Snelle en flexibele productie van 3d optica

Ontwerpers van speciale optica hebben het niet makkelijk. De prototypefase is namelijk een duur en tijdrovend proces. Voor de productie zijn kostbare matrijzen nodig die vaak al snel in de prullenbak belanden als het design moet worden gewijzigd. Slecht voor het milieu en desastreus voor het budget. Het duurt bovendien typisch zo’n twee maanden voordat ze een prototype daadwerkelijk in hun handen hebben. Grote kans dat ze tegen die tijd hun design al willen herzien. Maatwerk is in veel gevallen dus te kostbaar en te risicovol, waardoor ontwerpers genoegen moeten nemen met standaard componenten en het moeilijk wordt onderscheidende features in te bouwen.

Luxexcel biedt een oplossing. Het Zeeuwse bedrijf is in staat gladde optica te printen zonder dat er nabewerkingen nodig zijn. ‘Lenzen hoeven niet te worden gepolijst, gekleurd of geslepen’, vertelt Ruud Hoosemans, r&d-projectleider bij Luxexcel, tijdens zijn presentatie op High-Tech Systems 2016. ‘Dat is een enorm voordeel, zeker voor rapid prototyping.’

Eerst zet Luxexcel de cad-file van de klant om in een 3d-printfile. Hoosemans: ‘Daarbij hebben we de mogelijk om verschillende lenzen op één substraat – en dus in één run – te produceren. Dat geeft erg veel flexibiliteit.’ Ook snelheid is een belangrijk pluspunt van de Zeeuwse Printoptical-technologie. Hoosemans rekent voor: ‘Als je een lens wilt printen met een diameter van een inch en een hoogte van vijf millimeter, kun je er 104 in een batch stoppen. En er passen drie van die batches in een uur. Dat betekent 312 lenzen per uur, oftewel het duurt 11,5 seconde per lens.’

De flexibele en snelle productiemethode maakt dat Luxexcel snel kan reageren op opdrachten. ‘Het gaat niet meer om weken, maar om uren’, stelt Hoosemans. ‘Vijf werkdagen nadat een klant zijn order heeft geplaatst, wordt het product opgestuurd.’ Uiteraard stelt Luxexcel wel een limiet aan hoeveel producten het in die vijf dagen kan produceren. ‘We nemen geen grote serieorders aan. Dat is ook niet kostenefficiënt. We doen meestal één tot duizend stuks. Gemiddeld zijn het twintig producten per opdracht.’

Magie

Er zijn wel wat restricties aan de optica die Luxexcel kan maken. De belangrijkste is dat alleen plano-shaped designs kunnen worden geprint. ‘Eén kant van het product moet plat zijn’, legt Hoosemans uit. Overhangen zijn uit den boze. De maximale hoogte is twintig millimeter. Voor normale ledtoepassingen – een zeer belangrijke markt voor Luxexcel – is dat voldoende. In de nabije toekomst verwacht het bedrijf tot vijfentwintig millimeter te kunnen gaan.

Luxexcel krijgt redelijk wat vragen uit de markt van klanten die niet genoeg hebben aan de designvrijheden die Luxexcels 3d-technologie biedt. Daarvoor heeft het bedrijf een nieuwe techniek ontwikkeld die het vorig jaar introduceerde. ‘Eerst printen we de positieve lens en daarna een mal waarin die print perfect past’, vertelt Hoosemans. ‘De derde stap is om die twee prints te combineren. Ten slotte kan op het geheel een volgende lens worden geprint. Dit zorgt voor meer vormvrijheid.’

Het printmateriaal is uiteraard essentieel in het Printoptical-proces. Luxexcel is sinds zijn oprichting in 2009 constant aan het sleutelen om het juiste materiaal te vinden. De engineers mikken op een materiaal dat lijkt op polymethylmethacrylaat (PMMA maar beter bekend als perspex of plexiglas) en dat ze met uv-licht kunnen uitharden. Het moet ook dezelfde optische kenmerken hebben zoals interne transmissie en geelheid. Drie jaar geleden vond Luxexcel samen met een gespecialiseerde ontwikkelpartner de perfecte formule. ‘Nou ja, bijna perfect’, zegt Hoosemans. ‘De transmissiegrafieken van PMMA en ons Lux Opticlear zijn vrijwel identiek. Er is alleen een kleine verschuiving in de golflengte: PMMA is al vanaf 360 nm doorzichtig, Lux Opticlear vanaf 400 nm.’ Met zijn partner sleutelt Luxexcel nu aan een verbeterd materiaal.

Over het printproces wil Luxexcel niet al te veel kwijt. Vooral omdat het bedrijf op dit moment de enige partij is die het kunstje beheerst om gladde en transparante optica te printen. De technologie is aan alle kanten met patenten dichtgetimmerd. De 3d-printer is in de basis een breedformaatprinter die echter drastisch is gemodificeerd, zowel qua software als hardware. Luxexcel heeft volledige controle wanneer en waar de inkt vloeit. Een deel van de ‘Luxexcel-magie’ is dat de druppels met uv worden uitgehard en deels vervloeien. Zonder enige nabewerking resulteert dat in de gladde structuren die nodig zijn voor optieken.

Vrije vormen

Toch is er nog een laatste processtap nodig maar die gaat niet over het oppervlak. ‘In het materiaal zitten onstabiele en gele bijproducten die het gevolg zijn van de polymerisatie’, verklaart Hoosemans. ‘We leggen de producten daarom altijd een dag in een lichtkast. Bij een hogere temperatuur en met fel zichtbaar licht breken we die verbindingen af.’ Op dit moment blijft de geelheid beperkt tot 0,8 procent bij een dikte van twee millimeter. ‘Nog dit jaar verwachten we dat terug te brengen tot 0,4 of zelfs 0,3 procent.’

Wat staat er verder op de roadmap? Behalve aan hogere prints en lagere geelheid werkt Luxexcel aan het verder verbeteren van het oppervlak. Op dit moment vertonen de lenzen een deviatie van tachtig micron. ‘Dat is vooral voor ingewikkelde structuren. Makkelijke, platte lenzen kunnen we veel nauwkeuriger printen’, benadrukt Hoosemans. Dit jaar willen de Zeeuwen de tolerantie terugbrengen naar zestig micron en de ruwheid naar maximaal tien nanometer.

Voor de verdere toekomst moet de tolerantie naar tien micron en de ruwheid naar minder dan vijf nanometer. Ook wil Luxexcel af van de restrictie dat het alleen producten met een platte kant kan printen. Vrije vormen met meerdere materialen is het ultieme doel. ‘Hoe we dat precies kunnen waarmaken, weten we nog niet’, geeft Hoosemans toe, ‘maar we hebben wel een aantal ideeën.’