Tecnologia de fabricació d'inserts de motlle òptic
Els components òptics de polímers han esdevingut cada cop més importants en el mercat actual. A mesura que les demandes de rendiment dels elements òptics continuen augmentant, els processos de fabricació s'enfronten a reptes substancials. Entre aquests, destaca com a especialment crític la producció d'inserts de motlle per a processos de replicació, que influeix directament en la qualitat final dels components òptics. Aquesta revisió examina les tecnologies de fabricació disponibles actualment per ajudar els enginyers a prendre decisions informades en aplicacions pràctiques.
Els elements òptics de polímer ofereixen avantatges importants sobre les lents de vidre convencionals. Permeten una producció en massa ràpida mitjançant l'emmotllament per injecció o per injecció-emmotllament per compressió amb costos de fabricació més baixos. A més, les funcions de muntatge i alineació es poden integrar directament als components òptics, eliminant la necessitat d'accessoris addicionals i procediments de muntatge. Des de sistemes d'il·luminació fins a aplicacions d'automoció, des de dispositius d'imatge fins a sensors, els dominis d'aplicació dels elements òptics de polímers continuen expandint-se.
L'aparició de components òptics microestructurats mereix una atenció especial. L'addició de característiques de microestructura a les superfícies de les lents pot millorar substancialment el rendiment, reduir el pes del sistema, corregir les aberracions i donar forma als feixos de llum. Les microestructures com ara matrius de microlents, elements òptics difractius, lents de Fresnel i matrius de prismes tenen un paper vital en camps com ara la concentració solar, la conformació del feix i els sistemes de mesura.
Sistema de Classificació de Tecnologies de Fabricació
Les tecnologies de fabricació d'insercions de motlles òptics es poden dividir en dues grans categories: mètodes que creen superfícies amb qualitat òptica i tècniques per crear microestructures òptiques. Atès que les insercions de motlles òptics solen requerir una precisió de forma i una qualitat superficial extremadament altes, aquests dos factors serveixen com a mètriques bàsiques per avaluar diverses tecnologies.
Mecanitzat ultra-de precisió: la base de la fabricació òptica
Des de la seva aparició a la dècada de 1960, el mecanitzat d'ultra-precisió ha continuat sent el mètode més utilitzat per produir inserts de motlle òptics. L'avantatge principal d'aquesta tecnologia rau a aconseguir una precisió de posicionament a nivell nanomètric-, obtenint així una qualitat de superfície i una precisió de forma excepcionals. Els components mecanitzats amb diamant-normalment presenten una rugositat superficial inferior a 10 nanòmetres, aconseguint acabats de qualitat mirall-sense post-processament.
Per obtenir peces d'alta-qualitat, els components de la màquina han de funcionar al seu límit. Els sistemes de mecanitzat de diamant utilitzen granit com a base, equipats amb sistemes de posicionament d'alta-precisió, eixos d'alta-velocitat i accessoris i equips operatius precisos. Els eixos de coixinets d'aire i els coixinets hidrostàtics permeten un moviment precís d'eines i peces, amb el control de posició garantit per reixes de vidre amb una resolució inferior a 1 nanòmetre. El control de la temperatura és igualment crític, i requereix manteniment dins de rangs de ± 0,1 K o inferiors.
El diamant d'un sol-cristall és l'avantguarda de les eines a causa de la seva duresa excepcional i la seva capacitat de crear vores extremadament afilades amb una rodonesa de vora inferior a 50 nanòmetres. La qualitat i la precisió de la peça possibles depenen en gran mesura de la qualitat de l'eina de diamant. Tanmateix, el mecanitzat de diamants es limita a materials no-ferrosos, de manera que el recobriment de níquel-fòsfor és un estàndard de la indústria. El níquel-fòsfor es pot mecanitzar amb eines de diamant amb un desgast de les eines pràcticament insignificant.
Tornejat de diamantsrepresenta el procés estàndard per a la fabricació de components òptics rotacionalment simètrics, adequats per a la producció de motlles de lents esfèriques i asfèriques. La qualitat de la superfície assolible depèn en gran mesura dels factors del procés i dels factors del material. Els principals factors d'influència inclouen la velocitat del cargol, el radi de la punta de l'eina i la velocitat d'avanç. Les altes velocitats de l'eix, els grans radis de punta d'eina i les velocitats d'avanç lentes en general milloren la rugositat de la superfície.
