Επισκόπηση της χύτευσης γυαλιού ακριβείας (PGM)
Χύτευση γυαλιού ακριβείας (PGM) για ασφαιρικοί φακοί εισήχθη στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και έκτοτε έχει γίνει βασική τεχνολογία σε διάφορους κλάδους όπως οι τηλεπικοινωνίες, η ψηφιακή φωτογραφία και η θερμική απεικόνιση. Η ευρεία υιοθέτηση του PGM οφείλεται στην ικανότητά του να παράγει υψηλής ποιότητας, επαναλαμβανόμενα οπτικά γυαλιά με ασφαιρικές επιφάνειες με χαμηλό κόστος και σε μεγάλες ποσότητες. Αυτό καθιστά το PGM μια ανεκτίμητη διαδικασία για την οπτική σχεδίαση, ειδικά κατά την εφαρμογή των αρχών σχεδίασης προς κατασκευή (DFM) για τη βελτιστοποίηση της παραγωγής.
Η διαδικασία παραγωγής PGM
Το PGM είναι μια διαδικασία χύτευσης με ισοθερμική συμπίεση. Αρχικά, ένα γυάλινο πρόπλασμα τοποθετείται ανάμεσα σε καλούπια ακριβείας μέσα σε μια μηχανή χύτευσης γυαλιού. Αυτά τα καλούπια, τα οποία αντικατοπτρίζουν την επιθυμητή επιφάνεια του φακού, προσαρμόζονται για θερμικά προφίλ και ιδιότητες υλικού. Το μηχάνημα καθαρίζεται με άζωτο ή κενό και θερμαίνονται τόσο το προφόρμα όσο και τα καλούπια. Η εφαρμογή πίεσης και το να αφήσετε το καλούπι να κρυώσει έχει ως αποτέλεσμα τον τελικό φακό.
Σύμφωνα με Οι Zhang et al. (2019), η διαδικασία χύτευσης γυαλιού ακριβείας επιτρέπει την παραγωγή πολύπλοκων ασφαιρικών φακών με υψηλή ποιότητα επιφάνειας και χαμηλή τραχύτητα, ζωτικής σημασίας για οπτικά συστήματα υψηλής απόδοσης.
Επιλέγοντας το σωστό υλικό για ασφαιρικούς φακούς
Η επιλογή υλικού είναι ένα κρίσιμο βήμα σε κάθε πρωτοβουλία DFM και η χύτευση γυαλιού ακριβείας δεν αποτελεί εξαίρεση. Το σωστό οπτικό γυαλί μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση, να μειώσει τους χρόνους παράδοσης και να μειώσει το κόστος. Με περισσότερους από 200 τύπους χυτεύσιμου γυαλιού διαθέσιμους, οι σχεδιαστές έχουν μεγάλη ελευθερία. Ωστόσο, παράγοντες όπως η δυνατότητα κατασκευής, η διαθεσιμότητα και το κόστος πρέπει να ληφθούν υπόψη για να περιοριστούν οι επιλογές. Οι πρώιμες συζητήσεις με τους προμηθευτές μπορούν να βοηθήσουν στον εντοπισμό του πιο αποτελεσματικού υλικού.
Ξεκινώντας με έναν ή δύο τύπους γυαλιού και αναζητώντας έγκαιρα σχόλια από τους κατασκευαστές μπορεί να εξοικονομήσετε χρόνο και κόστος. Οι κατασκευαστές συχνά τυποποιούν μια επιλεγμένη ομάδα υλικών για να αξιοποιήσουν οικονομίες κλίμακας, μεταφέροντας εξοικονόμηση κόστους στους πελάτες. Η εμπειρία τους με αυτά τα υλικά μπορεί να προσφέρει πολύτιμες γνώσεις για τη μείωση των κινδύνων απόδοσης, ποιότητας και προγραμματισμού.
