Optikai formabetét gyártási technológia

A polimer optikai alkatrészek egyre fontosabbá váltak a mai piacon. Mivel az optikai elemekkel szembeni teljesítményigények folyamatosan emelkednek, a gyártási folyamatok jelentős kihívásokkal néznek szembe. Ezek közül különösen kritikus a replikációs folyamatokhoz szükséges formabetétek gyártása, amely közvetlenül befolyásolja az optikai alkatrészek végső minőségét. Ez az áttekintés a jelenleg elérhető gyártási technológiákat vizsgálja, hogy segítse a mérnököket megalapozott döntések meghozatalában a gyakorlati alkalmazások során.

A polimer optikai elemek jelentős előnyöket kínálnak a hagyományos üveglencsékkel szemben. Gyors tömeggyártást tesznek lehetővé fröccsöntéssel vagy-sajtolással, alacsonyabb gyártási költségek mellett. Ezenkívül a szerelési és beállítási funkciók közvetlenül integrálhatók az optikai alkatrészekbe, így nincs szükség további szerelvényekre és összeszerelési eljárásokra. A világítási rendszerektől az autóipari alkalmazásokig, a képalkotó eszközöktől az érzékelőkig a polimer optikai elemek alkalmazási területei folyamatosan bővülnek.

Külön figyelmet érdemel a mikrostrukturált optikai komponensek megjelenése. A mikroszerkezeti jellemzők hozzáadása a lencsefelületekhez jelentősen növelheti a teljesítményt, csökkentheti a rendszer súlyát, korrigálhatja az aberrációkat és formálhatja a fénysugarat. Az olyan mikrostruktúrák, mint a mikrolencse-tömbök, a diffrakciós optikai elemek, a Fresnel-lencsék és a prizmatömbök létfontosságú szerepet játszanak olyan területeken, mint a napkoncentráció, a sugárformálás és a mérési rendszerek.

Gyártási technológiák osztályozási rendszere

Az optikai formabetétek gyártási technológiái két nagy kategóriába sorolhatók: az optikai minőségű felületeket létrehozó eljárások, valamint az optikai mikrostruktúrák létrehozásának technikái. Mivel az optikai formabetétek jellemzően rendkívül nagy alakpontosságot és felületminőséget igényelnek, ez a két tényező alapvető mérőszámként szolgál a különböző technológiák értékeléséhez.

Ultra-Precíziós megmunkálás: Az optikai gyártás alapja

Az 1960-as években történt megjelenése óta az ultra-precíziós megmunkálás továbbra is a leggyakrabban használt módszer az optikai formabetétek előállítására. Ennek a technológiának a legfőbb előnye a nanométeres-szintű pozicionálási pontosság elérése, ezáltal kivételes felületi minőség és alakpontosság érhető el. A gyémánt-megmunkált alkatrészek felületi érdessége jellemzően 10 nanométer alatt van, így utólagos feldolgozás nélkül{7}}tükör{7}minőségű felületet érnek el.

A jó minőségű{0}}alkatrészek beszerzéséhez a gépalkatrészeknek a határokon kell teljesíteniük. A gyémántmegmunkáló rendszerek gránitot használnak alapként, nagy-precíziós pozicionáló rendszerekkel, nagy-sebességű orsókkal, valamint precíz rögzítésekkel és kezelőberendezésekkel. A légcsapágyas orsók és a hidrosztatikus csapágyak a szerszámok és alkatrészek precíz mozgatását teszik lehetővé, a helyzetszabályozást az 1 nanométer alatti felbontású üvegrács garantálja. A hőmérséklet-szabályozás ugyanilyen kritikus, karbantartást igényel ±0,1 K vagy annál kisebb tartományon belül.

Az egy-kristálygyémánt a szerszámok élét képezi, köszönhetően kiemelkedő keménységének és rendkívül éles, 50 nanométer alatti élkerekségnek köszönhetően. Az elérhető alkatrészminőség és pontosság nagymértékben függ a gyémántszerszám minőségétől. A gyémántmegmunkálás azonban a nem-vastartalmú anyagokra korlátozódik, így a nikkel-foszfor bevonat ipari szabvány. A nikkel{7}}foszfor gyémántszerszámokkal megmunkálható, gyakorlatilag elhanyagolható szerszámkopással.

Gyémánt esztergálásA forgásszimmetrikus optikai alkatrészek gyártásának standard eljárását képviseli, amely alkalmas gömb- és aszférikus lencseformák előállítására. Az elérhető felületminőség nagymértékben függ a folyamattényezőktől és az anyagtényezőktől. Az elsődleges befolyásoló tényezők közé tartozik az orsó fordulatszáma, a szerszámcsúcs sugara és az előtolás. A nagy orsófordulatszám, a nagy szerszámcsúcs sugarak és a lassú előtolás általában javítja a felület érdességét.

