Luxexcel ontwikkelt digitale printtechniek om lenzen te produceren

Zeeland wordt wel eens de bakermat van de optieken genoemd. In 1608 was de Middelburger Johannes Lipperhey de eerste die een verrekijker maakte. Deze Zeeuwse traditie zet zich voort. De hightechonderneming Luxexcel uit Goes heeft een nieuwe printtechnologie ontwikkeld waarmee nu optische structuren en lenzen eenvoudig digitaal te printen zijn. Is dit een stap naar het additief produceren van brillenglazen?

Rein van der Mast
30 september 2012

Richard van de Vrie mag zich een pionier in de ledverlichtingsindustrie noemen. Als CEO en mede-eigenaar van het familiebedrijf Lighting Partner produceerde hij led-armaturen voor Europese A-merken. Zijn bedrijf voelde zich daarbij veroordeeld tot spuitgietmatrijzen. Dergelijke productiehulpmiddelen vond Van de Vrie te productgebonden, te inflexibel en te kostbaar.

Deze afbeelding geeft een indicatie van de kwaliteit van de Printoptical-lenzen. Waar het licht evenwijdig de lens in gaat, komt het er iets verstrooid uit. Luxexcel streeft ernaar deze spreiding verder terug te dringen waarmee ook volwaardige optische toepassingen binnen bereik komen zoals brillenglazen.

Ondanks dat de ledmarkt hard groeit, bieden de snelle technologische verbeteringen in de led-industrie producenten voor wat betreft afzet vandaag de dag minder zekerheden dan voorheen. Er worden steeds grotere aantallen ledproducten gemaakt in meer varianten maar met kleinere oplages. Problematisch is dat de matrijzen moeten worden gemaakt op het moment dat nog geen enkele product aan de man is gebracht. Dat houdt een risico in. Als de verwachtingen niet worden waargemaakt, resteert duur schroot.

Van de Vrie: ’Als een armatuurproducent kiest voor een bepaalde combinatie van optiek en ledmodule, geeft dat de producent van de module een machtspositie. De armatuurproducent kan immers niet snel omschakelen. Zijn productie vereist dure, tijdrovende, productgebonden gereedschappen, terwijl de producent van de ledmodule – zeg maar het lampje – die beperking niet voelt en zijn assortiment aanpast wanneer hem dat het beste uitkomt. Op zo‘n moment laat hij de armatuurproducent achter met een achterhaald stuk gereedschap.‘

Nadat het familiebedrijf succesvol was verkocht aan de Amerikaanse Lighting Science Group, sprak Van de Vrie met Kurt Blessing, een Duitse relatie, over deze grootste ergernis van ledproducenten. Samen bedachten ze een manier om de productie van optieken te flexibiliseren. Daarbij kwamen ze op het idee om uit te gaan van breedformaatprinters van Roland die in één keer een flink oppervlak onder handen nemen en middelgrote volumes aankunnen. Die printers – bedoeld voor de grafische industrie – pasten ze aan om de nauwkeurigheid te behalen die hun gebruiksdoel vereist.

DSPE Optics Week

Gevraagd naar meer details over het vervaardigingsproces antwoordt Van de Vrie: ’We communiceren niet in detail over onze aanpassingen. Natuurlijk mogen we dergelijke printers modificeren. Denk dan aan software en enkele aanpassingen aan de hardware, waaronder de z-asbewegelijkheid.‘ Mogelijk speelt mee dat sommige van de octrooiaanvragen nog niet zijn afgerond. Van de Vrie: ’De aanpassingen aan de standaard printer zijn hoe dan ook bedrijfsgeheim. Uiteraard is ruim aandacht besteed aan de wisselwerking tussen de positie van de printkop en de positie van het substraat, in alle richtingen.‘

Luxexcels printmachine is erg flexibel. In één keer produceerde hij dit voorbeeld, inclusief lensje, prisma‘s en gekleurd materiaal, waaronder iets dat sterk doet denken aan houtnerf.

