Инжиниринг

Прецизионное прессование стекла. Новая технология для массового производства стеклянных оптических компонентов со сложной геометрией

Комплексные оптические компоненты из стекла, как асферические линзы, матрицы линз, дифракционные оптические элементы или линзы с поверхностями произвольной формы, имеют огромный потенциал для новых приложений и, следовательно, потенциал для инноваций. С ними могут быть реализованы малогабаритные и легкие компоненты, оптические компоненты с новыми функциями изображения и совершенно новые приложения. Возможность экономического производства оптических компонентов со сложными поверхностями дает дизайнерам оптических линз новые возможности. Беспрецедентные приложения, соответственно, для массовых продуктов могут быть реализованы.
11 января 2012

Прецизионное прессование представляет собой выгодный и быстрый метод производства высококачественных оптических стеклянных компонентов со сложной геометрией в большом количестве. На рис. 1 показана линза свободной формы, изготовленная методом прецизионного прессования, отображающая логотип Института производственных технологий общества Фраунгофера.

Как правило, производство оптических компонентов из стекла происходит методом шлифования и полирования каждого оптического компонента. В зависимости от сложности геометрической формы оптического компонента, как например у асферических линз или линз с поверхностью произвольной формы, процесс производства может быть особенно затруднен, что приводит к росту цены на конечный продукт. Инновационным и мощным методом для изготовления оптических компонентов из стекла является технология прецизионного прессования. Эта технология позволяет быстрое и недорогое производство высококачественных оптических компонентов из стекла в среднем и большом количестве. Для этого стеклянные заготовки необходимого размера нагреваются до температуры прессования и прессуются в требуемую форму. За один раз и без последующей обработки производится стеклянный оптический компонент. На рис. 2 показаны две стеклянные линзы, лежащие на прессформах в технологической камере.

Процесс прецизионного прессования начинается с вакуумирования технологической камеры для минимизации взаимодействий между стеклом и материалом прессформы с атмосферой камеры. Кислород и другие элементы, присутствующие в окружающей среде технологоческой камеры, которые взаимодействуют со стеклом или материалом прессформ в экстремальных условиях и таким образом негативно влияют на процесс прессования, удаляются из технологоческой камеры. Нагрев стекла вместе с прессформами происходит с помощью инфракрасного излучения (см. рис. 3).

Во время нагревания до температуры прессования технологическая камера наполняется азотом для быстрого нагревания за счет конвекции. Температура прессования выбирается так, чтобы, с одной стороны, стекло не было сильно вязким и хорошо прессовалось и, с другой стороны, достаточно вязким и не клеилось к прессформе. Для выбора правильной температуры учитывается вязкость стекла, которая зависит от температуры. Опыт показал, что стекло легко прессуется при вязкости между 107 dPas и 1010 dPas. Типичные температуры прессования зависят от типа стекла и лежат в диапазоне от 400 0C до 700 0C. После достижения температуры прессования следует короткое время гомогенизации для достижения равномерной температуры в прессформах и стекле. После фазы гомогенизации следует процесс прессования. Давление также зависит от типа стекла и лежит в диапазоне от 2 кН до 10 кН. Сам процесс прессования происходит в вакууме, чтобы избежать возможные включения азота между стеклом и прессформой и изменения в поверхности стеклянного оптического компонента. После прессования оптический компонент и прессформа охлаждаются контролируемо при низком давлении до температуры ниже температуры трансформации Tg, а затем охлаждаются быстро азотом. Контролируемое охлаждение при низкoм давлении предотвращает деформацию стекла обратно в свою первоначальную форму. Весь процесс длится в зависимости от формы и размера оптического компонента между 15 и 25 минутами.

На рис. 4 показаны две прессформы и готовая линза.

ПРЕССФОРМЫ

При прецизионном прессовании качество поверхности оптического компонента, как правило, не может быть лучше, чем качество поверхности прессформы. Поэтому к точности формы и качеству поверхности прессформ предъявляются высокие требования. Прессформы с высоким качеством поверхностей изготовляются из плотных и мелкозернистых материалов с помощью высокоточных машин с ЧПУ. Выкрашивание зерен мало влияет на качество поверхности мелкозернистых материалов. Так как оптические компоненты изготовляются при давлении в несколько кН, прессформы производятся из очень твердых материалов.

Для прецизионного прессования оптических компонентов из стекла мелкозернистый и почти не содержащий связующего карбид вольфрама CTN01L компании CERATIZIT является наилучшим материалом для прессформ. Этот материал имеет плотность 15,57 г/см2 и твердость 2825 HV10. Размер зерен составляет несколько нанометров. CTN01L состоит более чем на 99% из карбида вольфрама и менее чем на 1% из других элементов, в качестве связующих.

