P - ViaOptic GmbH

PMMA - 

Ein innovativer Kunststoff für 

optische Anwendungen 

Dipl.-Ing. Werner Krebs 

Röhm GmbH & Co. KG 

20. April 2005

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 

Inhalt: 

1. Markt und Anwendungsgebiete PMMA 

2. Anwendungen – früher und heute 

3. Eigenschaften und Anforderungen optischer Formmassen für 

innovative Anwendungen 

3.1 Spritzgießprozeß 

3.2 Spritzprägen 

3.3 Expansionsprägen 

4. Zukunftsweisende Anwendungen 

4.1 Leuchten 

4.2 Displays 

4.3 MIC-Anwendungen 

4.4 Projekt stochastische Nanostrukturierung mit IWM 

5. Ausblick 

6. Fazit 

Werner Krebs / Röhm GmbH & CO.KG 2005-04-20 

Slide 2


[kt] 

1 Entwicklung der globalen PMMA Thermoplast- 

Kapazitäten (incl. Eigenverbrauch der Hersteller) 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

0 

1985 1995 2000 2002 2005 

Europa Amerika Asien 


Asien 

+ 200 kt 

Globale 

Kapazität 

1.190 kt 

Slide 3


53% 

1 Anwendungsgebiete PMMA Formmassen (WE) 

6% 

2% 

6% 


15% 

18% 

Kfz Industrie 

Bau/Leuchten 

Haushalt/Büro 

Medizintechnik 

Sonstige 

Extrudierte HZ 

Slide 4


2 Frühe Anwendungen 


Slide 5


2 Aktuelle Automobilanwendungen 


Slide 6


2 Optische Anwendungen 


Slide 7




Slide 8


" 

! 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen TROGAMID CX: einzig unter allen transparenten Polymeren 


amorphes PA 

TROGAMID CX 

Slide 9


2 Lichtleitelemente 


Slide 10


2 LED im Spritzguß 


Slide 11


3 Eigenschaftsmerkmale von PMMA als optischer Werkstoff 

Stärken Schwächen 

Hervorragende Lichtdurchlässigkeit 

Hohe Witterungsbeständigkeit 

Hohe Oberflächenhärte 

Gute Kratzfestigkeit 

Brillanz 

Klarheit und Farblosigkeit 

Angenehme Haptik 

Hohe Steifigkeit 

Gute Chemikalienbeständigkeit 

Leicht rezyklierbar 


Geringe Zähigkeit 

Spannungsrißanfälligkeit 

Brennbarkeit 

Hohe Schmelzviskosität 

Slide 12


3 Soll- Eigenschaften optischer Formteile 

Transparenz 

Spannungsfreiheit 

Masshaltigkeit 

Abformgenauigkeit 


Orientierungsarmut 

Homogenität 

Slide 13

Werkzeug 

• Angussart 

• Temperierung 

• Werkstoffe, Politur 

• Steifigkeit 

Spritzgießmaschine 

Material 

• Plastifiziersystem 

• Spritz-Prägefunktionen 

• Reproduzierbarkeit 

• konst. Schussgewicht 

• Plattenparallelität 

• Reinheit, Sauberkeit 

• optische Qualität 

• Feinanteil 

• Verarbeitungsstabilität 

Qualität 

optischer 

Formteile 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3 Einflussfaktoren auf die Qualität optischer Formteile 


Prozessführung 

• Spritzgießen: Parameter 

T, p, s, v, t 

• Spritzprägen 

Peripherie 

• Materialförderung 

• Materialtrocknung 

• Reinraum 

• Formteilhandling 

Slide 14


3 Aktuelle PLEXIGLAS ® Formmassen für die Spritzgieß- 

/prägeverarbeitung 

PLEXIGLAS ® 7N glasklar 

PLEXIGLAS ® 8N glasklar 

PLEXIGLAS ® hw55 glasklar 

Spezialprodukte: 

PLEXIGLAS ® 7N OQ glasklar 

PLEXIGLAS ® VQ 105 glasklar 

PLEXIGLAS ® 8N L22 

PLEX ® 8926F - PLEX ® 8931F 

PLEXIGLAS ® FT15 glasklar 

PLEXIMID ® 


Slide 15

Außwerferseite 

1 

3 

Düsenseite 

Werkzeug geöffnet 

Einspritzen, Nachdruckund 

Kühlzeit 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3.1 Ablauf des Spritzgießprozesses 

