Výzkumníkům z Fraunhoferova ILT se podařilo zkrátit dobu výroby mikrostruktur o více než 80 %. Klíčem k úspěchu je prostorový světelný modulátor, který přetváří laserový paprsek do libovolného vzoru a otiskne ho na povrch materiálu v jediném pulzu — bez skenování, bez výměny optiky, bez toxického odpadu.
Kdokoli, kdo se někdy zabýval výrobou funkčních mikrostruktur na povrchu kovových nástrojů nebo skleněných komponent, ví, jak náročný a časově nákladný tento proces bývá. Konvenční laserové systémy pohybují laserovým bodem po povrchu bod po bodu, řádek po řádku. Při větších plochách se z procesu stává zdlouhavá a energeticky náročná operace. Alternativy jako mokré chemické leptání nebo elektrojiskrové obrábění (EDM — electrical discharge machining) přinášejí jiné problémy. Chemické leptání produkuje zdraví nebezpečné a ekologicky problematické odpady, EDM spotřebovává mnoho energie a neumožňuje vytvářet deterministické, přesně definované struktury — výsledek je do jisté míry náhodný. Výzkumníci z Fraunhoferova institutu ILT (Fraunhofer Institut für Lasertechnik) v Cáchách ve spolupráci s Katedrou technologie optických systémů (TOS) Porýnsko-Vestfálské technické univerzity v Cáchách (RWTH Aachen University) však v září 2025 zveřejnili výsledky testováné technologie, která může průmyslové zpracování povrchů zásadně změnit.
Světelný modulátor místo skenovacích zrcadel
Místo aby byl laserový paprsek veden po povrchu pomocí pohyblivých skenovacích zrcadel, je v rámci procesu tzv. optického razítkování (optical stamping) nejprve přesně tvarován do požadovaného vzoru — a teprve pak v jediném kroku přenesen přímo na obrobek. Klíčovou součástí celého systému je prostorový světelný modulátor (SLM — spatial light modulator) s technologií LCoS (liquid crystal on silicon). Jedná se o reflexní displej z tekutých krystalů, který s přesností na jednotlivý obrazový bod mění lokální index lomu, a tím moduluje fázovou frontu dopadajícího laserového světla. Z původně kruhového laserového paprsku se tak stává libovolně tvarovaný profil — ať už se jedná o pravidelnou síť mikrodrážek, hexagonální strukturu, kruhový vzor, nebo prakticky jakoukoli jinou geometrii, kterou si výrobce přeje. „Vznikají tak mikrostruktury přesně, reprodukovatelně, ve srovnání s mechanickými procesy za zlomek času a s výrazně nižším opotřebením. Navíc bez nutnosti přestavovat optiku,“ vysvětluje Sönke Vogel z Oddělení mikro- a nanostrukturování Fraunhoferova ILT, který výzkum vede. Vzory lze tedy měnit čistě softwarově, bez mechanických zásahů do systému. „Velikosti a geometrie vzorů lze variovat, rozšiřovat nebo nahrazovat,“ dodává. Jeden systém tak dokáže obsloužit různé typy výrobků či zákaznických požadavků bez zdlouhavého přetypování linky. V experimentálních testech vědci laserový paprsek pomocí SLM tvarovali do kruhového vzoru o průměru 450 μm a nanášeli na povrch při posuvu 9 m/s, energii pulzu 200 μJ a opakovací frekvenci 20 kHz. Výsledek byl jednoznačný: ostře ohraničené, přesně definované mikrostruktury s reprodukovatelnou geometrií. Ve srovnání s konvenčním skenováním, které pracuje s posuvy typicky 3 m/s, frekvencí 600 kHz a energií pulzu pouhých 4 μJ, bylo dosaženo dramatického nárůstu výkonu (viz tab.).
