Fotonika w produkcji do 2030 r.

Fotonika w produkcji wciąż ma nimb nowości i wciąż się rozwija. W najciekawszym wyścigu technologicznym naszych czasów – tj. konkurencji w zakresie tworzenia technologii produkcji półprzewodników – główną rolę również odgrywa fotonika. Mowa o technologii EUV umożliwiającej wytwarzanie struktur, których wielkości podaje się już nie w nanometrach, a w Angstremach (1 Å to 10–¹⁰ m lub inaczej 0,1 nm).

Manufacturing – Photonics Partnership

Ambicje środowiska fotonicznego sięgają zarówno procesów najbardziej zaawansowanych, jak i technologii używanych na co dzień w zakładach produkcyjnych. W Europie wyrazicielem tych ambicji jest partnerstwo Photonics Partnership – ciało doradcze Komisji Europejskiej w zakresie projektów badawczo-innowacyjnych w ramach programu Horyzont Europa. Partnerstwo w ramach siedmiu grup roboczych opracowuje strategie, kierunki i tematy realizowane później w projektach Horizon Europe. Jedną z grup roboczych jest grupa Manufacturing, zajmująca się aplikacjami fotoniki w produkcji.

W opublikowanym w 2023 r. dokumencie strategicznym Photonics21 Strategic Research and Innovation Agenda opisano planowane na lata 2025–2030 kierunki rozwoju w zakresie fotoniki w produkcji. Jest to wynik prac koordynowanych przez grupę roboczą Manufacturing. W niniejszym artykule staram się przybliżyć główne założenia wspomnianego opracowania.

Grupa robocza Manufacturing jest organem otwartym, można uczestniczyć w jego pracach pod warunkiem wcześniejszego przystąpienia do stowarzyszenia Photonics21 (bezpłatnego). Prace grupy zwykle inicjowane są podczas corocznego spotkania Partnerstwa. O zaletach bycia częścią Partnerstwa i najbliższym corocznym spotkaniu piszę na końcu.

Wyzwania fotoniki w zakresie produkcji

Kierunki rozwoju wyznaczane w dokumencie strategicznym odnoszą się do konkretnych wyzwań oraz sposobu, w jaki fotonika może pomóc im sprostać. Wymieniono trzy główne wyzwania:

• strategiczna autonomia produkcji – fotonika może umożliwić skalowalną produkcję od pojedynczych sztuk, do produkcji masowej w bliskości rynku docelowego, skracając i zabezpieczając łańcuchy dostaw,
• efektywność energetyczna i materiałowa – fotonika umożliwia selektywną aplikację energii, dostarcza zatem czystych i zrównoważonych narzędzi,
• produkcja scyfryzowana – fotonika jako w pełni cyfrowa i elastyczna, wsparta AI i symulacjami, umożliwia elastyczne, rekonfigurowalne i transformowalne systemy produkcyjne i procesy. Dopuszcza także interoperacyjność z innymi, niefotonicznymi procesami.

Wyzwania te odnoszą się do takich sektorów produkcyjnych wymienionych w dokumencie, jak motoryzacja, lotnictwo, kolejowy, nafty i gazu, urządzeń medycznych, druku, wyświetlaczy i AGD.

Jak podkreślają autorzy opracowania, silną stroną Europy w perspektywie globalnej jest fotonika przemysłowa. W szczególności przemysłowe systemy laserowe – największa kategoria produkcyjna fotoniki, o globalnym rynku wartości 17,4 mld euro (2019) – jest w 1/3 kontrolowana przez firmy europejskie.

Misją fotoniki jest więc wsparcie produkcji przemysłowej przez dostarczenie rozwiązań dla efektywnego zasobowo i czystego sposobu wytwarzania. Przykładowe wymienione przez autorów produkty obejmują PICs (fotoniczne układy scalone), sensory, ogniwa paliwowe oraz akumulatory. Jeśli chodzi o materiały, wspomina się o nich zakresowo – od stali / blach do kompozytów, od materiałów funkcjonalnych, takich jak krzem czy złożone półprzewodniki, do kruchych, jak szafir, czy szkło.

