Így alakul ki a jövő optikája – az üvegtől a rendszerig

„Az, hogy mindezeket a lépéseket házon belül meg tudjuk valósítani, nagy előnyt jelent partnereink számára. Nemcsak egyes folyamatlépéseket kapnak, hanem egy teljes, átfogó megoldást,” magyarázza Dr. Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT, Aachen

Az Fraunhofer ILT-nél egy új generációs optikai alkatrész jön létre – gyorsabban gyártva, precízen formázva és pontosan az alkalmazáshoz igazítva. © Fraunhofer ILT, Aachen / Egy új generációs optikai alkatrész fejlesztése folyik a Fraunhofer ILT-nél – gyorsabban gyártható, precízen formázott és pontosan az alkalmazáshoz illesztett. © Fraunhofer ILT, Aachen, Németország

A tervezéstől a finomhangoláson át a szerelésig, a vázlattól a végső ellenőrzésig: az új lézeres feldolgozási lánc az optikák számára a Fraunhofer ILT-nél Aachenben. © Fraunhofer ILT, Aachen

A tervezéstől a befejezésig, az összeszereléstől a végső ellenőrzésig: az új lézerfolyamatlánc az optikákhoz a Fraunhofer ILT-nél Aachenben. © Fraunhofer ILT, Aachen, Németország

Akár az orvostechnikában, akár a kvantumtechnológiában vagy a félvezetőgyártásban – a optikai rendszerek nélkülözhetetlenek számos high-tech alkalmazásban. Annak érdekében, hogy a lencsék, tükrök vagy más alkatrészek a legmagasabb követelményeknek megfeleljenek, olyan gyártási eljárásokra van szükség, amelyek ötvözik a pontosságot, a hatékonyságot és a rugalmasságot. A Fraunhofer Laser Technology Institute ILT-ben pontosan erre a célra készre szabott megoldásokat fejlesztenek, amelyek néhány, rendkívül hatékony és termelékeny egylépésből álló folyamatból állnak. A lézeralapú optikai gyártással formailag pontos és funkcionális alkatrészek készíthetők alacsony felületi egyenetlenséggel – a prototípustól a sorozatig, a mikro lencse tömbtől a makrooptikáig, a gömbtől a szabadformájú optikáig.

A Aachen-i Fraunhofer ILT-ben a lézerek nem csupán vágásra vagy hegesztésre szolgálnak – ezek az optikai alkatrészek teljes gyártását végzik. A szelektív lézerindukált megmunkálás (SLE) például lehetővé teszi, hogy egyetlen beállítással dolgozzanak meg alkatrészeket, mint például lencséket, mind az elülső, mind a hátsó oldalán, valamint a szegélyükön.

Egy másik módszer a lézeres ablatív eljárás. Ebben egy precíz lézersugár célzottan távolít el anyagot. Így egyszerű, kedvező árú alapanyagokból, például gömb alakú üvegtestekből, rendkívül összetett formák – például aszférák vagy szabadformájú optikák – készíthetők, amelyek például kamerákban vagy érzékelőkben kerülnek alkalmazásra.

„A lézeres eljárásainkkal közvetlenül formába hozzuk az optikákat – közvetlenül, átállás nélkül, gyorsan és költséghatékonyan”, mondja Dr. Edgar Willenborg, aki jelentős szerepet játszott az optikai gyártás témakörének kialakításában a Fraunhofer ILT-nél. „Különösen akkor érjük el a legmagasabb hatékonyságot, ha nemcsak egyszerű gömböket kell készíteni.”

A formázás után következik a finiselés: a lézer polírozza a felületeket, amelyek korábbi megmunkálás során még durvák voltak. A lézer finom érzékenységgel melegíti fel a felületet, így a legkisebb egyenetlenségek összeolvadnak – mindössze néhány másodperc alatt, mechanikus érintkezés nélkül.

Különösen magas követelmények esetén a formagenerálás és a polírozás mellett Willenborg és csapata a lézeres felületképzést (LBF) kutatja. Ebben a módszerben a legkisebb formakülönbségeket nanométeres rétegekben céltudatosan távolítják el és korrigálják – ez egymillióad milliméter, ami például nagy teljesítményű optikáknál döntő jelentőségű.