Lassú szerszám szervo technológiaúgy lett kifejlesztve, hogy megfeleljen az aszimmetrikus optikai elemek magas követelményeinek. A hagyományos gyémántesztergálási beállításokra építve Z-tengely oszcillációt ad a megmunkálás során. A lassú szerszámszervó rendkívül pontos aszimmetrikus alkatrészeket tud előállítani minden további gépi felszerelés nélkül. Ezzel a technológiával mikrolencse-tömbök, prizmatömbök, diffrakciós optikai elemek, tengelyen kívüli aszférák és szabad formájú optikai felületek gyárthatók.

Gyors szerszám szervo technológiahasonlít a lassú szerszámszervóra, de egy további működtetőelemet használ a szerszám hegyének oszcillálására. A gyors szerszámszervó precíz szerszámpozícionálást tesz lehetővé, de lényegesen kisebb lökettel, mint a lassú szerszámszervó technológia, jellemzően néhány mikrométertől több száz mikrométerig terjed. A gyorsszervót általában gyémánt{2}}esztergált felületek gyártására használják olyan szerkezetekkel, mint a mikroprizmák és lencsetömbök.

Gyémánt marásgyémánt golyós-végmarókat használ egyetlen vágóéllel, a szerszám nagy sebességgel forog a mikrométeres tartományban lévő forgácsok eltávolítására. A gyémánt esztergáláshoz képest a marás észrevehetően lassabb, de nagyobb szabadságot kínál a tervezésben. A gyémántmarást elsősorban nem-sima felületek, különösen mikrolencse-tömbök és szabad formájú felületek gyártására használják.

Légyvágásforgó szerszámot használ, a gyémánt a tengelyen kívül van-, így a gyémánt nem tart állandó kapcsolatot az anyaggal. A légyvágás hatékonyan képes nagy felületeken optikai felületminőségű sík felületeket létrehozni, és alkalmas módszer mikrostruktúrák és szabad formájú optika létrehozására is.

Áttörés az ultra{0}}precíziós acélmegmunkálásban

Mivel az edzett acél a legnépszerűbb mérnöki anyag, jelentős kutatások folytak vastartalmú anyagok gyémántszerszámokkal történő megmunkálására. Az elsődleges szerszámkopási mechanizmusok közé tartozik a tapadás és a felépített{1}}élképződés, a kopás és a kifáradás, a súrlódási hőkopás és a tribokémiai kopás. A szerszámkopás fő oka a kémiai mechanizmusok.

A súlyos szerszámkopás elkerülése érdekében a kutatók különböző megközelítéseket javasoltak:

Ultrahangos vibrációs vágása legígéretesebb módszer a vastartalmú anyagok gyémántszerszámokkal történő megmunkálására. A vágószerszám elliptikusan rezeg, jelentősen csökkentve a súrlódási erőket és a gyémánt és a hordozó közötti érintkezési időt. Ez a technológia nemcsak vastartalmú anyagok megmunkálásához hasznos, hanem felületi mikrostrukturálást is lehetővé tesz, miközben optikai felületi minőséget ér el Ra-val<10 nanometers.

A vágási feltételek optimalizálásaegy másik módszer a gyémántkopás csökkentésére. A kutatócsoportok különböző forgácsolási körülményekkel próbálkoztak, beleértve a kriogén megmunkálást és a gázkörnyezetben végzett megmunkálást. A kriogén körülmények között végzett gyémántesztergálás jelentősen csökkentheti a szerszámkopást, 25 nanométernél jobb felületi érdesség mellett.

Kötőanyag nélküli köbös bór-nitrid szerszámokAz egyik legígéretesebb módszer a vastartalmú anyagok optikai felületeinek előállítására. A köbös bór-nitrid kiváló hőállósággal és kémiai stabilitással rendelkezik, keménysége a gyémánt után a második. 52HRC keménységű rozsdamentes acél esztergálásakor kötőanyag nélküli köbös bór-nitrid szerszámokkal a felületi érdesség Ra<10 nanometers can be obtained.

Egyéb formázási technológiák

Elektromos kisülésű megmunkálásegy termoelektromos megmunkálási eljárás, amely a szerszám elektródája és a munkadarab közötti elektromos szikrák sorozatán keresztül távolítja el az anyagot. Az elektromos kisüléses megmunkálással rendkívül pontos formák hozhatók létre viszonylag magas anyagleválasztási sebesség mellett. Az elérhető felületminőség azonban nem elegendő az optikai alkalmazásokhoz, amelyek utófeldolgozást, például csiszolást, vágást vagy polírozást igényelnek a sima és pontos optikai felületek eléréséhez. A mikro-elektromos kisülési megmunkálás különösen alkalmas nagy-méretarányú-mikrostruktúrákat igénylő alkalmazásokhoz, amelyek mérete akár 3 mikrométer, a méretarány pedig akár 100 is lehet.

