Optical Mould Insert Manufacturing Technology

Polimerne optičke komponente postaju sve važnije na današnjem tržištu. Kako zahtjevi za performansama za optičke elemente i dalje rastu, proizvodni procesi se suočavaju sa značajnim izazovima. Među njima se posebno kritična ističe proizvodnja kalupnih umetaka za procese replikacije, koji direktno utiču na konačni kvalitet optičkih komponenti. Ovaj pregled ispituje trenutno dostupne proizvodne tehnologije kako bi pomogao inženjerima da donose informirane odluke u praktičnim primjenama.

Polimerni optički elementi nude značajne prednosti u odnosu na konvencionalna staklena sočiva. Omogućuju brzu masovnu proizvodnju putem brizganja ili brizganja{1}}kompresije uz niže troškove proizvodnje. Dodatno, karakteristike montaže i poravnanja mogu se direktno integrisati u optičke komponente, eliminišući potrebu za dodatnim učvršćenjima i procedurama montaže. Od sistema rasvjete do aplikacija u automobilskoj industriji, od uređaja za obradu slike do senzora, domeni primjene polimernih optičkih elemenata nastavljaju da se šire.

Posebnu pažnju zaslužuje pojava mikrostrukturiranih optičkih komponenti. Dodavanje karakteristika mikrostrukture površinama sočiva može značajno poboljšati performanse, smanjiti težinu sistema, ispraviti aberacije i oblikovati svjetlosne zrake. Mikrostrukture poput nizova mikrosočiva, difrakcijskih optičkih elemenata, Fresnelovih sočiva i nizova prizmi igraju vitalnu ulogu u poljima uključujući koncentraciju sunca, oblikovanje zraka i mjerne sisteme.

Klasifikacioni sistem proizvodnih tehnologija

Tehnologije proizvodnje optičkih uložaka kalupa mogu se podijeliti u dvije velike kategorije: metode koje stvaraju površine optičkog kvaliteta i tehnike za stvaranje optičkih mikrostruktura. Budući da umetci optičkih kalupa obično zahtijevaju izuzetno visoku tačnost oblika i kvalitet površine, ova dva faktora služe kao osnovna metrika za procjenu različitih tehnologija.

Ultra-Precizna obrada: osnova optičke proizvodnje

Od svog nastanka 1960-ih, ultra-precizna obrada ostala je najčešće korištena metoda za proizvodnju optičkih umetaka za kalupe. Osnovna prednost ove tehnologije leži u postizanju tačnosti pozicioniranja na nanometarskom{3}} nivou, čime se postiže izuzetan kvalitet površine i tačnost oblika. Dijamantske-komponente obično pokazuju hrapavost površine ispod 10 nanometara, postižući završne obrade -zrcalnog kvaliteta bez naknadne{8}}obrade.

Da bi se dobili-dijelovi visokog kvaliteta, komponente mašine moraju raditi na svojim granicama. Sistemi za dijamantsku mašinsku obradu koriste granit kao osnovu, opremljen visoko-sistemima za precizno pozicioniranje, brzim vretenima-i preciznim učvršćenjima i radnom opremom. Vretena sa vazdušnim ležajevima i hidrostatski ležajevi omogućavaju precizno kretanje alata i delova, uz kontrolu položaja garantovanu staklenim rešetkama rezolucije ispod 1 nanometar. Kontrola temperature je jednako kritična, zahtijeva održavanje unutar ±0,1K ili manjim rasponima.

Monokristalni dijamant čini oštricu alata zbog svoje izvanredne tvrdoće i sposobnosti stvaranja izuzetno oštrih ivica sa zaobljenim rubovima ispod 50 nanometara. Ostvarljivi kvalitet i preciznost delova u velikoj meri zavise od kvaliteta dijamantskog alata. Međutim, obrada dijamanata je ograničena na materijale od obojenih metala, što čini premaz od nikla-fosfora industrijskim standardom. Nikl-fosfor se može mašinski obrađivati ​​dijamantskim alatima uz gotovo zanemarljivo habanje alata.

Tokarenje dijamanatapredstavlja standardni proces za proizvodnju rotaciono simetričnih optičkih komponenti, pogodnih za proizvodnju sferičnih i asferičnih kalupa za sočiva. Postižni kvalitet površine u velikoj mjeri ovisi o procesnim faktorima i faktorima materijala. Primarni faktori utjecaja uključuju brzinu vretena, radijus vrha alata i brzinu posmaka. Velike brzine vretena, veliki radijusi vrha alata i spori posmaci općenito poboljšavaju hrapavost površine.

