Zo ontstaat de optiek van de toekomst – van glas tot systeem

»Dat we al deze stappen intern kunnen uitvoeren, is een groot voordeel voor onze partners. Ze krijgen niet alleen afzonderlijke processtappen, maar een volledige, holistische oplossing«, legt Dr. Edgar Willenborg uit. © Fraunhofer ILT, Aachen / "Het feit dat we al deze stappen intern kunnen uitvoeren, is een groot voordeel voor onze partners. Ze krijgen niet alleen individuele processtappen, maar een complete, geïntegreerde oplossing," legt Dr. Edgar Willenborg uit. © Fraunhofer ILT, Aachen, Duitsland

Er wordt een nieuwe generatie optische componenten ontwikkeld bij Fraunhofer ILT – sneller vervaardigd, precies gevormd en exact afgestemd op de toepassing. © Fraunhofer ILT, Aken / Een nieuwe generatie optische componenten wordt ontwikkeld bij Fraunhofer ILT – sneller te produceren, nauwkeurig gevormd en precies afgestemd op de toepassing. © Fraunhofer ILT, Aken, Duitsland

Van ontwerp tot afwerking en montage, van schets tot eindcontrole: de nieuwe laserprocesketen voor optieken bij het Fraunhofer ILT in Aken. © Fraunhofer ILT, Aken

Van ontwerp tot afwerking tot montage, van concept tot eindinspectie: de nieuwe laserprocesketen voor optica bij Fraunhofer ILT in Aken. © Fraunhofer ILT, Aken, Duitsland

Of het nu gaat om medische technologie, kwantumtechnologie of halfgeleiderproductie – optische systemen zijn niet weg te denken uit veel hightech toepassingen. Om ervoor te zorgen dat lenzen, spiegels of andere componenten aan de hoogste eisen voldoen, zijn fabricageprocessen nodig die precisie, efficiëntie en flexibiliteit combineren. Aan het Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT worden precies daarvoor op maat gemaakte oplossingen ontwikkeld, die bestaan uit slechts enkele hoogefficiënte en uiterst productieve stappen. Met de lasergebaseerde optiekproductie kunnen vormexacte en functionele onderdelen met geringe ruwheid worden vervaardigd – van prototype tot serie, van micro-lensarray tot macro-optiek, van bolvorm tot vrije vorm-optiek.

Bij het Fraunhofer ILT in Aken worden lasers niet zomaar gebruikt voor snijden of lassen – ze nemen de volledige productie van optische onderdelen over. Met de selectieve lasergeïnduceerde etsing (SLE) kunnen bijvoorbeeld onderdelen zoals lenzen in één enkele bewerking aan zowel de voor- als achterkant en aan de rand worden bewerkt.

Een andere methode is laserablaties. Daarbij verwijdert een precieze laserstraal gericht materiaal. Zo ontstaan uit eenvoudige, goedkope blanken zoals sferische glazen lichamen zeer complexe vormen – bijvoorbeeld asferische of vrije vorm-optieken, die bijvoorbeeld in camera’s of sensoren worden gebruikt.

»Met onze laserprocessen brengen we optieken direct in vorm – zonder omwegen, zonder spannen, snel en goedkoop«, zegt Dr. Edgar Willenborg, die het onderwerp optiekproductie aan het Fraunhofer ILT mede heeft opgezet. »Vooral wanneer niet alleen eenvoudige sferen worden geëist, bereiken we de hoogste efficiëntie.«

Na de vormgeving volgt de afwerking: lasers polijsten oppervlakken die door eerdere bewerkingen nog ruw zijn. De laser verwarmt het oppervlak zo fijngevoelig dat kleinste oneffenheden samensmelten – binnen enkele seconden, geheel zonder mechanisch contact.

Voor bijzonder hoge eisen aan de vormnauwkeurigheid doen Willenborg en zijn team onderzoek met de zogenaamde Laser Beam Figuring (LBF). Daarbij worden kleinste vormafwijkingen in nanometers nauwkeurig weggenomen en gecorrigeerd – dus miljoensten millimeter – wat bijvoorbeeld bij hoogpresterende optieken cruciaal is.

Naast de vormgeving en polijsting ontwikkelt het Fraunhofer ILT ook processen voor de montage van optische systemen. Daartoe behoren het nauwkeurig lijmen of lassen van onderdelen, zodat ze ook onder belasting stabiel blijven en langdurig betrouwbaar functioneren.