Так как прессформы состоят из твердого и хрупкого материала, они производятся исключительно способом дуктильного ультрапрецизионного шлифования. При ультрапрецизионном шлифовании твердово и хрупкого материала, как CTN01L, используются алмазные мелкозернистые шлифовальные круги на металлической связке (см. рис. 5).

СИМУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССА

Для облегчения конструирования прессформ и определения технологических параметров проводится симуляция процесса прессования с применением метода конечных элементов. Коэффициенты теплового расширения материала прессформ и стекла, как правило, различны. Поэтому при охлаждении форма стекла и прессформы отличаются друг от друга, что называется усадкой стекла. Также возникают при охлаждении механические напряжения в стекле, которые связаны с разными скоростями охлаждения внутри и на поверхности оптического компонента. Механические напряжения вызывают в свою очередь, неоднородное распределение показателя преломления в линзе и приводят к искажению изображения оптического компонента. При достаточном наличии данных материала, площадь контакта между стеклом и прессформой симулируется (см. рис. 6), а также рассчитываются распределение температуры и механические напряжения в стекле и материале прессформы в течение процесса прессования. Благодаря симуляции процесса и полученной информации, прессформы и параметры процесса так меняются, что достигаются требуемая точность формы и качество изображения оптического компонента. Благодаря симуляции дорогостоящие и отнимающие много времени эксперименты для определения лучшей геометрической формы прессформы и оптимальных параметров процесса сводятся к минимуму.

ИЗНОСОСТОЙКОЕ ПОКРЫТИЕ

Для защиты от преждевременного износа, на прессформы наносится износостойкoе покрытиe. K износостойким покрытиям предъявляются высокие требования. Так как процесс прецизионного прессования происходит при высоком давлении, защитный слой должен быть достаточно твердым, чтобы обеспечить точность формы производимых оптических компонентов. Покрытие также должно быть термостойким, то есть при процессе прессования не расплавляться или химически изменяться. Как защитный слой износостойкое покрытие не должно взаимодействовать со стеклом, которое прессуется. Кроме того, покрытие должно иметь высокое качество поверхности для изготовления оптических компонентов из стекла с низкой шероховатостью.

Из других областей применения известны износостойкие покрытия, такие как TiAlN, AlCrN или DLC. Для прецизионного прессования на сегодняшний день покрытие из платинистого иридия (PtIr) оказывается лучшим покрытием от износа. Платинистый иридий напыляется в процессе PVD и имеет высококачественные поверхности. Он также инертен и достаточно тверд, что позволяет изготовление высококачественных оптических компонентов экономически выгодным методом – методом прецизионного прессования. Толщина покрытия лежит в трехзначном нанометровом диапазоне (200-400 нм) и не влияет на форму и качество поверхности прессформ.

СТЕКЛА LOW-TG

Не каждый тип стекла прессуется с помощью технологии прецизионного прессования одним и тем же образом. Температура процесса прессования связана с определенной вязкостью стекла. Различный химический состав стекол приводит к тому, что определенная вязкость стекла достигается при разных температурах. Склонность к слипанию стекла с прессформами увеличивается с ростом температуры процесса. В связи с этим выгодно прессовать стекло при более низких температурах. По этой причине известные производители стекла разработали специальные сорта стекол для прецизионного прессования. У так называемых Low-Tg стекол температура трансформации ниже чем 550° С, и поэтому такие стекла прессуются при соответственно низких температурах. Низкотемпературные процессы влияют положительно на срок службы прессформы. Кроме того, Low-Tg стекла расположены по всей диаграмме Аббе.

Справка

Юлия Дуквен

Изучала физику в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена. После окончания университета в 2007 году она работала на фирме Cemecon AG инженером-разработчиком в области износостойких покрытий. С 2010 года она работает в департаменте "Точная обработка и оптика" Института производственных технологий общества Фраунгофера научным сотрудником с целью защиты диссертации.

Олаф Дамбон

Изучал машиностроение в Рейнско-Вестфальском техническом университете Ахена и Массачусетском технологическом институте. С 2000 по 2006 год он работал научным сотрудником в Институте производственных технологий общества Фраунгофера в департаменте "Технологические процессы". Его работа была сосредоточена на прецизионное шлифование и полирование. В 2005 году он защитил докторскую диссертацию на тему «Полировка стали для производства инструментов и форм". С 2003 года он возглавлял область исследований "Суперфиниширование" и разработал стратегическую ориентацию этой области. С 2006 года он главный инженер новообразованного департамента "Точная обработка и оптика" в Институте производственных технологий общества Фраунгофера.