Technologia produkcji wkładek do form optycznych

Polimerowe komponenty optyczne stają się coraz ważniejsze na dzisiejszym rynku. Ponieważ wymagania dotyczące wydajności elementów optycznych stale rosną, procesy produkcyjne stają przed poważnymi wyzwaniami. Wśród nich szczególnie istotna jest produkcja wkładek formujących do procesów replikacyjnych, mających bezpośredni wpływ na ostateczną jakość elementów optycznych. W tym przeglądzie zbadano obecnie dostępne technologie produkcyjne, aby pomóc inżynierom w podejmowaniu świadomych decyzji w praktycznych zastosowaniach.

Polimerowe elementy optyczne oferują znaczną przewagę nad konwencjonalnymi szklanymi soczewkami. Umożliwiają szybką produkcję masową poprzez formowanie wtryskowe lub-formowanie tłoczne przy niższych kosztach produkcji. Dodatkowo funkcje montażu i wyrównywania można bezpośrednio zintegrować z komponentami optycznymi, eliminując potrzebę stosowania dodatkowych elementów mocujących i procedur montażowych. Od systemów oświetleniowych po zastosowania motoryzacyjne, od urządzeń obrazujących po czujniki – obszary zastosowań polimerowych elementów optycznych stale się rozszerzają.

Na szczególną uwagę zasługuje pojawienie się mikrostrukturalnych elementów optycznych. Dodanie cech mikrostruktury do powierzchni soczewek może znacznie poprawić wydajność, zmniejszyć wagę systemu, skorygować aberracje i kształtować wiązki światła. Mikrostruktury, takie jak układy mikrosoczewek, dyfrakcyjne elementy optyczne, soczewki Fresnela i układy pryzmatów, odgrywają kluczową rolę w takich dziedzinach, jak koncentracja światła słonecznego, kształtowanie wiązki i systemy pomiarowe.

System Klasyfikacji Technologii Wytwarzania

Technologie wytwarzania optycznych wkładek do form można podzielić na dwie główne kategorie: metody tworzenia powierzchni o jakości optycznej oraz techniki tworzenia mikrostruktur optycznych. Ponieważ optyczne wkładki do form wymagają zazwyczaj niezwykle dużej dokładności kształtu i jakości powierzchni, te dwa czynniki służą jako podstawowe wskaźniki do oceny różnych technologii.

Ultra-Obróbka precyzyjna: podstawa produkcji optycznej

Od czasu jej pojawienia się w latach sześćdziesiątych XX wieku ultraprecyzyjna obróbka pozostaje najpowszechniej stosowaną metodą produkcji optycznych wkładek do form. Podstawową zaletą tej technologii jest osiągnięcie dokładności pozycjonowania na poziomie-nanometrów, co pozwala uzyskać wyjątkową jakość powierzchni i dokładność kształtu. Komponenty-obrobione diamentem zazwyczaj wykazują chropowatość powierzchni poniżej 10 nanometrów, co pozwala uzyskać wykończenie o lustrzanej-jakości bez-obróbki końcowej.

Aby uzyskać części-wysokiej jakości, elementy maszyny muszą działać maksymalnie. Systemy obróbki diamentów wykorzystują jako podstawę granit i są wyposażone w-precyzyjne systemy pozycjonowania,-wrzeciona o dużej prędkości oraz precyzyjne osprzęt i sprzęt operacyjny. Wrzeciona z łożyskami powietrznymi i łożyska hydrostatyczne umożliwiają precyzyjny ruch narzędzi i części, a kontrolę położenia zapewniają siatki szklane o rozdzielczości poniżej 1 nanometra. Kontrola temperatury jest równie istotna i wymaga konserwacji w zakresie ±0,1 K lub mniejszym.

Pojedynczy-diament kryształowy stanowi krawędź tnącą narzędzi ze względu na jego wyjątkową twardość i zdolność do tworzenia niezwykle ostrych krawędzi o okrągłości poniżej 50 nanometrów. Osiągalna jakość i precyzja części zależą w dużej mierze od jakości narzędzia diamentowego. Jednak obróbka diamentów ogranicza się do-materiałów nieżelaznych, dlatego powłoki niklowo-fosforowe są standardem branżowym. Nikiel-fosfor można obrabiać narzędziami diamentowymi przy praktycznie znikomym zużyciu narzędzia.