»Of het nu asferen, vrije vormen of klassieke lenzen zijn: wij laten zien dat lasergebaseerde bewerking niet alleen werkt, maar ook economisch zinvol is«, legt Christian Vedder uit, hoofd van de afdeling oppervlaktebehandeling en vormafbraak.

Veelzijdige toepassingsgebieden – van onderzoek tot serieproductie

De lasergebaseerde optiekproductie aan het Fraunhofer ILT is niet alleen technologisch spannend – ze laat ook in de praktijk zien wat mogelijk is. De ontwikkelde processen kunnen overal worden ingezet waar middelmatige precisie, hoge efficiëntie en automatisering gevraagd worden, bijvoorbeeld in de medische techniek, waar kleinste lenzen voor endoscopen of diagnostische apparaten nodig zijn, of in de kwantumtechnologie, waar complexe structuren van glas ontstaan die licht geleiden en manipuleren. Ook in de halfgeleiderindustrie spelen dergelijke optische componenten een belangrijke rol – bijvoorbeeld bij de productie van uiterst fijne structuren op microchips.

Een ander voordeel: de technologieën kunnen flexibel worden aangepast – afhankelijk van het materiaal, de vorm of het aantal stuks. Of het nu gaat om een enkel stuk voor een onderzoekslaboratorium of een grotere serie voor industriële toepassingen – door de combinatie van verschillende laserprocessen ontstaat een bouwdoos die precies op de toepassing kan worden afgestemd.

Daarnaast zijn ondersteunende processen mogelijk, zoals lasergebaseerd markeren en labelen van optische onderdelen of het snijden van glas, bijvoorbeeld bij de productie op wafersbasis. Zo kunnen alle stappen in de waardeketen worden afgebeeld – van het eerste idee tot het eindproduct.

»Onze technologieën zijn vooral gefragt wanneer conventionele methoden hun grenzen bereiken – bijvoorbeeld bij asferische optieken en complexe geometrieën van glas«, aldus Edgar Willenborg.

Onderzoek en samenwerking – samen de optiekproductie verder ontwikkelen

De eisen aan optische onderdelen nemen voortdurend toe – in precisie, complexiteit en aantal. Tegelijkertijd groeit de behoefte aan flexibele, economische oplossingen die snel kunnen worden aangepast aan nieuwe toepassingen.

In een interdisciplinaire team ontwikkelen meer dan 15 wetenschappelijke medewerkers voortdurend nieuwe benaderingen om de lasergebaseerde fabricage van optische onderdelen nog preciezer, sneller en veelzijdiger te maken. Het gaat daarbij niet alleen om fundamenteel onderzoek, maar vooral om de overdracht naar industriële productie.

Een belangrijk onderdeel van dit werk zijn de nauwe samenwerkingen met industriële partners. Samen met bedrijven uit verschillende sectoren testen de onderzoekers nieuwe processen en procesketens, die worden aangepast en voor de productie geschikt gemaakt. Vaak ontstaan daarbij op maat gemaakte oplossingen voor concrete taken.

In de toekomst zal het niet alleen gaan om het verfijnen van bekende processen, maar ook om het ontsluiten van nieuwe materialen en ontwerpen. De combinatie van digitaal ontwerp voor productie en lasergebaseerde fabricagemethoden opent volledig nieuwe ontwerpruimtes. Zo kunnen onderdelen ontstaan die met traditionele methoden niet of slechts zeer kostbaar te vervaardigen zouden zijn – bijvoorbeeld bijzonder compacte of geïntegreerde optieken voor draagbare apparaten of gebruik in de ruimte.

Ook de integratie in geautomatiseerde productieprocessen en de koppeling met moderne meettechnieken worden verder uitgebreid. Zo kunnen kwaliteit en efficiëntie nog beter worden gecombineerd – geheel in het teken van duurzame en toekomstbestendige productie.

»De combinatie van digitaal ontwerp en lasergebaseerde fabricage zal in de toekomst nog veel meer mogelijk maken – vooral ook voor gepersonaliseerde producten«, is Edgar Willenborg ervan overtuigd. Kortelings willen de Aachense onderzoekers met de procesketen voor lasergebaseerde optiekproductie ook de hoogste eisen aan precisie bereiken. Lasers zijn daarvoor het perfecte gereedschap.