Технология изготовления оптических вставок для пресс-форм

Полимерные оптические компоненты приобретают все большее значение на современном рынке. Поскольку требования к производительности оптических элементов продолжают расти, производственные процессы сталкиваются с серьезными проблемами. Среди них особенно важным является производство вставок пресс-форм для процессов тиражирования, напрямую влияющих на конечное качество оптических компонентов. В этом обзоре рассматриваются доступные в настоящее время производственные технологии, которые помогут инженерам принимать обоснованные решения в практических приложениях.

Полимерные оптические элементы обладают значительными преимуществами по сравнению с обычными стеклянными линзами. Они обеспечивают быстрое массовое производство посредством литья под давлением или литьевого-компрессионного формования при более низких производственных затратах. Кроме того, функции монтажа и выравнивания могут быть непосредственно интегрированы в оптические компоненты, что устраняет необходимость в дополнительных приспособлениях и процедурах сборки. От систем освещения до автомобильной техники, от устройств обработки изображений до датчиков — области применения полимерных оптических элементов продолжают расширяться.

Особого внимания заслуживает появление микроструктурированных оптических компонентов. Добавление элементов микроструктуры к поверхностям линз может существенно повысить производительность, уменьшить вес системы, исправить аберрации и сформировать световые лучи. Микроструктуры, такие как массивы микролинз, дифракционные оптические элементы, линзы Френеля и массивы призм, играют жизненно важную роль в таких областях, как концентрация солнечного света, формирование луча и измерительные системы.

Система классификации технологий производства

Технологии производства оптических вставок пресс-форм можно разделить на две основные категории: методы создания поверхностей оптического качества и методы создания оптических микроструктур. Поскольку оптические вставки в пресс-формы обычно требуют чрезвычайно высокой точности формы и качества поверхности, эти два фактора служат основными показателями для оценки различных технологий.

Сверхточная-механическая обработка: основа оптического производства

С момента своего появления в 1960-х годах сверхточная механическая обработка оставалась наиболее распространенным методом изготовления оптических вставок для пресс-форм. Основное преимущество этой технологии заключается в достижении нанометровой-точности позиционирования, что позволяет добиться исключительного качества поверхности и точности формы. Детали,-обработанные алмазной обработкой, обычно имеют шероховатость поверхности менее 10 нанометров, что позволяет добиться зеркального-качества отделки без последующей-обработки.

Чтобы получить детали-высокого качества, компоненты машин должны работать на пределе своих возможностей. В системах алмазной обработки в качестве основы используется гранит, они оснащены высокоточными-системами позиционирования, высокоскоростными-шпинделями, а также точными приспособлениями и рабочим оборудованием. Шпиндели с воздушными подшипниками и гидростатические подшипники обеспечивают точное перемещение инструментов и деталей, а контроль положения гарантируется стеклянными решетками с разрешением менее 1 нанометра. Контроль температуры не менее важен и требует поддержания в пределах ±0,1 К или меньших диапазонов.

Монокристаллический-алмаз образует режущую кромку инструментов благодаря своей исключительной твердости и способности создавать чрезвычайно острые грани с округлостью кромки менее 50 нанометров. Достижимое качество и точность детали во многом зависят от качества алмазного инструмента. Однако алмазная обработка ограничена материалами, цветными-черными металлами, поэтому покрытие из никеля-фосфора является отраслевым стандартом. Никель-фосфор можно обрабатывать алмазными инструментами с практически незначительным износом инструмента.

Алмазная токарная обработкапредставляет собой стандартный процесс производства вращательно-симметричных оптических компонентов, подходящий для изготовления сферических и асферических форм линз. Достижимое качество поверхности во многом зависит от технологических факторов и материальных факторов. Основные влияющие факторы включают скорость шпинделя, радиус вершины инструмента и скорость подачи. Высокие скорости шпинделя, большой радиус вершины инструмента и медленная подача обычно улучшают шероховатость поверхности.

