Prototyping and manufacturing of étendue-squeezing line-focusing solar concentrators

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker de teoretiske og praktiske aspektene ved produksjon av «étendue-sqeezing line-focusing» solkonsentratorer, med vekt på evaluering av ulike prototyping- og produksjonsmetoder. Produksjonsteknikkene som i hovedsak ble undersøkt inkluderer 3D printing (AM) ved bruk av både stereolitografi (SLA) og to-foton printing, optisk silikonstøping, og fresing av polymetylmetakrylat (PMMA). Studien vurderer effektiviteten til hver metode både med hensyn til produksjonsaspekter og optiske egenskaper.

Data ble samlet inn fra overflateundersøkelser ved bruk av et «Infinite Focus Microscope» (IFM), optisk testing og fra de overordnede produksjonsprosessene. Resultatene indikerer at AM, spesielt SLA, er mest effektivt for rask prototyping, grunnet sin korte omstillingstid og tilstrekkelige oppløsning. Derimot er silikonstøping og PMMA-fresing overlegne for endelig produksjon, da de tilbyr høyere presisjon og skaleringsevne. Videre hadde den produserte linsen, av designet, en lysoverføring på 76,18 %. Gjennom optisk testing, ved bruk av et kamera og en lysdiode, oppnådde silikonlinsen en lysoverføring på 34,30 %, den freste PMMA-linsen 28,09 %, og SLA-linsen 17,59 %. På grunn av deres små størrelse ble to-foton linsene kun utsatt for overflateundersøkelse og ingen optisk testing.

Oppgaven konkluderer med at selv om SLA er en ideell metode for prototyping, er silikonstøping og fresing mer effektive for produksjon av høykvalitets sluttprodukter. Denne oppgaven gir verdifull innsikt i produksjonen av avanserte solkonsentratorer, og fremhever styrker og begrensninger tilknyttet hver metode.

This master's thesis investigates the theoretical and practical aspects of manufacturing étendue-squeezing line-focusing solar concentrators, emphasizing the evaluation of various prototyping and production methods. The primary manufacturing techniques investigated include additive manufacturing (AM) using both stereolithography (SLA) and two-photon printing, optical silicone casting, and milling of polymethyl methacrylate (PMMA). The study assesses each method's efficiency both in terms of manufacturing practicality and optical capabilities.

Data was gathered from surface investigations using an Infinite focus microscope (IFM), optical performance testing and the overall manufacturing process. Results indicate that AM, particularly SLA, is the most efficient for rapid prototyping due to its quick turnaround and adequate accuracy. In contrast, silicone casting and PMMA milling are superior for final production, offering higher precision and scalability. Moreover, by design, the manufactured lens had an optimal light transmittance of 76.18 %. Through optical testing, using a camera and light diode, the silicone lens achieved a transmittance of 34.30 %, the milled PMMA lens 28.09 %, and the SLA lens 17.59 %. The two-photon printed samples, due to their small size, were only subjected to surface investigation and not optical testing.

The thesis concludes that while SLA is ideal for initial prototyping, silicone casting and milling are more effective for producing high-quality final products. This research provides valuable insights into the manufacturing of advanced solar concentrators, highlighting the strengths and limitations of each method.