Spora servo tehnologija alataje razvijen da zadovolji visoke zahtjeve asimetričnih optičkih elemenata. Nadovezujući se na tradicionalne postavke dijamantskog tokarenja, dodaje oscilaciju Z-ose tokom obrade. Sporo servo alata može proizvesti visoko precizne asimetrične dijelove bez ikakve dodatne strojne opreme. Ova tehnologija se može koristiti za proizvodnju nizova mikrosočiva, nizova prizmi, difrakcijskih optičkih elemenata, asfera izvan{4}}osfere i optičkih površina slobodnog oblika.

Brza servo tehnologija alatapodsjeća na spori servo alata, ali koristi dodatni aktuator za osciliranje vrha alata. Brzi servo alata omogućava precizno pozicioniranje alata, ali sa znatno manjim hodom od tehnologije sporog servo alata, obično u rasponu od nekoliko mikrometara do nekoliko stotina mikrometara. Brzi servo alata se obično koristi za proizvodnju dijamantskih-tokarskih površina sa strukturama kao što su mikroprizme i nizovi sočiva.

Dijamantsko glodanjekoristi dijamantske kuglične-glodalice sa jednom reznom ivicom, sa alatom koji se rotira velikom brzinom kako bi uklonio strugotine u mikrometarskom opsegu. U poređenju sa dijamantskim struganjem, glodanje je primetno sporije, ali nudi veću slobodu u dizajnu. Dijamantsko glodanje se prvenstveno koristi za proizvodnju ne-glatkih površina, posebno nizova mikrosočiva i površina slobodnog oblika.

Rezanje muvakoristi rotirajući alat sa dijamantom koji je pozicioniran izvan-ose, tako da dijamant ne održava stalni kontakt sa materijalom. Fly cutting može efikasno stvoriti ravne površine sa optičkim kvalitetom površine na velikim površinama i takođe je pogodna metoda za stvaranje mikrostruktura i optike slobodnog oblika.

Proboj u ultra{0}}preciznoj mašinskoj obradi čelika

Budući da je kaljeni čelik najpopularniji inženjerski materijal, značajna istraživanja su posvećena postizanju strojne obrade željeznih materijala dijamantskim alatima. Primarni mehanizmi trošenja alata uključuju prianjanje i formiranje-nagomilanih rubova, abraziju i zamor, termičko trošenje trenjem i tribohemijsko trošenje. Hemijski mehanizmi predstavljaju glavni uzrok habanja alata.

Kako bi izbjegli ozbiljno trošenje alata, istraživači su predložili različite pristupe:

Ultrazvučno vibraciono rezanjeje metoda koja najviše obećava za obradu gvozdenih materijala dijamantskim alatima. Alat za rezanje vibrira eliptično, značajno smanjujući sile trenja i vrijeme kontakta između dijamanta i podloge. Ova tehnologija je korisna ne samo za obradu željeznih materijala, već omogućava i mikrostrukturiranje površine uz postizanje optičke kvalitete površine s Ra<10 nanometers.

Optimiziranje uslova rezanjapredstavlja još jedan metod za smanjenje trošenja dijamanata. Istraživački timovi su pokušali različite uslove rezanja uključujući kriogenu obradu i mašinsku obradu u gasnom okruženju. Dijamantsko tokarenje u kriogenim uslovima može značajno smanjiti habanje alata, uz hrapavost površine veću od 25 nanometara.

Alati sa kubnim bor nitridom bez vezivapredstavljaju jednu od najperspektivnijih metoda za dobijanje optičkih površina na gvozdenim materijalima. Kubični bor nitrid ima odličnu otpornost na toplotu i hemijsku stabilnost, sa tvrdoćom na drugom mestu nakon dijamanta. Prilikom tokarenja nehrđajućeg čelika tvrdoće 52HRC pomoću alata sa kubnim bor nitridom bez veziva, površinska hrapavost Ra<10 nanometers can be obtained.

Druge tehnologije oblikovanja

Električna obradaje termoelektrični proces obrade koji uklanja materijal kroz niz električnih iskri između elektrode alata i obratka. Strojna obrada električnom pražnjenjem može proizvesti visoko precizne oblike s relativno visokim brzinama uklanjanja materijala. Međutim, dostižni kvalitet površine je nedovoljan za optičke primjene, zahtijeva naknadnu-obradu kao što je brušenje, sečenje ili poliranje da bi se dobile glatke i precizne optičke površine. Mašinska obrada mikro-električnim pražnjenjem je posebno pogodna za primjene koje zahtijevaju mikrostrukture visokog -omjera-omjera, sa veličinama strukture do 3 mikrometra i omjerima do 100.