Технология медленного сервопривода инструментабыл разработан для удовлетворения высоких требований к асимметричным оптическим элементам. Основанный на традиционных установках для алмазной обработки, он добавляет колебания по оси Z- во время обработки. Медленный сервопривод инструмента позволяет производить высокоточные асимметричные детали без какого-либо дополнительного станочного оборудования. Эту технологию можно использовать для изготовления матриц микролинз, матриц призм, дифракционных оптических элементов, внеосевых асфер и оптических поверхностей произвольной формы.

Технология быстрого сервопривода инструментанапоминает медленный сервопривод инструмента, но использует дополнительный привод для колебания кончика инструмента. Быстрый сервопривод инструмента обеспечивает точное позиционирование инструмента, но со значительно меньшим ходом, чем технология медленного сервопривода инструмента, обычно в диапазоне от нескольких микрометров до нескольких сотен микрометров. Сервопривод быстрого инструмента обычно используется для изготовления поверхностей, обработанных алмазом-, с такими структурами, как микропризмы и массивы линз.

Алмазное фрезерованиеиспользует алмазные шаровые-концевые фрезы с одной режущей кромкой, при этом инструмент вращается с высокой скоростью для удаления стружки размером до микрометра. По сравнению с алмазным точением фрезерование происходит заметно медленнее, но дает большую свободу в дизайне. Алмазное фрезерование в основном используется для изготовления не-гладких поверхностей, особенно матриц микролинз и поверхностей произвольной формы.

Резка нахлыстомиспользуется вращающийся инструмент, в котором алмаз расположен вне-оси, поэтому алмаз не поддерживает постоянный контакт с материалом. Резка на лету может эффективно создавать плоские поверхности с оптическим качеством поверхности на больших площадях, а также является подходящим методом для создания микроструктур и оптики произвольной формы.

Прорывы в сверхточной-точной обработке стали

Поскольку закаленная сталь является наиболее популярным конструкционным материалом, были проведены значительные исследования по обработке черных металлов алмазным инструментом. К основным механизмам износа инструмента относятся налипание и образование наростов, истирание и усталость, фрикционный термический износ и трибохимический износ. Химические механизмы представляют собой основную причину износа инструмента.

Чтобы избежать сильного износа инструмента, исследователи предложили различные подходы:

Ультразвуковая вибрационная резкаявляется наиболее перспективным методом обработки черных металлов алмазным инструментом. Режущий инструмент вибрирует эллиптически, что значительно снижает силы трения и время контакта между алмазом и подложкой. Эта технология полезна не только для обработки черных металлов, но также позволяет микроструктурировать поверхность, обеспечивая при этом оптическое качество поверхности с помощью Ra.<10 nanometers.

Оптимизация условий резанияпредставляет собой еще один метод уменьшения износа алмазов. Исследовательские группы пробовали различные режимы резания, включая криогенную обработку и обработку в газовой среде. Алмазное точение в криогенных условиях может значительно снизить износ инструмента, поскольку шероховатость поверхности превышает 25 нанометров.

Инструменты из кубического нитрида бора без связующего веществапредставляют собой один из наиболее перспективных методов получения оптических поверхностей черных металлов. Кубический нитрид бора обладает превосходной термостойкостью и химической стабильностью, уступая по твердости только алмазу. При точении нержавеющей стали твердостью 52HRC бессвязочным инструментом из кубического нитрида бора шероховатость поверхности Ra<10 nanometers can be obtained.

Другие технологии формования

Электроэрозионная обработкаЭто процесс термоэлектрической обработки, при котором материал удаляется посредством серии электрических искр между электродом-инструментом и заготовкой. Электроэрозионная обработка позволяет получать очень точные формы с относительно высокой скоростью съема материала. Однако достижимое качество поверхности недостаточно для оптических применений, требующих последующей-обработки, такой как шлифовка, резка или полировка, для получения гладких и точных оптических поверхностей. Микро-электроэрозионная обработка особенно подходит для применений, требующих микроструктур с высоким-аспектом-отношениями, с размерами структур всего 3 микрометра и соотношением сторон до 100.