Ορισμένες συνθέσεις γυαλιού μπορούν να επηρεάσουν αρνητικά τη διάρκεια ζωής των εργαλείων και να αυξήσουν το κόστος. Τα γυαλιά που απαιτούν χαμηλότερες θερμοκρασίες επεξεργασίας μειώνουν τον κίνδυνο οξείδωσης της επιφάνειας κατά τη χύτευση, μειώνοντας τη μόλυνση και τις ανάγκες συντήρησης. Αυτές οι χαμηλότερες θερμοκρασίες συντομεύουν επίσης τους κύκλους θέρμανσης και ψύξης, βελτιώνοντας την απόδοση και μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας.
Επίδραση του PGM στον οπτικό σχεδιασμό
Η κατανόηση της επίδρασης της διαδικασίας PGM στον οπτικό σχεδιασμό είναι απαραίτητη μετά την επιλογή του υλικού. Η θερμική ιστορία του γυαλιού επηρεάζει τις φυσικές και οπτικές του ιδιότητες, γι' αυτό και η συμβατική κατασκευή φακών καθορίζει τους ρυθμούς ανόπτησης. Η διαδικασία PGM βελτιστοποιεί τον κύκλο ψύξης για να μεγιστοποιήσει την απόδοση και να ελαχιστοποιήσει το κόστος. Ο ρυθμός ψύξης για το PGM αντιστοιχεί στον ρυθμό ανόπτησης του τελικού προϊόντος. Αν και οι φακοί PGM μετά την ανόπτηση είναι δυνατοί, συχνά αυξάνουν το κόστος, τους χρόνους παράδοσης και μειώνουν την ποιότητα της επιφάνειας.
Έρευνα από Οι Nguyen et al. (2020) υποδεικνύει ότι οι φακοί PGM τυπικά παρουσιάζουν μια ελαφρά μείωση του δείκτη διάθλασης, που κυμαίνεται από -0,0006 έως -0,010 για κοινά χυτεύσιμα γυαλιά που χρησιμοποιούνται σε ορατά μήκη κύματος. Τα γυαλιά χαλκογονιδίου με υψηλότερους δείκτες εμφανίζουν πιο σημαντικές πτώσεις στο υπέρυθρο φάσμα.
Αρχές σχεδίασης για ασφαιρικούς φακούς από γυαλί ακριβείας
Η ενσωμάτωση αποτελεσματικών πρακτικών DFM στο σχεδιασμό εξαρτημάτων χυτευμένων από γυαλί ακριβείας περιλαμβάνει πολλές βασικές αρχές. Ο συνολικός παράγοντας μορφής του φακού είναι πρωταρχικό στοιχείο, με διαμέτρους που κυμαίνονται συνήθως από λιγότερο από ένα χιλιοστό έως πάνω από 100 mm, αν και οι περισσότερες είναι μεταξύ 1 και 25 mm.
Ενώ μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα σχήματα και προμορφώματα φακών, η επιλογή προμορφώματος είναι συνήθως ευθύνη του κατασκευαστή. Το προφόρμα με μπάλα είναι το πιο οικονομικό για το PGM. Οι κανόνες σχεδίασης για προμορφώματα σφαιρών περιγράφονται εδώ, αλλά προηγμένα ή μη τυπικά σχήματα μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας διαφορετικές γεωμετρίες προμορφώματος και θα πρέπει να συζητηθούν έγκαιρα με τον κατασκευαστή.
Το πάχος του κέντρου (CT) ενός φακού εξαρτάται από το σχήμα ή την αναλογία διαστάσεων του. Μπορούν να παραχθούν πολύ λεπτά CT, έως και 0,2 mm, αλλά ενδέχεται να απαιτούνται προμορφώματα σχεδόν δίχτυ για την ελαχιστοποίηση της πίεσης. Θα πρέπει να αποφεύγονται μεγάλες τιμές CT για την αποφυγή θερμικών κλίσεων. Τα μη ελεγχόμενα θερμικά προφίλ μπορούν να προκαλέσουν διπλή διάθλαση του στρες, ανομοιογενείς δείκτες διάθλασης και πιθανά κατάγματα.
