Panoramica sullo stampaggio del vetro di precisione (PGM)
Stampaggio vetro di precisione (PGM) per lenti asferiche è stata introdotta all'inizio degli anni '80 e da allora è diventata una tecnologia chiave in vari settori come le telecomunicazioni, la fotografia digitale e l'imaging termico. L'adozione diffusa del PGM è dovuta alla sua capacità di produrre ottiche in vetro ripetibili e di alta qualità con superfici asferiche a basso costo e in grandi quantità. Ciò rende il PGM un processo prezioso per la progettazione ottica, soprattutto quando si implementano i principi di progettazione per la producibilità (DFM) per ottimizzare la produzione.
Il processo di produzione del PGM
Il PGM è un processo di stampaggio a compressione isotermico. Inizialmente, una preforma di vetro viene posizionata tra stampi di precisione all'interno di una macchina per lo stampaggio del vetro. Questi stampi, che rispecchiano la superficie della lente desiderata, sono adattati ai profili termici e alle proprietà del materiale. La macchina viene spurgata con azoto o vuoto e sia la preforma che gli stampi vengono riscaldati. Applicando pressione e consentendo allo stampo di raffreddarsi si ottiene la lente finale.
Secondo Zhang et al. (2019), il processo di stampaggio del vetro di precisione consente la produzione di lenti asferiche complesse con elevata qualità superficiale e bassa rugosità, fondamentali per i sistemi ottici ad alte prestazioni.
Scegliere il materiale giusto per le lenti asferiche
La selezione dei materiali è un passaggio fondamentale in qualsiasi iniziativa DFM e lo stampaggio del vetro di precisione non fa eccezione. Il giusto vetro ottico può migliorare significativamente le prestazioni, ridurre i tempi di consegna e abbassare i costi. Con oltre 200 tipi di vetro modellabile disponibili, i progettisti hanno una notevole libertà. Tuttavia, per restringere le opzioni è necessario considerare fattori quali producibilità, disponibilità e costi. Le prime discussioni con i fornitori possono aiutare a identificare il materiale più efficace.
Iniziare con uno o due tipi di vetro e chiedere feedback tempestivi ai produttori può far risparmiare tempo e costi. I produttori spesso standardizzano un gruppo selezionato di materiali per sfruttare le economie di scala, trasferendo i risparmi sui costi ai clienti. La loro esperienza con questi materiali può fornire informazioni preziose sulla riduzione dei rischi legati a prestazioni, qualità e pianificazione.
Alcune formulazioni di vetro possono influire negativamente sulla durata degli utensili e aumentare i costi. I vetri che richiedono temperature di lavorazione più basse riducono il rischio di ossidazione superficiale durante lo stampaggio, riducendo la contaminazione e le esigenze di manutenzione. Queste temperature più basse accorciano anche i cicli di riscaldamento e raffreddamento, migliorando la produttività e riducendo il consumo energetico.
Impatto del PGM sulla progettazione ottica
Comprendere l'impatto del processo PGM sulla progettazione ottica è essenziale dopo aver selezionato il materiale. La storia termica del vetro influenza le sue proprietà fisiche e ottiche, motivo per cui la produzione convenzionale di lenti specifica velocità di ricottura. Il processo PGM ottimizza il ciclo di raffreddamento per massimizzare la produttività e ridurre al minimo i costi. La velocità di raffreddamento del PGM corrisponde alla velocità di ricottura del prodotto finito. Sebbene sia possibile la post-ricottura delle lenti PGM, spesso ciò aumenta i costi, i tempi di consegna e riduce la qualità della superficie.
Ricerca di Nguyen et al. (2020) indica che le lenti PGM tipicamente mostrano una leggera riduzione dell'indice di rifrazione, che va da -0,0006 a -0,010 per i comuni occhiali modellabili utilizzati nelle lunghezze d'onda visibili. I vetri calcogenuri con indici più alti mostrano diminuzioni più significative nello spettro infrarosso.
