Tak vzniká optika budoucnosti – od skla k systému

„To, že můžeme všechny tyto kroky zmapovat interně, je velkou výhodou pro naše partnery. Nedostávají jen jednotlivé kroky procesu, ale kompletní, komplexní řešení,“ vysvětluje Dr. Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT, Aachen

Na Fraunhofer ILT vzniká nová generace optických součástek – rychleji vyráběných, přesně tvarovaných a přesně přizpůsobených použití. © Fraunhofer ILT, Aachen / Nová generace optických součástek je vyvíjena ve Fraunhofer ILT – rychlejší výroba, přesně tvarované a přesně přizpůsobené použití. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Od návrhu přes úpravu až po montáž, od konceptu po konečnou kontrolu: Nový laserový výrobní řetězec pro optiky v Fraunhofer ILT v Aachen. © Fraunhofer ILT, Aachen

Od návrhu po dokončení a montáž, od konceptu po finální kontrolu: nová laserová výrobní řetězec pro optiku ve Fraunhofer ILT v Aachenu. © Fraunhofer ILT, Aachen, Německo

Ať už v medicínském technologiích, kvantových technologiích nebo výrobě polovodičů – optické systémy jsou nedílnou součástí mnoha vysoce technologických aplikací. Aby čočky, zrcadla nebo jiné komponenty splnily nejvyšší požadavky, je třeba výrobních procesů, které kombinují přesnost, efektivitu a flexibilitu. Na Fraunhoferově institutu pro laserovou techniku ILT vznikají právě taková na míru šitá řešení, která se skládají z několika vysoce efektivních a extrémně produktivních jednotlivých kroků. S laserovou výrobou optických systémů je možné vyrábět tvarově přesné a funkční díly s nízkou drsností – od prototypu po sériovou výrobu, od mikročočekových polí po makrooptiku, od sféry po volné tvary optik.

Na Fraunhoferově ILT v Aachenu se lasery nepoužívají jen k řezání nebo svařování – plní kompletní výrobu optických dílů. Pomocí selektivního laserového tvarování (SLE) je například možné upravovat díly, jako jsou čočky, na jedné pracovní pozici na přední i zadní straně a na okraji.

Další metodou je laserová ablace. Při ní přesný laserový paprsek cíleně odstraňuje materiál. Tak vznikají z jednoduchých, levných polotovarů, jako jsou sférické skleněné tělesa, vysoce složité tvary – například asférické nebo volné tvary optik, které se používají například v kamerách nebo senzorech.

„S našimi laserovými metodami přivádíme optiku přímo do požadovaného tvaru – bez zbytečných kroků, bez překládání, rychle a levně,“ říká Dr. Edgar Willenborg, který se významně podílel na vývoji optické výroby na Fraunhofer ILT. „Obzvlášť když jsou požadovány nejen jednoduché sféry, dosahujeme nejvyšší efektivity.“

Po tvarování následuje úprava povrchu: laser leští povrchy, které jsou po předchozím obrábění ještě drsné. Laser tak povrch tak jemně zahřívá, že nejmenší nerovnosti se slévají – během několika sekund, zcela bez mechanického kontaktu.

Pro zvlášť vysoké nároky na přesnost tvaru zkoumá Willenborg a jeho tým tzv. Laser Beam Figuring (LBF). Při něm jsou cíleně odstraňovány a korigovány nejmenší odchylky tvaru v nanometrových vrstvách – tedy miliontinách milimetru, což je rozhodující například u vysoce výkonných optik.

Kromě tvarování a leštění vyvíjí Fraunhofer ILT také metody pro montáž optických systémů. Patří sem přesné lepení nebo svařování dílů, aby i při zatížení zůstaly stabilní a dlouhodobě spolehlivě fungovaly.

„Ať už jsou to asférické tvary, volné tvary nebo klasické čočky: ukazujeme, že laserové zpracování nejenže funguje, ale má i ekonomický smysl,“ vysvětluje Christian Vedder, vedoucí oddělení povrchových technologií a odstraňování tvaru.

Všestranné oblasti použití – od výzkumu po sériovou výrobu

Laserová výroba optiky na Fraunhofer ILT není jen technologicky vzrušující – ukazuje také v praxi, co je možné. Vyvinuté metody mohou být využity všude tam, kde je požadována střední přesnost, vysoká efektivita a automatizace, například v medicíně, kde jsou potřeba nejmenší čočky pro endoskopy nebo diagnostické přístroje, nebo v kvantových technologiích, kde vznikají složité struktury z skla, které vedou a manipulují světlo. Takové optické komponenty hrají důležitou roli také v polovodičovém průmyslu – například při výrobě nejjemnějších struktur na mikroprocesorech.

Další výhodou je, že technologie lze flexibilně přizpůsobit – podle materiálu, tvaru nebo počtu kusů. Ať už jde o jednotlivé kusy pro výzkumné laboratoře nebo větší série pro průmyslové aplikace – kombinací různých laserových metod vzniká stavebnice, kterou lze přesně přizpůsobit konkrétnímu použití.

K tomu přispívají podpůrné procesy, jako je laserové značení a popisování optických dílů nebo řezání skla, například při výrobě na waferové bázi. Tak lze zmapovat všechny kroky v hodnotovém řetězci – 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 posouvat výrobu optiky dál

Požadavky na optické díly neustále rostou – co do přesnosti, složitosti a počtu kusů. Současně roste i potřeba flexibilních, ekonomických řešení, která se dají rychle přizpůsobit novým aplikacím.

V interdisciplinárním týmu neustále vyvíjí více než 15 vědeckých pracovníků nové přístupy, aby laserové zpracování optických dílů bylo ještě přesnější, rychlejší a rozmanitější. Nejde jen o základní výzkum, ale hlavně o přenos do průmyslové výroby.

Významnou součástí této práce jsou úzké spolupráce s průmyslovými partnery. Společně s firmami z různých odvětví testují vědci nové procesy a procesní řetězce, upravené a využitelné pro výrobu. Často vznikají na míru šitá řešení pro konkrétní úkoly.

V budoucnu nebude cílem jen vylepšovat známé metody, ale také objevovat nové materiály a návrhy. Kombinace digitálního návrhu optiky vhodného pro výrobu a laserových výrobních metod otevírá zcela nové možnosti tvorby. Tak lze vyrábět díly, které by s klasickými metodami byly buď nemožné nebo velmi složité – například zvlášť kompaktní nebo integrované optiky pro přenosná zařízení nebo použití ve vesmíru.

Také integrace do automatizovaných výrobních procesů a propojení s moderními měřicími technikami bude dále rozvíjena. To umožní ještě lépe spojit kvalitu a efektivitu – v duchu udržitelné a budoucí výroby.

„Kombinace digitálního návrhu a laserového zpracování v budoucnu umožní ještě mnohem více – zejména pro individualizované produkty,“ je přesvědčen Edgar Willenborg. Brzy chtějí Aachenské společnosti s procesní řetězcem pro laserovou výrobu optiky dosáhnout i těch nejvyšších požadavků na přesnost. Laser je pro to ideálním nástrojem.