Akár az orvostechnológia, a kvantumtechnológia vagy a félvezetőgyártás területén – az optikai rendszerek elengedhetetlenek számos csúcstechnológiai alkalmazásban. Ahhoz, hogy a lencsék, tükrök vagy más komponensek a legmagasabb követelményeknek megfeleljenek, olyan gyártási eljárásokra van szükség, amelyek ötvözik a precizitást, hatékonyságot és rugalmasságot. A lézer alapú optikai gyártás lehetővé teszi a formára pontos és funkcionális alkatrészek előállítását alacsony érdességgel – a prototípustól a sorozatig, a mikrolencse-aránytól a makrooptikáig, a gömbtől a szabadformájú optikáig.
Aachenben, a Fraunhofer ILT-nél a lézereket nem csupán vágásra vagy hegesztésre használják – teljes mértékben optikai alkatrészek gyártását végzik. A szelektív lézerindukált marás (SLE) segítségével például olyan alkatrészeket, mint a lencsék, egyetlen rögzítés alatt lehet megmunkálni az elülső és hátsó oldalon, valamint a széleken.
Egy másik módszer a lézeres abláció. Ekkor egy precíz lézersugár célzottan anyagot távolít el. Így egyszerű, olcsó alapanyagokból, mint például gömb alakú üvegtömbök, rendkívül összetett formák keletkeznek – például aszférák vagy szabadformájú optikák, amelyeket például kamerákban vagy érzékelőkben használnak.
»A lézeres eljárásainkkal közvetlenül formába hozzuk az optikákat – kerülőutak nélkül, átkonfigurálás nélkül, gyorsan és olcsón«, mondja Dr. Edgar Willenborg, aki jelentős szerepet játszott az optikai gyártás témájának kiépítésében a Fraunhofer ILT-nél. »Különösen, ha nem csupán egyszerű gömbökre van szükség, a legmagasabb hatékonyságot érjük el.«
A formázást követi a finomítás: A lézer polírozza azokat a felületeket, amelyek a korábbi megmunkálás során még durvák. A lézer annyira érzékenyen melegíti fel a felületet, hogy a legkisebb egyenetlenségek összeolvadnak – néhány másodperc alatt, teljesen mechanikai érintkezés nélkül.
A különösen magas követelményeknek megfelelő formaprecizitás érdekében Willenborg és csapata a úgynevezett Lézeres Sugárformázás (LBF) kutatásával foglalkozik. Ennek során a legkisebb formaeltéréseket nanométeres rétegekben célzottan eltávolítják és korrigálják – tehát milliód milliméteres nagyságrendben –, ami például nagy teljesítményű optikák esetében döntő fontosságú.
A formázás és polírozás mellett a Fraunhofer ILT optikai rendszerek összeszerelésére is kidolgoz eljárásokat. Ezek közé tartozik az alkatrészek precíz ragasztása vagy forrasztása, hogy azok terhelés alatt is stabilak maradjanak és hosszú távon megbízhatóan működjenek.
„Akár aszférák, szabadformák vagy klasszikus lencsék: Megmutatjuk, hogy a lézeralapú megmunkálás nemcsak működik, hanem gazdaságilag is értelmes,” magyarázza Christian Vedder, a felületkezelési és formakivételi osztály vezetője.
Sokoldalú alkalmazási területek – a kutatástól a sorozatgyártásig
A Fraunhofer ILT lézeralapú optikai gyártása nemcsak technológiailag izgalmas – a gyakorlatban is megmutatja, mi lehetséges. A kifejlesztett eljárások bárhol alkalmazhatók, ahol közepes precizitásra, magas hatékonyságra és automatizálásra van szükség, például az orvostechnikában, ahol a legkisebb lencsék szükségesek endoszkópokhoz vagy diagnosztikai eszközökhöz, vagy a kvantumtechnológiában, ahol összetett üvegstruktúrák jönnek létre, amelyek fényt vezetnek és manipulálnak. A félvezetőiparban is fontos szerepet játszanak az ilyen optikai komponensek – például a mikrochipeken található legfinomabb struktúrák előállításánál.
Egy másik előny: A technológiák rugalmasan alkalmazkodnak – az anyagtól, formától vagy darabszámtól függően. Legyen szó egyedi darabról egy kutatólabor számára vagy nagyobb sorozatról ipari alkalmazásokhoz – a különböző lézereljárások kombinációjával egy olyan modulrendszer jön létre, amely pontosan az alkalmazáshoz igazítható.
Ehhez jönnek a támogató folyamatok, mint a lézeralapú jelölés és feliratozás optikai alkatrészek esetében, vagy az üveg vágása, például wafer alapú gyártás során. Így az értékteremtési lánc minden lépése ábrázolható – az első ötlettől a kész termékig.
»Technológiáink iránt különösen nagy a kereslet, amikor a hagyományos eljárások határaikhoz érnek – például aszférikus optikák és összetett üveggeometriák esetében«, mondta Edgar Willenborg.
Kutatás és együttműködés – közösen újragondolni az optikai gyártást
Az optikai alkatrészek iránti követelmények folyamatosan növekednek – a precizitás, összetettség és darabszám tekintetében. Ezzel párhuzamosan nő a rugalmas, gazdaságos megoldások iránti igény, amelyek gyorsan alkalmazkodnak az új alkalmazásokhoz.
Egy interdiszciplináris csapatban több mint 15 tudományos munkatárs folyamatosan új megközelítéseket dolgoz ki, hogy a lézeralapú optikai alkatrészek gyártását még pontosabbá, gyorsabbá és sokoldalúbbá tegye. Itt nemcsak az alapkutatásról van szó, hanem elsősorban az ipari gyártásba való átmenetről.
A munka fontos része az ipari partnerekkel való szoros együttműködés. Különböző iparágakból származó vállalatokkal közösen a kutatók új folyamatokat és folyamatláncokat tesztelnek, amelyeket a gyártás számára testre szabtak és hasznosíthatóvá tettek. Gyakran egyedi megoldások születnek konkrét feladatokhoz.
A jövőben nemcsak a jól ismert eljárások finomítása lesz a cél, hanem új anyagok és formatervezések felfedezése is. A digitális gyártásra optimalizált optikai tervezés és lézeralapú gyártási módszerek kombinációja teljesen új tervezési lehetőségeket nyit meg. Így olyan alkatrészek jöhetnek létre, amelyek klasszikus módszerekkel nem vagy csak nagyon bonyolultan állíthatók elő – például különösen kompakt vagy integrált optikák hordozható eszközök számára vagy űrbeli alkalmazásra.
Az automatizált gyártási folyamatokba való integráció és a modern mérési technikákkal való összekapcsolás is tovább bővül. Ezzel a minőség és a hatékonyság még jobban összekapcsolható – teljes mértékben a fenntartható és jövőképes termelés szellemében.
»A digitális tervezés és a lézeralapú gyártás kombinációja a jövőben még sokkal több lehetőséget teremt – különösen az egyedi termékek esetében«, biztos abban Edgar Willenborg. Hamarosan az aacheniak a lézeralapú optikai gyártás folyamatláncával a legmagasabb precizitási követelményeknek is eleget kívánnak tenni. A lézer tökéletes eszköz erre.
Fraunhofer ILT a LASER World of PHOTONICS rendezvényen, A3 csarnok, 431-es stand.
Kapcsolat:
www.ilt.fraunhofer.de
