Teknologi Pembuatan Masukkan Optik Optik

Komponen optik polimer telah menjadi semakin penting di pasaran hari ini. Memandangkan tuntutan prestasi untuk unsur -unsur optik terus meningkat, proses pembuatan menghadapi cabaran besar. Antaranya, pengeluaran sisipan acuan untuk proses replikasi menonjol sebagai sangat kritikal, secara langsung mempengaruhi kualiti akhir komponen optik. Kajian ini mengkaji teknologi perkilangan yang ada sekarang untuk membantu jurutera membuat keputusan yang tepat dalam aplikasi praktikal.

Unsur -unsur optik polimer menawarkan kelebihan yang ketara ke atas kanta kaca konvensional. Mereka membolehkan pengeluaran besar -besaran melalui pengacuan suntikan atau suntikan - pengacuan mampatan pada kos pembuatan yang lebih rendah. Di samping itu, ciri pemasangan dan penjajaran boleh disepadukan secara langsung ke dalam komponen optik, menghapuskan keperluan untuk lekapan tambahan dan prosedur pemasangan. Dari sistem pencahayaan ke aplikasi automotif, dari peranti pengimejan kepada sensor, domain aplikasi elemen optik polimer terus berkembang.

Kemunculan komponen optik microstructured patut mendapat perhatian khusus. Menambah ciri mikrostruktur ke permukaan kanta dapat meningkatkan prestasi, mengurangkan berat sistem, penyimpangan yang betul, dan bentuk sinar cahaya. Struktur mikro seperti array microlens, unsur optik diffractive, kanta fresnel, dan array prisma memainkan peranan penting dalam bidang termasuk kepekatan solar, membentuk rasuk, dan sistem pengukuran.

Sistem Klasifikasi Teknologi Pembuatan

Teknologi pembuatan untuk sisipan acuan optik boleh dibahagikan kepada dua kategori utama: kaedah yang mewujudkan permukaan dengan kualiti optik, dan teknik untuk mewujudkan mikrostruktur optik. Oleh kerana sisipan acuan optik biasanya memerlukan ketepatan bentuk dan kualiti permukaan yang sangat tinggi, kedua -dua faktor ini berfungsi sebagai metrik teras untuk menilai pelbagai teknologi.

Ultra - pemesinan ketepatan: asas pembuatan optik

Sejak kemunculannya pada tahun 1960 -an, pemesinan ketepatan ultra - kekal sebagai kaedah yang paling biasa digunakan untuk menghasilkan sisipan acuan optik. Kelebihan teras teknologi ini terletak pada mencapai ketepatan kedudukan nanometer -, dengan itu memperoleh kualiti permukaan dan ketepatan bentuk yang luar biasa. Komponen berlian - biasanya mempamerkan kekasaran permukaan di bawah 10 nanometer, mencapai cermin - kemasan kualiti tanpa POST - pemprosesan.

Untuk mendapatkan bahagian kualiti - tinggi, komponen mesin mesti dilakukan pada had mereka. Sistem pemesinan Diamond menggunakan granit sebagai asas, dilengkapi dengan sistem kedudukan ketepatan - yang tinggi, tinggi - spindle kelajuan, dan lekapan tepat dan peralatan operasi. Spindle galas udara dan galas hidrostatik membolehkan pergerakan alat dan bahagian yang tepat, dengan kawalan kedudukan yang dijamin oleh grating kaca dengan resolusi di bawah 1 nanometer. Kawalan suhu adalah sama kritikal, yang memerlukan penyelenggaraan dalam ± 0.1k atau julat yang lebih kecil.

Single - Diamond Crystal membentuk kelebihan alat kerana kekerasan dan keupayaannya untuk mencipta tepi yang sangat tajam dengan bulat tepi di bawah 50 nanometer. Kualiti dan ketepatan bahagian yang boleh dicapai sangat bergantung pada kualiti alat berlian. Walau bagaimanapun, pemesinan berlian adalah terhad kepada bahan -bahan ferrous non -, membuat nikel - salutan fosforus sebuah standard industri. Nickel - fosforus boleh dimesin dengan alat berlian dengan pakaian alat yang hampir tidak dapat dielakkan.

