Classe più massa

Attraverso un nuovo metodo di produzione, LIMO può realizzare lenti FAC di altissima precisione in quantità estremamente elevate. (Fonte immagine: LIMO)

LIMO è l'unico produttore al mondo in grado di realizzare lenti FAC in vetro su wafer di 140mm x 140mm. (Fonte immagine: LIMO) / LIMO is the world’s only manufacturer with the ability to produce FAC lenses from glass on wafers measuring 140mm x 140mm. (Image: LIMO)

La LIMO GmbH, produttore di microottiche di alta precisione per sistemi laser, ha ottenuto una svolta tecnologica nella produzione di lenti FAC per tutte le tipologie di sorgenti laser a diodi pompate. L'azienda di Dortmund è riuscita a rendere la produzione delle lenti estremamente precise adatta alla produzione di massa.

Le lenti FAC per sistemi laser sono una componente centrale per molte tecnologie innovative. Sono già utilizzate nell'aerospaziale, nella tecnologia medica, nel fotovoltaico, nella produzione di display e nella lavorazione dei materiali. I volumi di produzione previsti aumenteranno notevolmente grazie all'uso nella produzione additiva (stampa 3D) e nei sistemi LIDAR (Laser Imaging Detection and Ranging). I sistemi LIDAR per la guida autonoma sono una componente particolarmente rilevante per la sicurezza e vengono impiegati anche in ambienti difficili. Oltre a richiedere un'alta qualità, necessitano di un funzionamento sicuro e stabile nel tempo. Questi requisiti possono essere soddisfatti esclusivamente da sistemi laser con microottiche in vetro di alta gamma.

La componente più importante per la qualità dei sistemi è la lente "Fast-Axis Collimator" (FAC). La lente è realizzata in vetro di alta qualità e presenta una superficie ascilindrica. Tuttavia, le tecniche di produzione attualmente disponibili devono ancora dimostrare di poter produrre in modo affidabile grandi quantità di milioni di pezzi mantenendo una qualità ottica costante e a prezzi competitivi. LIMO è riuscita ora a rendere il processo di produzione delle lenti FAC adatto alla produzione di massa con la qualità richiesta.

Wafer da 140 mm per la produzione di lenti FAC

La LIMO GmbH produce le lenti FAC su base wafer, consentendo di realizzare in un solo passaggio diverse migliaia di lenti in vetro di alta qualità. Le sfide della produzione di massa di ottiche in vetro molto complesse risiedono nella lavorazione di grandi superfici di wafer mantenendo un'elevata precisione. Il produttore di Dortmund ha raggiunto un progresso con un wafer di dimensioni 140 mm x 140 mm, aprendo la strada a processi con volumi molto elevati. Secondo quanto dichiarato da LIMO, la prossima generazione di wafer di dimensioni maggiori è già in fase di preparazione.

Nei metodi tradizionali di stampaggio e formatura del vetro, le lenti vengono lavorate a temperature elevate di circa 600-800°C. Per garantire un'alta qualità ottica, il vetro deve essere riscaldato e raffreddato lentamente. In particolare, il processo di raffreddamento deve essere controllato con precisione per evitare tensioni indesiderate nel materiale. Inoltre, durante il riscaldamento di grandi superfici di vetro si verificano variazioni di temperatura che possono essere minimizzate solo con un elevato sforzo tecnologico. A causa di queste limitazioni, il metodo di produzione "a caldo" presenta diversi svantaggi per le grandi serie e può essere applicato solo in modo limitato.

La caratteristica distintiva del processo LIMO è la produzione delle lenti in vetro a temperatura ambiente. L'azienda è riuscita ad aumentare le dimensioni dei wafer e contemporaneamente a ridurre il ciclo di produzione per wafer a meno di 60 minuti. Il vantaggio del metodo "a freddo" è che, grazie alla lavorazione del vetro a temperatura ambiente, la velocità di produzione più elevata non compromette la qualità delle lenti. LIMO è l'unico produttore al mondo in grado di gestire questa tecnologia su larga scala.

Il segreto della qualità: un processo di smerigliatura ad alta precisione

"Siamo in grado di lavorare in serie lastre di vetro da 140 mm di diametro e anche più grandi senza tensioni. Per questo produciamo tutti gli utensili e quasi tutte le macchine per il processo di produzione internamente. Così otteniamo la massima flessibilità nelle geometrie e nel design delle lenti. Per garantire un livello di qualità estremamente elevato nelle serie di produzione, abbiamo sviluppato un processo di smerigliatura automatizzato ad alta precisione. È un processo unico al mondo", spiega Dirk Hauschild, Chief Marketing Officer (CMO) di LIMO GmbH.

Con i metodi di smerigliatura e lucidatura a freddo sviluppati da LIMO per array di lenti cilindriche, si possono lavorare fino a 20.000 lenti contemporaneamente su un wafer di 140 mm di lunghezza del bordo. Il processo permette di scegliere liberamente forme ottiche rifrattive ascilindriche, inclusi elementi simmetrici, asimmetrici, ondulati o non periodici.

Durante il processo di smerigliatura, fino a diversi millimetri di superficie del vetro devono essere rimossi con una precisione di pochi nanometri. Successivamente, le lenti vengono rifinite con un'ulteriore lucidatura finale. La qualità superficiale elevata si ottiene tramite una lucidatura uniforme. Questa lucidatura rende le superfici in vetro ancora più durevoli e stabili. Con il processo di smerigliatura ad alta precisione, LIMO raggiunge parametri di prestazione delle FAC ai limiti della fattibilità fisica (vedi riquadro informativo sotto).

L'obiettivo per il 2019: la produzione di oltre 5 milioni di FAC

La lavorazione dei wafer di vetro da 140 mm avviene in modalità 24/7. Per questo, il parco macchine è stato aggiornato a formati più grandi e la capacità di produzione è stata aumentata. Già oggi, è possibile produrre fino a 3 milioni di FAC all'anno, e l'obiettivo per il 2019 è superare i 5 milioni di lenti. La capacità verrà ulteriormente aumentata fino a oltre 10 milioni di lenti all'anno entro il 2020. "Grazie alla lavorazione dei wafer di vetro a temperatura ambiente, il processo di produzione è ben controllato e possiamo garantire con affidabilità l'alta qualità. La capacità verrà ulteriormente ampliata secondo le necessità", riassume Dirk Bogs, Chief Operating Officer (COO), lo standard di produzione raggiunto.

Riquadro informativo: FAC-Linsen per diodi a singolo emettitore

"Lenti a collimazione dell'asse rapido" (FAC) sono principalmente utilizzate per diodi a singolo emettitore. Le lenti sono progettate per una piccola larghezza del fascio (larghezza di collimazione) e ottimizzate per la lavorazione dei materiali e per applicazioni di pompaggio di laser a diodi.

Le lenti FAC di LIMO, come la FAC 300, raggiungono valori di prestazione ai limiti della fattibilità fisica:

- Lunghezza focale standard da ≤160µm a 3000µm
- Rivestimento (VIS fino a FIR) con bassa assorbanza
- Bassa divergenza residua con alta efficienza di potenza
- Materiali con indice di rifrazione elevato (> 1,8)
- Trasmissione > 99% su un ampio spettro (ad esempio 770-1070 nm)