Электрохимическая обработкаудаляет материал посредством анодного растворения металла во время электролиза. По сравнению с традиционными технологиями обработки электрохимическая обработка обеспечивает высокую скорость съема материала, применимость к материалам любой твердости, отсутствие износа инструмента и гладкую поверхность. Эту технологию можно использовать для пост-обработки заготовок, обработанных традиционным способом, когда она называется электрохимической полировкой. Благодаря усовершенствованным процессам электрохимической обработки шероховатость поверхности может достигать 0,06 микрометра.

Шлифованиеобычно используется для изготовления оптических форм. Поскольку шероховатость, достижимая при шлифовании, недостаточна для оптических применений, необходимо выполнить последующую-обработку, например полировку. Для сверхточного шлифования-можно использовать алмазные круги из смолы или круги из кубического нитрида бора для достижения хорошей точности формы и шероховатости поверхности Ra.<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Технологии производства микроструктур

Процесс LIGA: пионер в области высокоточных-микроструктур

LIGA означает три немецких слова: литография, гальваника и литье. Эта технология была разработана в 1980-х годах и широко используется для изготовления инструментов для литья под давлением. Для деталей со структурами с высоким-аспектом-коэффициентом сжатия эта технология дает особые преимущества по сравнению с другими технологиями производства, позволяющими создавать микроструктуры размером менее 1 микрометра.

Процесс LIGA описывает технологическую цепочку из трех последовательных операций. Первым шагом является литографический процесс структурирования подложки. После этого происходит процесс гальванического никелирования с использованием структурированной подложки в качестве основы для создания формы. На последнем этапе для изготовления деталей можно использовать литье под давлением или горячее тиснение. Основным применением процесса LIGA в оптике является производство дифракционных оптических элементов, а также матриц микролинз, микропризм, микрозеркал и волноводов.

Наноимпринтная литография: искусство наномасштабной точности

Наноимпринтная литография – это литографическая технология, позволяющая с высокой-производительностью создавать узоры на полимерных наноструктурах. Эта технология была впервые предложена в 1995 году и состоит из трех основных этапов: сначала изготавливается мастер с использованием технологии микроструктуры, затем структура мастера копируется в форму и, наконец, происходит процесс импринтинга.

Наноимпринтная литография имеет два варианта: при термопечати используется нагрев для повышения температуры резиста выше температуры стеклования с последующим охлаждением до комнатной температуры; При УФ-печати используется ультрафиолет для отверждения резиста, поэтому требуются прозрачные формы. Используя технологию наноимпринтной литографии, можно производить и тиражировать наноструктуры с размерами элементов менее 10 нанометров. Он обычно используется в приложениях фотоники, включая голограммы, дифракционные структуры, анти-отражающие структуры, матрицы микролинз, а также приложения, связанные с-к-роллами.

Лазерное прямое письмо: создание гибкой микроструктуры

По сравнению с лазерной обработкой, при прямой лазерной записи используется лазерный луч для структурирования фоторезиста, аналогично процессам литографии, используемым в производстве полупроводников. На подложку наносится тонкий слой фоторезиста, затем фоторезист структурируется с помощью процесса прямой лазерной записи. Прямая лазерная запись позволяет изготавливать бинарные и непрерывные структуры и очень часто используется для изготовления френелевских или дифракционных структур, особенно на плоских подложках.

По сравнению с методами литографии, прямая лазерная запись позволяет избежать требований к суб-выравниванию на последовательных этапах экспонирования. Чтобы воспроизвести такие структуры, необходимо изготовить вставки для пресс-форм, в которых можно использовать гальваническое покрытие никелем. Структура, изготовленная в фоторезисте, представляет собой мастер-класс с последующей отливкой. Недавние разработки в области прямой лазерной записи сделали возможным структурирование изогнутых подложек, преодолевая ограничения плоскостной подложки. Размеры структур обычно составляют около 5 микрометров, но также могут быть уменьшены до 1-3 микрометров.

