Ecco come si crea l'ottica del futuro – dal vetro al sistema

»Il fatto che possiamo rappresentare tutti questi passaggi internamente è un grande vantaggio per i nostri partner. Non ricevono solo singoli passaggi di processo, ma una soluzione completa e integrata«, spiega il dottor Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT, Aachen

Una nuova generazione di componenti ottici sta emergendo presso il Fraunhofer ILT – prodotti più velocemente, modellati con precisione e perfettamente adattati all'applicazione. © Fraunhofer ILT, Aachen

Dal design alla finitura, dall'ideazione al collaudo finale: la nuova catena di processo laser per ottiche al Fraunhofer ILT di Aquisgrana. © Fraunhofer ILT, Aquisgrana

Dalla progettazione alla finitura, dall'assemblaggio all'ispezione finale: la nuova catena di processo laser per ottiche al Fraunhofer ILT di Aquisgrana. © Fraunhofer ILT, Aquisgrana, Germania

Se nel settore della tecnologia medica, della tecnologia quantistica o della produzione di semiconduttori – i sistemi ottici sono indispensabili in molte applicazioni high-tech. Per garantire che lenti, specchi o altri componenti soddisfino i requisiti più elevati, sono necessari processi di produzione che uniscano precisione, efficienza e flessibilità. All'Istituto Fraunhofer per la tecnologia laser ILT vengono sviluppate soluzioni su misura, composte da pochi passaggi altamente efficienti e estremamente produttivi. Con la produzione ottica basata su laser, è possibile realizzare componenti formativamente precisi e funzionali con bassa rugosità – dal prototipo alla serie, dall'array di micro-lenti all'ottica macro, dalla sfera all'ottica a forma libera.

All'Istituto Fraunhofer ILT di Aquisgrana, i laser non vengono semplicemente usati per tagliare o saldare – si occupano dell'intera produzione di componenti ottici. Con il processo di incisione laser selettiva (SLE), ad esempio, si possono lavorare componenti come lenti in un'unica operazione sia sulla parte anteriore che su quella posteriore, e sui bordi.

Un altro metodo è l'ablation laser. In questo caso, un raggio laser preciso rimuove miratamente il materiale. In questo modo, forme altamente complesse possono essere create a partire da semplici, economici semilavorati come corpi di vetro sferici – ad esempio asferiche o ottiche a forma libera, utilizzate in fotocamere o sensori.

»Con i nostri processi laser portiamo le ottiche direttamente in forma – senza passaggi intermedi, senza riposizionamenti, in modo rapido ed economico«, afferma il dottor Edgar Willenborg, che ha contribuito in modo determinante allo sviluppo della produzione di ottiche all'Istituto Fraunhofer ILT. »Soprattutto quando non sono richieste semplici sfere, raggiungiamo la massima efficienza.«

Dopo la formatura, si procede alla finitura: il laser lucida le superfici ancora ruvide a causa delle lavorazioni precedenti. Il laser riscalda la superficie in modo così delicato che le più piccole irregolarità si fondono – in pochi secondi, senza contatto meccanico.

Per requisiti particolarmente elevati di precisione formale, Willenborg e il suo team sviluppano il cosiddetto Laser Beam Figuring (LBF). In questo processo, le più piccole deviazioni di forma vengono rimosse e corrette in strati di nanometri – cioè milionesimi di millimetro – un aspetto cruciale, ad esempio, per ottiche ad alte prestazioni.

Oltre alla formatura e alla lucidatura, l'Istituto Fraunhofer ILT sviluppa anche metodi per il montaggio di sistemi ottici. Ciò include l'incollaggio o la saldatura precisa dei componenti, affinché rimangano stabili anche sotto carico e funzionino in modo affidabile a lungo termine.

»Che si tratti di asferiche, forme libere o lenti classiche: dimostriamo che la lavorazione laser non solo funziona, ma è anche economicamente vantaggiosa«, spiega Christian Vedder, responsabile del reparto di tecnologia delle superfici e rimozione di forma.

Applicazioni versatili – dalla ricerca alla produzione in serie

La produzione ottica basata su laser all'Istituto Fraunhofer ILT non è solo tecnologicamente affascinante – dimostra anche sul campo cosa è possibile. I processi sviluppati possono essere utilizzati ovunque siano richiesti precisione media, alta efficienza e automazione, ad esempio nella tecnologia medica, dove sono necessari piccolissimi lenti per endoscopi o dispositivi di diagnosi, o nella tecnologia quantistica, dove si creano strutture complesse di vetro che guidano e manipolano la luce. Anche nell'industria dei semiconduttori, questi componenti ottici svolgono un ruolo importante – ad esempio nella produzione di strutture estremamente fini sui microchip.

Un altro vantaggio: le tecnologie sono facilmente adattabili – a seconda del materiale, della forma o del numero di pezzi. Che si tratti di un singolo pezzo per un laboratorio di ricerca o di una produzione più grande per applicazioni industriali – la combinazione dei diversi processi laser crea un sistema modulare che può essere adattato esattamente all'applicazione.

Inoltre, vengono supportati processi come il marcatura e l'etichettatura laser di componenti ottici o il taglio del vetro, ad esempio nella produzione su wafer. In questo modo, tutti i passaggi lungo la catena del valore possono essere rappresentati – dall'idea iniziale al prodotto finito.

»Le nostre tecnologie sono particolarmente richieste quando i metodi convenzionali raggiungono i loro limiti – ad esempio nelle ottiche asferiche e nelle geometrie complesse di vetro«, afferma Edgar Willenborg.

Ricerca e collaborazione – pensare insieme alla produzione ottica del futuro

Le esigenze di componenti ottici aumentano costantemente – in termini di precisione, complessità e quantità. Allo stesso tempo, cresce la domanda di soluzioni flessibili ed economiche, che possano essere adattate rapidamente a nuove applicazioni.

In un team interdisciplinare, più di 15 ricercatori sviluppano continuamente nuovi approcci per rendere la produzione laser di componenti ottici ancora più precisa, rapida e versatile. Si tratta non solo di ricerca di base, ma soprattutto di trasferimento in produzione industriale.

Una parte importante di questo lavoro sono le strette collaborazioni con partner industriali. Insieme alle aziende di diversi settori, i ricercatori testano nuovi processi e catene di processo, adattandoli e rendendoli utilizzabili per la produzione. Spesso si creano soluzioni su misura per compiti specifici.

In futuro, non si tratterà solo di perfezionare i processi noti, ma anche di scoprire nuovi materiali e design. La combinazione di progettazione ottica digitale per la produzione e metodi di lavorazione laser apre spazi completamente nuovi per la progettazione. In questo modo, possono essere realizzati componenti che con metodi tradizionali sarebbero difficili o molto costosi da produrre – ad esempio ottiche particolarmente compatte o integrate per dispositivi portatili o applicazioni spaziali.

Verrà inoltre ampliata l'integrazione nei processi di produzione automatizzati e il collegamento con tecniche di misurazione moderne. Ciò consentirà di migliorare ulteriormente qualità ed efficienza – in un'ottica di produzione sostenibile e futura.

»La combinazione di design digitale e produzione laser consentirà in futuro molte più possibilità – anche per prodotti personalizzati«, afferma con sicurezza Edgar Willenborg. A breve, gli abitanti di Aquisgrana vogliono raggiungere i massimi standard di precisione anche con la catena di processo per la produzione di ottiche laser. Il laser sarà lo strumento perfetto per questo.«