Met verschillende uitbreidingen en aanpassingen aan de hardware en software van de machine ontstond hun Printoptical Technology, een grotendeels digitaal proces om voorwerpen zoals lenzen en prisma‘s driedimensionaal te printen zonder productgebonden gereedschappen en zonder nabewerkingen. En in 2009 zag een nieuw bedrijf, Luxexcel, het levenslicht met Van de Vrie als CEO. Het bedrijf had vanaf het begin als doelstelling om een internationaal opererend bedrijf te worden. Het Printoptical Technology-proces werd goed met octrooien beschermd.

Nu verandert er nogal wat voor de verlichtingsindustrie. Een veelgebruikte lens in de verlichting is een lens van polymethylmethacrylaat met een diameter van 50 mm. Een verlichtingsarmatuur vraagt vaak om verschillende lichtbundels. Als die optische delen daarvoor worden gemaakt middels spuitgieten, kunnen de eenmalige kosten voor een spuitgietwerktuig dertigduizend euro per lens bedragen en komt de levertijd op vier tot acht maanden. Bij de Printoptical Technology bedragen de eenmalige ontwerpkosten hooguit drieduizend euro. Van de Vrie: ’Nu al zijn we voor tal van toepassingen in de led-industrie concurrerend voor wat betreft het additief produceren van lenzen.‘ Het Amerikaanse onderzoeksbureau Frost & Sullivan riep Luxexcel onlangs uit tot winnaar van zijn jaarlijkse European Enabling Technology Award, waarbij het zich baseerde op eigen analyse van de markt van geavanceerde optica voor ledverlichting.

Piëzo

Het met behulp van een printer gericht doen neerslaan van druppels inkt – of een andere vloeistof – is niet nieuw. Verschillende bedrijven, zoals Agfa, Mimaki en Roland bieden dat al geruime tijd aan. Embossing wordt dat genoemd. Daarmee wordt reliëf in een of meerdere laagjes toegevoegd aan een grafisch geheel om de visuele beleving voor de toeschouwer te vergroten. Daarvoor hoeft de printer niet bijzonder nauwkeurigheid te zijn, ook al is de reproduceerbaarheid wel van belang. Producent Roland voorziet bijvoorbeeld in een absolute nauwkeurigheid van 0,3 mm en een relatieve nauwkeurigheid van 0,3 procent, afhankelijk van welke waarde groter is. Bij het afdrukken over de volle printbreedte van 1400 mm houdt dat een mogelijke afwijking in van maar 4 mm. Het stapelen van meerdere dunne lagen voor het vervaardigen van optische componenten, zoals lenzen en prisma‘s, vereist echter een veel hogere nauwkeurigheid. Voor een optisch product is de reproduceerbaarheid van de druppeldepositie van het allergrootste belang.

De kunst is dat Luxexcel tot in de finesses beheerst wanneer en waar de inkt moet vloeien zodat dit zonder enige nabewerking resulteert in gladde of scherpe structuren die nodig zijn voor optieken. Verder is de lengte van het substraat gemaximaliseerd tot drie meter vlak materiaal, terwijl het materiaal standaard van rol komt. Ook dat is gedaan omwille van de printnauwkeurigheid. Bovendien is daarmee ook een dikker substraat te verwerken dan waarop standaard wordt geprint.

Een essentiële component is de printkop. Die bevat een piëzo-elektrisch element dat goed is voor een resolutie van 1440 dpi, wat neerkomt op een puntgrootte van achttien micrometer en een druppelvolume van ongeveer zeven picoliter. Het grootst haalbare druppelvolume bedraagt 40 pl en de variatie in het druppelvolume wordt bereikt door te sturen op de spanning op het piëzo-elektrische element, dat in de inkt heel gecontroleerd minuscule belletjes veroorzaakt om hem daarmee naar buiten te schieten. De printkopproducenten zijn bezig met het ontwikkelen van veel fijnere koppen en in de nabije toekomst zijn hogere resoluties te verwachten.

Nadat de druppels in meerdere lagen zijn neergeslagen, vervloeid en gepolymeriseerd onder invloed van ultraviolet licht, worden de producten uit het substraat gesneden. Vooralsnog wordt een afzonderlijke machine gebruikt om het substraat met het daarop neergeslagen materiaal te snijden, maar Luxexcel wil dat de printer binnenkort ook zelf kan snijden.