2 

4 


Werkzeug geschlossen 

Werkzeug öffnen und 

auswerfen 

Slide 16

3 

Auswerferseite 

1 

Prägespalt einstellen 

und einspritzen 

Mittenplatte 

Werkzeug offen 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3.2 Ablauf des Spritzprägeprozesses 

4 

Düsenseite 

Prägehub fahren 

und kühlen 


2 

5 

Werkzeug schließen 

Opening Werkzeug Tool öffnen 

and und Injecting Teil auswerfen 

Slide 17

Spritzgieß- und Spritzprägeprozeß 

P 2 

Formteil 

P 1 

Spritzgießen: P 2 

Anguß 

Nachdruck 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3.2 Nachdruckverteilung im Formteil im Vergleich 


Prägedruck 

P 2 

Prägestempel 

P 1 

Formteil 

Spritzprägen: P 2 = P 1 

Anguß 

Slide 18

Vergleich Spritzgießen und Spritzprägen von Linsen aus PLEXIGLAS ® : 

Spritzguß Spritzprägen 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3.2 Gemeinschaftsforschungsprojekt I-TOP am IKV Aachen 


Slide 19

Reduzierung von Einfallstellen 

weitgehende Eliminierung von Eigenspannungen im Formteil 

Zykluszeitreduktionen bis zu 50% möglich (Expansionsprägen) 

exzellente Strukturabformung von Mikro- und Nanostrukturen 

Dünnwandige Teile mit größerem Fließweg in exakter Geometrie 

darstellbar 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3.2 Vorteile des Spritzprägeverfahrens 


Slide 20

schmutzabweisender Oberflächen (LOTUS- Effekt) 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3.2 Spritzprägen von Mikrostrukturen zur Erzeugung 


Slide 21

3.2 Mikrostrukturierte Oberfläche für Printeranwendungen 



Slide 22


3.3 Prozessablauf des Expansionsprägen 

Phase 1: 

Füllphase 

einspritzen in vorverkleinerte 

Kavität; 

Oberflächenqualität 

bilden 

Phase 2: 

Expansionsphase 

Wanddicke erzeugen; 

Werkzeug 

öffnet unter 

Schmelzedruck 


Phase 3: 

Prägephase 

Ersetzt Nachdruck und 

vermeidet Einfallstellen; 

eliminiert innere 

Spannungen 

Slide 23

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 3.4 Prozeßablauf Sandwich Injection Molding 


Slide 24


4 Zukunftsweisende Anwendungen für 

PLEXIGLAS ® Formmassen 

4.1 Leuchten 

4.2 Displays 

4.3 MIC-Anwendungen 

4.4 Projekt stochastische Nanostrukturierung mit IWM 


Slide 25


4.1 Anwendungen in der Leuchtentechnik 


Slide 26


4.1 Diffuserleuchten 


Slide 27

transmission [%] 


4.1 Transmission im UV- and VIS- Bereich verschiedener 

PLEXIGLAS ® Typen [Dicke 3 mm] 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 

UV 

VIS 


PLEXIGLAS 8N 

PLEXIGLAS 8N df21 



PLEXIGLAS white 06510 

wavelenght [nm] 

380 nm 780 nm 

Slide 28


4.1 Vergleich diffus streuender Materialien 

Lichtausbeute im Vergleich 

Streupigmente (06510) Diffuserstreuperlen (df8N23) 

Intensity (CCD-camera) 



140 

120 

100 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 

160 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

80 

60 

40 

20 

0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 

Distance from light source (mm) 


0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 





160 

140 

120 

100 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

80 

60 

40 

20 

0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 

300 

250 

200 

150 

100 

50 


0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 


0 

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 



+20 % 

+59 % 

+14% 

Slide 29


4.1 Fresnel-Linsen aus PLEXIGLAS ® hw 55 


Slide 30


4.1 Beispielanwendungen von PMMI ® 

Abdeckung einer Straßenleuchte Gürtellinse für Leuchten 


Slide 31


4.2 Back Light Unit 

Schematischer Aufbau 

Rahmen 

Komponenten der Back Light Unit Module 

Lichtstreuende Folie 


Prism. Folie 

PMMA / Lichtleitplatte 

Licht reflektierende Folie 

CCFL (Cold Cathode Fluorescence Light) oder LED (Light Emitting Diode) 

