Czy to w technologii medycznej, technologii kwantowej czy w produkcji półprzewodników – systemy optyczne są nieodłącznym elementem wielu zastosowań high-tech. Aby soczewki, lustra lub inne komponenty spełniały najwyższe wymagania, potrzebne są procesy produkcyjne, które łączą precyzję, efektywność i elastyczność. Dzięki optyce produkowanej laserowo można wytwarzać elementy o precyzyjnych kształtach i funkcjonalności z niską chropowatością – od prototypu po serię, od matrycy mikrosoczewek po makrooptykę, od sfery po optykę swobodną.
W Fraunhofer ILT w Akwizgranie lasery nie są wykorzystywane tylko do cięcia czy spawania – przejmują całą produkcję elementów optycznych. Dzięki selektywnemu laserowemu trawieniu (SLE) można na przykład obrabiać elementy takie jak soczewki w jednym mocowaniu z przodu, z tyłu oraz na krawędzi.
Inną metodą jest ablacja laserowa. Przy tym precyzyjna wiązka laserowa celowo usuwa materiał. W ten sposób z prostych, tanich surowców, takich jak sferyczne ciała szklane, powstają wysoce złożone kształty – na przykład asfery lub optyki swobodnych kształtów, które znajdują zastosowanie w kamerach lub czujnikach.
„Dzięki naszym procesom laserowym formujemy optykę bezpośrednio – bez zbędnych kroków, bez przestawiania, szybko i tanio“, mówi dr Edgar Willenborg, który znacząco przyczynił się do rozwoju tematu produkcji optyki w Fraunhofer ILT. „Szczególnie gdy wymagane są nie tylko proste sfery, osiągamy najwyższą efektywność.“
Po formowaniu następuje wykończenie: Lasery polerują powierzchnie, które po wcześniejszej obróbce są jeszcze szorstkie. Laser nagrzewa powierzchnię w tak delikatny sposób, że najmniejsze nierówności stapiają się – w ciągu kilku sekund, całkowicie bez kontaktu mechanicznego.
Dla szczególnie wysokich wymagań dotyczących precyzji kształtu, Willenborg i jego zespół prowadzą badania nad tzw. Laser Beam Figuring (LBF). W tym procesie celowo usuwane i korygowane są najmniejsze odchylenia kształtu w nanometrowych warstwach – czyli milionowych częściach milimetra – co ma kluczowe znaczenie na przykład w przypadku optyki wysokowydajnej.
Oprócz kształtowania i polerowania, Fraunhofer ILT opracowuje również metody montażu systemów optycznych. Należy do nich precyzyjne klejenie lub lutowanie elementów, aby pozostały stabilne nawet pod obciążeniem i działały niezawodnie przez długi czas.
„Czy to asfery, swobodne kształty czy klasyczne soczewki: pokazujemy, że obróbka laserowa nie tylko działa, ale również ma sens ekonomiczny“, wyjaśnia Christian Vedder, kierownik działu technologii powierzchni i usuwania kształtów.
Wszechstronne obszary zastosowań – od badań po produkcję seryjną
Laserowe wytwarzanie optyki w Fraunhofer ILT jest nie tylko technologicznie fascynujące – pokazuje również w praktyce, co jest możliwe. Opracowane metody mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane są średnia precyzja, wysoka wydajność i automatyzacja, na przykład w medycynie, gdzie potrzebne są najmniejsze soczewki do endoskopów lub urządzeń diagnostycznych, lub w technologii kwantowej, gdzie powstają złożone struktury ze szkła, które prowadzą i manipulują światłem. Także w przemyśle półprzewodnikowym takie komponenty optyczne odgrywają ważną rolę – na przykład przy wytwarzaniu najdrobniejszych struktur na mikrochipach.
Kolejną zaletą jest to, że technologie można elastycznie dostosować – w zależności od materiału, kształtu czy liczby sztuk. Niezależnie od tego, czy chodzi o pojedynczy egzemplarz dla laboratorium badawczego, czy o większą serię do zastosowań przemysłowych – dzięki połączeniu różnych metod laserowych powstaje zestaw, który można dokładnie dopasować do zastosowania.
Do tego dochodzą wspierające procesy, takie jak laserowe znakowanie i etykietowanie elementów optycznych czy cięcie szkła, na przykład w produkcji na bazie wafli. W ten sposób można odwzorować wszystkie etapy wzdłuż łańcucha wartości – od pierwszego pomysłu po gotowy produkt.
„Nasze technologie są szczególnie poszukiwane, gdy konwencjonalne metody osiągają swoje granice – na przykład w przypadku asferycznych optyk i złożonych geometrii ze szkła”, mówi Edgar Willenborg.
Badania i współpraca – wspólnie rozwijać produkcję optyki
Wymagania dotyczące elementów optycznych stale rosną – w zakresie precyzji, złożoności i ilości. Jednocześnie rośnie zapotrzebowanie na elastyczne, ekonomiczne rozwiązania, które można szybko dostosować do nowych zastosowań.
W interdyscyplinarnym zespole ponad 15 pracowników naukowych nieustannie opracowuje nowe podejścia, aby produkcja optycznych komponentów oparta na laserach była jeszcze dokładniejsza, szybsza i bardziej wszechstronna. Chodzi tu nie tylko o badania podstawowe, ale przede wszystkim o transfer do przemysłowej produkcji.
Ważną częścią tej pracy są bliskie współprace z partnerami przemysłowymi. Wraz z firmami z różnych branż badacze testują nowe procesy i łańcuchy procesów, dostosowane i przystosowane do produkcji. Często powstają w ten sposób rozwiązania szyte na miarę dla konkretnych zadań.
W przyszłości nie będzie chodziło tylko o udoskonalanie znanych procesów, ale także o odkrywanie nowych materiałów i wzorów. Połączenie cyfrowego projektowania optyki dostosowanego do produkcji i metod wytwarzania opartych na laserze otwiera zupełnie nowe możliwości projektowe. Dzięki temu mogą powstawać elementy, które z klasycznymi metodami byłyby trudne lub bardzo kosztowne do wyprodukowania – na przykład szczególnie kompaktowe lub zintegrowane optyki do urządzeń przenośnych lub do zastosowań w przestrzeni kosmicznej.
Również integracja w zautomatyzowane procesy produkcyjne oraz połączenie z nowoczesnymi technikami pomiarowymi będzie dalej rozwijana. Dzięki temu jakość i efektywność będą mogły być jeszcze lepiej ze sobą powiązane – w duchu zrównoważonej i przyszłościowej produkcji.
„Kombinacja cyfrowego projektowania i produkcji opartej na laserze w przyszłości umożliwi jeszcze więcej – zwłaszcza w przypadku produktów zindywidualizowanych“, jest pewien Edgar Willenborg. Wkrótce zespół z Akwizgranu zamierza osiągnąć najwyższe wymagania dotyczące precyzji w łańcuchu procesów produkcji optyki opartej na laserze. Laser jest do tego idealnym narzędziem.
Fraunhofer ILT na LASER World of PHOTONICS w hali A3, stoisko 431.
Kontakt:
www.ilt.fraunhofer.de