Elektrohemijska obradauklanja materijal kroz anodno otapanje metala tokom elektrolize. U poređenju sa konvencionalnim tehnologijama obrade, elektrohemijska obrada nudi visoke stope uklanjanja materijala, primenljivost na bilo koju tvrdoću materijala, odsustvo habanja alata i glatke površine. Ova tehnologija se može koristiti za naknadnu-obradu konvencionalno obrađenih radnih komada, kada se naziva elektrohemijsko poliranje. Koristeći poboljšane procese elektrohemijske obrade, hrapavost površine može doseći 0,06 mikrometara.

Brušenjese obično koristi za proizvodnju optičkih kalupa. Pošto hrapavost koja se postiže tokom brušenja nije dovoljna za optičke aplikacije, naknadna-obrada kao što je poliranje mora se izvršiti. Za ultra-precizno brušenje se mogu koristiti rezinoidni dijamantski točkovi ili kubični bor nitridni točkovi kako bi se postigla dobra tačnost oblika i hrapavost površine Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Microstructure Manufacturing Technologies

LIGA proces: pionir visoko{0}}preciznih mikrostruktura

LIGA označava tri njemačke riječi: litografija, galvanizacija i oblikovanje. Ova tehnologija je razvijena 1980-ih i naširoko se koristi za proizvodnju alata za brizganje. Za dijelove sa strukturama visokog -omjera-omjera, ova tehnologija nudi posebne prednosti u odnosu na druge proizvodne tehnologije, proizvodeći mikrostrukture manje od 1 mikrometra.

LIGA proces opisuje procesni lanac od tri uzastopne operacije. Prvi korak je litografski proces za strukturiranje podloge. Nakon toga, odvija se proces galvanizacije nikla, koristeći strukturiranu podlogu kao master za stvaranje kalupa. Završni korak može koristiti injekcijsko prešanje ili vruće utiskivanje za proizvodnju dijelova. Primarna primjena LIGA procesa u optici je proizvodnja difrakcijskih optičkih elemenata, a može proizvesti i nizove mikro sočiva, mikroprizme, mikroogledala i talasovode.

Litografija nanootiska: umjetnost preciznosti nanorazmjera

Nanoimprint litografija je litografska tehnologija koja omogućava visoko-uređivanje uzoraka polimernih nanostruktura. Ova tehnologija je prvi put predložena 1995. godine i sastoji se od tri glavna koraka: prvo se proizvodi master pomoću tehnologije mikrostrukture, zatim se glavna struktura replicira u kalup i na kraju dolazi do procesa otiskivanja.

Nanoimprint litografija ima dvije varijante: termalno otiskivanje koristi zagrijavanje za podizanje temperature otpora iznad temperature staklastog prijelaza, nakon čega slijedi hlađenje na sobnu temperaturu; UV otiskivanje koristi ultraljubičasto svjetlo za stvrdnjavanje otpornika, što zahtijeva prozirne kalupe. Koristeći tehnologiju litografije nanoimprinta, nanostrukture sa veličinama karakteristika ispod 10 nanometara mogu se proizvoditi i replicirati. Obično se koristi u fotoničkim aplikacijama uključujući holograme, difrakcijske strukture, anti-refleksne strukture, nizove mikrosočiva i aplikacije roll{4}}to-.

Lasersko direktno pisanje: fleksibilno stvaranje mikrostrukture

U poređenju sa laserskom obradom, lasersko direktno pisanje koristi laserski snop za strukturiranje fotootpora, slično litografskim procesima koji se koriste u proizvodnji poluprovodnika. Tanki sloj fotorezista se nanosi na podlogu, a zatim se fotorezist strukturira pomoću laserskog procesa direktnog pisanja. Lasersko direktno pisanje omogućava proizvodnju binarnih i kontinuiranih struktura i vrlo se često koristi za proizvodnju Fresnelovih ili difrakcijskih struktura, posebno na ravnim podlogama.

U poređenju sa litografskim metodama, lasersko direktno pisanje izbjegava pod-mikrometarske zahtjeve za poravnanje uzastopnih koraka ekspozicije. Da bi se replicirale takve strukture, moraju se proizvesti umetci kalupa, koji mogu koristiti galvanizaciju nikla. Struktura proizvedena u fotorezistu predstavlja majstor, nakon čega slijedi livenje. Nedavni razvoji direktnog laserskog pisanja omogućili su strukturiranje na zakrivljenim podlogama, prevazilazeći ograničenja planarne podloge. Veličina strukture je obično oko 5 mikrometara, ali se također može smanjiti na 1-3 mikrometra.

