Optiliste vormide valmistamise tehnoloogia

Polümeerist optilised komponendid on tänapäeva turul muutunud üha olulisemaks. Kuna optiliste elementide jõudlusnõuded kasvavad jätkuvalt, seisavad tootmisprotsessid silmitsi tõsiste väljakutsetega. Nende hulgas paistab eriti kriitilise tähtsusega silma replikatsiooniprotsesside jaoks mõeldud valuvormide tootmine, mis mõjutab otseselt optiliste komponentide lõppkvaliteeti. Selles ülevaates uuritakse praegu saadaolevaid tootmistehnoloogiaid, mis aitavad inseneridel teha praktilistes rakendustes teadlikke otsuseid.

Polümeersed optilised elemendid pakuvad tavaliste klaasist läätsede ees olulisi eeliseid. Need võimaldavad kiiret masstootmist survevalu või survevalu-survevalu abil madalamate tootmiskuludega. Lisaks saab paigaldus- ja joondusfunktsioone integreerida otse optilistesse komponentidesse, välistades vajaduse täiendavate kinnituste ja montaažiprotseduuride järele. Polümeersete optiliste elementide kasutusvaldkonnad laienevad jätkuvalt alates valgustussüsteemidest kuni autotööstuse rakendusteni, pilditöötlusseadmetest anduriteni.

Erilist tähelepanu väärib mikrostruktureeritud optiliste komponentide esilekerkimine. Mikrostruktuuri funktsioonide lisamine läätsepindadele võib oluliselt parandada jõudlust, vähendada süsteemi kaalu, korrigeerida aberratsioone ja kujundada valguskiire. Mikrostruktuurid, nagu mikroläätsede massiivid, difraktsioonilised optilised elemendid, Fresneli läätsed ja prisma massiivid, mängivad olulist rolli sellistes valdkondades nagu päikese kontsentratsioon, kiirte kujundamine ja mõõtmissüsteemid.

Tootmistehnoloogiate klassifikatsioonisüsteem

Optiliste valuvormide tootmistehnoloogiad võib jagada kahte suurde kategooriasse: meetodid, millega luuakse optilise kvaliteediga pindu, ja tehnikad optiliste mikrostruktuuride loomiseks. Kuna optilised valuvormid nõuavad tavaliselt väga suurt kuju täpsust ja pinna kvaliteeti, on need kaks tegurit erinevate tehnoloogiate hindamise põhinäitajad.

Ultra-Täppistöötlus: optilise tootmise alus

Ultra-täppistöötlus on alates selle ilmumisest 1960. aastatel jäänud kõige sagedamini kasutatavaks meetodiks optiliste valuvormide valmistamisel. Selle tehnoloogia põhieelis seisneb nanomeetri-taseme positsioneerimise täpsuses, saavutades seeläbi erakordse pinnakvaliteedi ja kuju täpsuse. Teemant{5}}töödeldud komponentide pinnakaredus on tavaliselt alla 10 nanomeetri, saavutades peegel{7}kvaliteetse viimistluse ilma järeltöötluseta.

Kvaliteetsete{0}}osade saamiseks peavad masina komponendid toimima oma piirides. Teemanttöötlussüsteemid kasutavad põhjana graniiti, mis on varustatud ülitäpsete positsioneerimissüsteemide,-kiirete spindlite ning täpsete kinnituste ja tööseadmetega. Õhklaagrite spindlid ja hüdrostaatilised laagrid võimaldavad tööriistade ja osade täpset liigutamist, kusjuures asendi kontrolli tagavad klaasrestid, mille eraldusvõime on alla 1 nanomeetri. Temperatuuri juhtimine on sama kriitiline, vajades hooldust ±0,1 K või väiksemates vahemikes.

