Overzicht van precisieglasgieten (PGM)
Precisieglasgieten (PGM) voor asferische lenzen werd begin jaren tachtig geïntroduceerd en is sindsdien een sleuteltechnologie geworden in verschillende industrieën, zoals telecommunicatie, digitale fotografie en thermische beeldvorming. De wijdverbreide acceptatie van PGM is te danken aan het vermogen om hoogwaardige, herhaalbare glasoptieken met asferische oppervlakken te produceren tegen lage kosten en in grote hoeveelheden. Dit maakt PGM tot een proces van onschatbare waarde voor optisch ontwerp, vooral bij het implementeren van design-for-manufacturability (DFM)-principes om de productie te optimaliseren.
Het PGM-productieproces
PGM is een isotherm persgietproces. Aanvankelijk wordt een glazen voorvorm tussen precisiemallen in een glasgietmachine geplaatst. Deze mallen, die het gewenste lensoppervlak weerspiegelen, zijn aangepast op thermische profielen en materiaaleigenschappen. De machine wordt gespoeld met stikstof of vacuüm, en zowel de preform als de mallen worden verwarmd. Door druk uit te oefenen en de mal te laten afkoelen, ontstaat de uiteindelijke lens.
Volgens Zhang et al. (2019)Dankzij het precisieglasgietproces kunnen complexe asferische lenzen met een hoge oppervlaktekwaliteit en lage ruwheid worden geproduceerd, cruciaal voor hoogwaardige optische systemen.
Het juiste materiaal kiezen voor asferische lenzen
Materiaalkeuze is een cruciale stap in elk DFM-initiatief, en precisieglasgieten is daarop geen uitzondering. Het juiste optische glas kan de prestaties aanzienlijk verbeteren, de doorlooptijden verkorten en de kosten verlagen. Met meer dan 200 soorten vormbaar glas hebben ontwerpers een aanzienlijke vrijheid. Er moet echter rekening worden gehouden met factoren zoals maakbaarheid, beschikbaarheid en kosten om de opties te beperken. Vroegtijdige gesprekken met leveranciers kunnen helpen bij het identificeren van het meest effectieve materiaal.
Door met één of twee glassoorten te beginnen en vroegtijdig feedback van fabrikanten te vragen, kunt u tijd en kosten besparen. Fabrikanten standaardiseren vaak een selecte groep materialen om schaalvoordelen te benutten en kostenbesparingen door te geven aan klanten. Hun ervaring met deze materialen kan waardevolle inzichten opleveren in het verminderen van prestatie-, kwaliteits- en planningsrisico's.
Sommige glasformuleringen kunnen de levensduur van het gereedschap negatief beïnvloeden en de kosten verhogen. Glazen die lagere verwerkingstemperaturen vereisen, verminderen het risico op oppervlakteoxidatie tijdens het vormen, waardoor vervuiling en onderhoudsbehoeften worden verminderd. Deze lagere temperaturen verkorten ook de verwarmings- en koelcycli, waardoor de doorvoer wordt verbeterd en het energieverbruik wordt verminderd.
Impact van PGM op optisch ontwerp
Het begrijpen van de impact van het PGM-proces op het optische ontwerp is essentieel na het selecteren van het materiaal. De thermische geschiedenis van glas beïnvloedt de fysieke en optische eigenschappen ervan. Daarom specificeert conventionele lensproductie de gloeisnelheden. Het PGM-proces optimaliseert de koelcyclus om de doorvoer te maximaliseren en de kosten te minimaliseren. De koelsnelheid voor PGM komt overeen met de gloeisnelheid van het eindproduct. Hoewel post-gloeiende PGM-lenzen mogelijk zijn, verhoogt dit vaak de kosten en doorlooptijden en vermindert de oppervlaktekwaliteit.
Onderzoek door Nguyen et al. (2020) geeft aan dat PGM-lenzen doorgaans een lichte vermindering van de brekingsindex vertonen, variërend van -0,0006 tot -0,010 voor gewone vormbare glazen die in zichtbare golflengten worden gebruikt. Chalcogenideglazen met hogere indices vertonen significantere dalingen in het infraroodspectrum.