W dokumencie wprost zaznaczono potrzebę systemów dla wielu zastosowań, umożliwiających połączenie procesów subtraktywnych (cięcie, wiercenie, spawanie) i addytywnych w ramach jednego systemu. Wspomniano również potrzebę rozwoju ultraszybkich laserów wysokiej mocy, które umożliwiają generowanie wtórnych źródeł. Fotony generują elektrony/protony/neutrony i promieniowanie rentgenowskie, co zapowiada wiele nowych przyszłościowych zastosowań, począwszy od diagnostyki przemysłowej, przez leczenie nowotworów, do fuzji dla generowania energii. Przykładem jest wspomniana wcześniej litografia EUV, w której promieniowanie o długości fali 13,5 nm jest wytwarzane laserem dalekiej podczerwieni 10,6 µm.

Z wyzwań na poziomie ogólnoprodukcyjnym przechodzimy do wyzwań badawczo-innowacyjnych dla systemów i procesów fotonicznych w wytwarzaniu:

• wydajne i elastyczne systemy i komponenty laserowe dla zrównoważonej i ekologicznej produkcji,
• systemy dostarczania, kształtowania i prowadzenia wiązki, zapewniające większą elastyczność produkcji,
• cyfrowe fotoniczne procesy produkcyjne w celu optymalizacji łańcuchów procesowych,
• kontrola jakości i badania nieniszczące z wykorzystaniem czujników fotonicznych w obróbce materiałów,
• nowe procesy laserowe dla innowacyjnych łańcuchów produkcyjnych.

Źródła wiązki laserowej

Kluczowym elementem nowych i ulepszonych fotonicznych systemów produkcyjnych są lasery klasy kilowatowej, o różnych długościach fali i długości impulsów. Z uwagi na rosnące koszty energii konieczne jest podwyższenie efektywności laserów stosowanych w produkcji (światłowodowych, jasnych laserów diodowych, elastycznych laserów dyskowych). Przykładem takiego podejścia może być selektywna manipulacja jedną lub wieloma wiązkami, żeby elastycznie dostosować dystrybucję energii do danego materiału. Wysoka wydajność energetyczna i możliwość dostosowania parametrów wiązki (w szczególności w zakresie długości fali od UV do IR czy umożliwienie szybkiej zmiany z wiązki ciągłej na impulsową w jednym urządzeniu) są konieczne, żeby sprostać wymogom przemysłu. Dzięki wyższej intensywności wiązek oraz możliwości dostosowania dystrybucji wiązki, możliwe są nowe zastosowania, np. do materiałów wysokotemperaturowych czy kompozytów włóknowych. W ten sposób możliwe będzie przyspieszenie procesów, bez szkody dla przetwarzanego materiału.

Szybkie lasery wysokiej mocy pozwoliły stworzyć nowe procesy produkcyjne. Jednak dla produkcji wielkoskalowej wymagane są wielokilowatowe ultraszybkie lasery, wraz z systemami prowadzenia i modulacji wiązki. Elastyczne lasery z możliwością dostosowania szerokości impulsu, długości fali i energii impulsu otworzą nowe zastosowania w elektronice, lekkim budownictwie, ceramice, szkle i przetwarzaniu metali, prowadząc do ciągłych, cyfrowych fotonicznych procesów.

Jako technologię, która może spełnić oczekiwania w zakresie niezależności od długości fali, wysokiej efektywności oraz podejścia wielkowiązkowego, z największym potencjałem do usprawnienia wskazano kompaktowe, efektywne i wysokowydajnościowe lasery diodowe. Są one bazą do pompowania laserów na ciele stałym szerokim spektrum fal (w zależności od aktywnego medium), ale mają też bezpośrednie zastosowanie.

Prowadzenie i manipulacja wiązką

Wyzwaniem w stosowaniu elastycznych źródeł laserowych, operujących na wielu długościach fal, impulsów, wysokich mocach, jest konieczność efektywnego dostarczenia wiązki lasera w czasie i przestrzeni. Konieczne są odpowiednie włókna światłowodowe i możliwość prowadzenia wiązki laserowej bez strat czy dystorsji, nawet w zakresie średniej i dalekiej podczerwieni, co jest wymagane w przetwarzaniu półprzewodników i funkcjonalnych polimerów.

