Tak powstaje optyka przyszłości – od szkła do systemu

„To, że możemy odzwierciedlić wszystkie te kroki w naszym domu, jest dużą zaletą dla naszych partnerów. Nie otrzymują oni tylko pojedynczych etapów procesu, ale pełne, całościowe rozwiązanie,” wyjaśnia dr Edgar Willenborg. © Fraunhofer ILT, Aachen

Na Fraunhofer ILT powstaje nowa generacja elementów optycznych – szybsza w produkcji, precyzyjnie kształtowana i dokładnie dopasowana do zastosowania. © Fraunhofer ILT, Aachen / Nowa generacja elementów optycznych jest opracowywana w Fraunhofer ILT – szybsza w produkcji, precyzyjnie kształtowana i dokładnie dopasowana do zastosowania. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy

Od projektuowania po wykończenie, od koncepcji po końcową kontrolę: nowy łańcuch laserowych procesów dla optyk na Fraunhofer ILT w Akwizgranie. © Fraunhofer ILT, Aachen

Od projektu do wykończenia i montażu, od szkicu do końcowej inspekcji: nowy łańcuch procesów laserowych dla optyki w Fraunhofer ILT w Aachen. © Fraunhofer ILT, Aachen, Niemcy

Ob w medycynie, technologii kwantowej czy produkcji półprzewodników – systemy optyczne są nieodzowne w wielu zastosowaniach wysokiej technologii. Aby soczewki, lustra czy inne komponenty spełniały najwyższe wymagania, potrzebne są metody produkcji łączące precyzję, wydajność i elastyczność. W Instytucie Fraunhofer dla Technologii Laserowej ILT powstają specjalnie dostosowane rozwiązania, składające się z kilku wysoce wydajnych i niezwykle produktywnych etapów.

Za pomocą laserowej produkcji optycznej można wytwarzać precyzyjne i funkcjonalne elementy o niskiej chropowatości – od prototypów po serie, od mikrolistków po optykę makro, od sfery po optykę wolnej formy.

W Instytucie Fraunhofer ILT w Akwizgranie lasery nie są używane jedynie do cięcia czy spawania – przejmują one pełną produkcję elementów optycznych. Dzięki selektywnemu laserowemu wyżarzaniu (SLE) można na przykład obrabiać elementy takie jak soczewki w jednym ustawieniu na przedniej i tylnej stronie oraz na krawędzi.

Kolejną metodą jest ablacja laserowa. Polega ona na precyzyjnym usuwaniu materiału za pomocą ukierunkowanego wiązki laserowej. W ten sposób z prostych, tanich surowców, takich jak sferyczne ciała szklane, powstają wysoce skomplikowane kształty – na przykład asfery czy optyka wolnej formy, które znajdują zastosowanie w kamerach czy czujnikach.

»Nasze metody laserowe pozwalają na bezpośrednie nadawanie optykom odpowiedniego kształtu – bez pośredników, bez konieczności przełączania, szybko i tanio«, mówi dr Edgar Willenborg, który odegrał kluczową rolę w rozwoju technologii produkcji optycznej w ILT. »Szczególnie gdy wymagane są nie tylko proste sfery, osiągamy najwyższą wydajność.«

Po nadaniu kształtu następuje wykończenie: laser poleruje powierzchnie, które były jeszcze chropowate po wcześniejszej obróbce. Laser podgrzewa powierzchnię tak precyzyjnie, że najmniejsze nierówności zlewają się – w ciągu kilku sekund, bez kontaktu mechanicznego.

Dla szczególnie wysokich wymagań dotyczących precyzji kształtu Willenborg i jego zespół prowadzą badania nad tzw. Laser Beam Figuring (LBF). Polega ono na celowym usuwaniu i korekcie najmniejszych odchyleń kształtu w warstwach nanometrycznych – czyli milionowych częściach milimetra – co jest kluczowe na przykład w przypadku wysokiej klasy optyk.

Oprócz kształtowania i polerowania, Instytut Fraunhofer ILT rozwija także metody montażu systemów optycznych. Należą do nich precyzyjne klejenie lub lutowanie elementów, aby zapewnić ich stabilność pod obciążeniem i niezawodną pracę przez długi czas.

