Tecnología de fabricación de insertos de moldes ópticos

Los componentes ópticos poliméricos se han vuelto cada vez más importantes en el mercado actual. A medida que las demandas de rendimiento de los elementos ópticos siguen aumentando, los procesos de fabricación enfrentan desafíos sustanciales. Entre ellos destaca la producción de insertos de molde para procesos de replicación, que influye directamente en la calidad final de los componentes ópticos. Esta revisión examina las tecnologías de fabricación actualmente disponibles para ayudar a los ingenieros a tomar decisiones informadas en aplicaciones prácticas.

Los elementos ópticos de polímero ofrecen importantes ventajas sobre las lentes de vidrio convencionales. Permiten una producción en masa rápida mediante moldeo por inyección o moldeo por inyección-compresión a menores costos de fabricación. Además, las funciones de montaje y alineación se pueden integrar directamente en los componentes ópticos, eliminando la necesidad de accesorios y procedimientos de ensamblaje adicionales. Desde sistemas de iluminación hasta aplicaciones automotrices, desde dispositivos de imágenes hasta sensores, los dominios de aplicación de los elementos ópticos poliméricos continúan expandiéndose.

La aparición de componentes ópticos microestructurados merece una atención especial. Agregar características de microestructura a las superficies de las lentes puede mejorar sustancialmente el rendimiento, reducir el peso del sistema, corregir aberraciones y dar forma a los haces de luz. Microestructuras como conjuntos de microlentes, elementos ópticos difractivos, lentes de Fresnel y conjuntos de prismas desempeñan funciones vitales en campos que incluyen la concentración solar, la conformación del haz y los sistemas de medición.

Sistema de clasificación de tecnologías de fabricación.

Las tecnologías de fabricación de inserciones de moldes ópticos se pueden dividir en dos categorías principales: métodos que crean superficies con calidad óptica y técnicas para crear microestructuras ópticas. Dado que los insertos de moldes ópticos generalmente requieren una precisión de forma y una calidad de superficie extremadamente altas, estos dos factores sirven como métricas centrales para evaluar diversas tecnologías.

Mecanizado de ultra-precisión: la base de la fabricación óptica

Desde su aparición en la década de 1960, el mecanizado de ultra-precisión sigue siendo el método más utilizado para producir inserciones de moldes ópticos. La principal ventaja de esta tecnología radica en lograr una precisión de posicionamiento a nivel nanométrico-, obteniendo así una calidad de superficie y una precisión de forma excepcionales. Los componentes mecanizados con diamante-normalmente presentan una rugosidad superficial inferior a 10 nanómetros, lo que logra acabados con calidad de espejo-sin pos-procesamiento.

Para obtener piezas de alta-calidad, los componentes de la máquina deben funcionar al límite. Los sistemas de mecanizado con diamante utilizan granito como base y están equipados con sistemas de posicionamiento de alta-precisión, husillos de alta-velocidad y accesorios y equipos operativos precisos. Los husillos con cojinetes neumáticos y los cojinetes hidrostáticos permiten un movimiento preciso de herramientas y piezas, con control de posición garantizado mediante rejillas de vidrio con una resolución inferior a 1 nanómetro. El control de la temperatura es igualmente crítico y requiere mantenimiento dentro de rangos de ±0,1 K o menores.

El diamante monocristalino- constituye el filo de las herramientas debido a su excepcional dureza y capacidad para crear bordes extremadamente afilados con una redondez inferior a 50 nanómetros. La calidad y precisión de las piezas que se pueden lograr dependen en gran medida de la calidad de la herramienta de diamante. Sin embargo, el mecanizado con diamante se limita a materiales no-ferrosos, lo que hace que el recubrimiento de níquel-fósforo sea un estándar de la industria. El níquel-fósforo se puede mecanizar con herramientas de diamante con un desgaste de herramienta prácticamente insignificante.

torneado de diamantesrepresenta el proceso estándar para la fabricación de componentes ópticos rotacionalmente simétricos, adecuados para producir moldes de lentes esféricos y asféricos. La calidad superficial alcanzable depende en gran medida de factores del proceso y de los materiales. Los principales factores que influyen incluyen la velocidad del husillo, el radio de la punta de la herramienta y la velocidad de avance. Las altas velocidades del husillo, los grandes radios de las puntas de las herramientas y las velocidades de avance lentas generalmente mejoran la rugosidad de la superficie.

