Der so hergestellte Formkörper kann weitere Funktionen enthalten. So ist ein weiterer 3D-Druck Prozess mit einem anderen Hybridpolymer abweichender Abbe-Zahl auf diesen Formkörper möglich. Die Herstellung erfolgt dabei grundsätzlich mit vergleichbaren experimentellen Bedingungen hinsichtlich Bestrahlungswellenlänge, -Dauer und Lagenabstand. Die Kombination zweier Materialien mit unterschiedlicher Abbe-Zahl ist in der Optik bekannt und er möglicht die Herstellung von farbkorrigierten Optiken.

Weiterhin kann der Druckprozess mit dem Hybridpolymer unterbrochen wer den, um eine Tinte mit Silber-Nanopartikeln in einer oder mehreren Ebenen zu drucken. Zur Ausbildung einer reflektiven Schicht ist eine Sinterung der verdruckten Nanopartikel notwendig, was im einfachsten Fall im Ofen bei ei ner Temperatur von 200 °C und einer Dauer von 30 min erfolgt.

Alternativ wird die Sinterung mittels Laserstrahlung durchgeführt: Dabei wird die gedruckte Schicht mittels Laserstrahlung beaufschlagt, welche an den Par tikeln absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Dies führt zu einem Sin tern der Partikel. Eingesetzt werden kontinuierlich emittierende oder gepulste Lasersysteme mit Pulslängen > Ins bei Laserwellenlängen zwischen 200 und 3.500 nm sowie 9.000 und 11.000 nm. Entweder wird das Substrat unter dem feststehenden Laserstrahl bewegt, die gedruckte Fläche vollständig ohne Be wegung des Substrats oder Laserstrahls bearbeitet und/oder der Laserstrahl über das stehende Substrat bewegt. Eine Kombination ist möglich, z.B. be wegtes Substrat und bewegter Laserstrahl. Im konkreten Beispiel wird die Lasersinterung mittels Faserlaser (Emissionswellenlänge 1070 nm, Dauer strich, Leistung 32,7 W) durchgeführt, wobei ein fokussierter Laserstrahl (Brennweite der Fokussierungsoptik 254 mm, Spotdurchmesser im Fokus 860 pm) die Schicht aus Nanopartikeln mäanderförmig abrastert (Scangeschwin digkeit 4000 mm/s mit Spurabstand 50 pm).

Um die ausgebildeten refraktiven Oberflächen des gedruckten optischen Ele ments zu entspiegeln, kann Plasmaätzen eingesetzt werden. Dabei wirkt ein Ar/0 2 -Plasma für eine Dauer von 500 s auf die Oberfläche des Elements ein, so dass poröse Strukturen mit einer Porengröße zwischen 10 und 150 nm und einer Tiefe von 50 - 200 nm entstehen. Diese so genannten Mottenaugen führen zu einer breitbandigen Verminderung von Reflexen einer Oberfläche um 4 %.