Toczenie diamentówprzedstawia standardowy proces wytwarzania rotacyjnie symetrycznych elementów optycznych, odpowiedni do wytwarzania form soczewek sferycznych i asferycznych. Osiągalna jakość powierzchni zależy w dużej mierze od czynników procesowych i materiałowych. Do głównych czynników wpływających zalicza się prędkość wrzeciona, promień wierzchołka narzędzia i prędkość posuwu. Wysokie prędkości wrzeciona, duże promienie wierzchołków narzędzi i małe prędkości posuwu ogólnie poprawiają chropowatość powierzchni.

Technologia serwo wolnego narzędziazostał opracowany, aby sprostać wysokim wymaganiom asymetrycznych elementów optycznych. Opierając się na tradycyjnych konfiguracjach toczenia diamentowego, dodaje oscylację osi Z- podczas obróbki. Serwonapęd powolnego narzędzia może wytwarzać bardzo dokładne asymetryczne części bez dodatkowego wyposażenia maszyny. Technologię tę można wykorzystać do wytwarzania układów mikrosoczewek, układów pryzmatów, dyfrakcyjnych elementów optycznych, asfer-poza osią i powierzchni optycznych o dowolnym kształcie.

Technologia serwo szybkiego narzędziaprzypomina powolne serwo narzędzia, ale wykorzystuje dodatkowy siłownik do oscylacji końcówki narzędzia. Szybkie serwo narzędzia umożliwia precyzyjne pozycjonowanie narzędzia, ale przy znacznie mniejszym skoku niż technologia powolnego serwa narzędzia, zwykle w zakresie od kilku mikrometrów do kilkuset mikrometrów. Szybkie serwo narzędziowe jest powszechnie stosowane do wytwarzania-toczonych powierzchni diamentowych o strukturach takich jak mikropryzmy i układy soczewek.

Frezowanie diamentówwykorzystuje diamentowe frezy trzpieniowe-kulkowe z pojedynczą krawędzią skrawającą, przy czym narzędzie obraca się z dużą prędkością, aby usuwać wióry w zakresie mikrometrów. W porównaniu do toczenia diamentowego frezowanie jest zauważalnie wolniejsze, ale zapewnia większą swobodę projektowania. Frezowanie diamentowe jest stosowane głównie do wytwarzania-gładkich powierzchni, zwłaszcza układów mikrosoczewek i powierzchni o dowolnym kształcie.

Cięcie muchużywa narzędzia obrotowego z diamentem umieszczonym poza osią-, dzięki czemu diament nie utrzymuje stałego kontaktu z materiałem. Cięcie muchowe pozwala skutecznie tworzyć płaskie powierzchnie o jakości optycznej na dużych obszarach i jest również odpowiednią metodą tworzenia mikrostruktur i optyki o swobodnych kształtach.

Przełomy w ultra-precyzyjnej obróbce stali

Ponieważ stal hartowana jest najpopularniejszym materiałem konstrukcyjnym, poświęcono wiele badań nad możliwością obróbki materiałów żelaznych za pomocą narzędzi diamentowych. Podstawowe mechanizmy zużycia narzędzi obejmują adhezję i-narosty na krawędziach, ścieranie i zmęczenie, zużycie cieplne spowodowane tarciem oraz zużycie trybochemiczne. Główną przyczyną zużycia narzędzi są mechanizmy chemiczne.

Aby uniknąć poważnego zużycia narzędzi, badacze zaproponowali różne podejścia:

Cięcie wibracyjne ultradźwiękowejest najbardziej obiecującą metodą obróbki materiałów żelaznych narzędziami diamentowymi. Narzędzie tnące wibruje eliptycznie, znacznie zmniejszając siły tarcia i czas kontaktu diamentu z podłożem. Technologia ta jest przydatna nie tylko do obróbki materiałów żelaznych, ale także umożliwia mikrostrukturyzację powierzchni przy jednoczesnym uzyskaniu optycznej jakości powierzchni za pomocą Ra<10 nanometers.