Tecnología de servo herramienta lentafue desarrollado para satisfacer las altas exigencias de los elementos ópticos asimétricos. Basado en las configuraciones tradicionales de torneado con diamante, agrega oscilación del eje Z-durante el mecanizado. El servo de herramienta lenta puede producir piezas asimétricas de alta precisión sin ningún equipo de máquina adicional. Esta tecnología se puede utilizar para fabricar conjuntos de microlentes, conjuntos de prismas, elementos ópticos difractivos, asferas fuera de eje y superficies ópticas de forma libre.

Tecnología de servo herramienta rápidaSe parece a un servo de herramienta lento pero utiliza un actuador adicional para hacer oscilar la punta de la herramienta. El servo de herramienta rápido permite un posicionamiento preciso de la herramienta, pero con una carrera significativamente más pequeña que la tecnología de servo de herramienta lenta, que generalmente varía desde varios micrómetros hasta varios cientos de micrómetros. El servo de herramienta rápida se usa comúnmente para fabricar superficies torneadas con diamante-con estructuras como microprismas y conjuntos de lentes.

fresado de diamantesutiliza fresas de extremo de bola-de diamante con un solo filo, con la herramienta girando a alta velocidad para eliminar virutas en el rango micrométrico. En comparación con el torneado con diamante, el fresado es notablemente más lento pero ofrece mayor libertad de diseño. El fresado con diamante se utiliza principalmente para fabricar superficies no-lisas, en particular conjuntos de microlentes y superficies de forma libre.

corte de moscasutiliza una herramienta giratoria con el diamante colocado fuera-del eje, para que el diamante no mantenga contacto permanente con el material. El corte con mosca puede crear de manera eficiente superficies planas con calidad de superficie óptica en áreas grandes y también es un método adecuado para crear microestructuras y ópticas de forma libre.

Avances en el mecanizado de ultra{0}}precisión de acero

Dado que el acero endurecido es el material de ingeniería más popular, se han dedicado importantes investigaciones para lograr el mecanizado de materiales ferrosos con herramientas de diamante. Los principales mecanismos de desgaste de las herramientas incluyen la adhesión y la formación-de bordes acumulados, la abrasión y la fatiga, el desgaste térmico por fricción y el desgaste triboquímico. Los mecanismos químicos representan la principal causa del desgaste de las herramientas.

Para evitar un desgaste severo de las herramientas, los investigadores han propuesto varios enfoques:

Corte por vibración ultrasónicaEs el método más prometedor para mecanizar materiales ferrosos con herramientas de diamante. La herramienta de corte vibra de forma elíptica, lo que reduce significativamente las fuerzas de fricción y el tiempo de contacto entre el diamante y el sustrato. Esta tecnología es útil no solo para mecanizar materiales ferrosos, sino que también permite la microestructuración de superficies y al mismo tiempo logra una calidad óptica de la superficie con Ra.<10 nanometers.

Optimización de las condiciones de corterepresenta otro método para reducir el desgaste del diamante. Los equipos de investigación han probado diferentes condiciones de corte, incluido el mecanizado criogénico y el mecanizado en entornos de gas. El torneado con diamante en condiciones criogénicas puede reducir significativamente el desgaste de la herramienta, con una rugosidad de la superficie superior a 25 nanómetros.

Herramientas de nitruro de boro cúbico sin aglutinanterepresentan uno de los métodos más prometedores para la obtención de superficies ópticas en materiales ferrosos. El nitruro de boro cúbico posee una excelente resistencia al calor y estabilidad química, con una dureza superada sólo por el diamante. Al tornear acero inoxidable con una dureza de 52HRC utilizando herramientas de nitruro de boro cúbico sin aglutinante, la rugosidad de la superficie de Ra<10 nanometers can be obtained.

Otras tecnologías de conformado

Mecanizado por descarga eléctricaEs un proceso de mecanizado termoeléctrico que elimina material a través de una serie de chispas eléctricas entre el electrodo de la herramienta y la pieza de trabajo. El mecanizado por descarga eléctrica puede producir formas de alta precisión con tasas de eliminación de material relativamente altas. Sin embargo, la calidad de la superficie que se puede lograr es insuficiente para las aplicaciones ópticas, ya que requieren un pos-procesamiento como esmerilado, corte o pulido para obtener superficies ópticas suaves y precisas. El mecanizado por micro-descarga eléctrica es particularmente adecuado para aplicaciones que requieren microestructuras con una alta-relación de aspecto-, con tamaños de estructura tan pequeños como 3 micrómetros y relaciones de aspecto de hasta 100.