Tecnologia de servo eina lentava ser desenvolupat per satisfer les altes exigències dels elements òptics asimètrics. A partir de les configuracions tradicionals de tornejat de diamant, afegeix oscil·lació de l'eix Z-durant el mecanitzat. El servo d'eina lenta pot produir peces asimètriques d'alta precisió sense cap equip de màquina addicional. Aquesta tecnologia es pot utilitzar per fabricar matrius de microlents, matrius de prismes, elements òptics difractius, asferes fora de l'-eix i superfícies òptiques de forma lliure.
Tecnologia servo d'eines ràpidess'assembla a un servo d'eina lenta, però utilitza un actuador addicional per fer oscil·lar la punta de l'eina. El servomotor ràpid d'eines permet un posicionament precís de l'eina, però amb una carrera significativament més petita que la tecnologia servo d'eines lentas, normalment des de diversos micròmetres fins a centenars de micròmetres. El servoeina ràpida s'utilitza habitualment per a la fabricació de superfícies-tornejades al diamant amb estructures com microprismes i matrius de lents.
Fresat de diamantsutilitza freses de bola-de diamant amb un sol tall, amb l'eina girant a gran velocitat per eliminar les estelles en el rang del micròmetre. En comparació amb el tornejat de diamant, el fresat és notablement més lent però ofereix una major llibertat de disseny. El fresat de diamant s'utilitza principalment per a la fabricació de superfícies no-llises, especialment matrius de microlents i superfícies de forma lliure.
Tall de moscautilitza una eina giratòria amb el diamant fora de l'eix-, de manera que el diamant no mantingui contacte permanent amb el material. El tall de mosca pot crear de manera eficient superfícies planes amb qualitat de superfície òptica sobre grans àrees i també és un mètode adequat per crear microestructures i òptiques de forma lliure.
Avenços en el mecanitzat d'ultra-precisió d'acer
Com que l'acer endurit és el material d'enginyeria més popular, s'ha dedicat una investigació substancial a aconseguir el mecanitzat de materials fèrrics amb eines de diamant. Els mecanismes primaris de desgast de les eines inclouen l'adhesió i la formació-de vores, l'abrasió i la fatiga, el desgast tèrmic per fricció i el desgast triboquímic. Els mecanismes químics representen la principal causa del desgast de les eines.
Per evitar un desgast greu de les eines, els investigadors han proposat diversos enfocaments:
Tall per vibració ultrasònicaés el mètode més prometedor per mecanitzar materials ferrosos amb eines de diamant. L'eina de tall vibra el·lípticament, reduint significativament les forces de fricció i el temps de contacte entre el diamant i el substrat. Aquesta tecnologia és útil no només per mecanitzar materials ferrosos, sinó que també permet la microestructuració de la superfície alhora que s'aconsegueix la qualitat de la superfície òptica amb Ra.<10 nanometers.
Optimització de les condicions de tallrepresenta un altre mètode per reduir el desgast del diamant. Els equips d'investigació han provat diferents condicions de tall, com ara el mecanitzat criogènic i el mecanitzat en entorns de gas. El tornejat de diamants en condicions criogèniques pot reduir significativament el desgast de l'eina, amb una rugositat superficial superior a 25 nanòmetres.
Eines de nitrur de bor cúbic sense aglutinantrepresenten un dels mètodes més prometedors per obtenir superfícies òptiques sobre materials ferrosos. El nitrur de bor cúbic posseeix una excel·lent resistència a la calor i estabilitat química, amb una duresa només per darrere del diamant. Quan torneu acer inoxidable amb una duresa de 52HRC amb eines de nitrur de bor cúbic sense aglutinant, la rugositat superficial de Ra<10 nanometers can be obtained.
Altres tecnologies de conformació
Mecanitzat de descàrrega elèctricaés un procés de mecanitzat termoelèctric que elimina material mitjançant una sèrie d'espurnes elèctriques entre l'elèctrode de l'eina i la peça. El mecanitzat per descàrrega elèctrica pot produir formes altament precises amb taxes d'eliminació de material relativament altes. No obstant això, la qualitat de la superfície assolible és insuficient per a les aplicacions òptiques, ja que requereix un post-processament com ara el poliment, el tall o el poliment per obtenir superfícies òptiques llises i precises. El mecanitzat de micro-descàrrega elèctrica és especialment adequat per a aplicacions que requereixen microestructures de -aspecte-alt, amb mides d'estructura tan petites com 3 micròmetres i relacions d'aspecte de fins a 100.