Beralih berlianmewakili proses standard untuk pembuatan komponen optik simetri berputar, sesuai untuk menghasilkan acuan lensa sfera dan aspherical. Kualiti permukaan yang boleh dicapai bergantung pada faktor proses dan faktor bahan. Faktor pengaruh utama termasuk kelajuan gelendong, radius tip alat, dan kadar suapan. Kelajuan gelendong yang tinggi, radii hujung alat yang besar, dan kadar suapan perlahan secara amnya meningkatkan kekasaran permukaan.

Teknologi servo alat perlahantelah dibangunkan untuk memenuhi permintaan tinggi unsur -unsur optik asimetrik. Bangunan pada persediaan beralih berlian tradisional, ia menambah z - ayunan paksi semasa pemesinan. Servo alat perlahan boleh menghasilkan bahagian asimetrik yang sangat tepat tanpa sebarang peralatan mesin tambahan. Teknologi ini boleh digunakan untuk mengeluarkan array microlens, array prisma, elemen optik diffractive, off - aspheres paksi, dan permukaan optik freeform.

Teknologi servo alat cepatmenyerupai servo alat perlahan tetapi menggunakan penggerak tambahan untuk mengayun hujung alat. Servo alat cepat membolehkan kedudukan alat yang tepat, tetapi dengan strok yang lebih kecil daripada teknologi servo alat perlahan, biasanya dari beberapa mikrometer hingga beberapa ratus mikrometer. Servo alat cepat biasanya digunakan untuk pembuatan berlian - menghidupkan permukaan dengan struktur seperti mikropisme dan susunan kanta.

Diamond MillingMenggunakan Ball Diamond - kilang akhir dengan canggih tunggal, dengan alat berputar pada kelajuan tinggi untuk mengeluarkan cip dalam julat mikrometer. Berbanding dengan perubahan berlian, penggilingan terasa lebih perlahan tetapi menawarkan kebebasan yang lebih besar dalam reka bentuk. Pengilangan Diamond terutamanya digunakan untuk pembuatan permukaan lancar non -, terutamanya array microlens dan permukaan freeform.

Pemotongan terbangMenggunakan alat berputar dengan berlian yang diposisikan - paksi, jadi berlian tidak mengekalkan hubungan kekal dengan bahan. Pemotongan terbang dengan cekap dapat mewujudkan permukaan rata dengan kualiti permukaan optik di kawasan yang besar dan juga merupakan kaedah yang sesuai untuk mewujudkan mikrostruktur dan optik freeform.

Terobosan dalam ultra - pemesinan ketepatan keluli

Oleh kerana keluli keras adalah bahan kejuruteraan yang paling popular, penyelidikan yang besar telah ditumpukan untuk mencapai pemesinan bahan feros dengan alat berlian. Mekanisme memakai alat utama termasuk lekatan dan dibina - pembentukan kelebihan, lelasan dan keletihan, haus haba geseran, dan pakaian tribokimia. Mekanisme kimia mewakili penyebab utama alat.

Untuk mengelakkan memakai alat yang teruk, penyelidik telah mencadangkan pelbagai pendekatan:

Pemotongan getaran ultrasonikadalah kaedah yang paling menjanjikan untuk bahan pemesinan ferus dengan alat berlian. Alat pemotongan bergetar secara elips, dengan ketara mengurangkan daya geseran dan masa hubungan antara berlian dan substrat. Teknologi ini berguna bukan sahaja untuk bahan pemesinan ferus tetapi juga membolehkan mikrostruktur permukaan sambil mencapai kualiti permukaan optik dengan RA<10 nanometers.

