Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Инструмент для производства пресс-форм для стекла

Прецизионное формование стекла - это воспроизводимый процесс, который позволяет изготавливать высокоточные оптические компоненты из стекла без шлифовки и полировки . Этот процесс также известен как сверхточное прессование стекла . Он используется для производства прецизионных стеклянных линз для потребительских товаров, таких как цифровые фотоаппараты , и высокотехнологичных товаров, таких как медицинские системы. Основное преимущество перед механическим производством линз состоит в том, что линзы сложной формы, такие как сферические, можно производить с меньшими затратами.

Процесс [ править ]

Краткое изложение процесса
Температура (в ° C), ход (в мм) и сила (в Н ) во время процесса.

Процесс точного формования стекла состоит из шести этапов: [1] [2]

  1. Стекло заготовки загружают в нижней части формовочного инструмента.
  2. Кислород удаляется из рабочей зоны путем заполнения азотом и / или вакуумирования рабочей камеры.
  3. Система инструментов почти закрыта (нет контакта с верхней формой), а вся система формы, матрицы и стекла нагревается. Инфракрасные лампы используются для обогрева в большинстве систем.
  4. После достижения рабочей температуры, которая находится между температурой перехода и точкой размягчения стекла, формы еще больше закрываются и начинают прессовать стекло в процессе контролируемого перемещения.
  5. По достижении конечной толщины детали прессование переключается на процесс с регулируемым усилием.
  6. По окончании формования стекло охлаждается и рабочая среда заполняется азотом. Когда линза остынет до точки, в которой с ней можно будет работать, ее снимают с инструмента.

Процесс выполняется на специальной формовочной машине, которая точно контролирует температуру, ход и силу во время процесса. Используемые инструменты должны выдерживать высокие температуры и давления, а также быть устойчивыми к химическому взаимодействию со стеклом. Материалы пресс-формы также должны подходить для обработки точных профилей поверхности.

Цепочка процессов [ править ]

Чтобы гарантировать желаемое качество, детали измеряются между каждым этапом процесса. Кроме того, детали тщательно обрабатываются и транспортируются между этапами обработки и метрологии.

  1. Горячее формование капель: процесс прецизионного формования стекла дает наилучшие результаты как по качеству, так и по стоимости, если он работает с точными преформами. Их обычно получают путем прессования или горячего формования «капель» расплавленного стекла. Этот этап осуществляется путем непрерывного плавления стекла и формования в односторонних металлических формах. Этот процесс подходит только для больших объемов производства. Для небольших объемов производства преформы должны изготавливаться путем механического удаления материала с блоков или кусочков сырого стекла.
  2. Прецизионное формование стекла: на этом этапе из преформы непосредственно формируется линза из оптического стекла. Перед началом процесса необходимо очистить стеклянную преформу и форму, но полировка или последующая обработка не требуются.
  3. Покрытие линз: на готовые линзы наносится просветляющее покрытие . Линзы сначала очищаются, а затем загружаются в приспособление. Приспособление, содержащее большое количество линз, помещается в машину для нанесения покрытий. По окончании процесса стеклянные линзы вынимаются из держателя, и держатель очищается пескоструйной очисткой или другими методами. Обычно оптическое покрытие наносится одним из двух методов: физическим осаждением из паровой фазы (PVD), при котором оксидные материалы испаряются и осаждаются на линзе, и химическим осаждением из паровой фазы (PECVD), усиленным плазмой . Химические реакции происходят в вакууме, и продукт реакции оседает на линзе. Линзы имеют покрытие по двум причинам:
    1. Манипулировать или улучшать оптическое пропускание / отражение
    2. Улучшение механических, химических или электрических свойств

Дизайн инструментов и пресс-форм [ править ]

Формы линз [ править ]

Форма оптического элемента [ править ]

Прецизионное формование стекла можно использовать для производства большого количества элементов оптической формы, таких как сферы , асферы , элементы произвольной формы и матричные структуры .