Mecanizado electroquímicoElimina material mediante disolución anódica del metal durante la electrólisis. En comparación con las tecnologías de mecanizado convencionales, el mecanizado electroquímico ofrece altas tasas de eliminación de material, aplicabilidad a cualquier dureza de material, ausencia de desgaste de herramientas y superficies lisas. Esta tecnología se puede utilizar para el pos-procesamiento de piezas mecanizadas convencionalmente, cuando se denomina pulido electroquímico. Utilizando procesos de mecanizado electroquímico mejorados, la rugosidad de la superficie puede alcanzar los 0,06 micrómetros.

MoliendaSe utiliza comúnmente para fabricar moldes ópticos. Dado que la rugosidad que se puede lograr durante el rectificado es insuficiente para aplicaciones ópticas, se debe realizar un pos-procesamiento como el pulido. El rectificado de ultra-precisión puede utilizar muelas de diamante resinoides o muelas de nitruro de boro cúbico para lograr una buena precisión de forma y rugosidad superficial de Ra.<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

Tecnologías de fabricación de microestructuras

Proceso LIGA: pionero en microestructuras de alta-precisión

LIGA son tres palabras alemanas: litografía, galvanoplastia y moldeado. Esta tecnología se desarrolló en la década de 1980 y se utiliza ampliamente para fabricar herramientas de moldeo por inyección. Para piezas con estructuras de alta-relación de aspecto-, esta tecnología ofrece ventajas especiales en comparación con otras tecnologías de fabricación, produciendo microestructuras de menos de 1 micrómetro.

El proceso LIGA describe una cadena de procesos de tres operaciones sucesivas. El primer paso es un proceso litográfico para estructurar el sustrato. Posteriormente se lleva a cabo un proceso de galvanoplastia de níquel, utilizando el sustrato estructurado como maestro para crear el molde. El paso final puede utilizar moldeo por inyección o estampado en caliente para producir piezas. La aplicación principal del proceso LIGA en óptica es la fabricación de elementos ópticos difractivos y también puede producir conjuntos de microlentes, microprismas, microespejos y guías de ondas.

Litografía por nanoimpresión: el arte de la precisión a nanoescala

La litografía por nanoimpresión es una tecnología litográfica que permite la creación de patrones de alto-rendimiento de nanoestructuras de polímeros. Esta tecnología se propuso por primera vez en 1995 y consta de tres pasos principales: primero, se fabrica un maestro utilizando tecnología de microestructura, luego la estructura maestra se replica en un molde y, finalmente, se produce el proceso de impresión.

La litografía por nanoimpresión tiene dos variantes: la impresión térmica utiliza calentamiento para elevar la temperatura de resistencia por encima de la temperatura de transición vítrea, seguida de enfriamiento a temperatura ambiente; La impresión UV utiliza luz ultravioleta para curar la resistencia, lo que requiere moldes transparentes. Utilizando la tecnología de litografía por nanoimpresión, se pueden producir y replicar nanoestructuras con tamaños de características inferiores a 10 nanómetros. Se utiliza comúnmente en aplicaciones fotónicas, incluidos hologramas, estructuras difractivas, estructuras anti-reflectantes, matrices de microlentes y aplicaciones de rollo-a-.

Escritura directa por láser: creación de microestructuras flexibles

En comparación con el mecanizado por láser, la escritura directa por láser utiliza un rayo láser para estructurar el fotorresistente, similar a los procesos de litografía utilizados en la fabricación de semiconductores. Se deposita una fina capa de fotoprotector sobre el sustrato y luego el fotoprotector se estructura mediante el proceso de escritura directa con láser. La escritura directa por láser permite la fabricación de estructuras binarias y continuas y se utiliza muy comúnmente para fabricar estructuras Fresnel o difractivas, particularmente en sustratos planos.

En comparación con los métodos de litografía, la escritura directa con láser evita los requisitos de alineación sub-micrométrica de los sucesivos pasos de exposición. Para replicar tales estructuras, se deben fabricar insertos de molde, que pueden utilizar galvanoplastia de níquel. La estructura producida en el fotorresistente representa el maestro, seguido de la fundición. Los recientes desarrollos de escritura directa por láser han hecho posible la estructuración sobre sustratos curvos, superando las limitaciones de los sustratos planos. Los tamaños de las estructuras suelen ser de alrededor de 5 micrómetros, pero también se pueden reducir a 1-3 micrómetros.

