Tehnologia de fabricație a inserturilor de matriță optică

Componentele optice polimerice au devenit din ce în ce mai importante pe piața actuală. Pe măsură ce cerințele de performanță pentru elementele optice continuă să crească, procesele de producție se confruntă cu provocări substanțiale. Dintre acestea, producția de inserții de matriță pentru procesele de replicare se remarcă ca fiind deosebit de critică, influențând direct calitatea finală a componentelor optice. Această analiză examinează tehnologiile de producție disponibile în prezent pentru a ajuta inginerii să ia decizii informate în aplicații practice.

Elementele optice polimerice oferă avantaje semnificative față de lentilele convenționale din sticlă. Acestea permit producția rapidă în masă prin turnare prin injecție sau turnare prin injecție-compresie la costuri de producție mai mici. În plus, caracteristicile de montare și aliniere pot fi integrate direct în componentele optice, eliminând necesitatea unor dispozitive suplimentare și proceduri de asamblare. De la sisteme de iluminat la aplicații auto, de la dispozitive de imagistică la senzori, domeniile de aplicare ale elementelor optice polimerice continuă să se extindă.

Apariția componentelor optice microstructurate merită o atenție specială. Adăugarea de caracteristici de microstructură pe suprafețele lentilelor poate îmbunătăți substanțial performanța, poate reduce greutatea sistemului, poate corecta aberațiile și poate modela fasciculele de lumină. Microstructurile, cum ar fi matricele de microlentile, elementele optice difractive, lentilele Fresnel și matricele de prisme, joacă un rol vital în domenii precum concentrația solară, modelarea fasciculului și sistemele de măsurare.

Sistemul de clasificare a tehnologiilor de fabricație

Tehnologiile de fabricație pentru inserții de matriță optică pot fi împărțite în două mari categorii: metode care creează suprafețe cu calitate optică și tehnici de creare a microstructurilor optice. Deoarece inserțiile de matriță optică necesită de obicei o precizie extrem de ridicată a formei și o calitate a suprafeței, acești doi factori servesc drept valori de bază pentru evaluarea diferitelor tehnologii.

Prelucrare ultra-de precizie: fundamentul producției optice

De la apariția sa în anii 1960, prelucrarea de ultra-precizie a rămas metoda cea mai frecvent utilizată pentru producerea inserțiilor de matriță optică. Avantajul principal al acestei tehnologii constă în obținerea preciziei de poziționare la nivel de nanometri-, obținând astfel o calitate excepțională a suprafeței și o precizie a formei. Componentele prelucrate cu diamant-de obicei prezintă o rugozitate a suprafeței sub 10 nanometri, obținând finisaje de calitate-oglindă fără post-procesare.

Pentru a obține piese de-înaltă calitate, componentele mașinii trebuie să funcționeze la limitele lor. Sistemele de prelucrare cu diamante folosesc granitul ca bază, echipate cu sisteme de poziționare de-înaltă precizie, axuri de-viteză mare și dispozitive precise și echipamente de operare. Fusoarele cu rulment de aer și rulmenții hidrostatici permit mișcarea precisă a sculelor și pieselor, cu controlul poziției garantat de grătare de sticlă cu rezoluție sub 1 nanometru. Controlul temperaturii este la fel de critic, necesitând întreținere în intervale de ± 0,1 K sau mai mici.

Diamantul cu un singur-cristal formează marginea de tăiere a uneltelor datorită durității remarcabile și capacității sale de a crea muchii extrem de ascuțite cu rotunjime sub 50 de nanometri. Calitatea și precizia realizabile ale pieselor depind în mare măsură de calitatea sculei diamantate. Cu toate acestea, prelucrarea cu diamant este limitată la materiale ne-feroase, ceea ce face ca acoperirea cu nichel-fosfor să devină un standard industrial. Nichelul-fosforul poate fi prelucrat cu unelte diamantate cu o uzură practic neglijabilă.

Strunjirea diamantelorreprezintă procesul standard de fabricare a componentelor optice simetrice rotațional, potrivite pentru producerea matrițelor de lentile sferice și asferice. Calitatea suprafeței realizabilă depinde în mare măsură de factorii de proces și de factorii materiale. Factorii de influență primari includ viteza axului, raza vârfului sculei și viteza de avans. Vitezele mari ale axului, razele mari ale vârfului sculei și vitezele mici de avans îmbunătățesc în general rugozitatea suprafeței.