Что касается искривления элементов объектива, следующие утверждения можно сделать: Приемлемые формы линзы являются наиболее би-выпуклые , плоско-выпуклые и мягкий мениска формы. Не неприемлемо, но трудно формовать, являются двояковогнутымилинзы, линзы с крутым мениском и линзы с серьезными особенностями (например, неровность на выпуклой поверхности). Как правило, плоско-изогнутые линзы легче формовать, чем линзы с изогнутыми с обеих сторон сторонами, поскольку легче сопоставить плоские грани. Формование вогнутых форм с малой центральной толщиной затруднено из-за прилипания отформованной детали к форме в результате различных коэффициентов теплового расширения. Кроме того, рекомендуется избегать подрезов и острых краев. При проектировании линз следует учитывать, что линзы должны устанавливаться в измерительных системах.

Форма преформ [ править ]

Форму преформы или «заготовки» нужно выбирать в соответствии с геометрией готового оптического элемента. Возможные заготовки : сферические (шар), почти сферические (капля), плосковыпуклые, плосковыпуклые, плосковогнутые, двояковыпуклые и двояковогнутые. Заготовки шариков и капель не требуют предварительной обработки, тогда как другие преформы требуют шлифовки и полировки. [3]

В следующем разделе описаны основные особенности выбора преформ:

  • Формованная преформа шара

«Используется специально для линз с положительной оптикой: двояковыпуклые, плосковыпуклые и менисковые, где выпуклая сторона сильнее, чем вогнутая, это работает только для относительно небольшого объема материала». [4]

  • Шлифованная и полированная преформа Plano-Plano

«Поскольку линза меняется на двояковогнутую, плоско-вогнутую и мениск с отрицательной оптической силой, где вогнутая сторона более сильная, для процесса формования требуется альтернативная форма заготовки - плосковогнутая. […] По сравнению с формованной преформой наблюдается увеличение стоимости производства преформ этого типа ». [4]

  • Шлифованная и полированная шариковая преформа

«Когда геометрия линзы выходит за пределы диапазона объема отформованной шариковой заготовки, требуется шлифованная и полированная шариковая заготовка. Используется для линз с положительной оптикой: двояковыпуклой, плосковыпуклой и менисковой: там, где выпуклая сторона сильнее, эта геометрия позволяет формовать линзы с большим общим объемом. […] По сравнению с формованной преформой и плоско-плоской преформой наблюдается увеличение стоимости производства преформ этого типа ». [4]

  • Отшлифованная и полированная преформа линзы

«Преформа Lenslet в первую очередь предназначена для линз с положительной оптической силой, двояковыпуклых, плосковыпуклых и менисковых: где выпуклая сторона является самой прочной поверхностью. Использование преформ этого типа позволяет формовать в формовочных машинах самый большой объем стекла в любой момент времени. Линза традиционно шлифуется и полируется до почти чистой формы конечной линзы, а затем прессуется. [...] Стоимость изготовления преформы линз является самой высокой из всех типов преформ ». [4]

  • Гоб преформ

Прецизионные капли могут использоваться в качестве заготовок для производства асферических линз в процессе точного формования. Они производятся путем непрерывного процесса плавления стекла. Полученные прецизионные капли имеют очень гладкую отполированную огнем поверхность с превосходной шероховатостью поверхности и высокой точностью объема.

Размеры [ править ]

Размеры формованных оптических элементов зависят от размера формовочной машины. Процесс точного формования стекла не ограничивается небольшой оптикой. При правильной геометрии элемента он может обеспечить экономичное производство асферических линз диаметром до 60 мм и толщиной более 20 мм. [5]

Общие рекомендации по проектированию:

Размер:

  • Диапазон диаметров: 0,5–70 мм в зависимости от области применения [6]
  • Угол наклона: иногда <60 градусов из-за ограниченной метрологии [6], но более высокие углы возможны некоторыми производителями, которые расширили метрологические возможности (например, Panasonic UA3P или аналогичный).
  • Толщина кромки предпочтительно> 1,0 мм [4] или от 0,5 до 2,0 x центральная толщина [7]
  • Светлая диафрагма должна быть меньше диаметра линзы, желательно как минимум на 1,0 мм (с каждой стороны) [4]
  • Оптические поверхности: [4]

Радиус:

  • Базовый радиус не менее 3,0 мм

Оптические поверхности:

  • Провисание не более 8 мм как на вогнутых, так и на выпуклых поверхностях
  • Для перехода от оптической поверхности к внешнему диаметру линзы требуется минимальное значение радиуса 0,3 мм.