Üksik-kristallteemant moodustab tööriistade lõiketera tänu oma silmapaistvale kõvadusele ja võimele luua äärmiselt teravaid servi, mille servade ümardus on alla 50 nanomeetri. Osade saavutatav kvaliteet ja täpsus sõltuvad suuresti teemanttööriistade kvaliteedist. Teemanttöötlemine piirdub aga mitteraudmaterjalidega, mistõttu nikkel-fosforkatmine on tööstusstandard. Nikkel{7}}fosforit saab töödelda teemanttööriistadega, mille tööriistade kulumine on peaaegu tühine.

Teemantide treimineesindab standardset pöörlemissümmeetriliste optiliste komponentide valmistamise protsessi, mis sobivad sfääriliste ja asfääriliste läätsevormide valmistamiseks. Saavutatav pinnakvaliteet sõltub suuresti protsessiteguritest ja materjaliteguritest. Peamised mõjutegurid hõlmavad spindli kiirust, tööriista otsa raadiust ja ettenihkekiirust. Suured spindli kiirused, suured tööriistaotsa raadiused ja aeglased ettenihked parandavad üldiselt pinna karedust.

Aeglase tööriista servotehnoloogiatöötati välja asümmeetriliste optiliste elementide kõrgete nõudmiste rahuldamiseks. Traditsioonilistele teemanttreimise seadistustele tuginedes lisab see töötlemise ajal Z-telje võnkumisi. Aeglane tööriistaservo suudab toota väga täpseid asümmeetrilisi osi ilma täiendavate masinaseadmeteta. Seda tehnoloogiat saab kasutada mikroläätsede massiivide, prismamassiivide, difraktsiooniliste optiliste elementide, teljeväliste asfääride ja vabakujuliste optiliste pindade valmistamiseks.

Kiire tööriista servotehnoloogiasarnaneb aeglase tööriistaservoga, kuid kasutab tööriista otsa võnkumiseks täiendavat täiturmehhanismi. Kiire tööriistaservo võimaldab tööriista täpset positsioneerimist, kuid oluliselt väiksema käiguga kui aeglase tööriista servotehnoloogia, ulatudes tavaliselt mitmest mikromeetrist mitmesaja mikromeetrini. Kiirtööriista servot kasutatakse tavaliselt teemant{2}}treitud pindade valmistamiseks, millel on sellised struktuurid nagu mikroprismad ja läätsemassiivid.

Teemantfreesiminekasutab ühe lõiketeraga teemantkuul{0}}otsfreese, mille tööriist pöörleb suurel kiirusel, et eemaldada mikromeetri ulatuses laastud. Võrreldes teemanttreimisega on freesimine märgatavalt aeglasem, kuid pakub suuremat disainivabadust. Teemantfreesimist kasutatakse peamiselt mitte-siledate pindade, eriti mikroläätsede massiivide ja vabakujuliste pindade valmistamiseks.

Kärbse lõikaminekasutab pöörlevat tööriista, mille teemant on -teljelt väljas, nii et teemant ei hoia materjaliga püsivat kontakti. Kärbselõikamisega saab tõhusalt luua suurel pinnal optilise pinnakvaliteediga tasaseid pindu ning see on ka sobiv meetod mikrostruktuuride ja vabakujulise optika loomiseks.

Läbimurded ultra{0}}terase täppistöötluses

Kuna karastatud teras on kõige populaarsem insenerimaterjal, on raudmaterjalide teemanttööriistadega töötlemiseks tehtud palju uuringuid. Peamised tööriista kulumismehhanismid hõlmavad adhesiooni ja{1}}serva moodustumist, hõõrdumist ja väsimist, hõõrdumist tingitud termilist kulumist ja tribokeemilist kulumist. Keemilised mehhanismid on tööriistade kulumise peamine põhjus.

Tööriistade tugeva kulumise vältimiseks on teadlased pakkunud välja erinevaid lähenemisviise:

Ultraheli vibratsiooni lõikamineon kõige lootustandvam meetod raudmaterjalide töötlemiseks teemanttööriistadega. Lõiketööriist vibreerib elliptiliselt, vähendades märkimisväärselt hõõrdejõude ning teemandi ja aluspinna vahelist kokkupuuteaega. See tehnoloogia on kasulik mitte ainult mustade materjalide töötlemiseks, vaid võimaldab ka pinna mikrostruktureerimist, saavutades Ra-ga optilise pinnakvaliteedi<10 nanometers.