Pisanje elektronskim snopom i litografija ionskim snopom

Pisanje elektronskim snopomje alternativna metoda za strukturiranje fotorezista, slična tehnologiji laserskog direktnog pisanja, koja se koristi za proizvodnju master struktura praćenih procesima galvanizacije niklom. Ova tehnologija je prvobitno razvijena za pisanje poluvodičkim maskama, ali se također može koristiti za proizvodnju mikro-optičkih elemenata, posebno pogodnih za generiranje Fresnelovih i difrakcijskih struktura.

Pisanje elektronskim snopom koristi se u poluprovodničkim procesima, tako da je uložen veliki trud u unapređenje dostižne rezolucije. Rezolucija pisanja elektronskih zraka u fotorezistu na bazi PMMA- može biti čak 10 nanometara. Ova tehnologija se također može koristiti kao proces poliranja metalnih površina, korištenjem defokusiranih elektronskih zraka za skeniranje površina, pri čemu topljenje metalne površine dovodi do smanjene hrapavosti površine.

Litografija ionskim snopomkoristi fokusirane zrake jona za skeniranje površina, stvarajući tako vrlo male strukture. Ova tehnologija je vrlo slična pisanju elektronskim snopom, ali ioni su teži i nose više naboja, a talasne dužine snopa jona su manje od elektrona, što rezultira višom rezolucijom. Koristeći fokusirane jonske zrake, zabilježene su veličine strukture ispod 5 nanometara. Ova tehnologija se također koristi kao metoda poliranja za litografske optičke elemente, koristeći niskoenergetske jone za uklanjanje grešaka oblika i smanjenje hrapavosti, postižući površinsku hrapavost Ra<1 nanometer.

Laserska obrada i poliranje

Korištenje kratko{0}}pulsnih i ultrakratkih-lasera je nova tehnologija za različite primjene mikromašine i može se koristiti za strukturiranje alata za oblikovanje. Primarna prednost laserske obrade je da se gotovo svi materijali mogu obraditi. Kada su svi parametri optimizirani, laserska obrada se može koristiti čak i kao tretman poliranja, s kvalitetom površine koja doseže Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Poliranje i lakiranjesu završni tretmani koji stvaraju glatke površine koristeći nedefinirane rezne ivice. Ono što je zajedničko svim procesima poliranja je upotreba abraziva za glačanje površina, s abrazivima suspendiranim u tekućini kako bi se formirala kaša. Poliranje može stvoriti vrlo visok kvalitet površine u nano i pod-nano rasponima, ali su stope uklanjanja općenito vrlo niske. Poliranje se može koristiti za obradu ravnih, sfernih, asferičnih i slobodnih obradaka, kao i strukturiranih površina.

Odabir tehnologije

Kako bismo podržali odluke za odabir odgovarajućih metoda proizvodnje, možemo razlikovati tri kategorije: oblikovanje, mikrostrukturiranje i naknadna{0}}obrada.

Za metode oblikovanja, brušenje i ultra{0}}precizna obrada može postići visoku preciznost i dobre površine, ali sa značajno smanjenim brzinama uklanjanja materijala u poređenju sa elektrohemijskom obradom i obradom sa električnim pražnjenjem. Ultra-precizna obrada kao metoda oblikovanja ostaje tehnologija koja najviše obećava, posebno kada je potrebno precizno oblikovanje u umetcima optičkih kalupa. Kada su potrebne složene geometrije, nijedna druga tehnologija ne nudi tako veliku slobodu u dizajnu kao ultra{4}}precizna obrada.

Za tehnologije mikrostrukture, dostižna veličina strukture je važan faktor. U pravilu, kako se veličina strukture smanjuje i povećava preciznost oblika, površina koja se može strukturirati smanjuje se zbog dužeg vremena obrade. Ultra-precizna obrada nije samo pogodna metoda za oblikovanje umetaka kalupa, već se može koristiti i za stvaranje mikrostruktura. Konkretno, proces letećeg rezanja može brzo i ekonomično proizvesti velike strukturirane površine u centimetarskom rasponu.

Za sve metode obrade kod kojih je kvalitet površine nedovoljan za optičke primjene, naknadna{0}}obrada može naknadno poboljšati kvalitet površine. Konkretno, poliranjem i lepljenjem se mogu proizvesti optičke površine. Međutim, treba uzeti u obzir da operacije naknadne -obrade mogu uticati na ukupni oblik i tačnost oblika.