Объем:

  • Объем линзы (включая фланцы), V <= 4/3 π r 3 , где r - наименьший радиус локальной выпуклости.

Допуски [ править ]

Хотя допуски формы, размеров и положения, которые могут быть достигнуты при прецизионном формовании стекла, имеют естественные границы, достигаемые на практике значения сильно зависят от степени контроля и опыта в изготовлении форм и формовании. В таблице ниже представлен обзор достижимых производственных допусков при прецизионном формовании стекла на различных компаниях. [8]

Для асферических линз конструкция должна выдерживать поперечный сдвиг 0,010 мм между поверхностями плюс 5 микрометров полного внутреннего отражения клина (поперек детали без учета бокового сдвига), чтобы считаться прочной. [7]

Технические характеристики асферы: [6]

  • Шероховатость поверхности (Ra): <3 мкм в зависимости от диаметра
  • Погрешность формы (PV): <1 мкм в зависимости от диаметра

Падение индекса [ править ]

Благодаря быстрому охлаждению после формования деталь сохраняет небольшое остаточное напряжение. Следовательно, стекло демонстрирует небольшое изменение показателя преломления, которое необходимо учитывать при проектировании оптики. Более высокая скорость охлаждения соответствует большему уменьшению показателя преломления. Более низкая скорость охлаждения могла бы избежать падения индекса, но была бы менее рентабельной [4]

Стеклянный материал [ править ]

Многие очки можно использовать с PGM. Однако есть некоторые ограничения: [4]

Изменение показателя преломления и числа Аббе для разных типов стекла и скоростей отжига
  • Температура стеклования Tg не должна превышать максимальную температуру нагрева формы.
  • Многие кремневые стекла с оксидом свинца не соответствуют директиве ЕС RoHS ( ограничение содержания определенных опасных веществ ).
  • Состав стекла влияет на срок службы формовочного инструмента
  • Для халькогенидных материалов требуются преформы определенной формы.
  • Расширение / сжатие стекла сильно зависит от температуры и скорости. Коэффициент теплового расширения (КТР) пресс - формы и стекла должны совпадать. Высокая разница CTE означает большое отклонение между формованным стеклом и формой. Стекла с высоким КТР также важны с точки зрения неравномерного распределения температуры в стекле. Это означает, что нельзя применять особо быстрое охлаждение. Кроме того, разница температур между теплой линзой сразу после формования и окружающим воздухом может легко вызвать трещины. [15] [16]
  • Кроме того, температурная зависимость вязкости стекла, структурная и вязкоупругая релаксация под напряжением в стекле играют важную роль в определении формы заготовки линзы, конечного напряженного состояния и отклонения формы. [17]
  • Внутреннее и внешнее качество заготовки должно быть таким же или лучше, чем требования к готовой линзе, поскольку процесс точного формования стекла не может улучшить качество стекла.
  • В процессе отжига стекло демонстрирует изменение показателя преломления, называемое падением показателя преломления. Это падение вызвано быстрым охлаждением вставки формы, вызывающим небольшое остаточное напряжение в стекле. В результате стекло демонстрирует небольшое изменение индекса по сравнению с состоянием тонкого отжига. Падение индекса невелико (обычно 0,002–0,006), но необходимо оптимизировать оптическую конструкцию, чтобы компенсировать это изменение. Например, падение индекса для разных типов стекла показано на рисунке справа для разных скоростей отжига. Обратите внимание, что скорость отжига не обязательно постоянна во время процесса охлаждения. Типичные «средние» скорости отжига для прецизионного формования составляют от 1000 К / ч до 10 000 К / ч (или выше). Из-за быстрого отжига изменяется не только показатель преломления, но и число Аббе стекла.Показанные точки на рисунке справа указывают на скорость отжига 3500 тыс. / Ч.

