Ať už v medicínské technice, kvantové technologii nebo výrobě polovodičů – optické systémy jsou nezbytné v mnoha high-tech aplikacích. Aby čočky, zrcadla nebo jiné komponenty splnily nejvyšší požadavky, je třeba výrobních procesů, které kombinují přesnost, efektivitu a flexibilitu. S laserovou optickou výrobou lze vyrábět tvarově přesné a funkční součásti s nízkou drsností – od prototypu po sérii, od mikročočkového pole po makrooptiku, od koule po volnou optiku.
Na Fraunhofer ILT v Aachenu se lasery nepoužívají pouze k řezání nebo svařování – převzaly kompletní výrobu optických součástí. S pomocí selektivního laserem indukovaného leptání (SLE) lze například zpracovávat součásti jako čočky v jediné upínce na přední a zadní straně i na okraji.
Další metodou je laserová ablace. Přitom přesný laserový paprsek cíleně odstraňuje materiál. Tak vznikají z jednoduchých, levných polotovarů, jako jsou sférické skleněné tělesa, vysoce komplexní tvary – například asférické nebo volné optiky, které se používají například v kamerách nebo senzorech.
»S našimi laserovými metodami přivádíme optiky přímo do tvaru – bez obchodu, bez upínání, rychle a levně«, říká Dr. Edgar Willenborg, který se významně podílel na rozvoji tématu optické výroby na Fraunhofer ILT. »Zvláště když nejsou požadovány pouze jednoduché koule, dosahujeme nejvyšší efektivity.«
Po tvarování následuje povrchová úprava: Lasery leští povrchy, které jsou po předchozím zpracování ještě drsné. Laser zahřívá povrch tak jemně, že se nejmenší nerovnosti slévají – během několika sekund, zcela bez mechanického kontaktu.
Pro zvlášť vysoké požadavky na tvarovou přesnost zkoumá Willenborg a jeho tým tzv. Laser Beam Figuring (LBF). Při tomto procesu se cíleně odstraňují a korigují nejmenší odchylky tvaru v nanometrových vrstvách – tedy miliontiny milimetru – což je například rozhodující u vysoce výkonných optik.
Kromě tvarování a leštění vyvíjí Fraunhofer ILT také metody pro montáž optických systémů. Patří sem přesné lepení nebo pájení součástí, aby zůstaly stabilní i při zatížení a spolehlivě fungovaly po dlouhou dobu.
»Ať už asférické, volné tvary nebo klasické čočky: Ukazujeme, že laserové zpracování nejen funguje, ale také má ekonomický smysl«, vysvětluje Christian Vedder, vedoucí oddělení pro techniku povrchů a tvarové odstraňování.
Různorodé oblasti použití – od výzkumu po sériovou výrobu
Laserová optická výroba na Fraunhofer ILT není jen technologicky zajímavá – také ukazuje v praxi, co je možné. Vyvinuté metody mohou být použity všude tam, kde je požadována střední přesnost, vysoká efektivita a automatizace, například v medicínské technice, kde jsou potřebné nejmenší čočky pro endoskopy nebo diagnostická zařízení, nebo v kvantové technologii, kde vznikají složité struktury ze skla, které vedou a manipulují se světlem. Také v polovodičovém průmyslu hrají takové optické komponenty důležitou roli – například při výrobě nejjemnějších struktur na mikročipech.
Další výhodou je, že technologie lze flexibilně přizpůsobit – podle materiálu, tvaru nebo počtu kusů. Ať už jde o kus pro výzkumnou laboratoř nebo větší sérii pro průmyslové aplikace – kombinací různých laserových metod vzniká modul, který lze přesně přizpůsobit aplikaci.
K tomu se přidávají podpůrné procesy, jako je laserové označování a popisování optických součástí nebo oddělování skla, například při výrobě na waferové bázi. Tak lze zobrazit všechny kroky podél hodnotového řetězce – od prvního nápadu po hotový produkt.
»Naše technologie jsou obzvlášť žádané, když konvenční metody narážejí na své hranice – například u asférických optik a složitých geometrií ze skla«, říká Edgar Willenborg.
Výzkum a spolupráce – společně přemýšlet o optické výrobě
Požadavky na optické součásti neustále rostou – v přesnosti, složitosti a počtu kusů. Zároveň roste poptávka po flexibilních, ekonomických řešeních, která se rychle přizpůsobí novým aplikacím.
V interdisciplinárním týmu vyvíjí více než 15 vědeckých pracovníků neustále nové přístupy, jak učinit laserovou výrobu optických součástí ještě přesnější, rychlejší a všestrannější. Nejde přitom jen o základní výzkum, ale především o přenos do průmyslové výroby.
Důležitou součástí této práce jsou úzké spolupráce s průmyslovými partnery. Společně s firmami z různých odvětví testují výzkumníci nové procesy a procesní řetězce, přizpůsobené a využitelné pro výrobu. Často přitom vznikají na míru šité řešení pro konkrétní úkoly.
V budoucnu se nebude jednat pouze o zdokonalování známých metod, ale také o objevování nových materiálů a designů. Kombinace digitálního designu vhodného pro výrobu a laserových výrobních metod otevírá zcela nové možnosti designu. Tak mohou vznikat součásti, které by klasickými metodami nebyly možné nebo by byly velmi náročné na výrobu – například obzvlášť kompaktní nebo integrované optiky pro nositelná zařízení nebo použití ve vesmíru.
Také integrace do automatizovaných výrobních procesů a spojení s moderními měřicími technikami bude dále rozvíjena. Tím se kvalita a efektivita mohou ještě lépe spojit – zcela v duchu udržitelné a budoucí výroby.
»Kombinace digitálního designu a laserové výroby umožní v budoucnu ještě mnohem více – zejména pro individualizované produkty«, je si jistý Edgar Willenborg. Brzy chtějí Aachener s procesním řetězcem pro laserovou optickou výrobu dosáhnout také nejvyšších požadavků na přesnost. Laser je k tomu perfektní nástroj.
Fraunhofer ILT na LASER World of PHOTONICS v hale A3, stánek 431.
Kontakt:
www.ilt.fraunhofer.de
