So entsteht die Optik der Zukunft – vom Glas zum System

»Dass wir all diese Schritte im Haus abbilden können, ist ein großer Vorteil für unsere Partner. Sie bekommen nicht nur einzelne Prozessschritte, sondern eine komplette, ganzheitliche Lösung«, erklärt Dr. Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT, Aachen / "The fact that we can map all these steps in-house is a major advantage for our partners. They don't just get individual process steps, but a complete, integrated solution," explains Dr. Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Am Fraunhofer ILT entsteht eine neue Generation optischer Bauteile – schneller gefertigt, präzise geformt und exakt auf den Einsatz abgestimmt. © Fraunhofer ILT, Aachen / A new generation of optical components is being developed at Fraunhofer ILT – faster to manufacture, precisely shaped and exactly matched to the application. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Vom Design über die Veredelung bis zur Montage, vom Entwurf bis zur Endkontrolle: Die neue Laserprozesskette für Optiken am Fraunhofer ILT in Aachen. © Fraunhofer ILT, Aachen

From design to finishing to assembly, from draft to final inspection: the new laser process chain for optics at Fraunhofer ILT in Aachen. © Fraunhofer ILT, Aachen, Germany

Ob in der Medizintechnik, der Quantentechnologie oder der Halbleiterfertigung – optische Systeme sind aus vielen Hightech-Anwendungen nicht wegzudenken. Damit Linsen, Spiegel oder andere Komponenten höchste Anforderungen erfüllen, bedarf es Fertigungsverfahren, die Präzision, Effizienz und Flexibilität vereinen. Am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT entstehen genau dafür maßgeschneiderte Lösungen, die aus wenigen hocheffizienten und äußerst produktiven Einzelschritten bestehen. Mit der laserbasierten Optikfertigung lassen sich formgenaue und funktionale Bauteile mit geringer Rauheit herstellen – vom Prototyp bis zur Serie, vom Mikrolinsenarray bis zur Makrooptik, von der Sphäre bis zur Freiformoptik.

Am Fraunhofer ILT in Aachen werden Laser nicht einfach nur zum Schneiden oder Schweißen eingesetzt – sie übernehmen die komplette Fertigung optischer Bauteile. Mit dem selektiven laserinduzierten Ätzen (SLE) lassen sich beispielsweise Bauteile wie Linsen in einer einzigen Aufspannung auf der Vorder- und Rückseite sowie am Rand bearbeiten.

Eine weitere Methode ist die Laserablation. Dabei trägt ein präziser Laserstrahl gezielt Material ab. So entstehen aus einfachen, günstigen Rohlingen wie sphärischen Glaskörpern hochkomplexe Formen– etwa Asphären oder Freiformoptiken, die zum Beispiel in Kameras oder Sensoren zum Einsatz kommen.

»Mit unseren Laserverfahren bringen wir Optiken direkt in Form – ohne Umwege, ohne Umspannen, schnell und günstig«, sagt Dr. Edgar Willenborg, der das Thema Optikfertigung am Fraunhofer ILT maßgeblich mit aufgebaut hat. »Insbesondere wenn nicht nur einfache Sphären gefordert sind, erreichen wir höchste Effizienz.«

Nach der Formgebung folgt die Veredelung: Laser polieren Oberflächen, die durch vorherige Bearbeitung noch rau sind. Der Laser erwärmt die Oberfläche dabei so feinfühlig, dass kleinste Unebenheiten verschmelzen – innerhalb weniger Sekunden, ganz ohne mechanischen Kontakt.

Für besonders hohe Anforderungen an die Formgenauigkeit forschen Willenborg und sein Team am sogenannten Laser Beam Figuring (LBF). Dabei werden kleinste Formabweichungen in Nanometerschichten gezielt abgetragen und korrigiert – also millionstel Millimeter –, was zum Beispiel bei Hochleistungsoptiken entscheidend ist.

Neben der Formgebung und Politur entwickelt das Fraunhofer ILT auch Verfahren für die Montage optischer Systeme. Dazu gehören das präzise Verkleben oder Verlöten von Bauteilen, damit sie auch unter Belastung stabil bleiben und über lange Zeit zuverlässig funktionieren.