A formázás és a polírozás mellett a Fraunhofer ILT módszereket fejleszt az optikai rendszerek összeszereléséhez is. Ide tartozik a pontos ragasztás vagy forrasztás, hogy az alkatrészek stabilak maradjanak terhelés alatt, és hosszú távon megbízhatóan működjenek.

„Legyen szó aszférákról, szabadformákról vagy klasszikus lencsékről: bemutatjuk, hogy a lézeres megmunkálás nemcsak működik, hanem gazdaságilag is értelmezhető”, magyarázza Christian Vedder, a felületi technika és formakivonás osztályvezetője.

Sokoldalú alkalmazási területek – a kutatástól a sorozatgyártásig

A lézeralapú optikai gyártás a Fraunhofer ILT-nél nemcsak technológiailag izgalmas – gyakorlati példákon keresztül is megmutatja, mi minden lehetséges. A kifejlesztett eljárások bárhol alkalmazhatók, ahol közepes precizitás, magas hatékonyság és automatizálás szükséges, például az orvostechnikában, ahol a legkisebb lencsék endoszkópokhoz vagy diagnosztikai eszközökhöz kellenek, vagy a kvantumtechnológiában, ahol összetett üvegstruktúrák jönnek létre, amelyek fényt vezetnek és manipulálnak. Ezek az optikai alkatrészek fontos szerepet játszanak a félvezetőiparban is – például a mikrochipek finom szerkezetének gyártásában.

Egy másik előny: a technológiák rugalmasan igazíthatók – anyag, forma vagy darabszám szerint. Legyen szó egyedi példányról kutatólaboratóriumnak vagy nagyobb sorozatról ipari alkalmazásokhoz – a különböző lézeres eljárások kombinációjával egy olyan építőelemkészlet jön létre, amely pontosan az alkalmazáshoz igazítható.

Emellett támogatási folyamatok is léteznek, mint például a lézeres jelölés és feliratozás optikai alkatrészeken vagy az üveg leválasztása, például wafer-alapú gyártásnál. Így minden lépés megvalósítható az értéklánc mentén – az első ötlettől a késztermékig.

„Technológiáink akkor a legkeresettebbek, amikor a hagyományos eljárások határaihoz érnek – például aszférikus optikák és összetett üveggeometrák esetében”, mondja Edgar Willenborg.

Kutatás és együttműködés – közösen gondolkodva az optikai gyártás jövőjén

Az optikai alkatrészek iránti igény folyamatosan növekszik – a pontosság, a komplexitás és a darabszám tekintetében. Egyidejűleg nő az igény a rugalmas, gazdaságos megoldások iránt, amelyek gyorsan alkalmazhatók új feladatokra.

Interdiszciplináris csapatban több mint 15 tudományos munkatárs folyamatosan új megközelítéseket dolgoz ki, hogy a lézeres gyártás még precízebbé, gyorsabbá és sokoldalúbbá váljon. Ez nemcsak az alapkutatásról szól, hanem elsősorban az ipari átültetésről.

Ezen munka egyik fontos része a szoros együttműködés az ipari partnerekkel. A kutatók közösen tesztelik az új folyamatokat és folyamatláncokat, azokat az ipar számára is hasznosítva. Gyakran személyre szabott megoldások születnek konkrét feladatokra.

A jövőben nemcsak a meglévő eljárások finomhangolására lesz szükség, hanem új anyagokat és tervezési megoldásokat is ki kell aknázni. A digitális gyártásra optimalizált optikai tervezés és a lézeres gyártási módszerek kombinációja teljesen új tervezési lehetőségeket nyit meg. Így olyan alkatrészek készíthetők, amelyek hagyományos módszerekkel nem vagy csak nagyon nehezen gyárthatók – például különösen kompakt vagy integrált optikák hordozható eszközökhöz vagy űrbeli alkalmazásokhoz.

Emellett a gyártási folyamatokba történő integráció és a modern mérési technikák összekapcsolása tovább bővül. Ezáltal a minőség és a hatékonyság még jobban összhangba hozható – a fenntartható és jövőképes gyártás érdekében.

„A digitális tervezés és a lézeres gyártás kombinációja a jövőben még sok mindenben lehetővé teszi – különösen az egyedre szabott termékek esetében”, biztos benne Edgar Willenborg. Rövidesen az Aachen-iak a lézeralapú optikai gyártási folyamatlánccal elérik a legmagasabb precizitási követelményeket is. A lézer lesz a tökéletes eszköz ehhez.”