Optymalizacja warunków skrawaniastanowi kolejną metodę zmniejszania zużycia diamentu. Zespoły badawcze próbowały różnych warunków skrawania, w tym obróbki kriogenicznej i obróbki w środowisku gazowym. Toczenie diamentu w warunkach kriogenicznych może znacznie zmniejszyć zużycie narzędzia, przy chropowatości powierzchni lepszej niż 25 nanometrów.

Bezspoiwowe narzędzia z sześciennego azotku borustanowią jedną z najbardziej obiecujących metod otrzymywania powierzchni optycznych na materiałach żelaznych. Regularny azotek boru charakteryzuje się doskonałą odpornością na ciepło i stabilnością chemiczną, a twardością ustępuje jedynie diamentowi. Podczas toczenia stali nierdzewnej o twardości 52HRC przy użyciu bezspoiwowych narzędzi z sześciennego azotku boru, chropowatość powierzchni Ra<10 nanometers can be obtained.

Inne technologie formowania

Obróbka elektroerozyjnato proces obróbki termoelektrycznej, który usuwa materiał poprzez serię iskier elektrycznych pomiędzy elektrodą narzędzia a przedmiotem obrabianym. Obróbka elektroerozyjna pozwala uzyskać bardzo dokładne kształty przy stosunkowo dużej szybkości usuwania materiału. Jednak osiągalna jakość powierzchni jest niewystarczająca do zastosowań optycznych i wymaga-obróbki końcowej, takiej jak szlifowanie, cięcie lub polerowanie, w celu uzyskania gładkich i dokładnych powierzchni optycznych. Obróbka mikro-erozją elektryczną jest szczególnie odpowiednia do zastosowań wymagających mikrostruktur o wysokim-wyprofilowaniu-, o rozmiarach struktur tak małych jak 3 mikrometry i współczynnikach kształtu do 100.

Obróbka elektrochemicznausuwa materiał poprzez anodowe rozpuszczanie metalu podczas elektrolizy. W porównaniu z konwencjonalnymi technologiami obróbki, obróbka elektrochemiczna zapewnia wysoką wydajność usuwania materiału, możliwość zastosowania do materiałów o dowolnej twardości, brak zużycia narzędzi i gładkie powierzchnie. Technologię tę można zastosować do-obróbki końcowej elementów obrabianych konwencjonalnie, nazywanej polerowaniem elektrochemicznym. Dzięki udoskonalonym procesom obróbki elektrochemicznej chropowatość powierzchni może osiągnąć 0,06 mikrometra.

Szlifowaniejest powszechnie stosowany do produkcji form optycznych. Ponieważ chropowatość osiągalna podczas szlifowania jest niewystarczająca do zastosowań optycznych, należy przeprowadzić-obróbkę końcową, taką jak polerowanie. Do ultra{3}}szlifowania precyzyjnego można zastosować tarcze diamentowe z żywicy lub tarcze z sześciennego azotku boru, aby uzyskać dobrą dokładność kształtu i chropowatość powierzchni Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Technologie wytwarzania mikrostruktur

Proces LIGA: pionier-mikrostruktur o wysokiej precyzji

LIGA to skrót od trzech niemieckich słów: litografia, galwanizacja i formowanie. Technologia ta została opracowana w latach 80-tych XX wieku i jest szeroko stosowana do produkcji narzędzi do formowania wtryskowego. W przypadku części o wysokich-wydłużeniach-strukturach technologia ta oferuje szczególne zalety w porównaniu z innymi technologiami produkcyjnymi, pozwalającymi na wytwarzanie mikrostruktur mniejszych niż 1 mikrometr.

