Che si tratti di tecnologia medica, tecnologia quantistica o produzione di semiconduttori – i sistemi ottici sono indispensabili in molte applicazioni high-tech. Affinché lenti, specchi o altri componenti soddisfino i più elevati requisiti, sono necessari processi di produzione che uniscano precisione, efficienza e flessibilità. Con la produzione ottica basata su laser è possibile realizzare componenti di forma precisa e funzionali con bassa rugosità – dal prototipo alla serie, dall'array di micro-lenti all'ottica macro, dalla sfera all'ottica a forma libera.
Presso il Fraunhofer ILT di Aquisgrana, i laser non vengono semplicemente utilizzati per tagliare o saldare – si occupano della produzione completa di componenti ottici. Con l'incisione laser selettiva (SLE) è possibile, ad esempio, lavorare componenti come lenti in un'unica morsa sia sul davanti che sul retro, così come sui bordi.
Un altro metodo è l'abrasione laser. Qui, un raggio laser preciso rimuove materiale in modo mirato. Da semplici e convenienti semilavorati come corpi di vetro sferici si possono creare forme altamente complesse – come asferiche o ottiche a forma libera, che vengono utilizzate, ad esempio, in fotocamere o sensori.
»Con i nostri processi laser portiamo le ottiche direttamente in forma – senza deviazioni, senza riposizionamenti, rapidamente e a basso costo«, afferma il Dr. Edgar Willenborg, che ha contribuito in modo significativo allo sviluppo della produzione ottica presso il Fraunhofer ILT. »In particolare quando non sono richieste solo semplici sfere, raggiungiamo la massima efficienza.«
Dopo la formatura segue la rifinitura: i laser lucidano superfici che sono ancora ruvide a causa della lavorazione precedente. Il laser riscalda la superficie in modo così delicato che le piccole irregolarità si fondono – in pochi secondi, senza alcun contatto meccanico.
Per requisiti particolarmente elevati in termini di precisione di forma, Willenborg e il suo team stanno ricercando il cosiddetto Laser Beam Figuring (LBF). Qui, le più piccole deviazioni di forma vengono rimosse e corrette in strati nanometrici – quindi millesimi di millimetro – il che è decisivo, ad esempio, per ottiche ad alte prestazioni.
Oltre alla formatura e alla lucidatura, il Fraunhofer ILT sviluppa anche processi per il montaggio di sistemi ottici. Questi includono l'incollaggio o la saldatura precisa dei componenti, affinché rimangano stabili anche sotto carico e funzionino in modo affidabile nel tempo.
»Che si tratti di asferiche, forme a forma libera o lenti classiche: dimostriamo che la lavorazione basata su laser non solo funziona, ma ha anche senso economico«, spiega Christian Vedder, capo dipartimento per la tecnologia delle superfici e l'abrasione di forma.
Aree di applicazione versatili – dalla ricerca alla produzione in serie
La produzione ottica basata su laser presso il Fraunhofer ILT non è solo tecnologicamente interessante – dimostra anche in pratica cosa è possibile. I processi sviluppati possono essere utilizzati ovunque sia richiesta una precisione media, alta efficienza e automazione, ad esempio nella tecnologia medica, dove sono necessarie piccole lenti per endoscopi o dispositivi diagnostici, o nella tecnologia quantistica, dove si creano strutture complesse in vetro che guidano e manipolano la luce. Anche nell'industria dei semiconduttori, tali componenti ottici giocano un ruolo importante – ad esempio nella produzione di strutture finissime su microchip.
Un ulteriore vantaggio: le tecnologie possono essere adattate in modo flessibile – a seconda del materiale, della forma o della quantità. Che si tratti di un pezzo unico per un laboratorio di ricerca o di una serie più grande per applicazioni industriali – combinando i diversi processi laser si crea un kit che può essere esattamente adattato all'applicazione.
A questo si aggiungono processi di supporto come la marcatura e l'etichettatura laser di componenti ottici o il taglio del vetro, ad esempio nella produzione su base wafer. In questo modo è possibile rappresentare tutti i passaggi lungo la catena del valore – dall'idea iniziale al prodotto finito.
»Le nostre tecnologie sono particolarmente richieste quando i metodi convenzionali raggiungono i loro limiti – ad esempio con ottiche asferiche e geometrie complesse in vetro«, afferma Edgar Willenborg.
Ricerca e collaborazione – pensare insieme alla produzione ottica
Le esigenze per i componenti ottici stanno aumentando costantemente – in precisione, complessità e quantità. Allo stesso tempo, cresce la domanda di soluzioni flessibili ed economiche che possano adattarsi rapidamente a nuove applicazioni.
In un team interdisciplinare, più di 15 collaboratori scientifici sviluppano continuamente nuovi approcci per rendere la produzione laser di componenti ottici ancora più precisa, veloce e versatile. Non si tratta solo di ricerca di base, ma soprattutto del trasferimento nella produzione industriale.
Una parte importante di questo lavoro sono le strette collaborazioni con partner industriali. Insieme a aziende di diversi settori, i ricercatori testano nuovi processi e catene di processo, adattati e resi utilizzabili per la produzione. Spesso nascono soluzioni su misura per compiti concreti.
In futuro non si tratterà solo di perfezionare i metodi noti, ma anche di esplorare nuovi materiali e design. La combinazione di design ottico adatto alla produzione digitale e metodi di produzione basati su laser apre spazi di progettazione completamente nuovi. In questo modo possono nascere componenti che con metodi classici non potrebbero essere realizzati o lo sarebbero solo con grande difficoltà – come ottiche particolarmente compatte o integrate per dispositivi indossabili o per l'uso nello spazio.
Anche l'integrazione nei processi di produzione automatizzati e il collegamento con tecniche di misurazione moderne saranno ulteriormente ampliati. In questo modo, qualità ed efficienza possono essere collegate ancora meglio – nel senso di una produzione sostenibile e orientata al futuro.
»La combinazione di design digitale e produzione basata su laser renderà possibile molto di più in futuro – soprattutto per prodotti personalizzati«, è sicuro Edgar Willenborg. A breve, i ricercatori di Aquisgrana vogliono raggiungere i più elevati requisiti di precisione con la catena di processo per la produzione ottica basata su laser. I laser sono lo strumento perfetto per questo.
Fraunhofer ILT alla LASER World of PHOTONICS nel padiglione A3, stand 431.
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