Ontwerpprincipes voor gegoten asferische lenzen van precisieglas
Het integreren van effectieve DFM-praktijken in het ontwerp van gegoten precisiecomponenten van glas omvat verschillende sleutelprincipes. De algehele vormfactor van de lens is een primaire overweging, waarbij diameters doorgaans variëren van minder dan een millimeter tot meer dan 100 mm, hoewel de meeste tussen 1 en 25 mm vallen.
Hoewel er verschillende lensvormen en voorvormen kunnen worden gebruikt, is de keuze van de voorvormen doorgaans de verantwoordelijkheid van de fabrikant. De balvoorvorm is het meest kosteneffectief voor PGM. Ontwerpregels voor kogelvoorvormen worden hier uiteengezet, maar geavanceerde of niet-typische vormen kunnen worden bereikt met behulp van verschillende voorvormgeometrieën en moeten vroeg met de fabrikant worden besproken.
De centrumdikte (CT) van een lens hangt af van de vorm of beeldverhouding. Zeer dunne CT's, tot 0,2 mm, kunnen worden geproduceerd, maar vereisen mogelijk voorvormen in de vorm van een bijna netvorm om spanning te minimaliseren. Grote CT-waarden moeten worden vermeden om thermische gradiënten te voorkomen. Ongecontroleerde thermische profielen kunnen dubbele breking van spanning, inhomogene brekingsindices en mogelijke breuken veroorzaken.
Randdiktes (ET) van minder dan 0,4 mm kunnen leiden tot afbrokkeling van de randen en problemen bij het hanteren. De buitendiameter (OD) wordt beperkt door het ontwerp van het matrijsgereedschap, doorgaans variërend van minder dan 1 mm tot meer dan 25 mm. Grote OD's kunnen ook last hebben van thermische gradiënten, wat de opbrengsten beïnvloedt. Om hoge opbrengsten te behouden moeten de beeldverhoudingen van OD tot CT en ET gebaseerd zijn op de ervaring van de fabrikant.
Meng stralen en overgangszones in asferische lenzen
De fysieke opening (PA) moet altijd groter zijn dan de vrije opening (CA) om een mengradius mogelijk te maken die spanningsconcentraties vermindert en verlichting biedt voor het snijgereedschap. De grootte van de mengradius is afhankelijk van het oppervlak en de productiemethode. Er kan een overgangszone tussen de CA en de mengradius nodig zijn om de beperkingen van het matrijsgereedschap te verlichten en het optische oppervlak binnen de CA te beschermen.
Hoge hellingen op het optische oppervlak vormen uitdagingen bij de matrijzenbouw en metrologie. Precisiediamantslijp- en oppervlakteprofielmeters zijn doorgaans beperkt tot hellingen van iets minder dan 55° tot 60°. Bij steile geometrieën kan vacuümgieten nodig zijn om gasinsluiting te voorkomen, terwijl zeer lage hellingen het risico op verkeerde uitlijning vergroten.
Flenzen en inzetstukken voor asferische lenzen
Montagekenmerken zoals flenzen kunnen rechtstreeks in PGM-componenten worden geïntegreerd. Bij het implementeren van flenzen moet rekening worden gehouden met meng- en randradii om voldoende montageruimte te garanderen. Grote flenzen verhogen het voorvormvolume en de materiaalkosten, maar zijn wenselijk voor eenvoudiger montage.
Insert-molding, waarbij de lens rechtstreeks in een metalen houder wordt gegoten, is een andere optie die afzonderlijk van standaard PGM-lenzen moet worden beoordeeld.
Samengevat
Het betrekken van leveranciers in een vroeg stadium in het ontwerpproces en het toepassen van DFM-technieken bij het ontwerpen van gegoten asferische lenzen van precisieglas kan leiden tot kosteneffectieve, goed produceerbare ontwerpen. Het volgen van deze richtlijnen zorgt ervoor dat de voordelen van PGM volledig worden gerealiseerd in het optische ontwerpproces.
Onderzoek en praktische toepassingen tonen aan dat precisieglasgieten een zeer effectieve methode is voor het op grote schaal produceren van hoogwaardige asferische lenzen. Zoals benadrukt door Smit en Jones (2018)kan het benutten van DFM-principes in PGM de efficiëntie en kosteneffectiviteit van optische productie aanzienlijk verbeteren.