Proces LIGA opisuje łańcuch procesów składający się z trzech kolejnych operacji. Pierwszym krokiem jest proces litograficzny w celu ustrukturyzowania podłoża. Następnie ma miejsce proces galwanizacji niklem, w którym wykorzystuje się strukturyzowane podłoże jako matrycę do utworzenia formy. Ostatnim krokiem może być zastosowanie formowania wtryskowego lub wytłaczania na gorąco w celu wytworzenia części. Podstawowym zastosowaniem procesu LIGA w optyce jest produkcja dyfrakcyjnych elementów optycznych, ale może on również wytwarzać układy mikrosoczewek, mikropryzmy, mikrozwierciadła i falowody.

Litografia nanoimprintowa: sztuka precyzji w nanoskali

Litografia nanoimprintowa to technologia litograficzna, która umożliwia-wysokiej wydajności modelowanie nanostruktur polimerowych. Technologia ta została po raz pierwszy zaproponowana w 1995 r. i składa się z trzech głównych etapów: najpierw wytwarza się matrycę przy użyciu technologii mikrostruktury, następnie replikuje się strukturę wzorcową w formie, a na koniec następuje proces odciskania.

Litografia nanoimprintowa ma dwa warianty: nadruk termiczny wykorzystuje ogrzewanie w celu podniesienia temperatury rezystancji powyżej temperatury zeszklenia, a następnie chłodzenie do temperatury pokojowej; Nadruk UV wykorzystuje światło ultrafioletowe do utwardzania maski, co wymaga przezroczystych form. Dzięki technologii litografii nanoimprintowej można wytwarzać i replikować nanostruktury o rozmiarach poniżej 10 nanometrów. Jest powszechnie stosowany w zastosowaniach fotoniki, w tym w hologramach, strukturach dyfrakcyjnych,-strukturach antyodblaskowych, układach mikrosoczewek i zastosowaniach typu „roll{4}}to-roll.

Bezpośrednie pisanie laserowe: elastyczne tworzenie mikrostruktury

W porównaniu z obróbką laserową, bezpośrednie pisanie laserowe wykorzystuje wiązkę lasera do strukturyzowania fotomaski, podobnie jak w procesach litograficznych stosowanych w produkcji półprzewodników. Cienka warstwa fotomaski jest osadzana na podłożu, a następnie fotomaska ​​jest strukturowana przy użyciu procesu bezpośredniego pisania laserowego. Bezpośrednie pisanie laserowe umożliwia wytwarzanie struktur binarnych i ciągłych i jest bardzo powszechnie stosowane do wytwarzania struktur Fresnela lub dyfrakcyjnych, szczególnie na podłożach płaskich.

W porównaniu do metod litograficznych, bezpośrednie pisanie laserowe pozwala uniknąć wymagań dotyczących wyrównania sub{0}}mikrometrowego w kolejnych etapach naświetlania. Aby odtworzyć takie konstrukcje, należy wyprodukować wkładki do form, w których można zastosować galwanizację niklową. Struktura wytworzona w fotorezyście przedstawia mistrza, po którym następuje odlew. Najnowsze osiągnięcia w zakresie bezpośredniego pisania laserowego umożliwiły tworzenie struktur na zakrzywionych podłożach, przezwyciężając ograniczenia podłoża płaskiego. Rozmiary struktur wynoszą zazwyczaj około 5 mikrometrów, ale można je również zmniejszyć do 1-3 mikrometrów.

Pisanie wiązką elektronów i litografia wiązką jonów

Zapis wiązką elektronówto alternatywna metoda nadawania struktury fotorezystu, podobna do technologii bezpośredniego zapisu laserowego, stosowana do wytwarzania struktur wzorcowych, a następnie procesów galwanizacji niklem. Technologia ta została pierwotnie opracowana do pisania na maskach półprzewodnikowych, ale można ją również wykorzystać do produkcji elementów mikro-optycznych, szczególnie odpowiednich do generowania struktur Fresnela i dyfrakcyjnych.

W procesach półprzewodnikowych wykorzystuje się zapis wiązką elektronów, dlatego włożono znaczny wysiłek w poprawę osiągalnej rozdzielczości. Rozdzielczość zapisu wiązki elektronów w fotomasce-na bazie PMMA może wynosić zaledwie 10 nanometrów. Technologię tę można również zastosować jako proces polerowania powierzchni metalowych, wykorzystując rozogniskowane wiązki elektronów do skanowania powierzchni, a topienie powierzchni metalu prowadzi do zmniejszenia chropowatości powierzchni.

