فناوری ساخت درج قالب نوری

قطعات نوری پلیمری در بازار امروز اهمیت فزاینده ای پیدا کرده اند. از آنجایی که تقاضاهای عملکرد برای عناصر نوری همچنان در حال افزایش است، فرآیندهای تولید با چالش های اساسی روبرو هستند. در این میان، تولید درج‌های قالب برای فرآیندهای تکثیر به‌ویژه حیاتی است که مستقیماً بر کیفیت نهایی اجزای نوری تأثیر می‌گذارد. این بررسی به بررسی فناوری‌های تولیدی موجود می‌پردازد تا به مهندسان کمک کند تا در کاربردهای عملی تصمیم‌های آگاهانه بگیرند.

عناصر نوری پلیمری مزایای قابل توجهی نسبت به لنزهای شیشه ای معمولی دارند. آنها تولید انبوه سریع را از طریق قالب گیری تزریقی یا قالب گیری تزریقی{1}}با هزینه های تولید کمتر امکان پذیر می کنند. علاوه بر این، ویژگی‌های نصب و تراز را می‌توان مستقیماً در اجزای نوری ادغام کرد و نیاز به وسایل اضافی و روش‌های مونتاژ را از بین برد. از سیستم‌های روشنایی گرفته تا کاربردهای خودرو، از دستگاه‌های تصویربرداری گرفته تا حسگرها، حوزه‌های کاربردی عناصر نوری پلیمری همچنان در حال گسترش هستند.

ظهور اجزای نوری ریزساختار شایسته توجه ویژه است. افزودن ویژگی‌های ریزساختاری به سطوح لنز می‌تواند به طور قابل‌توجهی عملکرد را افزایش دهد، وزن سیستم را کاهش دهد، انحرافات را اصلاح کند و پرتوهای نور را شکل دهد. ریزساختارهایی مانند آرایه‌های میکرولنز، عناصر نوری پراش، عدسی‌های فرنل و آرایه‌های منشوری نقش‌های حیاتی در زمینه‌هایی از جمله تمرکز خورشید، شکل‌دهی پرتو و سیستم‌های اندازه‌گیری دارند.

سیستم طبقه بندی فن آوری های تولید

فن آوری های ساخت درج های قالب نوری را می توان به دو دسته عمده تقسیم کرد: روش هایی که سطوحی با کیفیت نوری ایجاد می کنند و تکنیک هایی برای ایجاد ریزساختارهای نوری. از آنجایی که قالب های نوری معمولاً به دقت شکل و کیفیت سطح بسیار بالایی نیاز دارند، این دو عامل به عنوان معیارهای اصلی برای ارزیابی فناوری های مختلف عمل می کنند.

ماشین‌کاری فوق‌العاده-دقیق: پایه و اساس تولید نوری

از زمان ظهور آن در دهه 1960، ماشینکاری فوق دقیق-متداول ترین روش مورد استفاده برای تولید درج های قالب نوری باقی مانده است. مزیت اصلی این فناوری در دستیابی به دقت موقعیت‌یابی در سطح نانومتری است که در نتیجه کیفیت سطح و دقت شکل استثنایی به دست می‌آید. اجزای ماشینکاری شده الماسی معمولاً زبری سطح زیر 10 نانومتر را نشان می‌دهند و بدون پردازش پستی-به‌صورت آینه‌ای-با کیفیت پرداخت می‌شوند.

برای به دست آوردن قطعات با کیفیت-، اجزای ماشین باید در حد خود عمل کنند. سیستم‌های ماشین‌کاری الماس از گرانیت به عنوان پایه استفاده می‌کنند، مجهز به سیستم‌های موقعیت‌یابی با دقت بالا، دوک‌های-سرعت بالا، و تجهیزات دقیق و تجهیزات عملیاتی. دوک های یاتاقان هوا و یاتاقان های هیدرواستاتیک حرکت دقیق ابزارها و قطعات را با کنترل موقعیت توسط توری های شیشه ای با وضوح کمتر از 1 نانومتر تضمین می کنند. کنترل دما به همان اندازه حیاتی است و نیاز به نگهداری در محدوده ± 0.1K یا کمتر دارد.

الماس تک کریستالی به دلیل سختی فوق العاده و توانایی ایجاد لبه های بسیار تیز با گردی لبه زیر 50 نانومتر، لبه برش ابزارها را تشکیل می دهد. کیفیت و دقت قطعه قابل دستیابی به شدت به کیفیت ابزار الماس بستگی دارد. با این حال، ماشین‌کاری الماس به مواد غیرآهنی محدود می‌شود و پوشش نیکل-فسفر را به یک استاندارد صنعتی تبدیل می‌کند. نیکل{7}}فسفر را می توان با ابزارهای الماسی با سایش ابزار تقریباً ناچیز تراشید.

الماس تراشکارینشان دهنده فرآیند استاندارد برای ساخت اجزای نوری متقارن چرخشی است که برای تولید قالب‌های لنز کروی و غیرکروی مناسب است. کیفیت سطح قابل دستیابی تا حد زیادی به عوامل فرآیند و عوامل مواد بستگی دارد. عوامل موثر اولیه عبارتند از: سرعت دوک، شعاع نوک ابزار و نرخ تغذیه. سرعت اسپیندل بالا، شعاع بزرگ نوک ابزار و سرعت پایین تغذیه عموماً زبری سطح را بهبود می بخشد.