Do stworzenia narzędzi produkcyjnych potrzebne jest ultraszybkie skanowanie i wielowiązkowe systemy, dla osiągnięcia elastyczności i szybkości procesów przekraczającej 1000 m/s, z jednoczesną wysoką dokładnością pozycjonowania. Potrzebne są zatem ultraszybkie, w pełni optyczne skanery, z możliwością ustawień dla wielu długości fal. Wszystkie te technologie powinny umożliwiać pracę z laserami wysokiej mocy, klasy kW, dla laserów ciągłych oraz ultraszybkich. Regulowany lub programowalny kształt wiązki, optymalizacja z wykorzystaniem wieloprzestrzennych algorytmów, ilościowa informacja zwrotna z procesów dzięki czujnikom fotonicznym, systemy dystrybucji wiązki z (sub)mikrometrową rozdzielczością i wysoką wydajnością – to wszystko umożliwi wprowadzenie systemów maszynowych klasy smart, istotne przyspieszenie cyklów i zwiększenie partii produkcyjnych. W połączeniu ze źródłami laserowymi o różnych parametrach (długość fali, energia itp.) i możliwością ich zmiany albo wielowiązkowością, uzyskamy funkcjonalizację wieloskalową lub multifunkcjonalność w jednym procesie.

W połączeniu z tradycyjnymi technologiami możliwe będzie stworzenie nowego rodzaju narzędzia produkcyjnego – elastycznego, wysoce efektywnego energetycznie, obsługującego różne procesy laserowego przetwarzania materiałów (np. spawanie, nanoszenie powłok, strukturyzowanie powierzchni, wiercenie, czyszczenie powierzchni, ablacja, hartowanie i „śrutowanie”).

Cyfrowa produkcja fotoniczna

Systemy laserowe idealnie nadają się do realizacji w pełni scyfryzowanej produkcji. Do osiągnięcia wysokiej elastyczności i wydajności produkcji konieczne jest nowe podejście do hybrydyzacji procesów laserowych, np. połączenia technologii addytywnych czy szybkiego teksturowania z mechaniczną obróbką skrawaniem.

Cyfrowa kontrola dystrybucji wiązki pozwoli na przetwarzanie różnych elementów jednym narzędziem. W połączeniu z samouczącymi i samooptymalizującymi się algorytmami dla doboru parametrów przetwarzania, możliwe jest zbudowanie autonomicznych systemów produkcyjnych realizujących różne procesy laserowe.

Wykorzystanie AI, inteligencji zbiorowej, doświadczenia technologicznego z poprzednich kroków produkcyjnych czy inżynierii odwrotnej parametrów wiązki, będą krytyczne dla osiągnięcia krótkich czasów ustawiania i wysoce powtarzalnej produkcji. Podejście „za pierwszym razem prawidłowo” będzie kluczowe dla przeniesienia produkcji z powrotem do Europy oraz dla skrócenia i zabezpieczenia łańcuchów dostaw.

Konsekwencją i koniecznym wymogiem wstępnym są nowe narzędzia do projektowania zaawansowanych procesów fotonicznych oraz optyczne komponenty produkcyjne (np. metapowierzchnie, free forms itp.), które umożliwią rekonfigurowalne maszyny produkcyjne dla wysokiej klasy produktów. Cyfrowe bliźniaki w pełni laserowych procesów produkcyjnych oraz ramy dla zarządzania, rozwoju i ich wykorzystania, będą ostatecznym narzędziem zwiększenia produktywności i elastyczności.

Kontrola jakości i badania nieniszczące

Realizacja założeń w pełni cyfrowego, od początku prawidłowego, fotonicznego systemu produkcji wymaga rozwiązań metrologicznych typu in-process, używających zaawansowanych systemów sensorycznych światła widzialnego, podczerwonego, a także multi- i hyperspektralnych. Ma to zastosowanie do wszystkich laserowych procesów produkcji, takich jak ablacja, spawanie czy technologie addytywne. Oczekuje się, że defekty i odstępstwa od geometrii będą kompensowane jeszcze w trakcie produkcji komponentów.

