Alla Technische Hochschule Lübeck è in corso un progetto di ricerca dedicato allo sviluppo di un processo di stampa 3D per realizzare sistemi ottici complessi in scala millimetrica con precisione microscopica. Il progetto, denominato LIMESOPTIA (Lithographisch hergestellte Mesoskalige Optiken für industrielle Anwendungen), punta a superare i limiti dei metodi convenzionali, che spesso richiedono molte fasi produttive e costi elevati per ottenere geometrie ottiche complesse.
Un 3D‑printer laser per ottiche monolitiche su scala millimetrica
Il cuore della ricerca è un particolare sistema di stampa 3D laser-litografica che lavora partendo da materiali polimerici depositati su un supporto, tipicamente un piccolo vetrino di copertura (deckglas). Il polimero viene steso come una goccia sul vetro e successivamente polimerizzato in modo controllato dal laser, consentendo di definire con precisione la forma tridimensionale dell’elemento ottico.
A differenza di processi come lo stampaggio a iniezione, il componente viene prodotto come elemento monolitico, senza dover assemblare più parti: questo riduce l’impatto di tolleranze di montaggio, errori di allineamento e discontinuità ottiche alle interfacce tra elementi separati.
LIMESOPTIA: struttura del progetto e partner industriali
LIMESOPTIA è ospitato presso il Fachbereich Angewandte Naturwissenschaften della TH Lübeck ed è sviluppato nell’ambito della Fachgruppe Angewandte Photonik. Il progetto è guidato dal professor Kai Seger (Lasertechnik) e dal professor Mathias Beyerlein (Optische Messtechnik), con il lavoro sperimentale portato avanti dai dottorandi Gregor Knoll e Fabian Henk.
Sul versante industriale, la TH Lübeck collabora con due aziende di spicco dell’area di Lubecca: Coherent, attiva nelle sorgenti e soluzioni laser, e Dräger Safety, specializzata in sistemi di sicurezza e sensoristica. Questa combinazione di competenze accademiche e industriali orienta la ricerca verso applicazioni concrete e trasferibili.
Freeform optics: più gradi di libertà rispetto alle lenti classiche
Il progetto si concentra sulle ottiche freeform, cioè elementi ottici che non seguono le classiche superfici sferiche o semplicemente asferiche tipiche delle lenti tradizionali. In questo approccio, la forma della superficie può essere definita quasi liberamente, introducendo molti più gradi di libertà nella progettazione ottica rispetto alle lenti con superfici a sezione circolare.
Grazie a questi gradi di libertà, è possibile combinare diverse funzioni ottiche all’interno di un singolo componente, riducendo il numero di superfici e di elementi necessari nel sistema e migliorando complessivamente compattezza, peso e robustezza dell’insieme. Per la sensoristica e i sistemi miniaturizzati questo significa poter integrare ottica di elevata complessità in un volume molto ridotto.
Precisione sotto il micrometro e limiti dei processi convenzionali
Nell’ambito del progetto viene evidenziata la necessità di una precisione sub‑micrometrica nella fabbricazione degli elementi ottici: in molte applicazioni, anche deviazioni minime su forma e posizione delle superfici possono degradare in modo sensibile le prestazioni del sistema. Il professor Kai Seger sottolinea che, in ottica, differenze inferiori al micrometro sono determinanti per la qualità delle immagini e dei segnali rilevati.
I processi produttivi convenzionali, come la lavorazione meccanica ultraprecisa o lo stampaggio di polimeri, incontrano spesso limiti quando si tratta di geometrie libere complesse su scala millimetrica: i costi diventano elevati, i cicli di sviluppo lunghi e alcune forme risultano, di fatto, non realizzabili in modo economico. La combinazione tra litografia 3D e polimeri ottici mira a colmare proprio questo gap tecnologico.
Dal laboratorio alle piccole e medie serie
L’obiettivo di LIMESOPTIA non è solo dimostrare la fattibilità del processo in laboratorio, ma anche valutare scenari di produzione per piccole e medie serie. Il progetto rientra nel programma FH-Kooperativ ed è finanziato dal Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) con circa 1.490.000 euro, su un arco temporale che va da agosto 2023 a luglio 2027.
In questa prospettiva, la stampa 3D litografica potrebbe diventare uno strumento per sviluppare prototipi ottici specializzati e per realizzare lotti limitati destinati a settori ad alto valore aggiunto, riducendo tempi di sviluppo e barriere all’introduzione di nuovi design. Ciò è particolarmente interessante per partner industriali come Coherent e Dräger Safety, che operano in mercati dove la customizzazione e la miniaturizzazione avanzata sono strategiche.
Applicazioni mirate: life science, sicurezza e diagnostica portatile
Le possibili applicazioni delle ottiche freeform stampate in 3D comprendono diversi ambiti. Nell’area life science, sistemi ottici miniaturizzati possono abilitare strumenti di diagnostica portatile o dispositivi per la medicina personalizzata, in cui sensori e canali microfluidici vengono integrati in spazi ridotti.
Nel campo della sicurezza e della sensoristica ambientale, soluzioni compatte sviluppate in collaborazione con Dräger Safety possono migliorare la rilevazione di gas e parametri critici, sfruttando percorsi ottici ottimizzati e componenti integrati. La combinazione di freeform optics e stampa 3D rende inoltre più praticabile l’uso di geometrie dedicate a specifiche funzioni di misura (focalizzazione, collimazione, combinazione di fasci) in dispositivi mobili.
Ruolo dei dottorandi e della Fachgruppe Angewandte Photonik
I dottorandi Gregor Knoll e Fabian Henk curano la messa a punto del processo di stampa e la caratterizzazione dei componenti realizzati, monitorando tramite sistemi di visione e misure ottiche la formazione delle strutture su scala millimetrica. In laboratorio, controllano ogni fase: dalla deposizione del polimero, al posizionamento del vetrino nel sistema di stampa, fino all’osservazione del risultato finale.
La Fachgruppe Angewandte Photonik della TH Lübeck, in cui si inserisce LIMESOPTIA, è focalizzata sulle tematiche di ottica applicata e misure fotoniche, con progetti che spaziano dalla diagnostica s