Mengoptimumkan keadaan pemotonganmewakili kaedah lain untuk mengurangkan pakaian berlian. Pasukan penyelidikan telah mencuba keadaan pemotongan yang berbeza termasuk pemesinan dan pemesinan kriogenik di bawah persekitaran gas. Beralih berlian di bawah keadaan kriogenik dapat mengurangkan pakaian alat, dengan kekasaran permukaan lebih baik daripada 25 nanometer.

Alat boron nitrida kubik tanpa bindermewakili salah satu kaedah yang paling menjanjikan untuk mendapatkan permukaan optik pada bahan ferus. Nitrida boron kubik mempunyai rintangan haba yang sangat baik dan kestabilan kimia, dengan kekerasan kedua hanya untuk berlian. Apabila bertukar keluli tahan karat dengan kekerasan 52hrc menggunakan alat boron nitrida kubik tanpa binder, kekasaran permukaan RA<10 nanometers can be obtained.

Teknologi pembentukan lain

Pemesinan pelepasan elektrikadalah proses pemesinan thermoelektrik yang menghilangkan bahan melalui satu siri percikan elektrik antara elektrod alat dan bahan kerja. Pemesinan pelepasan elektrik boleh menghasilkan bentuk yang sangat tepat dengan kadar penyingkiran bahan yang agak tinggi. Walau bagaimanapun, kualiti permukaan yang boleh dicapai tidak mencukupi untuk aplikasi optik, yang memerlukan pemprosesan post - seperti pengisaran, pemotongan, atau penggilap untuk mendapatkan permukaan optik yang lancar dan tepat. Mikro - pemesinan pelepasan elektrik amat sesuai untuk aplikasi yang memerlukan aspek tinggi - - mikrostruktur nisbah, dengan saiz struktur sekecil 3 mikrometer dan nisbah aspek sehingga 100.

Pemesinan elektrokimiamembuang bahan melalui pembubaran anodik logam semasa elektrolisis. Berbanding dengan teknologi pemesinan konvensional, pemesinan elektrokimia menawarkan kadar penyingkiran bahan yang tinggi, kebolehgunaan kepada sebarang kekerasan material, ketiadaan alat, dan permukaan licin. Teknologi ini boleh digunakan untuk memproses kerja -kerja kerja machined secara konvensional, apabila ia dipanggil penggilap elektrokimia. Menggunakan proses pemesinan elektrokimia yang lebih baik, kekasaran permukaan dapat mencapai 0.06 mikrometer.

Pengisaranbiasanya digunakan untuk pembuatan acuan optik. Oleh kerana kekasaran yang dapat dicapai semasa pengisaran tidak mencukupi untuk aplikasi optik, post pemprosesan - seperti penggilap mesti dilakukan. Ultra - pengisaran ketepatan boleh menggunakan roda berlian resinoid atau roda nitrida boron padu untuk mencapai ketepatan bentuk yang baik dan kekasaran permukaan RA<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Teknologi Pembuatan Mikrostruktur

Proses liga: perintis tinggi - mikrostruktur ketepatan

Liga bermaksud tiga perkataan Jerman: litografi, elektroplating, dan pencetakan. Teknologi ini dibangunkan pada tahun 1980 -an dan digunakan secara meluas untuk pembuatan alat pengacuan suntikan. Untuk bahagian -bahagian yang tinggi - aspek - struktur nisbah, teknologi ini menawarkan kelebihan khas berbanding dengan teknologi pembuatan lain, menghasilkan mikrostruktur yang lebih kecil daripada 1 mikrometer.

Proses Liga menerangkan rantaian proses tiga operasi berturut -turut. Langkah pertama adalah proses litografi untuk menstrukturkan substrat. Selepas itu, proses elektroplating nikel berlaku, menggunakan substrat berstruktur sebagai tuan untuk membuat acuan. Langkah terakhir boleh menggunakan acuan suntikan atau embossing panas untuk menghasilkan bahagian. Aplikasi utama proses Liga dalam optik adalah pembuatan elemen optik diffractive, dan ia juga boleh menghasilkan array microlens, mikropisme, mikromirror, dan gelombang.

