Femtosecondelasers behoren tot de meest geavanceerde lasersystemen die de industrie gebruikt. De productie ervan is echter complex, arbeidsintensief en sterk afhankelijk van gespecialiseerde medewerkers. De Litouwse laserfabrikant LITILIT wil dat veranderen. Met een vergaand geautomatiseerde fabriek in Vilnius wil het bedrijf uiteindelijk duizenden lasers per jaar produceren.
De aanpak illustreert een bredere ontwikkeling in de industrie: automatisering wordt niet alleen ingezet om arbeid te besparen, maar vooral om precisie reproduceerbaar en productie schaalbaar te maken.
Een femtoseconde duurt een biljardste van een seconde. Lasers die zulke extreem korte lichtpulsen produceren, kunnen materialen met zeer grote precisie bewerken en daarbij de warmte-inbreng sterk beperken. Dat maakt femtosecondelasers interessant voor onder meer de productie van halfgeleiders en elektronica, glasbewerking, displays, medische apparatuur en oogheelkundige toepassingen. LITILIT noemt daarnaast microbewerking voor de halfgeleiderindustrie als een belangrijk toepassingsgebied.
Maar juist de nauwkeurigheid die deze lasers aantrekkelijk maakt, vormt ook een probleem bij de productie. De optische componenten in een lasersysteem moeten zeer precies ten opzichte van elkaar worden geplaatst en uitgelijnd. Traditioneel vraagt dat veel specialistische kennis en handwerk. Dat is geen groot bezwaar wanneer een fabrikant enkele tientallen onderzoeksinstrumenten of gespecialiseerde systemen per jaar bouwt. Het wordt heel anders wanneer de markt honderden of duizenden vrijwel identieke lasers verlangt.
Van specialistisch instrument naar serieproduct
Dat is precies het probleem dat LITILIT probeert op te lossen. Het bedrijf bouwt in Vilnius een nieuwe productiefaciliteit die volgens het Litouwse technologiecluster LITEK ongeveer 4.000 vierkante meter groot wordt. Daar komen onder meer CNC-metaalbewerking en gerobotiseerde lijnen voor assemblage en testen. LITILIT investeert volgens LITEK ongeveer 6 miljoen euro in de nieuwe productie-infrastructuur en wil de jaarlijkse capaciteit de komende jaren opvoeren tot 3.000 femtosecondelasers.
Dat aantal is opvallend voor een technologie die zijn oorsprong vooral in wetenschappelijke laboratoria heeft. Volgens LITILIT-topman en medeoprichter Nikolajus Gavrilinas ligt de sleutel niet simpelweg in het robotiseren van een bestaand productieproces. Eerst moet het product zelf geschikt worden gemaakt voor geautomatiseerde productie.
De onderneming gebruikt daarvoor een eigen, gepatenteerde laserarchitectuur die volgens Gavrilinas uit minder componenten bestaat dan veel traditionele femtosecondesystemen. Minder onderdelen betekent minder assemblagestappen, minder afstelwerk en uiteindelijk ook minder momenten waarop variaties tussen afzonderlijke lasers kunnen ontstaan. LITILIT stelt dat zijn technologie is ontworpen met schaalbaarheid en betrouwbaarheid als uitgangspunt.
Daarmee raakt de aanpak aan een bekend principe uit de maakindustrie: automatiseren wordt veel eenvoudiger wanneer een product vanaf het ontwerp op seriematige productie is afgestemd. Een ingewikkeld proces vol handmatige correcties automatiseren is mogelijk, maar doorgaans duur en moeilijk schaalbaar. Het aantal processtappen verminderen kan minstens zo belangrijk zijn als het plaatsen van robots.
Precisie moet reproduceerbaar worden
Bij femtosecondelasers komt daar nog een bijzonder probleem bij. Een specialist kan tijdens de assemblage kleine afwijkingen herkennen en corrigeren. Bij serieproductie moet een machine dat proces telkens opnieuw met vrijwel dezelfde nauwkeurigheid uitvoeren.
Automatisering draait in dit geval daarom minder om pure productiesnelheid dan om reproduceerbaarheid. Optische elementen moeten consequent op dezelfde positie terechtkomen en testprocessen moeten afwijkingen automatisch herkennen. Wanneer dat lukt, kan een fabrikant de productie opvoeren zonder dat iedere extra laser evenredig meer specialistische arbeid vraagt.
Dat is een belangrijk verschil met het klassieke beeld van industriële automatisering, waarbij robots vooral mensen vervangen bij repeterend werk. Bij hoogwaardige technologie gaat het steeds vaker om het vastleggen van vakkennis in machines, meetprocedures en software. De deskundige verdwijnt daarmee niet noodzakelijk uit het proces, maar zijn of haar rol verschuift van het afzonderlijk bouwen en afstellen van producten naar het ontwikkelen, bewaken en verbeteren van het productieproces.
Juist voor relatief kleine technologiebedrijven kan dat grote gevolgen hebben.