Escritura por haz de electrones y litografía por haz de iones

Escritura por haz de electroneses un método alternativo para la estructuración fotorresistente, similar a la tecnología de escritura directa con láser, que se utiliza para fabricar estructuras maestras seguidas de procesos de galvanoplastia de níquel. Esta tecnología se desarrolló originalmente para la escritura de máscaras de semiconductores, pero también se puede utilizar para fabricar elementos micro-ópticos, particularmente adecuados para generar estructuras de Fresnel y difractivas.

La escritura por haz de electrones se utiliza en procesos de semiconductores, por lo que se ha invertido un esfuerzo sustancial para lograr una resolución alcanzable. La resolución de escritura del haz de electrones en un fotorresistente basado en PMMA- puede ser tan bajo como 10 nanómetros. Esta tecnología también se puede utilizar como proceso de pulido de superficies metálicas, utilizando haces de electrones desenfocados para escanear superficies, y la fusión de la superficie metálica reduce la rugosidad de la superficie.

Litografía por haz de ionesutiliza haces de iones enfocados para escanear superficies, creando así estructuras muy pequeñas. Esta tecnología es muy similar a la escritura por haz de electrones, pero los iones son más pesados ​​y llevan más carga, con longitudes de onda del haz de iones más pequeñas que las de los electrones, lo que da como resultado una resolución más alta. Utilizando haces de iones enfocados, se han informado tamaños de estructuras inferiores a 5 nanómetros. Esta tecnología también se utiliza como método de pulido para elementos ópticos litográficos, utilizando iones de baja-energía para eliminar errores de forma y reducir la rugosidad, logrando una rugosidad superficial de Ra.<1 nanometer.

Mecanizado y Pulido Láser

El uso de láseres de pulso corto-y ultracorto-es una tecnología emergente para diferentes aplicaciones de micromecanizado y se puede utilizar para estructurar herramientas de moldeo. La principal ventaja del mecanizado láser es que se pueden procesar casi todos los materiales. Cuando se optimizan todos los parámetros, el mecanizado por láser se puede utilizar incluso como tratamiento de pulido, con una calidad de superficie que alcanza Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

Pulido y lapeadoson tratamientos de acabado que crean superficies lisas utilizando bordes cortantes indefinidos. Lo que todos los procesos de pulido tienen en común es el uso de abrasivos para alisar superficies, con abrasivos suspendidos en un líquido para formar una suspensión. El pulido puede crear una calidad superficial muy alta en los rangos nano y sub-nano, pero las tasas de eliminación son generalmente muy bajas. El pulido se puede utilizar para procesar piezas planas, esféricas, asféricas y de forma libre, así como superficies estructuradas.

Selección de tecnología

Para respaldar las decisiones de selección de métodos de fabricación adecuados, podemos distinguir tres categorías: conformado, microestructuración y pos-procesamiento.

En el caso de los métodos de conformado, el rectificado y el mecanizado de ultra-precisión pueden lograr una alta precisión y buenas superficies, pero con tasas de eliminación de material significativamente reducidas en comparación con el mecanizado electroquímico y el mecanizado por descarga eléctrica. El mecanizado de ultra-precisión como método de conformado sigue siendo la tecnología más prometedora, particularmente cuando se requiere un conformado preciso en inserciones de moldes ópticos. Cuando se necesitan geometrías complejas, ninguna otra tecnología ofrece tanta libertad en el diseño como el mecanizado de ultra-precisión.

Para las tecnologías de microestructuras, el tamaño de la estructura alcanzable es un factor importante. Como regla general, a medida que el tamaño de la estructura disminuye y la precisión de la forma aumenta, el área que se puede estructurar disminuye debido a tiempos de procesamiento más prolongados. El mecanizado de ultra-precisión no solo es un método adecuado para dar forma a los insertos de moldes, sino que también se puede utilizar para crear microestructuras. En particular, el proceso de corte de moscas puede fabricar de forma rápida y económica grandes áreas estructuradas en el rango de centímetros.

Para todos los métodos de mecanizado en los que la calidad de la superficie es insuficiente para aplicaciones ópticas, el pos-procesamiento puede mejorar posteriormente la calidad de la superficie. En particular, el pulido y lapeado pueden fabricar superficies ópticas. Sin embargo, se debe tener en cuenta que las operaciones de pos-procesamiento pueden afectar la forma general y su precisión.