Mecanitzat electroquímicelimina el material mitjançant la dissolució anòdica del metall durant l'electròlisi. En comparació amb les tecnologies de mecanitzat convencionals, el mecanitzat electroquímic ofereix altes taxes d'eliminació de material, aplicabilitat a qualsevol duresa del material, absència de desgast de l'eina i superfícies llises. Aquesta tecnologia es pot utilitzar per al post-processament de peces mecanitzades convencionalment, quan s'anomena poliment electroquímic. Mitjançant processos de mecanitzat electroquímic millorats, la rugositat superficial pot arribar als 0,06 micròmetres.
Mòltas'utilitza habitualment per a la fabricació de motlles òptics. Com que la rugositat que es pot aconseguir durant el rectificat és insuficient per a aplicacions òptiques, s'ha de dur a terme un postprocessament com ara el poliment. La mòlta d'ultra-precisió pot utilitzar rodes de diamant resinoides o rodes de nitrur de bor cúbic per aconseguir una bona precisió de forma i rugositat superficial de Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.
Tecnologies de fabricació de microestructures
Procés LIGA: pioner de les microestructures{0}}d'alta precisió
LIGA significa tres paraules alemanyes: litografia, galvanoplastia i modelat. Aquesta tecnologia es va desenvolupar a la dècada de 1980 i s'utilitza àmpliament per a la fabricació d'eines d'emmotllament per injecció. Per a peces amb estructures de -aspecte-alta, aquesta tecnologia ofereix avantatges especials en comparació amb altres tecnologies de fabricació, produint microestructures de menys d'1 micròmetre.
El procés LIGA descriu una cadena de processos de tres operacions successives. El primer pas és un procés litogràfic per estructurar el substrat. Posteriorment, té lloc un procés de galvanoplastia de níquel, utilitzant el substrat estructurat com a mestre per crear el motlle. El pas final pot utilitzar el modelat per injecció o el relleu en calent per produir peces. L'aplicació principal del procés LIGA en òptica és la fabricació d'elements òptics difractius i també pot produir matrius de microlents, microprismes, micromiralls i guies d'ones.
Litografia de nanoempremta: l'art de la precisió a nanoescala
La litografia de nanoempremta és una tecnologia litogràfica que permet un model de-alt rendiment de nanoestructures de polímers. Aquesta tecnologia es va proposar per primera vegada l'any 1995 i consta de tres passos principals: primer, es fabrica un mestre mitjançant la tecnologia de microestructura, després l'estructura mestra es replica en un motlle i, finalment, es produeix el procés d'impressió.
La litografia de nanoimpressió té dues variants: la impressió tèrmica utilitza la calefacció per augmentar la temperatura de resistència per sobre de la temperatura de transició vítrea, seguida d'un refredament a temperatura ambient; La impressió UV utilitza llum ultraviolada per curar la resistència, requerint motlles transparents. Mitjançant la tecnologia de litografia de nanoempremta, es poden produir i replicar nanoestructures amb mides de característiques inferiors a 10 nanòmetres. S'utilitza habitualment en aplicacions de fotònica, com ara hologrames, estructures difractives, estructures anti-reflectants, matrius de microlents i aplicacions roll-to-roll.
Escriptura directa làser: creació de microestructura flexible
En comparació amb el mecanitzat làser, l'escriptura directa làser utilitza un feix làser per estructurar el fotoresistent, de manera similar als processos de litografia utilitzats en la fabricació de semiconductors. Es diposita una fina capa de fotoresist sobre el substrat i després s'estructura mitjançant el procés d'escriptura directa làser. L'escriptura directa làser permet la fabricació d'estructures binàries i contínues i s'utilitza molt habitualment per a la fabricació d'estructures Fresnel o difractives, especialment en substrats plans.
En comparació amb els mètodes de litografia, l'escriptura directa amb làser evita els requisits d'alineació de sub{0}}micròmetres dels passos d'exposició successius. Per replicar aquestes estructures, s'han de fabricar insercions de motlle, que poden utilitzar galvanoplastia de níquel. L'estructura produïda a la fotoresist representa el mestre, seguit de la fosa. Els recents desenvolupaments d'escriptura directa amb làser han fet possible l'estructuració sobre substrats corbats, superant les limitacions del substrat pla. Les mides de l'estructura solen ser d'uns 5 micròmetres, però també es poden reduir a 1-3 micròmetres.