فناوری سروو ابزار آهستهبرای پاسخگویی به نیازهای بالای عناصر نوری نامتقارن توسعه داده شد. بر اساس تنظیمات سنتی تراشکاری الماس، نوسان محور Z- را در حین ماشینکاری اضافه می کند. سروو ابزار آهسته می تواند قطعات نامتقارن بسیار دقیق را بدون هیچ گونه تجهیزات اضافی دستگاه تولید کند. این فناوری را می توان برای ساخت آرایه های میکرولنز، آرایه های منشوری، عناصر نوری پراش، کره های خارج از محور، و سطوح نوری آزاد استفاده کرد.

فناوری سروو ابزار سریعشبیه سروو ابزار کند است اما از یک محرک اضافی برای نوسان نوک ابزار استفاده می کند. سروو ابزار سریع امکان موقعیت یابی دقیق ابزار را فراهم می کند، اما با حرکت بسیار کوچکتر نسبت به فناوری سروو ابزار آهسته، که معمولاً از چند میکرومتر تا چند صد میکرومتر متغیر است. سروو ابزار سریع معمولاً برای ساخت سطوح الماسی-چرخ شده با ساختارهایی مانند ریز منشورها و آرایه های لنز استفاده می شود.

آسیاب الماساز آسیاب‌های گلوله‌ای الماس- با یک لبه برشی استفاده می‌کند، با ابزاری که با سرعت بالا می‌چرخد تا براده‌ها را در محدوده میکرومتر حذف کند. در مقایسه با تراشکاری الماس، تراشکاری به میزان قابل توجهی کندتر است اما آزادی بیشتری در طراحی ارائه می دهد. آسیاب الماس اساساً برای ساخت سطوح غیرصاف، به ویژه آرایه های میکرولنز و سطوح آزاد استفاده می شود.

برش پروازاز یک ابزار چرخشی استفاده می‌کند که الماس خارج از-محور قرار دارد، بنابراین الماس تماس دائمی با مواد حفظ نمی‌کند. برش فلای می تواند به طور موثر سطوح مسطح با کیفیت سطح نوری را در مناطق بزرگ ایجاد کند و همچنین روشی مناسب برای ایجاد ریزساختارها و اپتیک آزاد است.

پیشرفت در ماشینکاری فوق العاده-دقیق فولاد

از آنجایی که فولاد سخت شده محبوب ترین ماده مهندسی است، تحقیقات قابل توجهی به دستیابی به ماشینکاری مواد آهنی با ابزارهای الماسی اختصاص یافته است. مکانیسم‌های سایش اولیه ابزار شامل چسبندگی و شکل‌گیری لبه‌های بالا، سایش و خستگی، سایش حرارتی اصطکاکی، و سایش تریبوشیمیایی است. مکانیسم های شیمیایی عامل اصلی سایش ابزار هستند.

برای جلوگیری از سایش شدید ابزار، محققان روش های مختلفی را پیشنهاد کرده اند:

برش ارتعاشی اولتراسونیکامیدوارکننده ترین روش برای ماشینکاری مواد آهنی با ابزارهای الماسی است. ابزار برش به صورت بیضی ارتعاش می کند و به طور قابل توجهی نیروهای اصطکاک و زمان تماس بین الماس و زیرلایه را کاهش می دهد. این فناوری نه تنها برای ماشینکاری مواد آهنی مفید است، بلکه ریزساختار سطح را در حین دستیابی به کیفیت سطح نوری با Ra نیز امکان پذیر می کند.<10 nanometers.

بهینه سازی شرایط برشروش دیگری برای کاهش سایش الماس است. تیم های تحقیقاتی شرایط برش متفاوتی از جمله ماشینکاری برودتی و ماشینکاری در محیط های گازی را امتحان کرده اند. چرخش الماس در شرایط برودتی می تواند به طور قابل توجهی سایش ابزار را با زبری سطحی بهتر از 25 نانومتر کاهش دهد.

ابزارهای نیترید بور مکعبی بدون کلاسوریکی از امیدوارکننده ترین روش ها برای به دست آوردن سطوح نوری بر روی مواد آهنی است. نیترید بور مکعبی دارای مقاومت حرارتی عالی و پایداری شیمیایی است و سختی آن بعد از الماس در رتبه دوم قرار دارد. هنگام تراشکاری فولاد ضد زنگ با سختی 52HRC با استفاده از ابزارهای نیترید بور مکعبی بدون چسب، زبری سطح Ra<10 nanometers can be obtained.