»Obrabiarki laserowe sprawdzają się nie tylko przy asferach, wolnych formach czy klasycznych soczewkach – pokazujemy, że obróbka laserowa nie tylko działa, ale jest też opłacalna«, wyjaśnia Christian Vedder, kierownik działu techniki powierzchni i usuwania kształtów.

Wszechstronne zastosowania – od badań naukowych po produkcję seryjną

Produkcja optyki oparta na laserach w ILT to nie tylko fascynująca technologia – to także praktyczne rozwiązanie, które pokazuje, co jest możliwe. Opracowane metody mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie potrzebna jest średnia precyzja, wysoka wydajność i automatyzacja, na przykład w technologii medycznej, gdzie potrzebne są najmniejsze soczewki do endoskopów czy urządzeń diagnostycznych, albo w technologii kwantowej, gdzie powstają skomplikowane struktury ze szkła, które przewodzą i manipulują światłem. Również w przemyśle półprzewodnikowym takie komponenty optyczne odgrywają ważną rolę – na przykład przy wytwarzaniu najdrobniejszych struktur na mikroczipach.

Kolejną zaletą jest elastyczność technologii – można je dostosować w zależności od materiału, kształtu czy liczby sztuk. Niezależnie od tego, czy chodzi o pojedynczy element do laboratorium badawczego, czy o większą serię do zastosowań przemysłowych – połączenie różnych metod laserowych tworzy zestaw narzędzi, które można dokładnie dopasować do konkretnej aplikacji.

Do tego dochodzą wspomagające procesy, takie jak laserowe znakowanie i etykietowanie elementów optycznych czy cięcie szkła, na przykład przy produkcji na bazie wafli. W ten sposób można odtworzyć wszystkie etapy w łańcuchu wartości – od pierwszego pomysłu po gotowy produkt.

»Nasze technologie są szczególnie poszukiwane, gdy konwencjonalne metody osiągają swoje granice – na przykład w przypadku optyki asferycznej i skomplikowanych geometrii ze szkła«, mówi Edgar Willenborg.

Badania i współpraca – wspólne rozwijanie produkcji optycznej

Wymagania wobec elementów optycznych stale rosną – pod względem precyzji, złożoności i liczby sztuk. Jednocześnie rośnie zapotrzebowanie na elastyczne, ekonomiczne rozwiązania, które można szybko dostosować do nowych zastosowań.

W interdyscyplinarnym zespole ponad 15 naukowców nieustannie opracowuje nowe podejścia, aby uczynić laserową produkcję elementów optycznych jeszcze bardziej precyzyjną, szybką i wszechstronną. Chodzi nie tylko o badania podstawowe, ale przede wszystkim o transfer technologii do przemysłu.

Kluczową rolę odgrywają tu bliskie współprace z partnerami przemysłowymi. Wspólnie z firmami z różnych branż testują nowe procesy i łańcuchy technologiczne, dostosowując je i udostępniając do produkcji. Często powstają w ten sposób rozwiązania skrojone na miarę konkretnego zadania.

W przyszłości nie chodzi już tylko o udoskonalanie znanych metod, ale także o odkrywanie nowych materiałów i projektów. Połączenie cyfrowego projektowania optyki z technologiami laserowymi otwiera zupełnie nowe możliwości kształtowania. Dzięki temu można tworzyć elementy, które nie byłyby możliwe do wyprodukowania metodami konwencjonalnymi – na przykład bardzo kompaktowe lub zintegrowane optyki do urządzeń przenośnych czy zastosowań kosmicznych.

Również integracja z automatycznymi procesami produkcyjnymi i połączenie z nowoczesnymi technikami pomiarowymi będą dalej rozwijane. To pozwoli jeszcze lepiej łączyć jakość i wydajność – w duchu zrównoważonej i przyszłościowej produkcji.

»Połączenie cyfrowego projektowania i laserowej produkcji będzie w przyszłości umożliwiać jeszcze więcej – szczególnie w przypadku produktów spersonalizowanych«, jest przekonany Edgar Willenborg. Wkrótce Akwizgranie chcą osiągnąć najwyższe wymagania dotyczące precyzji w laserowej produkcji optycznej, korzystając z pełnej gamy procesów laserowych jako idealnego narzędzia.