Lõiketingimuste optimeeriminekujutab endast teist meetodit teemantide kulumise vähendamiseks. Uurimisrühmad on proovinud erinevaid lõiketingimusi, sealhulgas krüogeenset töötlemist ja töötlemist gaasikeskkonnas. Teemantide treimine krüogeensetes tingimustes võib oluliselt vähendada tööriista kulumist, kui pinna karedus on parem kui 25 nanomeetrit.

Sideaineteta kuupmeetri boornitriidtööriistadon üks paljutõotavamaid meetodeid raudmaterjalide optiliste pindade saamiseks. Kuubikujuline boornitriidil on suurepärane kuumakindlus ja keemiline stabiilsus ning selle kõvadus on teemandi järel teine. Roostevaba terase kõvadusega 52HRC treimisel sideaineteta kuupboornitriidtööriistadega on pinna karedus Ra<10 nanometers can be obtained.

Muud vormimistehnoloogiad

Elektrilahenduse töötlemineon termoelektriline töötlemisprotsess, mis eemaldab materjali elektriliste sädemete seeria kaudu tööriista elektroodi ja tooriku vahel. Elektrilahendusega töötlemine võib toota väga täpseid kujundeid suhteliselt suure materjali eemaldamise kiirusega. Kuid saavutatav pinnakvaliteet on optiliste rakenduste jaoks ebapiisav, kuna siledate ja täpsete optiliste pindade saamiseks on vaja järeltöötlust, nagu lihvimine, lõikamine või poleerimine. Mikro-elektrilahendusega töötlemine sobib eriti hästi rakendustele, mis nõuavad suure-kuvasuhtega-mikrostruktuure, mille struktuuri suurus on kuni 3 mikromeetrit ja kuvasuhe kuni 100.

Elektrokeemiline töötlemineeemaldab materjali elektrolüüsi ajal metalli anoodilise lahustamise teel. Võrreldes tavapäraste töötlemistehnoloogiatega pakub elektrokeemiline töötlemine suure materjali eemaldamise kiirust, rakendatavust mis tahes materjali kõvadusele, tööriistade kulumise puudumist ja siledaid pindu. Seda tehnoloogiat saab kasutada tavapäraselt töödeldud toorikute-järeltöötlemiseks, kui seda nimetatakse elektrokeemiliseks poleerimiseks. Täiustatud elektrokeemilisi töötlemisprotsesse kasutades võib pinna karedus ulatuda 0,06 mikromeetrini.

Lihviminekasutatakse tavaliselt optiliste valuvormide valmistamiseks. Kuna lihvimisel saavutatav karedus on optiliste rakenduste jaoks ebapiisav, tuleb teostada järel{1}}töötlus, näiteks poleerimine. Ultra-täppislihvimisel saab kasutada resinoid-teemantkettaid või kuupboornitriidkettaid, et saavutada Ra hea kuju täpsus ja pinnakaredus<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Mikrostruktuuri tootmistehnoloogiad

LIGA protsess: ülitäpse{0}}mikrostruktuuride pioneer

LIGA tähistab kolme saksakeelset sõna: litograafia, galvaniseerimine ja vormimine. See tehnoloogia töötati välja 1980. aastatel ja seda kasutatakse laialdaselt survevalutööriistade valmistamisel. Suure -kuvasuhte-struktuuriga osade puhul pakub see tehnoloogia erilisi eeliseid võrreldes teiste tootmistehnoloogiatega, luues mikrostruktuure, mis on väiksemad kui 1 mikromeeter.