Litografi Nanoimprint: Seni Ketepatan Nanoscale

Litografi Nanoimprint adalah teknologi litografi yang membolehkan tinggi - corak nanostruktur polimer. Teknologi ini pertama kali dicadangkan pada tahun 1995 dan terdiri daripada tiga langkah utama: pertama, tuan dihasilkan menggunakan teknologi mikrostruktur, maka struktur induk direplikasi ke dalam acuan, dan akhirnya proses pencetakan berlaku.

Litografi nanoimprint mempunyai dua varian: pencetakan haba menggunakan pemanasan untuk meningkatkan suhu melebihi suhu peralihan kaca, diikuti dengan penyejukan ke suhu bilik; UV mencetak menggunakan cahaya ultraviolet untuk menyembuhkan menentang, yang memerlukan acuan telus. Menggunakan teknologi litografi nanoimprint, struktur nano dengan saiz ciri di bawah 10 nanometer boleh dihasilkan dan direplikasi. Ia biasanya digunakan dalam aplikasi fotonik termasuk hologram, struktur diffractive, anti - struktur reflektif, array microlens, dan roll - ke - roll aplikasi.

Penulisan Langsung Laser: Penciptaan Mikrostruktur Fleksibel

Berbanding dengan pemesinan laser, penulisan langsung laser menggunakan rasuk laser untuk struktur photoresist, sama dengan proses litografi yang digunakan dalam pembuatan semikonduktor. Lapisan nipis photoresist didepositkan pada substrat, maka photoresist disusun menggunakan proses penulisan langsung laser. Penulisan langsung laser membolehkan pembuatan struktur binari dan berterusan dan sangat biasa digunakan untuk pembuatan struktur fresnel atau diffractive, terutamanya pada substrat planar.

Berbanding dengan kaedah litografi, penulisan langsung laser mengelakkan sub - keperluan penjajaran mikrometer langkah -langkah pendedahan berturut -turut. Untuk meniru struktur sedemikian, sisipan acuan mesti dihasilkan, yang boleh menggunakan elektroplating nikel. Struktur yang dihasilkan dalam photoresist mewakili tuan, diikuti dengan pemutus. Perkembangan penulisan langsung laser baru -baru ini telah membuat penstrukturan pada substrat melengkung yang mungkin, mengatasi batasan substrat planar. Saiz struktur biasanya sekitar 5 mikrometer tetapi juga boleh dikurangkan kepada 1-3 mikrometer.

Penulisan rasuk elektron dan litografi rasuk ion

Penulisan rasuk elektronadalah kaedah alternatif untuk penstrukturan photoresist, sama dengan teknologi penulisan langsung laser, yang digunakan untuk struktur induk pembuatan diikuti oleh proses elektroplating nikel. Teknologi ini pada asalnya dibangunkan untuk penulisan topeng semikonduktor tetapi juga boleh digunakan untuk pembuatan elemen optik mikro -, terutamanya sesuai untuk menghasilkan struktur fresnel dan diffractive.

Penulisan rasuk elektron digunakan dalam proses semikonduktor, jadi usaha yang besar telah dilaburkan dalam memajukan resolusi yang dapat dicapai. Resolusi penulisan rasuk elektron dalam photoresist berasaskan PMMA - boleh serendah 10 nanometer. Teknologi ini juga boleh digunakan sebagai proses penggilap untuk permukaan logam, menggunakan rasuk elektron yang defokus untuk mengimbas permukaan, dengan pencairan permukaan logam yang membawa kepada kekasaran permukaan yang dikurangkan.