Tehnologia servo pentru scule lentăa fost dezvoltat pentru a satisface cerințele ridicate ale elementelor optice asimetrice. Bazându-se pe configurațiile tradiționale de strunjire cu diamant, adaugă oscilația axei Z-în timpul prelucrării. Servoiul lentă al sculei poate produce piese asimetrice foarte precise, fără echipament suplimentar al mașinii. Această tehnologie poate fi utilizată pentru a produce rețele de microlensuri, rețele de prisme, elemente optice difractive, asfere în afara axei și suprafețe optice cu formă liberă.

Tehnologie rapidă servo pentru sculeseamănă cu servo-ul sculei lente, dar folosește un actuator suplimentar pentru a oscila vârful sculei. Servoiul rapid al sculei permite poziționarea precisă a sculei, dar cu o cursă semnificativ mai mică decât tehnologia servo a sculei lente, variind de obicei de la câțiva micrometri la câteva sute de micrometri. Servoiul rapid pentru unelte este folosit în mod obișnuit pentru fabricarea de suprafețe strunjite cu diamant-cu structuri precum microprisme și matrice de lentile.

Frezarea cu diamantefolosește freze diamantate cu bile-cu o singură muchie așchietoare, cu scula rotindu-se la viteză mare pentru a îndepărta așchii în intervalul micrometrului. În comparație cu strunjirea cu diamant, frezarea este vizibil mai lentă, dar oferă o mai mare libertate în proiectare. Frezarea cu diamant este folosită în principal pentru fabricarea suprafețelor ne-netede, în special a rețelelor de microlentile și a suprafețelor cu formă liberă.

Tăierea mușteifolosește un instrument rotativ cu diamantul poziționat în afara axei-, astfel încât diamantul să nu mențină contact permanent cu materialul. Tăierea cu zbârci poate crea în mod eficient suprafețe plane cu o calitate a suprafeței optice pe suprafețe mari și este, de asemenea, o metodă potrivită pentru crearea de microstructuri și optice cu formă liberă.

Revoluții în prelucrarea de ultra-precizie a oțelului

Deoarece oțelul călit este cel mai popular material de inginerie, cercetări substanțiale au fost dedicate realizării de prelucrare a materialelor feroase cu unelte diamantate. Mecanismele principale de uzură a sculei includ aderența și formarea-de margini, abraziunea și oboseala, uzura termică prin frecare și uzura tribochimică. Mecanismele chimice reprezintă principala cauză a uzurii sculelor.

Pentru a evita uzura severă a sculelor, cercetătorii au propus diverse abordări:

Tăiere prin vibrații cu ultrasuneteeste cea mai promițătoare metodă de prelucrare a materialelor feroase cu unelte diamantate. Instrumentul de tăiere vibrează eliptic, reducând semnificativ forțele de frecare și timpul de contact dintre diamant și substrat. Această tehnologie este utilă nu numai pentru prelucrarea materialelor feroase, dar permite și microstructurarea suprafeței, obținând în același timp calitatea suprafeței optice cu Ra<10 nanometers.

Optimizarea conditiilor de taierereprezintă o altă metodă de reducere a uzurii diamantului. Echipele de cercetare au încercat diferite condiții de tăiere, inclusiv prelucrarea criogenică și prelucrarea în medii cu gaz. Strunjirea diamantelor în condiții criogenice poate reduce semnificativ uzura sculei, cu o rugozitate a suprafeței mai bună de 25 de nanometri.

Unelte cu nitrură de bor cubică fără liantreprezintă una dintre cele mai promițătoare metode de obținere a suprafețelor optice pe materiale feroase. Nitrura de bor cubică posedă o rezistență excelentă la căldură și stabilitate chimică, cu duritatea a doua după diamant. La strunjirea oțelului inoxidabil cu duritate de 52HRC folosind unelte cu nitrură de bor cubică fără liant, rugozitatea suprafeței de Ra<10 nanometers can be obtained.

Alte tehnologii de formare

Prelucrare cu descărcare electricăeste un proces de prelucrare termoelectrică care îndepărtează materialul printr-o serie de scântei electrice între electrodul sculei și piesa de prelucrat. Prelucrarea cu descărcare electrică poate produce forme extrem de precise, cu rate relativ mari de îndepărtare a materialului. Cu toate acestea, calitatea suprafeței realizabilă este insuficientă pentru aplicațiile optice, necesitând post-procesare, cum ar fi șlefuirea, tăierea sau lustruirea pentru a obține suprafețe optice netede și precise. Prelucrarea cu micro-descărcări electrice este potrivită în special pentru aplicațiile care necesită microstructuri cu raport-aspect-înalt, cu dimensiuni ale structurii de până la 3 micrometri și raporturi de aspect de până la 100.