Τα πάχη των άκρων (ET) κάτω από 0,4 mm ενδέχεται να οδηγήσουν σε προβλήματα κοπής και χειρισμού των άκρων. Η εξωτερική διάμετρος (OD) περιορίζεται από το σχεδιασμό εργαλείων καλουπιού, που συνήθως κυμαίνεται από λιγότερο από 1 mm έως πάνω από 25 mm. Τα μεγάλα OD μπορεί επίσης να υποφέρουν από θερμικές διαβαθμίσεις, επηρεάζοντας τις αποδόσεις. Οι λόγοι διαστάσεων OD προς CT και ET θα πρέπει να βασίζονται στην εμπειρία του κατασκευαστή για τη διατήρηση υψηλών αποδόσεων.
Συνδυάστε ακτίνες και ζώνες μετάβασης σε ασφαιρικούς φακούς
Το φυσικό διάφραγμα (PA) θα πρέπει να είναι πάντα μεγαλύτερο από το καθαρό άνοιγμα (CA) για να δέχεται μια ακτίνα ανάμειξης που μειώνει τις συγκεντρώσεις τάσεων και παρέχει ανακούφιση για το εργαλείο κοπής. Το μέγεθος της ακτίνας του μείγματος εξαρτάται από την επιφάνεια και τη μέθοδο κατασκευής. Μπορεί να χρειαστεί μια ζώνη μετάβασης μεταξύ του CA και της ακτίνας ανάμειξης για την ανακούφιση των περιορισμών εργαλείων καλουπιού και την προστασία της οπτικής επιφάνειας εντός του CA.
Οι μεγάλες κλίσεις στην οπτική επιφάνεια δημιουργούν προκλήσεις στην κατασκευή καλουπιών και στη μετρολογία. Η λείανση διαμαντιών ακριβείας και τα προφίλμετρα επιφανείας περιορίζονται συνήθως σε κλίσεις λίγο κάτω από 55° έως 60°. Οι απότομες γεωμετρίες μπορεί να απαιτούν χύτευση υπό κενό για να αποφευχθεί η παγίδευση αερίου, ενώ οι πολύ χαμηλές κλίσεις αυξάνουν τους κινδύνους κακής ευθυγράμμισης.
Φλάντζες και ένθετο καλούπι για ασφαιρικούς φακούς
Τα χαρακτηριστικά τοποθέτησης όπως οι φλάντζες μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας σε εξαρτήματα PGM. Οι ακτίνες ανάμειξης και ακμών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά την τοποθέτηση φλάντζες για να διασφαλιστούν επαρκείς περιοχές συναρμολόγησης. Οι μεγάλες φλάντζες αυξάνουν τον όγκο του προδιαμορφώματος και το κόστος υλικού, αλλά είναι επιθυμητά για ευκολότερη τοποθέτηση.
Το ένθετο καλούπι, το οποίο περιλαμβάνει τη χύτευση του φακού απευθείας σε μια μεταλλική βάση, είναι μια άλλη επιλογή που θα πρέπει να αναθεωρηθεί ξεχωριστά από τους τυπικούς φακούς PGM.
Συνοψίζοντας
Η ενσωμάτωση προμηθευτών νωρίς στη διαδικασία σχεδιασμού και η εφαρμογή τεχνικών DFM κατά το σχεδιασμό ασφαιρικών φακών ακριβείας από γυαλί μπορεί να οδηγήσει σε οικονομικά αποδοτικά σχέδια υψηλής κατασκευής. Η τήρηση αυτών των οδηγιών διασφαλίζει ότι τα πλεονεκτήματα του PGM υλοποιούνται πλήρως στη διαδικασία οπτικού σχεδιασμού.
Η έρευνα και οι πρακτικές εφαρμογές δείχνουν ότι η χύτευση γυαλιού ακριβείας είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος για την παραγωγή ασφαιρικών φακών υψηλής ποιότητας σε κλίμακα. Όπως τονίζεται από Smith and Jones (2018), η αξιοποίηση των αρχών DFM στο PGM μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αποδοτικότητα και τη σχέση κόστους-αποτελεσματικότητας της κατασκευής οπτικών.