Так называемые «стекла с низкой Tg» с максимальной температурой перехода менее 550 ° C были разработаны для того, чтобы открыть новые производственные маршруты для форм. Материалы пресс-формы, такие как сталь, могут использоваться для формования стекла с низкой Tg, тогда как для стекла с высокой Tg требуется высокотемпературный материал пресс-формы, такой как карбид вольфрама .

Материалы подложки [ править ]

Материал пресс-формы должен иметь достаточную прочность, твердость и точность при высокой температуре и давлении. Также необходимы хорошая стойкость к окислению, низкое тепловое расширение и высокая теплопроводность. Материал формы должен быть подходящим, чтобы выдерживать рабочие температуры, не подвергаясь процессам деформации. Следовательно, выбор материала формы в значительной степени зависит от температуры перехода стекломатериала. Для стекол с низким Tg можно использовать стальные формы с покрытием из никелевого сплава. Поскольку они не могут выдерживать высокие температуры, необходимые для обычных оптических стекол, в этом случае необходимо использовать жаропрочные материалы, такие как карбидные сплавы. Кроме того, материалы форм включают алюминиевые сплавы, стеклообразный или стекловидный углерод, карбид кремния, нитрид кремния и смесь карбида кремния и углерода.[18]

Обычно при изготовлении пресс-форм используется карбид вольфрама . Вкладыши в пресс-форму изготавливаются методом порошковой металлургии, то есть путем спекания с последующими процессами последующей обработки и сложными операциями шлифования. Чаще всего металлическое связующее (обычно кобальт) добавляют при жидкофазном спекании. В этом процессе металлическое связующее улучшает ударную вязкость формы, а также качество спекания жидкой фазы до полностью плотного материала. [19] Формы из твердых материалов обычно имеют срок службы тысяч деталей (в зависимости от размера) и экономичны для объемов 200-1000+ (в зависимости от размера детали).

Производство пресс-форм [ править ]

В этой статье описывается, как изготавливаются вставки форм для точного литья стекла.

Чтобы гарантировать высокие стандарты качества, метрологические этапы выполняются между каждым этапом процесса.