Prelucrare electrochimicăîndepărtează materialul prin dizolvarea anodică a metalului în timpul electrolizei. În comparație cu tehnologiile convenționale de prelucrare, prelucrarea electrochimică oferă rate mari de îndepărtare a materialului, aplicabilitate la orice duritate a materialului, absența uzurii sculelor și suprafețe netede. Această tehnologie poate fi utilizată pentru post-prelucrarea pieselor prelucrate în mod convențional, când se numește lustruire electrochimică. Folosind procese îmbunătățite de prelucrare electrochimică, rugozitatea suprafeței poate ajunge la 0,06 micrometri.

Măcinareeste utilizat în mod obișnuit pentru fabricarea matrițelor optice. Deoarece rugozitatea care poate fi atinsă în timpul șlefuirii este insuficientă pentru aplicațiile optice, trebuie efectuată post-procesare, cum ar fi lustruirea. Slefuirea ultra-de precizie poate folosi roți diamantate rășinoide sau roți cubi cu nitrură de bor pentru a obține o precizie bună a formei și rugozitatea suprafeței Ra<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Tehnologii de fabricație a microstructurilor

Procesul LIGA: pionier al microstructurilor de{0}}înaltă precizie

LIGA înseamnă trei cuvinte germane: litografie, galvanizare și turnare. Această tehnologie a fost dezvoltată în anii 1980 și este utilizată pe scară largă pentru fabricarea instrumentelor de turnare prin injecție. Pentru piesele cu structuri cu raport de-aspect-înalt, această tehnologie oferă avantaje speciale în comparație cu alte tehnologii de fabricație, producând microstructuri mai mici de 1 micrometru.

Procesul LIGA descrie un lanț de procese de trei operațiuni succesive. Primul pas este un proces litografic de structurare a substratului. Ulterior, are loc un proces de galvanizare cu nichel, folosind substratul structurat ca maestru pentru a crea matrița. Etapa finală poate folosi turnarea prin injecție sau gofrarea la cald pentru a produce piese. Aplicația principală a procesului LIGA în optică este fabricarea elementelor optice difractive și poate produce, de asemenea, rețele de microlens, microprisme, microoglinzi și ghiduri de undă.

Litografia Nanoimprint: Arta preciziei la scară nanometrică

Litografia cu nanoimprente este o tehnologie litografică care permite modelarea-înaltă a nanostructurilor polimerice. Această tehnologie a fost propusă pentru prima dată în 1995 și constă din trei etape principale: mai întâi, un master este fabricat folosind tehnologia microstructurii, apoi structura master este replicată într-o matriță și, în final, are loc procesul de imprimare.

Litografia Nanoimprint are două variante: imprimarea termică folosește încălzirea pentru a ridica temperatura de rezistență peste temperatura de tranziție sticloasă, urmată de răcire la temperatura camerei; Imprimarea UV folosește lumina ultravioletă pentru a vindeca rezistența, necesitând forme transparente. Folosind tehnologia litografiei cu nanoprint, pot fi produse și replicate nanostructuri cu dimensiuni sub 10 nanometri. Este utilizat în mod obișnuit în aplicații de fotonică, inclusiv holograme, structuri difractive, structuri anti-reflectorizante, matrice de microlensuri și aplicații roll-la-roll.

Scriere directă cu laser: crearea flexibilă a microstructurii

În comparație cu prelucrarea cu laser, scrierea directă cu laser folosește un fascicul laser pentru a structura fotorezist, similar proceselor de litografie utilizate în fabricarea semiconductoarelor. Un strat subțire de fotorezist este depus pe substrat, apoi fotorezistul este structurat folosind procesul de scriere directă cu laser. Scrierea directă cu laser permite fabricarea de structuri binare și continue și este foarte frecvent utilizată pentru fabricarea structurilor Fresnel sau difractive, în special pe substraturi plane.

În comparație cu metodele de litografie, scrierea directă cu laser evită cerințele de aliniere sub-micrometrică a pașilor succesivi de expunere. Pentru a reproduce astfel de structuri, trebuie să fie fabricate inserții de matriță, care pot folosi galvanizarea cu nichel. Structura produsă în fotorezist reprezintă maestrul, urmată de turnare. Evoluțiile recente ale scrisului direct cu laser au făcut posibilă structurarea pe substraturi curbe, depășind limitările substratului plan. Dimensiunile structurii sunt de obicei de aproximativ 5 micrometri, dar pot fi, de asemenea, reduse la 1-3 micrometri.