Escriptura de feix d'electrons i litografia de feix d'ions
Escriptura del feix d'electronsés un mètode alternatiu per a l'estructuració de fotoresistència, similar a la tecnologia d'escriptura directa làser, utilitzat per a la fabricació d'estructures mestres seguits de processos de galvanoplastia de níquel. Aquesta tecnologia es va desenvolupar originalment per a l'escriptura de màscares de semiconductors, però també es pot utilitzar per a la fabricació d'elements micro-òptics, especialment adequats per generar estructures Fresnel i difractives.
L'escriptura del feix d'electrons s'utilitza en processos de semiconductors, de manera que s'ha invertit un esforç substancial per avançar en la resolució assolible. La resolució d'escriptura del feix d'electrons en fotoresistència basada en PMMA-pot ser de fins a 10 nanòmetres. Aquesta tecnologia també es pot utilitzar com a procés de poliment de superfícies metàl·liques, utilitzant feixos d'electrons desenfocats per escanejar superfícies, amb la fusió de la superfície metàl·lica que condueix a una rugositat superficial reduïda.
Litografia de feix d'ionsutilitza feixos d'ions enfocats per escanejar superfícies, creant així estructures molt petites. Aquesta tecnologia és molt semblant a l'escriptura del feix d'electrons, però els ions són més pesats i porten més càrrega, amb longituds d'ona del feix iònic més petites que els electrons, el que resulta en una resolució més alta. Utilitzant feixos d'ions enfocats, s'han informat mides d'estructura per sota dels 5 nanòmetres. Aquesta tecnologia també s'utilitza com a mètode de poliment d'elements òptics litogràfics, utilitzant ions de baixa -energia per eliminar errors de forma i reduir la rugositat, aconseguint la rugositat superficial de Ra.<1 nanometer.
Mecanitzat i polit làser
L'ús de làsers de pols curt-i ultracurt- és una tecnologia emergent per a diferents aplicacions de micromecanitzat i es pot utilitzar per estructurar eines d'emmotllament. El principal avantatge del mecanitzat làser és que gairebé tots els materials es poden processar. Quan tots els paràmetres estan optimitzats, el mecanitzat làser es pot utilitzar fins i tot com a tractament de polit, amb la qualitat de la superfície que arriba a Ra.<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.
Polit i politsón tractaments d'acabat que creen superfícies llises mitjançant vores de tall indefinides. El que tenen en comú tots els processos de poliment és l'ús d'abrasius per allisar superfícies, amb abrasius suspesos en fluid per formar una purina. El poliment pot crear una qualitat de superfície molt alta en els rangs nano i sub-nano, però les taxes d'eliminació són generalment molt baixes. El poliment es pot utilitzar per processar peces planes, esfèriques, asfèriques i de forma lliure, així com superfícies estructurades.
Selecció de tecnologia
Per donar suport a les decisions per seleccionar mètodes de fabricació adequats, podem distingir tres categories: conformació, microestructuració i post{0}}processament.
Per als mètodes de conformació, el rectificat i el mecanitzat d'ultra{0}}precisió poden aconseguir una gran precisió i bones superfícies, però amb una taxa d'eliminació de material significativament reduïda en comparació amb el mecanitzat electroquímic i el mecanitzat per descàrrega elèctrica. El mecanitzat d'ultra-precisió com a mètode de conformació continua sent la tecnologia més prometedora, especialment quan es requereix un conformat precís en inserts de motlle òptics. Quan es necessiten geometries complexes, cap altra tecnologia ofereix una llibertat de disseny tan gran com el mecanitzat d'ultra-precisió.
Per a les tecnologies de microestructura, la mida de l'estructura assolible és un factor important. Com a regla general, a mesura que la mida de l'estructura disminueix i augmenta la precisió de la forma, l'àrea que es pot estructurar disminueix a causa dels temps de processament més llargs. El mecanitzat d'ultra-precisió no només és un mètode adequat per donar forma a insercions de motlle, sinó que també es pot utilitzar per crear microestructures. En particular, el procés de tall de mosca pot fabricar de forma ràpida i econòmica grans àrees estructurades en el rang de centímetres.
Per a tots els mètodes de mecanitzat en què la qualitat de la superfície és insuficient per a aplicacions òptiques, el post{0}}processament pot millorar la qualitat de la superfície. En particular, el poliment i el lligat poden fabricar superfícies òptiques. Tanmateix, cal tenir en compte que les operacions de post-processament poden afectar la forma general i la precisió de la forma.