Descripción general del moldeado de vidrio de precisión (PGM)
Moldeo de vidrio de precisión (PGM) para lentes asféricas se introdujo a principios de la década de 1980 y desde entonces se ha convertido en una tecnología clave en diversas industrias, como las telecomunicaciones, la fotografía digital y la imagen térmica. La adopción generalizada de PGM se debe a su capacidad para producir ópticas de vidrio repetibles y de alta calidad con superficies asféricas a bajo costo y en grandes cantidades. Esto hace que PGM sea un proceso invaluable para el diseño óptico, especialmente cuando se implementan principios de diseño para fabricación (DFM) para optimizar la producción.
El proceso de fabricación de PGM
PGM es un proceso de moldeo por compresión isotérmica. Inicialmente, se coloca una preforma de vidrio entre moldes de precisión dentro de una máquina de moldeo de vidrio. Estos moldes, que reflejan la superficie de la lente deseada, se ajustan a los perfiles térmicos y las propiedades del material. La máquina se purga con nitrógeno o vacío y se calientan tanto la preforma como los moldes. Aplicando presión y permitiendo que el molde se enfríe se obtiene la lente final.
De acuerdo a Zhang et al. (2019), el proceso de moldeado de vidrio de precisión permite la producción de lentes asféricas complejas con alta calidad superficial y baja rugosidad, crucial para los sistemas ópticos de alto rendimiento.
Elegir el material adecuado para lentes asféricas
La selección de materiales es un paso crítico en cualquier iniciativa de DFM y el moldeado de vidrio de precisión no es una excepción. El vidrio óptico adecuado puede mejorar significativamente el rendimiento, reducir los plazos de entrega y reducir los costos. Con más de 200 tipos de vidrio moldeable disponibles, los diseñadores tienen una libertad considerable. Sin embargo, se deben considerar factores como la capacidad de fabricación, la disponibilidad y el costo para reducir las opciones. Las conversaciones tempranas con los proveedores pueden ayudar a identificar el material más eficaz.
Comenzar con uno o dos tipos de vidrio y buscar comentarios tempranos de los fabricantes puede ahorrar tiempo y costos. Los fabricantes suelen estandarizar un grupo selecto de materiales para aprovechar las economías de escala, trasladando el ahorro de costos a los clientes. Su experiencia con estos materiales puede proporcionar información valiosa para reducir los riesgos de rendimiento, calidad y programación.
Algunas formulaciones de vidrio pueden afectar negativamente la vida útil de las herramientas y aumentar los costos. Los vidrios que requieren temperaturas de procesamiento más bajas reducen el riesgo de oxidación de la superficie durante el moldeo, lo que reduce la contaminación y las necesidades de mantenimiento. Estas temperaturas más bajas también acortan los ciclos de calefacción y refrigeración, mejorando el rendimiento y reduciendo el consumo de energía.
Impacto de PGM en el diseño óptico
Comprender el impacto del proceso PGM en el diseño óptico es esencial después de seleccionar el material. La historia térmica del vidrio influye en sus propiedades físicas y ópticas, razón por la cual la fabricación de lentes convencionales especifica tasas de recocido. El proceso PGM optimiza el ciclo de enfriamiento para maximizar el rendimiento y minimizar los costos. La velocidad de enfriamiento del PGM corresponde a la velocidad de recocido del producto terminado. Aunque es posible el post-recocido de lentes PGM, a menudo aumenta los costos, los plazos de entrega y reduce la calidad de la superficie.
Investigación por Nguyen et al. (2020) indica que las lentes PGM típicamente exhiben una ligera reducción en el índice de refracción, que oscila entre -0,0006 y -0,010 para los vidrios moldeables comunes utilizados en longitudes de onda visibles. Los vidrios de calcogenuro con índices más altos presentan caídas más significativas en el espectro infrarrojo.
Principios de diseño para lentes asféricas moldeadas de vidrio de precisión
La incorporación de prácticas DFM efectivas en el diseño de componentes moldeados de vidrio de precisión implica varios principios clave. El factor de forma general de la lente es una consideración principal, con diámetros que generalmente varían desde menos de un milímetro hasta más de 100 mm, aunque la mayoría se encuentra entre 1 y 25 mm.
Si bien se pueden utilizar varias formas de lentes y preformas, la selección de las preformas suele ser responsabilidad del fabricante. La preforma de bola es la más rentable para PGM. Las reglas de diseño para preformas de bolas se describen aquí, pero se pueden lograr formas avanzadas o atípicas utilizando diferentes geometrías de preformas y se deben discutir con anticipación con el fabricante.
El espesor central (CT) de una lente depende de su forma o relación de aspecto. Se pueden producir CT muy delgados, de hasta 0,2 mm, pero pueden requerir preformas con forma casi neta para minimizar la tensión. Se deben evitar valores elevados de CT para evitar gradientes térmicos. Los perfiles térmicos no controlados pueden provocar birrefringencia por tensión, índices de refracción no homogéneos y posibles fracturas.
Los espesores de borde (ET) inferiores a 0,4 mm pueden provocar desconchones y dificultades de manipulación. El diámetro exterior (OD) está limitado por el diseño de las herramientas del molde, y normalmente oscila entre menos de 1 mm y más de 25 mm. Las grandes DO también pueden sufrir gradientes térmicos, lo que afecta los rendimientos. Las relaciones de aspecto de OD a CT y ET deben basarse en la experiencia del fabricante para mantener altos rendimientos.
Combinar radios y zonas de transición en lentes asféricas
La apertura física (PA) siempre debe ser mayor que la apertura libre (CA) para acomodar un radio de mezcla que reduzca las concentraciones de tensión y proporcione alivio a la herramienta de corte. El tamaño del radio de mezcla depende de la superficie y del método de fabricación. Es posible que se necesite una zona de transición entre el CA y el radio de mezcla para aliviar las limitaciones de las herramientas del molde y proteger la superficie óptica dentro del CA.
Las altas pendientes en la superficie óptica plantean desafíos en la metrología y la fabricación de moldes. Los perfilómetros de superficie y rectificado de diamante de precisión generalmente se limitan a pendientes de poco menos de 55° a 60°. Las geometrías pronunciadas pueden requerir moldeo al vacío para evitar el atrapamiento de gas, mientras que las pendientes muy bajas aumentan los riesgos de desalineación.
Bridas y molduras de inserción para lentes asféricas
Las características de montaje, como las bridas, se pueden integrar directamente en los componentes PGM. Se deben considerar los radios de fusión y de borde al implementar bridas para garantizar áreas de ensamblaje adecuadas. Las bridas grandes aumentan el volumen de la preforma y los costos de material, pero son deseables para un montaje más fácil.
El moldeado por inserción, que implica moldear la lente directamente en un soporte metálico, es otra opción que debe revisarse por separado de las lentes PGM estándar.
En resumen
La incorporación de proveedores en las primeras etapas del proceso de diseño y la aplicación de técnicas DFM al diseñar lentes asféricas moldeadas de vidrio de precisión puede conducir a diseños rentables y altamente fabricables. Seguir estas pautas garantiza que las ventajas de PGM se obtengan plenamente en el proceso de diseño óptico.
Las investigaciones y las aplicaciones prácticas demuestran que el moldeado de vidrio de precisión es un método muy eficaz para producir lentes asféricas de alta calidad a escala. Como lo destaca Smith y Jones (2018), aprovechar los principios de DFM en PGM puede mejorar significativamente la eficiencia y la rentabilidad de la fabricación óptica.