Backlight panel oder Light Guide panel 

Reflektor und Lampen Reflektor 

Prisma (optische Folie), teuerste Komponente 

Lichtstreuende Folie (PET basierend) 

Slide 32


4.2 Spritzgegossene TFT-LCD Backlights (10‘‘ - 14‘‘) 

Hauptanwendung: Notebooks 14‘‘ 


7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

PMMA-Potential (kt) 

1,9 

2,4 

3,1 

4,0 

4,5 

5,5 

5,8 

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 

Slide 33


4.2 TFT-LCD (> 14‘‘) für Flachbildschirme 

aus ultra-reinen PMMA-Platten (gegossen / extrudiert) 

Leuchtstärke: 3000 cd/m² 

35 

30 

25 

20 

15 

10 


5 

0 

PMMA-Potential (kt) 

2,3 

3,6 

7,5 

12,4 

17,8 

23,8 

31,0 

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 

Slide 34


4.2 Laptop Display 


Slide 35


4.3 Anwendungsoptionen in der Telekommunikation 

Infrarot-/Bluetooth- 

Schnittstelle 

LCD-Backlight 

IMD-Oberschalenteil 

oder komplette 

Oberschale aus AIM- 

System 


Digi-Cam Linse 

LCD-Schutzglas mit/ohne 

Kratzfestbeschichtung 

IR-durchläßiges Bedienfeld für 

optoelektronisches 

Messprinzip (erste Projekte 

mit IR-durchl. FM und AIM- 

System) 

Slide 36


4.3 PLEXIGLAS ® zur Abmischung mit ABS 


Slide 37


4.3 Erhöhung der Transmission durch Mikrostrukturen 

als f (Wellenlänge) 

Moth-eye structures can be reproduced by a hot-embossing process in PMMA. This 

technology, applied by Fraunhofer IWM, increases the visible transmittance of a PMMA 

plate to 99.0 %. 

Mottenaugenstrukturen können im Heißprägeprozeß präzise mit PMMA reproduziert 

werden. Diese von Fraunhofer IWM angewandte Technologie erhöht die Transmission 

einer Platte auf bis zu 99,0 %. 


Slide 38


Rel. Abformergebnis (%) 

4.3 Einfluss der Prozessführung auf das 

Abformergebnis bei Nanostrukturierten Oberflächen 

Messweg auf Einsatz bzw Formteil (µm) 


Slide 39

4.4 Projekt stochastische Nanostrukturierung 


Nonostrukturen: 

Periode: 250nm 

Strukturtiefe: 

180-200nm 


DVD Strukturen 

Pitlänge: 400-1000nm 

Pittiefe: 140nm 

Pitabstand: 600nm 

Slide 40

4.4 REM- Aufnahmen nanostrukturierter Oberflächen 


TiAlN- Struktur TiOx- Struktur TiAlN+TiOx- Struktur 


Slide 41

Abformung von Nanostrukturen 

Innovative Kunststoffe für optische Anwendungen 4.4 REM- Aufnahmen von nanostrukturierten Werkzeugeinsätzen für die 


Slide 42


5 Ausblick und Trends 

Nanocomposites: Erhöhung des Brechungsindex durch Nanoteilchen 

Höchste Reinheit von Polymeren Farbstabilität bei der Verarbeitung 

Barriereeigenschaften durch Nanocomposites, Beschichtungen, 

Kombination von Materialien 

Starker Innovationsschub bei Leuchten am Fahrzeug durch LEDs 

Neue Prozeßtechnologien 


Slide 43


6 Fazit 

Das Segment der FPD sorgt für deutliches Wachstum 

Der Mobilfunkmarkt birgt ebenfalls Potential für PMMA 

PMMA im Verbund mit anderen Werkstoffen erschließt neue 

Anwendungen 

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 


Slide 44

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