  1. Обработка порошка : этот этап процесса отвечает за получение размера зерна, подходящего для прессования и механической обработки. Порошок обрабатывают путем измельчения сырья.
  2. Прессование : На этом этапе выполняется предварительное формование «зеленых» необработанных тел вставок пресс-формы.
  3. Спекание : спеканием предварительно сформированные сырые тела сжимаются и затвердевают. Для этого сырое тело нагревают до температуры ниже температуры плавления. Процесс спекания состоит из трех этапов: во-первых, уменьшаются объем и пористость, а во-вторых, уменьшается открытая пористость. На третьем этапе формируются горловины из спеченного материала, повышающие прочность материала.
  4. Предварительная обработка : на этапе предварительной обработки создается основная форма оптической вставки. Обычно он состоит из четырех этапов процесса. Эти этапы включают шлифование внутреннего / внешнего диаметра, шлифование параллельных / торцевых поверхностей пластины, шлифование / притирку фитинга вставки и, наконец, шлифование полости почти чистой формы. Обычно полость предварительно обрабатывается только до плоской или наиболее подходящей сферы.
  5. Шлифовка :Шлифовка или чистовая обработка создают окончательную форму и чистоту поверхности полости во вставке пресс-формы. Обычно финишную обработку проводят шлифовкой; необязательно требуется последующий этап полировки. Для чистовой шлифовки может потребоваться несколько смен шлифовального инструмента и несколько этапов правки инструмента. Чистовая обработка пресс-формы - это итеративный процесс: до тех пор, пока обработанная пресс-форма показывает отклонения от номинального контура на этапе измерения после шлифования, ее необходимо переточить. Четкой границы между предварительной обработкой и чистым шлифованием нет. В процессе шлифования полости размер зерна инструмента, скорость подачи и глубина резания уменьшаются, а время обработки увеличивается. Выпуклые поверхности легче изготавливать.Необходимые этапы подготовки заготовки - это выравнивание пресс-формы и привязка пресс-формы. Также необходимо выполнить центровку шлифовального инструмента, привязку шлифовального инструмента и регулировку шлифовального инструмента. После этого может потребоваться полировка для удаления оставшейся после шлифовки анизотропной структуры. Это может быть выполнено вручную или на станке с ЧПУ.
  6. Покрытие :Покрытие - это этап процесса, на котором на поверхность полости оптической вставки наносится слой, который защищает форму от износа, коррозии, трения, прилипания стекла и химических реакций со стеклом. Для покрытия поверхности форм методом физического осаждения из паровой фазы (PVD) металлы испаряются в сочетании с химическими веществами на основе технологического газа. На поверхности инструмента синтезируются тонкие покрытия с высокой адгезией. Материалы для покрытий на оптических вставках: PVD на основе платины (в основном легированный иридием, стандартный), алмазоподобный углерод (пока коммерчески недоступен), SiC (CVD) на SiC-керамике (еще не коммерчески доступный, должен быть пост- механически обработанный) или TiAlN (пока нет в продаже). Для достижения однородной толщины слоя необходимо изменить положение формы во время нанесения покрытия.Чтобы подготовить форму для нанесения покрытия, поверхности необходимо обезжирить, очистить (в условиях чистой или почти чистой комнаты) и перемешать. Особенно необходимо очистить катод машины. После этого процесса заготовка должна быть отрегулирована.
  7. Сборка : на этом этапе процесса оптическая вставка и основание формы объединяются в собранную форму. Для одного оптического элемента необходимы две пресс-формы, которые собираются вне станка. Для сборки необходимы измерение высоты и регулировка проставки.
  8. Тесты формования : на этом этапе определяется, создает ли пресс-форма заданную форму и качество поверхности. Если плесень не подходит, ее необходимо переточить. Это часть итеративного цикла. Сборка формы должна быть помещена в машину, чтобы начать пробную формовку.

Чтобы сохранить качество и обеспечить раннее предупреждение в случае каких-либо проблем между каждым шагом, должен быть этап измерения и привязки. Кроме того, при планировании процесса необходимо учитывать время на транспортировку и погрузочно-разгрузочные работы.

Метрология и обеспечение качества [ править ]

После разработки процесса и инструмента точное формование стекла имеет большое преимущество перед традиционными методами производства. Большинство качественных характеристик объектива зависит от инструмента. Это означает, что линзы, которые прессуются одним и тем же инструментом и одним и тем же способом, обычно имеют лишь незначительно небольшие отклонения. Например, важной характеристикой линзы является форма оптической поверхности. В случае асферических линз измерение оптических поверхностей очень сложно и связано с большими усилиями. Кроме того, при работе с системами тактильных измерений всегда есть риск поцарапать оптическую поверхность. Для прецизионных литых линз такие измерения необходимы только для небольшого количества образцов линз, чтобы квалифицировать инструмент.После этого можно будет производить серийное производство без дополнительных измерений. В этом случае необходимо следить только за чистотой оптической поверхности. Еще одно преимущество заключается в том, что центральную толщину линзы можно оценить по легко измеряемой толщине края или с помощью бесконтактной системы измерения.[20]

Защитные покрытия [ править ]

Чтобы продлить срок службы вставки формы, можно нанести защитные покрытия. «Материалы, которые были выбраны для антипригарных покрытий, можно разделить на 5 групп, включая: (1) однослойные карбиды, нитриды, оксиды и бориды, такие как TiN, BN, TiAlN, NiAlN, TiBC, TiBCN, NiCrSiB и Al 2 O. 3 , (2) градиент и многослойность на основе нитридов или карбидов, (3) сверхрешеточные пленки на основе нитридов, (4) аморфный углерод или алмазоподобный углерод и (5) сплавы на основе благородных металлов » [21]