Elektrokémiai megmunkáláseltávolítja az anyagot a fém anódos feloldásával az elektrolízis során. A hagyományos megmunkálási technológiákhoz képest az elektrokémiai megmunkálás magas anyagleválasztási sebességet, bármilyen keménységű anyagra alkalmazható, a szerszámkopás hiányát és sima felületeket kínál. Ezt a technológiát a hagyományosan megmunkált munkadarabok utómegmunkálására- lehet használni, amikor ezt elektrokémiai polírozásnak nevezik. Továbbfejlesztett elektrokémiai megmunkálási eljárásokkal a felületi érdesség elérheti a 0,06 mikrométert.

Őrlésáltalában optikai formák gyártására használják. Mivel a csiszolás során elérhető érdesség nem elegendő az optikai alkalmazásokhoz, utófeldolgozást, például polírozást{1}} kell végezni. Az ultra-precíziós köszörülésnél gyantás gyémántkorongok vagy köbös bór-nitrid korongok használhatók a jó alakpontosság és az Ra felületi érdesség eléréséhez<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Mikrostruktúra gyártási technológiák

LIGA-folyamat: a nagy{0}}precíziós mikrostruktúrák úttörője

A LIGA három német szót jelent: litográfia, galvanizálás és fröccsöntés. Ezt a technológiát az 1980-as években fejlesztették ki, és széles körben használják fröccsöntő szerszámok gyártására. A nagy-méretarányú-szerkezetű alkatrészek esetében ez a technológia különleges előnyöket kínál más gyártási technológiákhoz képest, mivel 1 mikrométernél kisebb mikroszerkezeteket állít elő.

A LIGA folyamat három egymást követő műveletből álló folyamatláncot ír le. Az első lépés egy litográfiai eljárás az aljzat strukturálására. Ezt követően egy nikkel galvanizálási folyamat zajlik le, a strukturált szubsztrátumot használva mesterként a forma létrehozásához. Az utolsó lépésben fröccsöntést vagy forró dombornyomást alkalmazhatunk az alkatrészek előállításához. A LIGA eljárás elsődleges alkalmazása az optikában a diffrakciós optikai elemek gyártása, valamint mikrolencse-tömbök, mikroprizmák, mikrotükrök és hullámvezetők előállítására is alkalmas.

Nanoimprint litográfia: A nanoméretű pontosság művészete

A nanoimprint litográfia egy litográfiai technológia, amely lehetővé teszi a polimer nanostruktúrák nagy áteresztőképességű{0}}mintázatát. Ezt a technológiát először 1995-ben javasolták, és három fő lépésből áll: először mikroszerkezeti technológiával készítik el a mesterszerkezetet, majd a mesterszerkezetet öntőformába replikálják, végül megtörténik a lenyomatolási folyamat.

A nanolenyomat litográfiának két változata van: a hőnyomtatás melegítéssel az üvegesedési hőmérséklet fölé emeli az ellenállási hőmérsékletet, majd szobahőmérsékletre hűti; Az UV-lenyomat ultraibolya fényt használ a reziszt kikeményítésére, átlátszó formákat igényel. A nanoimprint litográfiai technológiával 10 nanométer alatti elemmérettel rendelkező nanostruktúrák állíthatók elő és reprodukálhatók. Általában fotonikai alkalmazásokban használják, beleértve a hologramokat, a diffrakciós struktúrákat, a -reflexiós struktúrákat, a mikrolencse-tömböket és a tekercses-to{5}}alkalmazásokat.

Közvetlen lézeres írás: Rugalmas mikrostruktúra létrehozása

A lézeres megmunkáláshoz képest a lézeres közvetlen írás lézersugarat használ a fotoreziszt szerkezetére, hasonlóan a félvezetőgyártásban használt litográfiai eljárásokhoz. A hordozóra vékony réteg fotoreziszt kerül, majd lézeres közvetlen írási eljárással strukturálják a fotorezisztet. A lézeres közvetlen írás lehetővé teszi bináris és folytonos struktúrák gyártását, és nagyon gyakran használják Fresnel vagy diffrakciós struktúrák gyártására, különösen sík hordozókon.

A litográfiás módszerekkel összehasonlítva a lézeres közvetlen írás elkerüli az egymást követő expozíciós lépések sz{0}mikrométeres igazítási követelményeit. Az ilyen szerkezetek reprodukálásához szerszámbetéteket kell gyártani, amelyek nikkel galvanizálást alkalmazhatnak. A fotorezisztben előállított szerkezet képviseli a mestert, ezt követi az öntés. A közelmúltbeli lézeres közvetlen írásfejlesztések lehetővé tették az íves hordozókon történő strukturálást, leküzdve a sík hordozó korlátait. A szerkezetek mérete jellemzően 5 mikrométer körüli, de 1-3 mikrométerre is csökkenthető.

