Översikt över Precision Glass Molding (PGM)
Precisionsglasgjutning (PGM) för asfäriska linser introducerades i början av 1980-talet och har sedan dess blivit en nyckelteknologi inom olika branscher som telekommunikation, digital fotografering och värmebilder. Den utbredda användningen av PGM beror på dess förmåga att producera högkvalitativ, repeterbar glasoptik med asfäriska ytor till låg kostnad och i stora kvantiteter. Detta gör PGM till en ovärderlig process för optisk design, särskilt när man implementerar design-for-manufacturability-principer (DFM) för att optimera produktionen.
PGM-tillverkningsprocessen
PGM är en isotermisk formpressningsprocess. Inledningsvis placeras en glasförform mellan precisionsformar i en glasformningsmaskin. Dessa formar, som speglar den önskade linsytan, är justerade för termiska profiler och materialegenskaper. Maskinen renas med kväve eller vakuum, och både förformen och formarna värms upp. Att applicera tryck och låta formen svalna resulterar i den slutliga linsen.
Enligt Zhang et al. (2019), möjliggör precisionsglasgjutningsprocessen produktion av komplexa asfäriska linser med hög ytkvalitet och låg strävhet, avgörande för högpresterande optiska system.
Att välja rätt material för asfäriska linser
Materialval är ett kritiskt steg i alla DFM-initiativ, och precisionsgjutning av glas är inget undantag. Rätt optiskt glas kan avsevärt förbättra prestandan, minska ledtiderna och sänka kostnaderna. Med över 200 typer av formbart glas tillgängliga, har designers stor frihet. Faktorer som tillverkningsbarhet, tillgänglighet och kostnad måste dock beaktas för att begränsa alternativen. Tidiga diskussioner med leverantörer kan hjälpa till att identifiera det mest effektiva materialet.
Att börja med en eller två glastyper och söka tidig feedback från tillverkare kan spara tid och kostnader. Tillverkare standardiserar ofta en utvald grupp av material för att dra nytta av stordriftsfördelar och överföra kostnadsbesparingar till kunderna. Deras erfarenhet av dessa material kan ge värdefulla insikter om att minska prestanda, kvalitet och schemaläggningsrisker.
Vissa glasformuleringar kan påverka verktygets livslängd negativt och öka kostnaderna. Glas som kräver lägre bearbetningstemperaturer minskar risken för ytoxidation under formning, vilket minskar föroreningar och underhållsbehov. Dessa lägre temperaturer förkortar också uppvärmnings- och kylcyklerna, förbättrar genomströmningen och minskar energiförbrukningen.
Inverkan av PGM på optisk design
Att förstå PGM-processens inverkan på optisk design är viktigt efter val av material. Glasets termiska historia påverkar dess fysikaliska och optiska egenskaper, vilket är anledningen till att konventionell linstillverkning anger glödgningshastigheter. PGM-processen optimerar kylcykeln för att maximera genomströmningen och minimera kostnaderna. Kylhastigheten för PGM motsvarar den färdiga produktens glödgningshastighet. Även om PGM-linser efter glödgning är möjliga, ökar det ofta kostnaderna, ledtiderna och minskar ytkvaliteten.
Forskning av Nguyen et al. (2020) indikerar att PGM-linser typiskt uppvisar en liten minskning av brytningsindex, som sträcker sig från -0,0006 till -0,010 för vanliga formbara glasögon som används i synliga våglängder. Kalkogenidglas med högre index uppvisar mer signifikanta fall i det infraröda spektrumet.
Designprinciper för precisionsformade asfäriska linser
Att införliva effektiva DFM-praxis i utformningen av precisionsgjutna glaskomponenter involverar flera nyckelprinciper. Linsens övergripande formfaktor är en primär faktor, med diametrar som vanligtvis sträcker sig från mindre än en millimeter till över 100 mm, även om de flesta faller mellan 1 och 25 mm.
Även om olika linsformer och preforms kan användas, är valet av preform vanligtvis tillverkarens ansvar. Kulförformen är den mest kostnadseffektiva för PGM. Designregler för kulförformar beskrivs här, men avancerade eller icke-typiska former kan uppnås med olika förformsgeometrier och bör diskuteras tidigt med tillverkaren.
Mitttjockleken (CT) för en lins beror på dess form eller bildförhållande. Mycket tunna CT:er, ner till 0,2 mm, kan tillverkas men kan kräva nästan nätformade förformar för att minimera spänningen. Stora CT-värden bör undvikas för att förhindra termiska gradienter. Okontrollerade termiska profiler kan orsaka dubbelbrytning, inhomogena brytningsindex och potentiella sprickor.
Kanttjocklekar (ET) under 0,4 mm kan leda till kantflisning och hanteringssvårigheter. Den yttre diametern (OD) begränsas av formverktygsdesignen, vanligtvis från mindre än 1 mm till över 25 mm. Stora OD kan också drabbas av termiska gradienter, vilket påverkar avkastningen. Bildförhållanden mellan OD och CT och ET bör baseras på tillverkarens erfarenhet för att upprätthålla höga utbyten.
Blanda radier och övergångszoner i asfäriska linser
Den fysiska öppningen (PA) bör alltid vara större än den fria öppningen (CA) för att rymma en blandningsradie som minskar spänningskoncentrationerna och ger avlastning för skärverktyget. Blandningsradiestorleken beror på ytan och tillverkningsmetoden. En övergångszon mellan CA och blandningsradien kan behövas för att avlasta formverktygsbegränsningar och skydda den optiska ytan inom CA.
Höga sluttningar på den optiska ytan utgör utmaningar inom formtillverkning och mätning. Precisionsdiamantslipning och ytprofilometrar är vanligtvis begränsade till sluttningar strax under 55° till 60°. Branta geometrier kan kräva vakuumformning för att undvika gasinneslutning, medan mycket låga sluttningar ökar risken för snedställning.
Flänsar och insatslister för asfäriska linser
Monteringsfunktioner som flänsar kan integreras direkt i PGM-komponenter. Blandning och kantradier måste beaktas vid implementering av flänsar för att säkerställa tillräckliga monteringsområden. Stora flänsar ökar förformens volym och materialkostnader men är önskvärda för enklare montering.
Insert formning, som innebär att linsen gjutas direkt i en metallhållare, är ett annat alternativ som bör granskas separat från vanliga PGM-linser.
Sammanfattningsvis
Att införliva leverantörer tidigt i designprocessen och tillämpa DFM-tekniker vid design av precisionsformade asfäriska linser kan leda till kostnadseffektiva, mycket tillverkningsbara konstruktioner. Att följa dessa riktlinjer säkerställer att fördelarna med PGM fullt ut förverkligas i den optiska designprocessen.
Forskning och praktiska tillämpningar visar att precisionsgjutning av glas är en mycket effektiv metod för att producera högkvalitativa asfäriska linser i stor skala. Som framhållits av Smith och Jones (2018), kan utnyttja DFM-principer i PGM avsevärt förbättra effektiviteten och kostnadseffektiviteten för optisk tillverkning.