Scriere cu fascicul de electroni și litografie cu fascicul de ioni

Scrierea fasciculului de electronieste o metodă alternativă pentru structurarea fotorezistenței, similară tehnologiei de scriere directă cu laser, utilizată pentru fabricarea structurilor principale urmate de procese de galvanizare cu nichel. Această tehnologie a fost dezvoltată inițial pentru scrierea măștilor cu semiconductori, dar poate fi folosită și pentru fabricarea elementelor micro-optice, potrivite în special pentru generarea de structuri Fresnel și difractive.

Scrierea cu fascicul de electroni este utilizată în procesele semiconductoare, așa că s-au investit eforturi substanțiale în avansarea rezoluției realizabile. Rezoluția de scriere a fasciculului de electroni în fotorezistul bazat pe PMMA-poate fi de până la 10 nanometri. Această tehnologie poate fi folosită și ca proces de lustruire a suprafețelor metalice, folosind fascicule de electroni defocalizate pentru a scana suprafețele, topirea suprafețelor metalice ducând la o rugozitate redusă a suprafeței.

Litografia cu fascicul de ionifolosește fascicule ionice focalizate pentru a scana suprafețele, creând astfel structuri foarte mici. Această tehnologie este foarte asemănătoare cu scrierea cu fascicul de electroni, dar ionii sunt mai grei și poartă mai multă sarcină, cu lungimi de undă ale fasciculului de ioni mai mici decât electronii, rezultând o rezoluție mai mare. Folosind fascicule de ioni focalizate, au fost raportate dimensiuni ale structurii sub 5 nanometri. Această tehnologie este, de asemenea, utilizată ca metodă de lustruire a elementelor optice litografice, folosind ioni cu energie scăzută-pentru a elimina erorile de formă și a reduce rugozitatea, obținând rugozitatea suprafeței de Ra.<1 nanometer.

Prelucrare și lustruire cu laser

Utilizarea laserelor cu impulsuri scurte-și ultrascurte-este o tehnologie în curs de dezvoltare pentru diferite aplicații de microprelucrare și poate fi utilizată pentru structurarea instrumentelor de turnare. Avantajul principal al prelucrarii cu laser este ca aproape toate materialele pot fi procesate. Când toți parametrii sunt optimizați, prelucrarea cu laser poate fi folosită chiar și ca tratament de lustruire, calitatea suprafeței atingând Ra.<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Lustruire și șlefuiresunt tratamente de finisare care creează suprafețe netede folosind muchii de tăiere nedefinite. Ceea ce toate procesele de lustruire au în comun este utilizarea abrazivelor pentru a netezi suprafețele, cu abrazivi suspendați în fluid pentru a forma o suspensie. Lustruirea poate crea o calitate foarte înaltă a suprafeței în intervalele nano și sub-nano, dar ratele de îndepărtare sunt în general foarte scăzute. Lustruirea poate fi utilizată pentru a prelucra piese plane, sferice, asferice și cu formă liberă, precum și suprafețe structurate.

Selectia tehnologiei

Pentru a sprijini deciziile de selectare a metodelor de fabricație adecvate, putem distinge trei categorii: formare, microstructurare și post{0}}procesare.

Pentru metodele de formare, șlefuirea și prelucrarea de ultra-precizie pot obține o precizie ridicată și suprafețe bune, dar cu rate de îndepărtare a materialului semnificativ reduse în comparație cu prelucrarea electrochimică și prelucrarea cu descărcare electrică. Prelucrarea de ultra-precizie ca metodă de formare rămâne cea mai promițătoare tehnologie, în special atunci când este necesară formarea precisă în inserțiile de matriță optică. Atunci când sunt necesare geometrii complexe, nicio altă tehnologie nu oferă o libertate atât de mare în proiectare precum prelucrarea de ultra-precizie.

Pentru tehnologiile de microstructură, dimensiunea realizabilă a structurii este un factor important. De regulă, pe măsură ce dimensiunea structurii scade și precizia formei crește, aria care poate fi structurată scade din cauza timpilor mai mari de procesare. Prelucrarea de ultra-precizie nu este doar o metodă potrivită pentru modelarea inserțiilor de matriță, ci poate fi folosită și pentru a crea microstructuri. În special, procesul de tăiere a muștei poate produce rapid și economic suprafețe mari structurate în intervalul de centimetri.

Pentru toate metodele de prelucrare în care calitatea suprafeței este insuficientă pentru aplicațiile optice, post{0}}procesarea poate îmbunătăți ulterior calitatea suprafeței. În special, lustruirea și șlefuirea pot produce suprafețe optice. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că operațiunile de post-procesare pot afecta forma generală și precizia formei.