Elektronsugaras írás és ionsugaras litográfia

Elektronsugaras írásA lézeres direkt írási technológiához hasonló alternatív módszer a fotoreziszt strukturálására, amelyet mesterszerkezetek gyártására használnak, majd nikkel galvanizálási eljárásokat. Ezt a technológiát eredetileg félvezető maszkíráshoz fejlesztették ki, de felhasználható mikro-optikai elemek gyártására is, különösen alkalmas Fresnel és diffrakciós struktúrák előállítására.

Az elektronsugaras írást a félvezető eljárásokban használják, ezért jelentős erőfeszítéseket tettek az elérhető felbontás fejlesztésébe. A PMMA{1}}alapú fotoreziszt elektronsugaras írási felbontása akár 10 nanométer is lehet. Ez a technológia fémfelületek polírozására is használható, defókuszált elektronsugarak segítségével a felületek pásztázására, a fémfelület megolvadásával a felületi érdesség csökkenéséhez vezet.

Ionsugaras litográfiafókuszált ionnyalábokat használ a felületek pásztázására, ezáltal nagyon kicsi struktúrákat hoz létre. Ez a technológia nagyon hasonlít az elektronsugaras íráshoz, de az ionok nehezebbek és nagyobb töltést hordoznak, az ionnyaláb hullámhossza kisebb, mint az elektronoké, ami nagyobb felbontást eredményez. Fókuszált ionsugarak használatával 5 nanométer alatti szerkezetméretekről számoltak be. Ezt a technológiát litográfiai optikai elemek polírozására is használják, alacsony-energiájú ionokat használva az alakhibák eltávolítására és az érdesség csökkentésére, így elérve az Ra felületi érdességét.<1 nanometer.

Lézeres megmunkálás és polírozás

A rövid-impulzusú és ultrarövid{1}}impulzusú lézerek alkalmazása a különböző mikromegmunkálási alkalmazásokban feltörekvő technológia, amely fröccsöntő szerszámok strukturálására is használható. A lézeres megmunkálás elsődleges előnye, hogy szinte minden anyag megmunkálható. Ha minden paraméter optimalizálva van, a lézeres megmunkálás akár polírozásként is használható, a felület minősége eléri az Ra értéket<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Polírozás és lelapolásolyan befejező kezelések, amelyek meghatározatlan vágóélek használatával sima felületeket hoznak létre. Az összes polírozási eljárásban közös a csiszolóanyagok használata a felületek simítására, miközben a csiszolóanyagokat folyadékban szuszpendálják, hogy zagyot képezzenek. A polírozás nagyon jó felületi minőséget eredményezhet a nano és a szub{2}}nano tartományban, de az eltávolítási arány általában nagyon alacsony. A polírozás sík, gömb, aszférikus és szabad formájú munkadarabok, valamint strukturált felületek megmunkálására használható.

Technológia kiválasztása

A megfelelő gyártási módszerek kiválasztására vonatkozó döntések alátámasztására három kategóriát különböztetünk meg: formázás, mikrostrukturálás és utófeldolgozás.

Alakítási módszereknél a köszörülés és az ultraprecíziós megmunkálás{0}} nagy pontosságú és jó felületeket érhet el, de az elektrokémiai megmunkáláshoz és az elektromos kisüléses megmunkáláshoz képest jelentősen alacsonyabb anyagleválasztási sebességgel. Az ultra-precíziós megmunkálás mint alakítási módszer továbbra is a legígéretesebb technológia, különösen akkor, ha az optikai formabetétek precíz alakítására van szükség. Ha összetett geometriákra van szükség, egyetlen más technológia sem kínál akkora szabadságot a tervezésben, mint az ultra-precíziós megmunkálás.

A mikroszerkezeti technológiáknál fontos tényező az elérhető szerkezetméret. Alapszabály, hogy a szerkezet méretének csökkenésével és az alakpontosság növekedésével a hosszabb feldolgozási idők miatt csökken a strukturálható terület. Az ultra-precíziós megmunkálás nemcsak a formabetétek formázására alkalmas, hanem mikrostruktúrák létrehozására is használható. Különösen a légyvágási eljárással lehet gyorsan és gazdaságosan nagy strukturált területeket készíteni centiméteres tartományban.

Minden olyan megmunkálási módszernél, ahol a felület minősége nem megfelelő az optikai alkalmazásokhoz, az utófeldolgozás{0}}utólag javíthatja a felület minőségét. Különösen a polírozás és a lelapolás készíthet optikai felületeket. Figyelembe kell azonban venni, hogy az utófeldolgozási-műveletek befolyásolhatják az általános alakot és az alakzat pontosságát.