Litografia wiązką jonowąwykorzystuje skupione wiązki jonów do skanowania powierzchni, tworząc w ten sposób bardzo małe struktury. Technologia ta jest bardzo podobna do zapisu wiązką elektronów, ale jony są cięższe i niosą większy ładunek, a długość fali wiązki jonów jest mniejsza niż elektronów, co skutkuje wyższą rozdzielczością. Przy użyciu skupionych wiązek jonów donoszono o rozmiarach struktur poniżej 5 nanometrów. Technologię tę stosuje się również jako metodę polerowania litograficznych elementów optycznych, wykorzystując jony o niskiej-energii do usuwania błędów kształtu i zmniejszania chropowatości, uzyskując chropowatość powierzchni Ra<1 nanometer.

Obróbka laserowa i polerowanie

Stosowanie laserów o krótkich-impulsach i ultrakrótkich-impulsach to nowa technologia do różnych zastosowań w zakresie mikroobróbki, którą można wykorzystać do nadawania struktury narzędziom do formowania. Podstawową zaletą obróbki laserowej jest to, że można obrabiać prawie wszystkie materiały. Gdy wszystkie parametry zostaną zoptymalizowane, obróbkę laserową można zastosować nawet jako obróbkę polerską, a jakość powierzchni osiąga Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Polerowanie i docieranieto zabiegi wykańczające, które tworzą gładkie powierzchnie przy użyciu nieokreślonych krawędzi tnących. Cechą wspólną wszystkich procesów polerowania jest użycie materiałów ściernych do wygładzenia powierzchni, przy czym materiały ścierne zawieszone są w płynie i tworzą zawiesinę. Polerowanie może zapewnić bardzo wysoką jakość powierzchni w zakresie nano i sub-nano, ale współczynnik usuwania jest zazwyczaj bardzo niski. Polerowanie można stosować do obróbki płaskich, kulistych, asferycznych i dowolnych przedmiotów, a także powierzchni strukturalnych.

Wybór technologii

Aby ułatwić podejmowanie decyzji dotyczących wyboru odpowiednich metod produkcji, możemy wyróżnić trzy kategorie: formowanie, mikrostrukturyzacja i-obróbka końcowa.

W przypadku metod formowania szlifowanie i-ultraprecyzyjna obróbka pozwalają uzyskać wysoką precyzję i dobre powierzchnie, ale przy znacznie zmniejszonym współczynniku usuwania materiału w porównaniu z obróbką elektrochemiczną i obróbką elektroerozyjną. Ultra-precyzyjna obróbka jako metoda formowania pozostaje najbardziej obiecującą technologią, szczególnie gdy wymagane jest precyzyjne formowanie wkładek do form optycznych. Gdy potrzebne są złożone geometrie, żadna inna technologia nie zapewnia tak dużej swobody projektowania jak ultra-precyzyjna obróbka.

W przypadku technologii mikrostrukturalnych ważnym czynnikiem jest osiągalny rozmiar struktury. Ogólna zasada jest taka, że ​​w miarę zmniejszania się rozmiaru konstrukcji i zwiększania dokładności kształtu obszar, który można poddać strukturyzacji, zmniejsza się ze względu na dłuższe czasy przetwarzania. Ultra-precyzyjna obróbka to nie tylko odpowiednia metoda kształtowania wkładek formujących, ale może być również stosowana do tworzenia mikrostruktur. W szczególności proces wycinania much umożliwia szybkie i ekonomiczne wytwarzanie dużych powierzchni strukturalnych w zakresie centymetrowym.

W przypadku wszystkich metod obróbki, w których jakość powierzchni jest niewystarczająca do zastosowań optycznych,-obróbka końcowa może później poprawić jakość powierzchni. W szczególności polerowanie i docieranie może wytworzyć powierzchnie optyczne. Należy jednak wziąć pod uwagę, że operacje-przetwarzania końcowego mogą mieć wpływ na ogólny kształt i dokładność kształtu.