Tak powstaje optyka przyszłości – od szkła do montażu końcowego

Niezależnie od tego, czy chodzi o technologię medyczną, technologię kwantową czy produkcję półprzewodników, układy optyczne są integralną częścią wielu zaawansowanych technologicznie zastosowań. Aby zapewnić, że soczewki, lustra i inne komponenty spełniają najwyższe wymagania, produkcja potrzebuje procesów łączących precyzję, wydajność i elastyczność. Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT opracowuje rozwiązania szyte na miarę właśnie w tym celu, rozwiązania składające się z kilku wysoce wydajnych i niezwykle produktywnych pojedynczych kroków. Produkcja optyki oparta na laserach umożliwia przemysłowi produkcję wymiarowo dokładnych i funkcjonalnych komponentów o niskiej chropowatości, od prototypów do produkcji seryjnej, od matryc mikrosoczewek do makrooptyki, od sfer do optyki o swobodnym kształcie.

„Fakt, że możemy mapować wszystkie te kroki wewnętrznie, jest ogromną zaletą dla naszych partnerów. Nie otrzymują oni tylko pojedynczych kroków procesu, ale kompletne, zintegrowane rozwiązanie” — wyjaśnia dr Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT

W Fraunhofer ILT w Akwizgranie lasery nie są używane tylko do cięcia lub spawania; przejmują one pełną produkcję elementów optycznych. Na przykład dzięki selektywnemu trawieniu laserowemu (SLE) elementy takie jak soczewki mogą być obrabiane z przodu, z tyłu i na krawędziach w jednej operacji zaciskania.

Inną metodą stosowaną przez instytut jest ablacja laserowa. W tym procesie precyzyjna wiązka lasera usuwa materiał w sposób ukierunkowany. W ten sposób bardzo złożone kształty, takie jak asfery lub optyka o swobodnym kształcie, które są stosowane na przykład w kamerach lub czujnikach, mogą być tworzone z prostych, niedrogich półfabrykatów, takich jak sferyczne korpusy szklane.

„Dzięki naszym procesom laserowym kształtujemy optykę bezpośrednio – bez objazdów, bez ponownego zaciskania – i możemy to robić szybko i ekonomicznie” – mówi dr Edgar Willenborg, który odegrał kluczową rolę w rozwoju dziedziny produkcji optyki w Fraunhofer ILT. „Osiągamy maksymalną wydajność, zwłaszcza gdy wymagane jest coś więcej niż tylko proste sfery”.

Po kształtowaniu następuje wykańczanie: lasery polerują powierzchnie, które są nadal szorstkie od poprzedniej obróbki. Laser nagrzewa powierzchnię tak czule, że najmniejsze nierówności topnieją w ciągu kilku sekund i bez kontaktu mechanicznego.

Willenborg i jego zespół badają kształtowanie wiązką laserową (LBF), aby spełnić szczególnie wysokie wymagania pod względem dokładności kształtu. Obejmuje to ukierunkowaną ablację i korektę najmniejszych odchyleń kształtu w warstwach nanometrowych – tj. milionowych częściach milimetra – co jest kluczowe na przykład dla optyki o wysokiej wydajności.

Oprócz kształtowania i polerowania Fraunhofer ILT opracowuje również procesy montażu układów optycznych. Obejmują one precyzyjne łączenie lub lutowanie komponentów, aby pozostały stabilne pod obciążeniem i działały niezawodnie przez długi okres czasu.

„Niezależnie od tego, czy chodzi o asfery, kształty swobodne czy klasyczne soczewki, pokazujemy, że obróbka oparta na laserze nie tylko działa, ale ma również sens ekonomiczny” – wyjaśnia Christian Vedder, kierownik Działu Technologii Powierzchni i Ablacji.

W Fraunhofer ILT opracowywana jest nowa generacja komponentów optycznych – szybsza w produkcji, precyzyjnie ukształtowana i dokładnie dopasowana do zastosowania. © Fraunhofer ILT

Wszechstronne obszary zastosowań – od badań po produkcję seryjną

Produkcja optyki laserowej w Fraunhofer ILT jest nie tylko ekscytująca pod względem technologicznym, ale także pokazuje, co jest możliwe w praktyce. Opracowane procesy można stosować wszędzie tam, gdzie wymagana jest średnia precyzja, wysoka wydajność i automatyzacja, na przykład w technologii medycznej, gdzie do endoskopów lub urządzeń diagnostycznych potrzebne są najmniejsze soczewki, lub w technologii kwantowej, gdzie ze szkła tworzone są złożone struktury, które kierują i manipulują światłem. Takie elementy optyczne odgrywają również ważną rolę w przemyśle półprzewodnikowym, na przykład w produkcji najmniejszych struktur na mikrochipach.