Automatisering niet alleen voor grote concerns
De International Federation of Robotics (IFR) wees daar deze maand opnieuw op. In een op 11 augustus gepubliceerd rapport over de effecten van robotisering concludeert de organisatie dat automatisering de productiviteit en concurrentiekracht van bedrijven kan vergroten en tegelijkertijd kan helpen bij personeelstekorten. Daarbij gaat het nadrukkelijk niet alleen om grote industriële concerns. Ook kleinere producenten kunnen met automatisering productiviteitsniveaus bereiken die vroeger veel lastiger haalbaar waren.
Dat wordt relevanter nu veel industrielanden te maken krijgen met demografische veranderingen. Vooral in Europa neemt de potentiële beroepsbevolking af. De Europese Commissie waarschuwde in juli dat de vergrijzing gevolgen krijgt voor onder meer de arbeidsmarkt, gezondheidszorg en overheidsfinanciën. Hogere arbeidsparticipatie helpt, maar volgens de Commissie is ook verhoging van de productiviteit door innovatie en AI noodzakelijk om met een kleinere beroepsbevolking economische groei mogelijk te houden.
De krapte is bovendien nu al zichtbaar. De European Labour Authority meldde in juni dat Europese arbeidsmarkten met aanhoudende tekorten aan personeel en vaardigheden kampen. Demografische verandering, mismatches in vaardigheden en beperkte arbeidsmobiliteit behoren tot de oorzaken.
Voor een producent van complexe technische apparatuur is dat extra relevant. Het aantal mensen dat optische systemen op micronniveau kan assembleren en afstellen, laat zich niet eenvoudig vergroten wanneer de vraag plotseling stijgt.
Met 150 mensen naar 3000 lasers
LITILIT verwacht dat zijn nieuwe productiemodel het mogelijk maakt om uiteindelijk jaarlijks maximaal 3.000 femtosecondelasers te produceren met een organisatie van rond de 150 medewerkers. Dat betekent niet dat 150 mensen rechtstreeks aan één geautomatiseerde productielijn staan. Zo'n onderneming heeft uiteraard ook medewerkers nodig voor ontwikkeling, engineering, verkoop, service en andere bedrijfsfuncties. Het getal geeft vooral aan hoe sterk LITILIT de groei van productievolume wil loskoppelen van de groei van het personeelsbestand.
Daarbij speelt de technische architectuur van de laser een centrale rol. De technologie van het bedrijf is ontwikkeld door medeoprichters Kęstutis Regelskis, Nerijus Rusteika en Gavrilinas, in samenwerking met het Center for Physical Sciences and Technology, FTMC, in Vilnius. Het bedrijf werkt bovendien verder aan nieuwe modulaire femtosecondelasersystemen; een R&D-project rond zo'n modulair systeem loopt volgens LITILIT tot 2029.
Voor de laserindustrie kan die combinatie van productontwerp en automatisering belangrijk worden. Femtosecondelasers vinden steeds meer toepassingen in productieprocessen waar conventionele lasers of mechanische bewerking tegen hun grenzen aanlopen. Vooral bij zeer kleine structuren, complexe materiaalcombinaties en processen waarbij warmtebeschadiging moet worden voorkomen, bieden ultrakorte laserpulsen voordelen.
Naarmate toepassingen groeien, verandert echter ook wat klanten van laserleveranciers verwachten. Een machinebouwer die tientallen identieke productiemachines bouwt, kan moeilijk afhankelijk zijn van lasersystemen die ieder afzonderlijk veel handmatige afstelling vragen. Niet alleen prestaties, maar ook levertijd, reproduceerbaarheid, onderhoudbaarheid en prijs worden dan bepalend.
Fabrieksmodel kopiëren
LITILIT wil daarom uiteindelijk verder gaan dan alleen het uitbreiden van de productie in Litouwen. Nadat het productiemodel in Vilnius is opgezet en opgeschaald, wil het bedrijf samen met internationale partners vergelijkbare productielocaties in andere regio's realiseren.
Daarmee wordt de fabriek zelf in zekere zin een reproduceerbaar product. Niet alleen de laserarchitectuur wordt gestandaardiseerd, maar ook de manier waarop de systemen worden gebouwd, getest en gekwalificeerd.
Precies daarin zit wellicht de interessantste ontwikkeling voor de bredere maakindustrie. Automatisering betekent steeds minder simpelweg dat een robot een menselijke handeling overneemt. Productontwerp, assemblage, metrologie, software en kwaliteitscontrole worden als één geheel ontwikkeld om een productieproces schaalbaar te maken.
Voor femtosecondelasers is dat een aanzienlijke stap. Een technologie die ooit vrijwel uitsluitend door specialisten in laboratoria werd opgebouwd, ontwikkelt zich daarmee steeds verder tot een industrieel serieproduct. En juist bij producten waarbij precisie traditioneel afhankelijk was van schaars vakmanschap, kan automatisering het verschil maken tussen een interessante technologie en een technologie die daadwerkelijk op grote schaal kan worden toegepast.