Ultrakrátké pulzy: tepelné poškození je vyloučeno
Celý proces stojí na laserech s délkou pulzů v piko- a femtosekundovém rozsahu (USP — ultrashort pulse). Jejich zásadní výhodou oproti konvenčním pulsním laserům je minimální tepelný vliv na zpracovávaný materiál. Energie je dodávána tak rychle a intenzivně, že materiál v místě dopadu okamžitě sublimuje — přechází přímo z pevného do plynného skupenství — aniž stihne předat teplo do okolí. Výsledkem jsou ostré, čisté hrany mikrostruktur bez roztavených okrajů, mikrotrhlin nebo tepelně ovlivněných zón, které trápí méně přesné metody. Tato vlastnost umožňuje optickým razítkem zpracovávat i náročné materiály: nerezové oceli, tvrdokovové nástroje, keramiku, sklo i kompozitní materiály — a to s rozlišením strukturních prvků v řádu mikrometrů a přesnostmi v řádu nanometrů. Potenciál optického razítkování sahá přes celou řadu průmyslových odvětví. Nástrojařský průmysl a výroba forem jsou přitom přirozenou první oblastí nasazení. Mikrostrukturované povrchy lisovacích nástrojů a vstřikovacích forem zlepšují výsledné vlastnosti výrobků: ovlivňují třecí chování, smáčivost, optické vlastnosti nebo odolnost vůči opotřebení. Dosud bylo takové strukturování pomalé a drahé. Další atraktivní příležitost nabízí pro sklářský průmysl. Mikrostruktury na povrchu skel mohou řídit propustnost různých typů záření — světla, tepla nebo rádiových vln. Výzkumníci z ILT demonstrovali i konkrétní aplikaci: struktury na izolačních skleněných tabulích, které propouštějí rádiové vlny (klíčové pro konektivitu v budovách), aniž zhoršují tepelněizolační vlastnosti okna. Kombinace žádaná pro moderní chytré budovy. Ocelářský a kovozpracující průmysl ocení možnost vytvářet deterministické, přesně reprodukovatelné povrchy pro funkční aplikace — od snížení tření v pohyblivých součástech přes antibakteriální úpravy po estetické textury na spotřebitelských výrobcích.
Další vylepšení
V říjnu 2025 Fraunhoferův institut zveřejnil navazující výsledky: USP laser dokáže v jednom upnutí nejprve strukturovat, a poté i leštit komponenty z tvrdokovu (wolframkarbid-kobalt). V první fázi pikosekundové pulzy ablují materiál a vytvářejí požadovaný tvar a mikrostrukturu; ve druhé fázi tentýž laser s jinými parametry taví povrchovou vrstvu silnou 0,2 až 2 μm a vyhlazuje ji na požadovanou drsnost. Výsledkem je kompletně opracovaný nástroj bez nutnosti výměny stroje nebo upnutí — sen každého výrobce nástrojů. Optické razítkování se teď nachází ve fázi pokročilého laboratorního ověřování a vývoje průmyslového prototypu. Fraunhoferův ILT disponuje evropsky unikátním parkem více než 30 USP laserových systémů pokrývajících vlnové délky od 248 do 1 064 nm, délky pulzů od 100 fs do 100 ns a průměrné výkony až 1 kW. Pro sériové nasazení bude nutné dořešit zejména otázku výkonu SLM modulátorů — stávající LCoS moduly jsou optimalizovány na průměrné výkony do přibližně 150 W. Pro vysokoobjemovou průmyslovou výrobu, kde se požadují multikilowattové výkony, bude pravděpodobně nutné kombinovat SLM s difraktivními optickými prvky (DOE), které snášejí vyšší výkony, ale jsou méně flexibilní. Revoluce bez toxických odpadů Optické razítkování nepřináší jen zkrácení výrobního času. Nahrazuje procesy, které jsou zatíženy závažnými environmentálními riziky. Mokré chemické leptání produkuje kyselé nebo zásadité odpady klasifikované jako nebezpečný odpad, vyžaduje speciální zacházení a likvidaci. Elektrojiskrové obrábění generuje toxické kaly obsahující těžké kovy z elektrod i zpracovávaného materiálu. Laserový proces nevyžaduje žádná chemikálie ani kapalná média. Odstraněný materiál přechází v ablační zpracování přímo do plynné fáze nebo vznikají pevné mikročástice zachytitelné standardní filtrací. Pro moderní průmysl tlačený legislativou EU v oblasti chemických látek (REACH, RoHS) a zákazníky vyžadujícími ekovýrobu je to nezanedbatelný argument.
Laserové razítko jako standard
Technologie může změnit segment mikrostrukturovaných povrchů v horizontu 5–10 let. Místo specializovaných chemických provozů nebo pomalých laserových skenerů by na výrobních linkách stály kompaktní SLM-laserové stanice schopné v reálném čase měnit vzory podle aktuálních výrobních potřeb — čistě změnou softwarového profilu. Analogie s konvenčním razítkem nebo tiskárnou je přiléhavá: tak jako digitální tisk nahradil pomalou a nákladnou přímotiskovou typografii, mohlo by optické razítkování nahradit pomalé a ekologicky problematické metody výroby mikrostruktur. S tím rozdílem, že místo inkoustu na papír nanášejí světelné pulzy trvalé, přesné a funkční struktury přímo do povrchu kovů, skla nebo keramiky. /Hana Kovářová/