Principi di progettazione per lenti asferiche stampate in vetro di precisione
L’integrazione di pratiche DFM efficaci nella progettazione di componenti stampati in vetro di precisione implica diversi principi chiave. Il fattore di forma complessivo dell'obiettivo è una considerazione primaria, con diametri che in genere vanno da meno di un millimetro a oltre 100 mm, sebbene la maggior parte rientri tra 1 e 25 mm.
Sebbene sia possibile utilizzare varie forme di lenti e preforme, la selezione delle preforme è generalmente responsabilità del produttore. La preforma a sfera è la più economica per PGM. Le regole di progettazione per le preforme a sfera sono delineate qui, ma forme avanzate o non tipiche possono essere ottenute utilizzando diverse geometrie delle preforme e dovrebbero essere discusse in anticipo con il produttore.
Lo spessore centrale (CT) di una lente dipende dalla sua forma o dalle sue proporzioni. È possibile produrre CT molto sottili, fino a 0,2 mm, ma potrebbero richiedere preforme di forma quasi netta per ridurre al minimo lo stress. Dovrebbero essere evitati valori CT elevati per evitare gradienti termici. Profili termici incontrollati possono causare birifrangenza da stress, indici di rifrazione disomogenei e potenziali fratture.
Spessori dei bordi (ET) inferiori a 0,4 mm possono causare scheggiature e difficoltà di manipolazione. Il diametro esterno (OD) è limitato dal design dell'attrezzatura dello stampo, in genere varia da meno di 1 mm a oltre 25 mm. Le grandi OD possono anche soffrire di gradienti termici, che influiscono sulle rese. I rapporti d'aspetto di OD rispetto a CT ed ET dovrebbero basarsi sull'esperienza del produttore per mantenere rese elevate.
Miscela raggi e zone di transizione nelle lenti asferiche
L'apertura fisica (PA) deve essere sempre maggiore dell'apertura libera (CA) per accogliere un raggio di raccordo che riduca le concentrazioni di sollecitazioni e fornisca sollievo per l'utensile da taglio. La dimensione del raggio di fusione dipende dalla superficie e dal metodo di produzione. Potrebbe essere necessaria una zona di transizione tra la CA e il raggio di fusione per alleviare i vincoli dell'utensileria dello stampo e proteggere la superficie ottica all'interno della CA.
Pendenze elevate sulla superficie ottica pongono sfide nella produzione di stampi e nella metrologia. La rettifica di precisione del diamante e i profilometri di superficie sono generalmente limitati a pendenze appena inferiori a 55°-60°. Le geometrie ripide possono richiedere lo stampaggio sottovuoto per evitare l’intrappolamento del gas, mentre pendenze molto basse aumentano i rischi di disallineamento.
Flange e inserti stampati per lenti asferiche
Le caratteristiche di montaggio come le flange possono essere integrate direttamente nei componenti PGM. Quando si implementano le flange è necessario considerare i raggi di raccordo e dei bordi per garantire aree di assemblaggio adeguate. Le flange di grandi dimensioni aumentano il volume delle preforme e i costi dei materiali, ma sono desiderabili per un montaggio più semplice.
Lo stampaggio a inserto, che prevede lo stampaggio della lente direttamente in un supporto metallico, è un'altra opzione che dovrebbe essere esaminata separatamente dalle lenti PGM standard.
In sintesi
Coinvolgere i fornitori nelle prime fasi del processo di progettazione e applicare le tecniche DFM durante la progettazione di lenti asferiche stampate in vetro di precisione può portare a progetti economicamente vantaggiosi e altamente producibili. Il rispetto di queste linee guida garantisce che i vantaggi del PGM siano pienamente realizzati nel processo di progettazione ottica.
La ricerca e le applicazioni pratiche dimostrano che lo stampaggio di precisione del vetro è un metodo altamente efficace per produrre lenti asferiche di alta qualità su larga scala. Come evidenziato da Smith e Jones (2018), sfruttando i principi DFM nel PGM è possibile migliorare significativamente l'efficienza e il rapporto costo-efficacia della produzione ottica.
