Zeitschrift für Elektrotechnik und Elektronik

Oberflächenstrukturierung optischer Werkzeuge durch Laserumschmelzen

Evgueni V Bordatchev,

Problemstellung: Die Funktionsfähigkeit optischer Beleuchtungs- und Beleuchtungsprodukte und -komponenten hängt entscheidend von fortschrittlichen Technologien für eine kostengünstige Herstellung von Werkzeugen mit strenger Oberflächenqualität und Formgeometriegenauigkeit ab. Jüngste Fortschritte in der Lasermaterialbearbeitung haben zur Entwicklung der Grundlagen einer neuartigen, einzigartigen Technologie ohne Materialzugabe/-abtrag geführt, die als Oberflächenstrukturierung durch Laserumschmelzen (SSLRM) bekannt ist [1-3]. Während des SSLRM bewegt sich der Laserstrahl mit konstanter Geschwindigkeit und synchron gesteuerter Laserleistung über eine Werkstückoberfläche, während die gewünschte Oberflächengeometrie als Funktion eines Laserleistungssteuerungsalgorithmus definiert wird. Folglich entsteht durch Umverteilung und Verlagerung des geschmolzenen Werkstückmaterials eine neue Oberflächengeometrie. Es handelt sich um einen komplexen, stark nichtlinearen thermodynamischen Prozess, bei dem das schnelle Schmelzen, die Umverteilung und die schnelle Verfestigung des Materials durch die Parameter der angewandten kontinuierlichen Laserbestrahlung gesteuert werden. Ziel dieser Studie ist es, vorläufige Entwicklungen des SSLRM für Anwendungen in optischen Werkzeugen voranzutreiben [4, 5]. Methodik: Als typisches Element der Autorückbeleuchtung wurde ein keilförmiger, kantenbeleuchteter Lichtleiter (WELLG) ausgewählt. Zunächst wurde ein sinusförmiges WELLG optisch entworfen, wobei festgestellt wurde, dass seine Geometrieparameter (z. B. Periode 500 µm, Amplitude 40 µm, Keilwinkel 2°, hergestellt aus PMMA-Kunststoff) eine Lichtabgabeeffizienz von >50 % bei einer Abdeckung von >80 % des beleuchteten Bereichs gewährleisten. Ein Metalleinsatz aus Werkzeugstahl DIN 1.2343 (AISI H11) wurde mithilfe des SSLRM-Verfahrens hergestellt (Abb. a), durch Heißprägen als funktionsfähiger WELLG-Prototyp in PMMA-Kunststoff repliziert (Abb. c) und seine optische Leistung bewertet (Abb. d). Ergebnisse: Für den hergestellten Werkzeugeinsatz wurden eine Periode von 498,2 ± 3,8 µm und eine Amplitude von 40,0 ± 2,0 µm erreicht. Der WELLG-Prototyp aus Kunststoff hat eine hocheffiziente Lichtabgabeleistung bei vollständiger Abdeckung des beleuchteten Bereichs demonstriert. Schlussfolgerung und Bedeutung: Diese Studie zeigt ein hohes Anwendbarkeitspotenzial des SSLRM-Prozesses für die effiziente Herstellung optischer Werkzeuge für Lichtleitungs-, Lichtverteilungs- und Beleuchtungsfunktionen und -produkte, insbesondere für die Automobil-, Solarenergie- und Biomedizinindustrie.