Raamfolie

Bij Printoptical Technology worden optische componenten driedimensionaal afgedrukt met behulp van aangepaste industriële grootformaat-inkjetapparatuur. Transparante druppels van fotopolymeer – dat uithardt wanneer het wordt belicht met ultraviolet licht – worden achter elkaar nauwkeurig samengesmolten met de vorige druppels en onderling blijvend gefixeerd onder een in de printkop opgenomen bron van ultraviolet licht. Het resultaat is een transparant prisma of een lens, of full-colour grafieken met enig reliëf en texturen. De huidige toepassingen betreffen vooral ledverlichtingen, zonnecollectoren, interieurbouw (raamfolies), reclames en digitale kunst.

De aangepaste Roland-printer is ook geschikt voor pseudo-glas-in-lood met in reliëf de loodstrips en oneffenheden in het ’glas‘.

Hoewel de druppels die de printkop verlaten op dat moment niet glad zijn, is het resulterende oppervlak dat wel. Dat wordt bewerkstelligd door de druppels kort te laten vervloeien voor ze te belichten en in vervloeide vorm uit te harden. Voor het verkrijgen van een glad oppervlak zijn dus geen nabewerkingen nodig.

Houtnerf

Luxexcel is ondertussen aangesteld als ’ontwikkelpartner‘ van Solidworks, Autodesk en van het lichtberekeningsprogramma Photopia, waarmee in korte tijd printbare Printoptical Technology-lenzen kunnen worden ontworpen en prototypes kunnen worden voorbereid. Van de Vrie: ’Wat voor de verlichtingsindustrie verandert, is dat het oude inflexibele en dure spuitgietwerktuig nu wordt ingewisseld voor een digitaal snel aan te passen Cad-bestand.‘ Met de technologie ontstaan voor de ontwerper nieuwe mogelijkheden. Voor verlichtingsarmaturen hoeven de ontwikkelaars geen rekening meer te houden met de beperkingen van een spuitgietmatrijs. Dure free-form optieken zijn zo op een eenvoudige manier in allerhande vormen te creëren en integratie van design met optieken biedt naast kostenbesparing tal van andere mogelijkheden.

Verder geeft de Printoptical Technology ontwerpers ruime mogelijkheden om te experimenten en te combineren met grafische structuren want de printkoppen kunnen niet alleen kleurloze, transparante inkten verwerken, maar ook gekleurde varianten. Daarmee is het concept veel breder inzetbaar. Bovendien is het mogelijk om bijvoorbeeld houtnerf te printen, met zowel de textuur als de kleur. Zo is met deze techniek de gehele voorkant van een inbouwspot in één printgang te creëren, in exact de gewenste kleur met de optiek die het gevraagde lichtbeeld geeft.

Glas in lood

In de huidige fase legt Luxexcel de nadruk nog op non-imaging optics voor de verlichtingsindustrie. De technologie zal voor verschillende markten en producten toegevoegde waarde kunnen gaan bieden. Denk bijvoorbeeld aan lenzen om zonnecellen efficiënter te maken door het focussen van meer licht op de cel. Of aan structuren om de lichtverdeling in kassen te verbeteren. Luxexcel-dochter Luximpress houdt zich bezig met de ontwikkeling van de technologie voor design en grafisch gerelateerde toepassingen. Het print reliëflabels voor op flessen, visitekaartjes en vensterdecoratie zoals glas-in-loodreplica‘s met inbegrip van realistisch ogende loodbanen.

Hoewel het maximale printreliëf op dit moment nog twee millimeter bedraagt, verwacht Luxexcel op termijn veel grotere waarden te kunnen realiseren. Wie evenwel nu al grote lenzen wil printen, kan op basis van het Fresnel-concept al een heel eind komen. De verlichtingsindustrie zal in ieder geval met deze technologie minder kosten hoeven te maken, waardoor hopelijk de kostprijs van de producten zal afnemen. En mogelijk is de techniek over niet al te lange tijd goed genoeg voor het printen van imaging optics-lenzen, zoals brillenglazen.

De printers van Luxexcel zijn overigens niet te koop. Het bedrijf levert vanuit zijn printcentrum in Goes de ontwerpen, prototypes en productieseries van lenzen en optische structuren aan ledverlichtingfabrikanten. Binnenkort start het ook in de Verenigde Staten een printcentrum op.

Rein van der Mast adviseert over en doet onderzoek naar additive manufacturing en mass customization.