LIGA protsess kirjeldab kolme järjestikuse toimingu protsessiahelat. Esimene samm on litograafiline protsess substraadi struktureerimiseks. Seejärel toimub nikeldamise protsess, mille käigus kasutatakse vormi loomiseks struktureeritud substraati. Viimases etapis võib osade tootmiseks kasutada survevalu või kuuma reljeeftrükki. LIGA protsessi peamine rakendus optikas on difraktsiooniliste optiliste elementide tootmine ning see võib toota ka mikroläätsede massiive, mikroprismasid, mikropeegleid ja lainejuhte.

Nanojälje litograafia: nanoskaala täpsuse kunst

Nanoimprint-litograafia on litograafiline tehnoloogia, mis võimaldab polümeeride nanostruktuuride suure{0}}läbilaskvusega mustreid. Seda tehnoloogiat pakuti esmakordselt välja 1995. aastal ja see koosneb kolmest põhietapist: esiteks valmistatakse mikrostruktuuritehnoloogia abil põhistruktuur, seejärel kopeeritakse põhistruktuur vormi ja lõpuks toimub trükkimisprotsess.

Nanojäljendi litograafial on kaks varianti: termotrükkimisel kasutatakse kuumutamist, et tõsta takistustemperatuuri klaasistumistemperatuurist kõrgemale, millele järgneb jahutamine toatemperatuurini; UV-jäljendamisel kasutatakse resisti kõvendamiseks ultraviolettvalgust, mis nõuab läbipaistvaid vorme. Nanoimprint litograafiatehnoloogiat kasutades saab toota ja paljundada nanostruktuure, mille objektide suurus on alla 10 nanomeetri. Seda kasutatakse tavaliselt fotoonikarakendustes, sealhulgas hologrammides, difraktsioonistruktuurides, peegeldusvastastes struktuurides, mikroläätsede massiivides ja rullides-rullimiseks{5}}.

Laser otsekirjutamine: paindlik mikrostruktuuri loomine

Võrreldes lasertöötlusega kasutab laser otsekirjutus fotoresisti struktureerimiseks laserkiirt, sarnaselt pooljuhtide valmistamisel kasutatavatele litograafiaprotsessidele. Substraadile kantakse õhuke kiht fotoresisti, seejärel struktureeritakse fotoresist laser otsekirjutusprotsessi abil. Laser-otsekirjutamine võimaldab toota binaarseid ja pidevaid struktuure ning seda kasutatakse väga sageli Fresneli või difraktsioonistruktuuride valmistamiseks, eriti tasapinnalistel aluspindadel.

Võrreldes litograafiameetoditega väldib laseriga otsekirjutamine järjestikuste säritusetappide sub{0}}mikromeetrilise joondamise nõudeid. Selliste konstruktsioonide kordamiseks tuleb valmistada hallitusseened, mis võivad kasutada nikeldamist. Fotoresistis toodetud struktuur esindab meistrit, millele järgneb valamine. Hiljutised laseri otsekirjutamise arendused on muutnud võimalikuks struktureerimise kõveratel aluspindadel, ületades tasapinnaliste substraadi piirangud. Konstruktsiooni suurused on tavaliselt umbes 5 mikromeetrit, kuid neid saab ka vähendada 1-3 mikromeetrini.

Elektronkiirte kirjutamine ja ioonkiir litograafia

Elektronkiirte kirjutamineon alternatiivne meetod fotoresisti struktureerimiseks, mis on sarnane laser-otsekirjutustehnoloogiaga, mida kasutatakse põhistruktuuride tootmiseks, millele järgneb nikeldamine. See tehnoloogia töötati algselt välja pooljuhtmaskide kirjutamiseks, kuid seda saab kasutada ka mikro-optiliste elementide valmistamiseks, mis sobivad eriti hästi Fresneli ja difraktsioonistruktuuride genereerimiseks.

Elektronkiirte kirjutamist kasutatakse pooljuhtprotsessides, seega on saavutatava eraldusvõime parandamiseks tehtud suuri jõupingutusi. PMMA{1}}põhise fotoresisti elektronkiire kirjutamise eraldusvõime võib olla kuni 10 nanomeetrit. Seda tehnoloogiat saab kasutada ka metallpindade poleerimisprotsessina, kasutades pindade skaneerimiseks defokuseeritud elektronkiire, kusjuures metalli pinna sulamine vähendab pinna karedust.

