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Analisi della tecnologia di stampaggio di lenti in vetro ottico

    La tecnologia di stampaggio di lenti in vetro ottico è un processo di fabbricazione di componenti ottici di alta precisione. Implica il posizionamento del vetro ammorbidito in uno stampo di alta precisione e la sua stampaggio diretto in una parte ottica che soddisfa i requisiti di utilizzo in un'unica fase in condizioni di riscaldamento, pressatura e ambiente privo di ossigeno. Dal suo sviluppo di successo a metà degli anni '80, questa tecnologia ha una storia di oltre un decennio ed è diventata uno dei metodi di fabbricazione di componenti ottici più avanzati a livello internazionale. È entrata nella fase di produzione pratica in molti paesi. L'ampia adozione e applicazione di questa tecnologia rappresentano una rivoluzione significativa nella lavorazione dei componenti in vetro ottico all'interno dell'industria ottica. Poiché questa tecnologia consente lo stampaggio diretto di componenti ottici asferici di precisione, ha inaugurato un'era in cui gli strumenti ottici possono utilizzare ampiamente elementi ottici in vetro asferico. Di conseguenza, ha portato nuovi cambiamenti e sviluppi alla progettazione del sistema ottico degli strumenti optoelettronici. Non solo ha ridotto le dimensioni e il peso degli strumenti ottici, risparmiato materiali, diminuito il carico di lavoro per il rivestimento e l'assemblaggio dei componenti ottici e ridotto i costi, ma ha anche migliorato le prestazioni degli strumenti ottici e migliorato la qualità dell'imaging ottico.

La fabbricazione di componenti ottici utilizzando il metodo dello stampaggio del vetro offre i seguenti vantaggi:

1. 1. Elimina la necessità di processi tradizionali come la rettifica grossolana, la rettifica fine, la lucidatura, la bordatura e la centratura, ottenendo comunque un'elevata precisione dimensionale, precisione della figura superficiale e rugosità superficiale.

2. 2. Risparmia una quantità significativa di attrezzature di produzione, utensili/materiali ausiliari, spazio in fabbrica e lavoratori qualificati, consentendo un'elevata produttività anche in una piccola officina.

3. 3. Facilita la produzione di massa economica di componenti ottici asferici di precisione.

4. 4. Assicura la precisione dimensionale e la ripetibilità delle parti ottiche stampate controllando con precisione i parametri di processo come la temperatura e la pressione durante lo stampaggio.

5. 5. Consente lo stampaggio di piccoli array di lenti asferiche.

6. 6. Consente la formazione di componenti ottici e caratteristiche di riferimento di montaggio come un unico pezzo integrato.

Attualmente, i componenti ottici asferici stampati prodotti in serie hanno diametri compresi tra 2 e 50 mm con una tolleranza di ±0,01 mm; spessori da 0,4 a 25 mm con una tolleranza di ±0,01 mm; raggi di curvatura fino a 5 mm; precisione della figura superficiale di 1,5λ; rugosità superficiale conforme allo standard militare statunitense 80-50; indice di rifrazione controllabile a ±5×10⁻⁴; omogeneità dell'indice di rifrazione controllabile a <5×10⁻⁶; e birifrangenza inferiore a 0,01λ/cm.

Le aziende e i produttori di fama mondiale che hanno padroneggiato questa avanzata tecnologia di fabbricazione di componenti ottici in vetro includono Kodak e Corning (USA); Ohara, Hoya, Olympus e Panasonic (Giappone); Zeiss (Germania); e Philips (Paesi Bassi).

La tecnologia di stampaggio di componenti ottici in vetro è una disciplina completa che richiede la progettazione di macchine di stampaggio specializzate, l'uso di stampi di alta qualità e la selezione di parametri di processo appropriati. Il metodo di stampaggio, il tipo di vetro e i grezzi, il materiale dello stampo e la fabbricazione sono tutte tecnologie chiave nello stampaggio del vetro.

1. Metodi di stampaggio

La ragione principale per cui il vetro può essere stampato con precisione deriva dallo sviluppo di materiali per stampi che non aderiscono al vetro ammorbidito.

Il metodo originale di stampaggio delle lenti in vetro prevedeva il versamento di grezzi di vetro ottico fuso in stampi mantenuti a una temperatura di circa 50°C al di sopra della temperatura di transizione vetrosa (Tg) per la pressatura. Questo metodo era soggetto all'adesione del vetro alle superfici dello stampo e i prodotti spesso soffrivano di bolle e segni di stampo freddo (rughe), rendendo difficile ottenere la forma desiderata e la precisione della figura superficiale. Successivamente, è emerso un metodo che utilizzava stampi lavorati con precisione realizzati con materiali speciali. Il vetro e lo stampo vengono riscaldati insieme in un'atmosfera priva di ossigeno fino a quasi il punto di rammollimento del vetro. Quando entrambi raggiungono approssimativamente la stessa temperatura, viene applicata la pressione tramite lo stampo. Mantenendo questa pressione, lo stampo viene raffreddato al di sotto della temperatura di transizione vetrosa (Tg) (Viscosità del vetro al punto di rammollimento ≈ 10⁷.⁶ Poise; viscosità al punto di transizione ≈ 10¹³.⁴ Poise). Questo metodo di pressatura del vetro e dello stampo insieme isotermicamente è chiamato pressatura isotermica, che ottiene relativamente facilmente un'elevata precisione replicando accuratamente la forma della superficie dello stampo. Lo svantaggio di questo metodo per la fabbricazione di componenti ottici in vetro è il lungo tempo richiesto per il riscaldamento e il raffreddamento, con conseguente bassa velocità di produzione. Per risolvere questo problema, sono stati apportati miglioramenti efficaci, come l'utilizzo di più stampi all'interno di un'unica pressa per aumentare l'efficienza. Tuttavia, l'elevato costo degli stampi asferici rende l'utilizzo di più stampi proibitivamente costoso. Per affrontare questo problema, la ricerca si è concentrata sullo sviluppo di metodi di pressatura non isotermici più vicini alle condizioni originali di stampaggio dei grezzi, con l'obiettivo di aumentare la velocità di produzione per stampo e prolungare la durata dello stampo. Inoltre, sono in corso ricerche su metodi per lo stampaggio di precisione diretto del vetro che scorre da un forno di fusione.