Эксперименты, проведенные Ma et al. дают следующие результаты: [21] «Чем выше температура, тем меньше может наблюдаться угол смачивания между стеклянной каплей и подложкой. Это указывает на то, что произошла серьезная химическая реакция на границе раздела, которая привела к потере прозрачности внешнего вида стекла. Эксперимент по смачиванию в среде азота улучшил ситуацию прилипания. Комбинация химически стабильных подложек и покрытий, таких как сапфир (подложка) / GaN (пленка) и стекло (подложка) / Al 2 O 3 (пленка), может обеспечить наилучшее предотвращение прилипания. Пленки из драгоценных металлов, таких как PtIr (платина, иридий), нанесенные на керамические подложки, могут эффективно уменьшить межфазную реакцию между стеклом и подложками ».

Хотя PtIr используется в качестве стандартного материала покрытия, его недостатком является высокая стоимость. Поэтому исследовательская деятельность направлена ​​на замену PtIr более дешевыми материалами.

См. Также [ править ]

  • Изготовление и тестирование (оптические компоненты)

Ссылки [ править ]

  1. ^ Klocke, Ф.др .: «Производство стекла дифракционной оптики с использованием процесса формования», Американское общество точного машиностроения (Annual Meeting) 21, 2006, Monterey / Калифорния.
  2. ^ Klocke, F .; Dambon, O .; Hünten, M.: "Integrative Fertigung von Mikrooptiken" erschienen в "WT Werkstatttechnik Online" Heft-Nr.6 / 99
  3. ^ Klocke, F .; Dambon, O .; Ван, Ф .: "Referate der Vorträge und Poster der 81. Glastechnischen Tagung der Deutschen Glastechnischen Gesellschaft", 04. - 06. июнь 2007, Аахен
  4. ^ a b c d e f g h i Диган, Дж. и др.: Технический бюллетень RPO по прецизионному формованию стекла, 28.06.2007. Скачать здесь
  5. ^ Фогт, Х .: Прецизионное формование обеспечивает компактную потребительскую оптику. Laser Focus World, июль 2007 г., стр. 115-118. Чтобы просмотреть статью в Интернете, нажмите здесь
  6. ^ a b c Браунекер, Б.: Продвинутая оптика с использованием асферических элементов. SPIE Press, Беллингхэм, 2008 г., стр.264
  7. ^ a b «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2008-07-04 . Проверено 14 августа 2009 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  8. ^ Klocke, F .; Dambon, O .; Sarikaya, H .; Понгс, Г.: «Исследования точности формования стеклянных компонентов сложной формы» из «Труды международной конференции Euspen - Цюрих - май 2008 г.»
  9. ^ Диган, Дж. И др.: Техническое описание прецизионного формования стекла RPO, 28.06.2007
  10. ^ Браунекер, Б .: Продвинутая оптика с использованием асферических элементов. SPIE Press, Беллингхэм, 2008 г., стр.255
  11. ^ Оптика светового пути: http://www.lightpath.com/
  12. ^ «Продукция - Оптические компоненты» .
  13. ^ «FISBA | Продвинутые оптические компоненты и индивидуальные системы» . www.fisba.com . Проверено 30 марта 2017 .
  14. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2017-03-31 . Проверено 30 марта 2017 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  15. ^ http://www.wiley-vch.de/berlin/journals/op/09-04/OP0904_S46-S48.pdf
  16. ^ "По". 2014. CiteSeerX 10.1.1.677.4477 .  Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  17. ^ Ananthasayanam et.al. Окончательная форма прецизионной формованной оптики: Часть II - Проверка и чувствительность к свойствам материала и параметрам процесса, https://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/01495739.2012.674838
  18. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2013-04-22 . Проверено 14 августа 2009 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  19. ^ Чой, В. и др.: Разработка и изготовление пресс-формы из карбида вольфрама с микрорельефами, отпечатанными с помощью микролитографии. J. Micromech. Microeng. 14 (2004) 1519–1525
  20. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинала на 2009-01-22 . Проверено 24 августа 2009 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  21. ^ a b Ma, KJ et al .: Дизайн защитных покрытий для литья стеклянных линз. Ключевые технические материалы, тт. 364-366 (2008), стр 655-661