Litografi Ion BeamMenggunakan rasuk ion fokus untuk mengimbas permukaan, dengan itu mewujudkan struktur yang sangat kecil. Teknologi ini sangat mirip dengan penulisan rasuk elektron, tetapi ion lebih berat dan membawa lebih banyak caj, dengan panjang gelombang rasuk ion lebih kecil daripada elektron, menghasilkan resolusi yang lebih tinggi. Menggunakan rasuk ion fokus, saiz struktur di bawah 5 nanometer telah dilaporkan. Teknologi ini juga digunakan sebagai kaedah penggilap untuk elemen optik litografi, menggunakan ion tenaga - yang rendah untuk menghapuskan kesilapan bentuk dan mengurangkan kekasaran, mencapai kekasaran permukaan RA<1 nanometer.

Pemesinan laser dan penggilap

Menggunakan Pulse dan UltraShort - Pendek Laser Pulse adalah teknologi yang baru muncul untuk aplikasi micromachining yang berbeza dan boleh digunakan untuk menstrukturkan alat pengacuan. Kelebihan utama pemesinan laser ialah hampir semua bahan dapat diproses. Apabila semua parameter dioptimumkan, pemesinan laser juga boleh digunakan sebagai rawatan penggilap, dengan kualiti permukaan mencapai RA<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Menggilap dan mengetuksedang menyelesaikan rawatan yang menghasilkan permukaan yang lancar menggunakan tepi pemotongan yang tidak ditentukan. Apa yang semua proses penggilap mempunyai persamaan adalah penggunaan abrasives untuk melicinkan permukaan, dengan abrasives digantung dalam cecair untuk membentuk buburan. Penggilap boleh menghasilkan kualiti permukaan yang sangat tinggi dalam julat nano dan sub - nano, tetapi kadar penyingkiran umumnya sangat rendah. Penggilap boleh digunakan untuk memproses bahan kerja planar, sfera, aspherical, dan freeform serta permukaan berstruktur.

Pemilihan Teknologi

Untuk menyokong keputusan untuk memilih kaedah pembuatan yang sesuai, kami dapat membezakan tiga kategori: membentuk, mikrostruktur, dan post pemprosesan -.

Untuk membentuk kaedah, pengisaran dan ultra - pemesinan ketepatan boleh mencapai ketepatan yang tinggi dan permukaan yang baik, tetapi dengan kadar penyingkiran bahan yang berkurangan berbanding dengan pemesinan elektrokimia dan pemesinan pelepasan elektrik. Ultra - Pemesinan ketepatan sebagai kaedah pembentukan tetap menjadi teknologi yang paling menjanjikan, terutamanya apabila pembentukan tepat diperlukan dalam sisipan acuan optik. Apabila geometri kompleks diperlukan, tiada teknologi lain menawarkan kebebasan yang hebat dalam reka bentuk sebagai pemesinan ketepatan ultra -.

Untuk teknologi mikrostruktur, saiz struktur yang boleh dicapai adalah faktor penting. Sebagai peraturan ibu jari, apabila saiz struktur berkurangan dan peningkatan ketepatan bentuk, kawasan yang dapat disusun berkurangan disebabkan oleh masa pemprosesan yang lebih lama. Ultra - Pemesinan ketepatan bukan hanya kaedah yang sesuai untuk membentuk sisipan acuan tetapi juga boleh digunakan untuk membuat mikrostruktur. Khususnya, proses pemotongan terbang boleh dengan cepat dan ekonomi menghasilkan kawasan berstruktur yang besar dalam julat sentimeter.

Untuk semua kaedah pemesinan di mana kualiti permukaan tidak mencukupi untuk aplikasi optik, Post - pemprosesan kemudiannya dapat meningkatkan kualiti permukaan. Terutama, penggilap dan lapping boleh mengeluarkan permukaan optik. Walau bagaimanapun, ia harus dipertimbangkan bahawa operasi pemprosesan - boleh menjejaskan ketepatan bentuk dan bentuk keseluruhan.