2. Tipi di vetro e grezzi

Il grezzo di vetro è direttamente correlato alla qualità del prodotto stampato. In linea di principio, la maggior parte dei vetri ottici può essere utilizzata per lo stampaggio. Tuttavia, i vetri con alti punti di rammollimento richiedono alte temperature di stampaggio, che possono causare lievi reazioni con lo stampo, riducendo drasticamente la durata dello stampo. Pertanto, dal punto di vista di una più facile selezione del materiale dello stampo e di una maggiore durata dello stampo, è stato necessario sviluppare vetri adatti allo stampaggio a temperature più basse (circa 600°C). Questi vetri per stampaggio a bassa temperatura devono anche soddisfare i requisiti per una produzione di grezzi economicamente vantaggiosa ed essere privi di sostanze pericolose per l'ambiente (ad esempio, PbO, As₂O₃). I grezzi utilizzati per lo stampaggio hanno requisiti specifici:

① La superficie del grezzo deve essere estremamente liscia e pulita prima della pressatura;

② Deve avere una forma geometrica adatta;

③ Deve avere il volume richiesto. I grezzi sono tipicamente sferici, a forma di disco o a forma di lente sferica, prodotti mediante rettifica a freddo o pressatura a caldo.

3. Materiali e lavorazione degli stampi

I materiali per stampi devono possedere le seguenti caratteristiche:

① Superficie priva di difetti, in grado di essere lucidata in una superficie ottica liscia e priva di pori;

② Elevata resistenza all'ossidazione ad alte temperature, mantenendo l'integrità strutturale, la stabilità della qualità della superficie, la precisione della figura superficiale e la finitura; ③ Non reattivo con il vetro, nessuna adesione, buone proprietà di rilascio;

④ Elevata durezza e resistenza alle alte temperature.

Esistono numerosi brevetti per lo sviluppo di materiali per stampi. I materiali rappresentativi includono: substrati in lega super dura rivestiti con leghe di metalli preziosi e film di nitruro di titanio (TiN); Carburo di silicio (SiC) o substrati in lega super dura rivestiti con carbonio duro, carbonio simile al diamante (DLC) o altri film a base di carbonio; e nuove ceramiche a base di Cr₂O-ZrO₂-TiO₂.

Materiali per lenti in vetro gli stampi di stampaggio sono generalmente duri e fragili. Per lavorare con precisione questi materiali in stampi, sono necessarie macchine CNC ad altissima precisione e rigidità, con una risoluzione inferiore a 0,01 μm, utilizzando mole diamantate. La rettifica raggiunge la precisione della forma desiderata, ma è necessaria una successiva lucidatura fine per ottenere una finitura superficiale ottica. Per la lavorazione asferica di alta precisione, le tecniche di misurazione e valutazione della superficie asferica sono cruciali. La lavorazione di stampi per microlenti richiede requisiti ancora più rigorosi, richiedendo una maggiore precisione e la minimizzazione dei segni di rettifica.

4. Applicazioni della tecnologia di stampaggio del vetro

Attualmente, la tecnologia di stampaggio di lenti in vetro ottico viene utilizzata per la produzione di massa di lenti sferiche e asferiche. Oltre a produrre regolarmente lenti di circa 15 mm di diametro, può anche produrre lenti di grande diametro fino a 50 mm, array di microlenti, ecc. Gli array di microlenti con diametri di lenti individuali di soli 100μm sono ora realizzabili.

1. 1. Fabbricazione di componenti ottici sferici e asferici per strumenti ottici militari e civili, come varie lenti, prismi e filtri.

2. 2. Fabbricazione di lenti asferiche per accoppiatori a fibra ottica utilizzati nelle comunicazioni ottiche.

3. 3. Fabbricazione di lenti a condensatore asferiche per dischi ottici. Una singola lente asferica stampata può sostituire tre lenti sferiche all'interno della testina ottica di un lettore di dischi ottici. Grazie all'elevata precisione delle lenti asferiche stampate, esse non solo controllano e correggono le aberrazioni assiali a grandi aperture numeriche (NA), ma riducono anche il peso della testina ottica originale e riducono i costi del 30-50%.

4. 4. Fabbricazione di lenti asferiche per mirini di fotocamere, proiettori cinematografici e obiettivi per fotocamere.