Kolejna zaleta: technologie można elastycznie dostosowywać w zależności od materiału, kształtu lub ilości. Niezależnie od tego, czy jest to pojedynczy element do laboratorium badawczego, czy większa seria do zastosowań przemysłowych, połączenie różnych procesów laserowych tworzy modułowy system, który można precyzyjnie dostosować do zastosowania.

Ponadto istnieją procesy pomocnicze, takie jak znakowanie i etykietowanie elementów optycznych za pomocą lasera lub separacja szkła, na przykład w produkcji opartej na waflach. W ten sposób można zmapować wszystkie etapy łańcucha wartości, od początkowego pomysłu do gotowego produktu.

„Nasze technologie są szczególnie pożądane, gdy konwencjonalne procesy osiągają swoje granice, na przykład w przypadku optyki asferycznej i złożonych kształtów geometrycznych wykonanych ze szkła” — mówi Edgar Willenborg.

Od projektu do wykończenia i montażu, od szkicu do końcowej kontroli: nowy łańcuch procesów laserowych dla optyki w Fraunhofer ILT w Aachen. © Fraunhofer ILT

Badania i współpraca – wspólne myślenie przyszłościowe w produkcji optycznej

Wymagania stawiane elementom optycznym stale rosną pod względem precyzji, złożoności i ilości. Jednocześnie rośnie zapotrzebowanie na elastyczne, ekonomiczne rozwiązania, które można szybko dostosować do nowych zastosowań.

W interdyscyplinarnym zespole Fraunhofer ILT ponad 15 pracowników naukowych nieustannie opracowuje nowe podejścia, aby produkcja elementów optycznych oparta na laserach była szybsza, bardziej wszechstronna i jeszcze dokładniejsza. Nie chodzi tu tylko o badania podstawowe, ale przede wszystkim o to, jak można je przenieść do produkcji przemysłowej.

Ścisła współpraca z partnerami przemysłowymi jest ważną częścią tej pracy. Wraz z firmami z różnych sektorów naukowcy testują nowe procesy i łańcuchy procesów, dostosowując je i czyniąc użytecznymi w produkcji. Często skutkuje to rozwiązaniami dostosowanymi do konkretnych zadań.

W przyszłości nie będzie to tylko kwestia udoskonalenia istniejących procesów, ale także opracowania nowych materiałów i projektów. Łącząc cyfrowe projektowanie optyczne zorientowane na produkcję i metody produkcji oparte na laserach, instytut umożliwia zupełnie nowe projekty. Może to skutkować komponentami, które byłyby bardzo trudne lub niemożliwe do wyprodukowania przy użyciu konwencjonalnych metod, takimi jak szczególnie kompaktowa lub zintegrowana optyka do urządzeń przenośnych lub do zastosowań w kosmosie.

Integracja z zautomatyzowanymi procesami produkcyjnymi i połączenie z nowoczesnymi technologiami pomiarowymi również zostaną dalej rozszerzone. Oznacza to, że jakość i wydajność można połączyć jeszcze lepiej, zgodnie ze zrównoważoną i przyszłościową produkcją.

„Łącząc projektowanie cyfrowe i produkcję laserową, będziemy mogli w przyszłości produkować znacznie więcej, zwłaszcza produkty zindywidualizowane” — jest pewien Edgar Willenborg. W niedalekiej przyszłości instytut badawczy z siedzibą w Akwizgranie chce spełnić najwyższe wymagania dotyczące precyzji dzięki łańcuchowi procesów produkcji optyki laserowej. Lasery są do tego idealnym narzędziem.

Zainteresowane strony mogą dowiedzieć się więcej o „Smart Optics Manufacturing” na targach LASER World of PHOTONICS w dniach od 24 do 27 czerwca 2025 r. w Monachium na wspólnym stoisku Fraunhofer (hala A3, stoisko 431).

 

Źródło: Fraunhofer ILT