Ioonkiir litograafiakasutab pindade skaneerimiseks fokuseeritud ioonkiirte, luues seeläbi väga väikeseid struktuure. See tehnoloogia on väga sarnane elektronkiirte kirjutamisele, kuid ioonid on raskemad ja kannavad rohkem laengut ning ioonikiire lainepikkus on väiksem kui elektronidel, mille tulemuseks on suurem eraldusvõime. Fokuseeritud ioonkiirte kasutamisel on teatatud struktuuri suurusest alla 5 nanomeetri. Seda tehnoloogiat kasutatakse ka litograafiliste optiliste elementide poleerimismeetodina, kasutades madala-energiaga ioone, et eemaldada kujuvigu ja vähendada karedust, saavutades Ra pinna kareduse.<1 nanometer.

Lasertöötlus ja poleerimine

Lühike{0}}impulss- ja ultralühike{1}}impulsslaserite kasutamine on arenev tehnoloogia erinevate mikrotöötlusrakenduste jaoks ja seda saab kasutada vormimistööriistade struktureerimiseks. Lasertöötluse peamine eelis on see, et peaaegu kõiki materjale saab töödelda. Kui kõik parameetrid on optimeeritud, saab lasertöötlust kasutada isegi poleerimistöötlusena, mille pinnakvaliteet ulatub Ra-ni<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Poleerimine ja lappimineon viimistlustöötlused, mis loovad siledad pinnad, kasutades määratlemata lõikeservi. Kõigil poleerimisprotsessidel on ühine abrasiivide kasutamine pindade silumiseks, kusjuures abrasiive suspendeeritakse vedelikus, et moodustada suspensioon. Poleerimine võib nano- ja sub{2}}nanovahemikus luua väga kõrge pinnakvaliteedi, kuid eemaldamise määr on üldiselt väga madal. Poleerimist saab kasutada tasapinnaliste, sfääriliste, asfääriliste ja vabakujuliste detailide ning struktureeritud pindade töötlemiseks.

Tehnoloogia valik

Sobivate tootmismeetodite valimise otsuste toetamiseks võime eristada kolme kategooriat: vormimine, mikrostruktureerimine ja järeltöötlemine{0}.

Vormimismeetodite puhul võib lihvimine ja ülitäpne{0}}töötlemine saavutada suure täpsuse ja head pinnad, kuid oluliselt väiksema materjali eemaldamise kiirusega võrreldes elektrokeemilise ja elektrilahendusega töötlemisega. Ultra-täppistöötlus kui vormimismeetod on endiselt kõige lootustandvam tehnoloogia, eriti kui optiliste valuvormide puhul on vaja täpset vormimist. Kui on vaja keerulisi geomeetriaid, ei paku ükski teine ​​tehnoloogia disainimisel nii suurt vabadust kui ülitäpne{4}}töötlus.

Mikrostruktuuritehnoloogiate puhul on saavutatav struktuuri suurus oluline tegur. Rusikareegel, et struktuuri suuruse vähenedes ja kuju täpsuse suurenedes väheneb pikemate töötlemisaegade tõttu struktureeritav ala. Ultra-täppistöötlemine pole mitte ainult sobiv meetod valuvormide vormimiseks, vaid seda saab kasutada ka mikrostruktuuride loomiseks. Eelkõige saab kärbselõikamisprotsessiga kiiresti ja ökonoomselt valmistada suuri struktureeritud alasid sentimeetrite vahemikus.

Kõigi töötlemismeetodite puhul, mille pinnakvaliteet on optiliste rakenduste jaoks ebapiisav, võib järeltöötlemine{0}}pinna kvaliteeti parandada. Eelkõige võib poleerimine ja lappimine valmistada optilisi pindu. Siiski tuleb arvestada, et järeltöötlus-võivad mõjutada üldist kuju ja kuju täpsust.