Visão geral da moldagem de vidro de precisão (PGM)
Moldagem de vidro de precisão (PGM) para lentes asféricas foi introduzido no início da década de 1980 e desde então se tornou uma tecnologia chave em vários setores, como telecomunicações, fotografia digital e imagem térmica. A ampla adoção do PGM se deve à sua capacidade de produzir ópticas de vidro repetíveis e de alta qualidade com superfícies asféricas a baixo custo e em grandes quantidades. Isso torna o PGM um processo inestimável para design óptico, especialmente ao implementar princípios de design para fabricação (DFM) para otimizar a produção.
O Processo de Fabricação de PGM
PGM é um processo de moldagem por compressão isotérmica. Inicialmente, uma pré-forma de vidro é colocada entre moldes de precisão dentro de uma máquina de moldagem de vidro. Esses moldes, que espelham a superfície desejada da lente, são ajustados para perfis térmicos e propriedades do material. A máquina é purgada com nitrogênio ou vácuo, e tanto a pré-forma quanto os moldes são aquecidos. Aplicar pressão e permitir que o molde esfrie resulta na lente final.
De acordo com Zhang et al. (2019), o processo de moldagem de vidro de precisão permite a produção de lentes asféricas complexas com alta qualidade superficial e baixa rugosidade, cruciais para sistemas ópticos de alto desempenho.
Escolhendo o material certo para lentes asféricas
A seleção de materiais é uma etapa crítica em qualquer iniciativa de DFM, e a moldagem de vidro de precisão não é exceção. O vidro óptico certo pode melhorar significativamente o desempenho, reduzir prazos de entrega e reduzir custos. Com mais de 200 tipos de vidro moldável disponíveis, os designers têm uma liberdade considerável. No entanto, fatores como capacidade de fabricação, disponibilidade e custo devem ser considerados para restringir as opções. As discussões iniciais com os fornecedores podem ajudar a identificar o material mais eficaz.
Começar com um ou dois tipos de vidro e buscar feedback antecipado dos fabricantes pode economizar tempo e custos. Os fabricantes muitas vezes padronizam um grupo seleto de materiais para alavancar economias de escala, repassando economias de custos aos clientes. A experiência deles com esses materiais pode fornecer informações valiosas sobre a redução de riscos de desempenho, qualidade e programação.
Algumas formulações de vidro podem afetar negativamente a vida útil das ferramentas e aumentar os custos. Os vidros que requerem temperaturas de processamento mais baixas reduzem o risco de oxidação da superfície durante a moldagem, diminuindo a contaminação e as necessidades de manutenção. Estas temperaturas mais baixas também encurtam os ciclos de aquecimento e arrefecimento, melhorando o rendimento e reduzindo o consumo de energia.
Impacto do PGM no design óptico
Compreender o impacto do processo PGM no design óptico é essencial após a seleção do material. A história térmica do vidro influencia suas propriedades físicas e ópticas, razão pela qual a fabricação convencional de lentes especifica taxas de recozimento. O processo PGM otimiza o ciclo de resfriamento para maximizar o rendimento e minimizar custos. A taxa de resfriamento do PGM corresponde à taxa de recozimento do produto acabado. Embora lentes PGM pós-recozimento sejam possíveis, muitas vezes isso aumenta os custos, os prazos de entrega e reduz a qualidade da superfície.
Pesquisa por Nguyen et al. (2020) indica que as lentes PGM normalmente exibem uma ligeira redução no índice de refração, variando de -0,0006 a -0,010 para vidros moldáveis comuns usados em comprimentos de onda visíveis. Vidros calcogenetos com índices mais elevados apresentam quedas mais significativas no espectro infravermelho.
Princípios de design para lentes asféricas moldadas em vidro de precisão
A incorporação de práticas eficazes de DFM no projeto de componentes moldados de vidro de precisão envolve vários princípios fundamentais. O formato geral da lente é uma consideração primária, com diâmetros normalmente variando de menos de um milímetro a mais de 100 mm, embora a maioria caia entre 1 e 25 mm.
Embora vários formatos de lentes e pré-formas possam ser usados, a seleção da pré-forma normalmente é de responsabilidade do fabricante. A pré-forma esférica é a mais econômica para PGM. As regras de projeto para pré-formas esféricas são descritas aqui, mas formatos avançados ou atípicos podem ser obtidos usando diferentes geometrias de pré-forma e devem ser discutidos antecipadamente com o fabricante.
A espessura central (CT) de uma lente depende de sua forma ou proporção. CTs muito finos, até 0,2 mm, podem ser produzidos, mas podem exigir pré-formas com formato próximo ao final para minimizar o estresse. Grandes valores de CT devem ser evitados para evitar gradientes térmicos. Perfis térmicos não controlados podem causar birrefringência de tensão, índices de refração não homogêneos e fraturas potenciais.
Espessuras de borda (ET) abaixo de 0,4 mm podem causar lascas nas bordas e dificuldades de manuseio. O diâmetro externo (DE) é limitado pelo projeto da ferramenta do molde, normalmente variando de menos de 1 mm a mais de 25 mm. Grandes DOs também podem sofrer gradientes térmicos, afetando os rendimentos. As proporções de OD para CT e ET devem basear-se na experiência do fabricante para manter rendimentos elevados.
Misture raios e zonas de transição em lentes asféricas
A abertura física (PA) deve sempre ser maior que a abertura transparente (CA) para acomodar um raio de mistura que reduza as concentrações de tensão e proporcione alívio para a ferramenta de corte. O tamanho do raio de mistura depende da superfície e do método de fabricação. Uma zona de transição entre o CA e o raio de mistura pode ser necessária para aliviar as restrições das ferramentas do molde e proteger a superfície óptica dentro do CA.
Inclinações elevadas na superfície óptica representam desafios na fabricação de moldes e na metrologia. O desbaste de diamante de precisão e os perfilômetros de superfície são normalmente limitados a inclinações abaixo de 55° a 60°. Geometrias íngremes podem exigir moldagem a vácuo para evitar o aprisionamento de gás, enquanto inclinações muito baixas aumentam os riscos de desalinhamento.
Flanges e Moldagem de Inserção para Lentes Asféricas
Recursos de montagem como flanges podem ser integrados diretamente nos componentes PGM. Os raios de mistura e de borda devem ser considerados ao implementar flanges para garantir áreas de montagem adequadas. Flanges grandes aumentam o volume da pré-forma e os custos de material, mas são desejáveis para facilitar a montagem.
A moldagem por inserção, que envolve moldar a lente diretamente em um suporte metálico, é outra opção que deve ser analisada separadamente das lentes PGM padrão.
Resumindo
Incorporar fornecedores no início do processo de design e aplicar técnicas DFM ao projetar lentes asféricas moldadas em vidro de precisão pode levar a designs econômicos e altamente fabricáveis. Seguir essas diretrizes garante que as vantagens do PGM sejam plenamente aproveitadas no processo de design óptico.
Pesquisas e aplicações práticas demonstram que a moldagem de vidro de precisão é um método altamente eficaz para produzir lentes asféricas de alta qualidade em escala. Como destacado por Smith e Jones (2018), aproveitar os princípios do DFM no PGM pode aumentar significativamente a eficiência e a relação custo-benefício da fabricação óptica.