Электронно-лучевое письмо и ионно-лучевая литография

Электронно-лучевая записьпредставляет собой альтернативный метод структурирования фоторезиста, аналогичный технологии прямой лазерной записи, используемый для изготовления мастер-структур с последующим процессом гальванического никелирования. Эта технология изначально была разработана для записи полупроводниковых масок, но ее также можно использовать для изготовления микро-оптических элементов, особенно подходящих для создания френелевских и дифракционных структур.

Электронно-лучевая запись используется в полупроводниковых процессах, поэтому значительные усилия были вложены в достижение достижимого разрешения. Разрешение электронной записи в фоторезисте на основе ПММА-может составлять всего 10 нанометров. Эту технологию также можно использовать в качестве процесса полировки металлических поверхностей с использованием расфокусированных электронных лучей для сканирования поверхностей, при этом плавление поверхности металла приводит к уменьшению шероховатости поверхности.

Ионно-лучевая литографияиспользует сфокусированные ионные лучи для сканирования поверхностей, создавая тем самым очень маленькие структуры. Эта технология очень похожа на запись электронным лучом, но ионы тяжелее и несут больше заряда, а длины волн ионных лучей меньше, чем у электронов, что приводит к более высокому разрешению. Сообщалось, что при использовании сфокусированных ионных пучков размеры структур составляют менее 5 нанометров. Эта технология также используется в качестве метода полировки литографических оптических элементов с использованием ионов низкой-энергии для устранения ошибок формы и уменьшения шероховатости, достигая шероховатости поверхности Ra.<1 nanometer.

Лазерная обработка и полировка

Использование лазеров с короткими-импульсами и ультракороткими{1}}импульсами – это новая технология для различных применений микрообработки, которую можно использовать для структурирования формовочных инструментов. Основное преимущество лазерной обработки заключается в том, что можно обрабатывать практически все материалы. Когда все параметры оптимизированы, лазерную обработку можно использовать даже в качестве полировки, при этом качество поверхности достигает Ra.<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Полировка и притирка— это финишная обработка, которая создает гладкие поверхности с использованием неопределенных режущих кромок. Общим для всех процессов полировки является использование абразивов для сглаживания поверхностей, при этом абразивы суспендируются в жидкости и образуют суспензию. Полировка может обеспечить очень высокое качество поверхности в нано- и суб-нанодиапазонах, но скорость съема обычно очень низкая. Полирование может использоваться для обработки плоских, сферических, асферических заготовок и заготовок произвольной формы, а также структурированных поверхностей.

Выбор технологии

Чтобы поддержать решения по выбору подходящих методов производства, мы можем выделить три категории: формование, микроструктурирование и пост-обработка.

Что касается методов формовки, шлифование и сверх-точная обработка позволяют добиться высокой точности и хороших поверхностей, но при этом значительно снижается скорость съема материала по сравнению с электрохимической обработкой и электроэрозионной обработкой. Сверх-точная обработка как метод формования остается наиболее многообещающей технологией, особенно когда требуется точная формовка оптических вкладышей в пресс-формы. Когда требуется сложная геометрия, никакая другая технология не предлагает такой большой свободы в проектировании, как сверх-прецизионная обработка.

Для технологий микроструктуры важным фактором является достижимый размер структуры. Как правило, по мере уменьшения размера структуры и увеличения точности формы площадь, которую можно структурировать, уменьшается из-за увеличения времени обработки. Сверхточная-механическая обработка – это не только подходящий метод придания формы вкладышам пресс-формы, но также может использоваться для создания микроструктур. В частности, процесс резки на лету позволяет быстро и экономично изготавливать большие структурированные поверхности размером в несколько сантиметров.

Для всех методов обработки, где качество поверхности недостаточно для оптических применений, пост-обработка может впоследствии улучшить качество поверхности. В частности, полирование и притирка позволяют изготавливать оптические поверхности. Однако следует учитывать, что операции последующей-обработки могут повлиять на общую форму и точность формы.