Systemy sensorowe i wizyjne wysokiej wydajności, jak np. szybkie kamery czy efektywne algorytmy dla elastycznego zastosowania in-line, są konieczne do gromadzenia istotnych danych o procesie i produkcie.

Procesy laserowe umożliwiają gromadzenie dużych ilości danych – wyzwaniem jest maksymalizacja wykorzystania tych danych przez zastosowanie procesów opartych na sztucznej inteligencji. Tu uproszczone metamodele umożliwią ocenę w czasie rzeczywistym i wczesne przewidywanie jakości produktu, w tym przewidywanie cyklu życia. Generowane informacje będą płynęły do kompleksowych baz danych, potencjalnie istotnie redukując koszt rozwoju procesu.

Nowe zastosowania i procesy laserowe

Lasery bardzo wysokiej intensywności pozwalają generować wtórne promieniowanie przez interakcję wiązki z wybranymi materiałami. EUV (ekstremalny UV), promieniowanie rentgenowskie i inne długości fali umożliwiają nowe procesy mikro- i nanostruktyryzowania oraz inne modyfikacje. Dla tych źródeł promieniowania konieczne są wysoko stabilne kryształy i przystępne cenowo źródła do pompowania. Zarówno twarde, jak i miękkie źródła rentgenowskie potrzebują stabilnych źródeł laserowych i komponentów dla rozwoju nowych systemów dla produkcji np. metamateriałów i funkcjonalnych powierzchni. W szczególności potrzebne są materiały o nieliniowych właściwościach optycznych lub regulowanym współczynniku załamania światła dla drukowanych systemów optycznych, aby dostosować źródło promieniowania do potrzeb procesu produkcyjnego. Dzięki temu powstaną nowe możliwości produkcyjne nowych typów sensorów i komponentów dla przemysłu elektronicznego.

Obniżony ślad energetyczny

Zastosowanie wysoko wydajnych laserów (o różnych długościach fal i parametrach) pozwoli zredukować ślad energetyczny w produkcji. Mogą one zastąpić tradycyjne systemy konsumujące dużą ilość energii, takie jak piece gazowe, palniki, a nawet maszyny do tłoczenia. Połączenie procesów laserowych z tradycyjnymi (procesy hybrydowe) mogą poskutkować nowymi rozwiązaniami produkcyjnymi i wyższym stopniem swobody w wyborze materiałów i narzędzi.

Zaproszenie do udziału w spotkaniu Photonics Partnership

W dniach 14–15 maja 2024 r. w Brukseli odbędzie się główne spotkanie partnerstwa – Photonics Partnership Annual Meeting 2024. W ramach wydarzenia prace prowadzić będzie również grupa WG2 Manufacturing, a tematem warsztatu będzie: „WG2 – Made in Europe & Batteries European Partnership Association”. Na spotkaniu omawiane będą możliwości finansowania projektów spoza partnerstwa Photonics Partnership. Spotkanie jest bardzo dobrą okazją do nawiązania relacji z zagranicznymi partnerami pod kątem ewentualnych wspólnych konsorcjów i projektów w ramach Horyzontu Europa. Na spotkaniach grup roboczych dyskutowane i proponowane są również przyszłe kierunki rozwoju i tematy, a biorą w nich udział zarówno osoby z doświadczeniem, jak i zainteresowane współpracą w danej dziedzinie.

Jak wspomniałem na wstępie, członkostwo w Partnerstwie Photonics jest bezpłatne, natomiast uczestnictwo w Annual Meeting wiąże się z niewielką opłatą. Po więcej informacji zapraszam do kontaktu z Branżowym Punktem Kontaktowym (BPK) Przemysł 4.0: bpkprzemysl@piap.lukasiewicz.gov.pl.

źródło: Automatyka 3/2024