»Ob Asphären, Freiformen oder klassische Linsen: Wir zeigen, dass laserbasierte Bearbeitung nicht nur funktioniert, sondern wirtschaftlich Sinn ergibt«, erklärt Christian Vedder, Abteilungsleiter für Oberflächentechnik und Formabtrag.

Vielseitige Einsatzbereiche – von der Forschung bis zur Serienfertigung

Die laserbasierte Optikfertigung am Fraunhofer ILT ist nicht nur technologisch spannend – sie zeigt auch in der Praxis, was möglich ist. Die entwickelten Verfahren können überall dort zum Einsatz kommen, wo mittlere Präzision, hohe Effizienz und Automatisierung gefragt sind, etwa in der Medizintechnik, wo kleinste Linsen für Endoskope oder Diagnosegeräte gebraucht werden, oder in der Quantentechnologie, wo komplexe Strukturen aus Glas entstehen, die Licht leiten und manipulieren. Auch in der Halbleiterindustrie spielen solche optischen Komponenten eine wichtige Rolle – beispielsweise bei der Herstellung feinster Strukturen auf Mikrochips.

Ein weiterer Vorteil: Die Technologien lassen sich flexibel anpassen – je nach Werkstoff, Form oder Stückzahl. Ob Einzelstück für ein Forschungslabor oder eine größere Serie für industrielle Anwendungen – durch die Kombination der verschiedenen Laserverfahren entsteht ein Baukasten, der sich exakt auf die Anwendung abstimmen lässt.

Dazu kommen unterstützende Prozesse wie das laserbasierte Markieren und Beschriften optischer Bauteile oder das Trennen von Glas, etwa bei der Fertigung auf Waferbasis. So lassen sich alle Schritte entlang der Wertschöpfungskette abbilden – von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt.

»Unsere Technologien sind dann besonders gefragt, wenn konventionelle Verfahren an ihre Grenzen stoßen – zum Beispiel bei asphärischen Optiken und komplexen Geometrien aus Glas«, so Edgar Willenborg.

Forschung und Zusammenarbeit – gemeinsam die Optikfertigung weiterdenken

Die Anforderungen an optische Bauteile steigen stetig – in Präzision, Komplexität und Stückzahl. Gleichzeitig wächst der Bedarf an flexiblen, wirtschaftlichen Lösungen, die sich schnell an neue Anwendungen anpassen lassen.

In einem interdisziplinären Team entwickeln mehr als 15 wissenschaftliche Mitarbeitende ständig neue Ansätze, um die laserbasierte Fertigung optischer Bauteile noch präziser, schneller und vielseitiger zu machen. Dabei geht es nicht nur um Grundlagenforschung, sondern vor allem um den Transfer in die industrielle Fertigung.

Ein wichtiger Teil dieser Arbeit sind die engen Kooperationen mit Industriepartnern. Gemeinsam mit Unternehmen aus verschiedenen Branchen testen die Forschenden neue Prozesse und Prozessketten, angepasst und für die Produktion nutzbar gemacht. Oft entstehen dabei maßgeschneiderte Lösungen für konkrete Aufgaben.

In Zukunft wird es nicht nur darum gehen, bekannte Verfahren zu verfeinern, sondern auch neue Werkstoffe und Designs zu erschließen. Die Kombination aus digitalem fertigungsgerechtem Optikdesign und laserbasierten Fertigungsmethoden eröffnet völlig neue Gestaltungsspielräume. So können Bauteile entstehen, die mit klassischen Methoden nicht oder nur sehr aufwendig herstellbar wären – etwa besonders kompakte oder integrierte Optiken für tragbare Geräte oder den Einsatz im Weltraum.

Auch die Integration in automatisierte Fertigungsprozesse und die Verbindung mit modernen Messtechniken wird weiter ausgebaut. Damit lassen sich Qualität und Effizienz noch besser miteinander verbinden – ganz im Sinne einer nachhaltigen und zukunftsfähigen Produktion.

»Die Kombination aus digitalem Design und laserbasierter Fertigung wird in Zukunft noch viel mehr möglich machen – gerade auch für individualisierte Produkte«, ist sich Edgar Willenborg sicher. In Kürze wollen die Aachener mit der Prozesskette für laserbasierte Optikfertigung auch die höchsten Anforderungen an Präzision erreichen. Laser sein dafür das perfekte Werkzeug.