سایر فن آوری های شکل دهی

ماشینکاری تخلیه الکتریکییک فرآیند ماشینکاری ترموالکتریک است که مواد را از طریق یک سری جرقه های الکتریکی بین الکترود ابزار و قطعه کار حذف می کند. ماشینکاری تخلیه الکتریکی می تواند اشکال بسیار دقیقی با نرخ حذف مواد نسبتاً بالا ایجاد کند. با این حال، کیفیت سطح قابل دستیابی برای کاربردهای نوری کافی نیست، و برای به دست آوردن سطوح نوری صاف و دقیق، به پردازش{2} پس از{2} مانند سنگ زنی، برش یا پرداخت نیاز است. ماشینکاری تخلیه الکتریکی میکرو به‌ویژه برای کاربردهایی که به ریزساختارهای با نسبت ابعادی بالا نیاز دارند، با اندازه‌های ساختاری به کوچکی 3 ​​میکرومتر و نسبت‌های تصویر تا 100 مناسب است.

ماشینکاری الکتروشیمیاییمواد را از طریق انحلال آندی فلز در طول الکترولیز حذف می کند. در مقایسه با تکنولوژی‌های ماشین‌کاری معمولی، ماشین‌کاری الکتروشیمیایی نرخ حذف مواد بالا، قابلیت کاربرد برای هر نوع سختی، عدم سایش ابزار و سطوح صاف را ارائه می‌دهد. این فناوری را می توان برای پردازش بعد از{2}}قطعات کار ماشینکاری شده معمولی استفاده کرد، زمانی که به آن پرداخت الکتروشیمیایی می گویند. با استفاده از فرآیندهای ماشینکاری الکتروشیمیایی بهبود یافته، زبری سطح می تواند به 0.06 میکرومتر برسد.

سنگ زنیمعمولا برای ساخت قالب های نوری استفاده می شود. از آنجایی که زبری قابل دستیابی در حین سنگ زنی برای کاربردهای نوری کافی نیست، پس{1} پردازش مانند پرداخت باید انجام شود. برای دستیابی به دقت شکل خوب و زبری سطح Ra می‌توان از چرخ‌های الماسی رزینوئیدی یا چرخ‌های نیترید بور مکعبی استفاده کرد.<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.

فناوری های ساخت ریزساختار

فرآیند LIGA: پیشگام ریزساختارهای-با دقت بالا

LIGA مخفف سه کلمه آلمانی است: لیتوگرافی، آبکاری الکتریکی و قالب گیری. این فناوری در دهه 1980 توسعه یافت و به طور گسترده برای ساخت ابزارهای قالب گیری تزریقی استفاده می شود. برای قطعاتی با ساختارهای-جنبه-بالا، این فناوری مزایای ویژه‌ای را در مقایسه با سایر فناوری‌های ساخت ارائه می‌کند و ریزساختارهای کوچک‌تر از 1 میکرومتر تولید می‌کند.

فرآیند LIGA یک زنجیره فرآیند از سه عملیات متوالی را توصیف می کند. مرحله اول یک فرآیند لیتوگرافی برای ساختار زیرلایه است. پس از آن، یک فرآیند آبکاری نیکل انجام می شود که از بستر ساختاری به عنوان اصلی برای ایجاد قالب استفاده می کند. در مرحله نهایی می توان از قالب گیری تزریقی یا منبت کاری برای تولید قطعات استفاده کرد. کاربرد اصلی فرآیند LIGA در اپتیک، تولید عناصر نوری پراش است و همچنین می‌تواند آرایه‌های میکرولنز، ریز منشورها، میکروآینه‌ها و موجبرها را تولید کند.

لیتوگرافی Nanoimprint: هنر دقت در مقیاس نانو

لیتوگرافی Nanoimprint یک فن‌آوری لیتوگرافی است که امکان الگوسازی-بالابر نانوساختارهای پلیمری را فراهم می‌کند. این فناوری برای اولین بار در سال 1995 ارائه شد و شامل سه مرحله اصلی است: ابتدا یک Master با استفاده از فناوری ریزساختار ساخته می‌شود، سپس ساختار اصلی در قالب تکرار می‌شود و در نهایت فرآیند چاپ انجام می‌شود.

لیتوگرافی نانوایمپرینت دو نوع دارد: چاپ حرارتی از گرمایش برای بالا بردن دمای مقاومت بالاتر از دمای انتقال شیشه‌ای و به دنبال آن خنک‌سازی تا دمای اتاق استفاده می‌کند. چاپ اشعه ماوراء بنفش از اشعه ماوراء بنفش برای درمان مقاومت استفاده می کند که به قالب های شفاف نیاز دارد. با استفاده از فناوری لیتوگرافی نانوایمپرنت، می توان نانوساختارهایی با اندازه ویژگی زیر 10 نانومتر تولید و تکثیر کرد. معمولاً در برنامه‌های فوتونیک از جمله هولوگرام‌ها، ساختارهای پراش، ساختارهای ضد{3}}بازتابی، آرایه‌های میکرولنز و برنامه‌های رول-به-رول استفاده می‌شود.

نوشتن مستقیم لیزری: ایجاد ریزساختار انعطاف پذیر

در مقایسه با ماشینکاری لیزری، نوشتن مستقیم لیزر از یک پرتو لیزر برای ساختار مقاوم به نور استفاده می کند، مشابه فرآیندهای لیتوگرافی مورد استفاده در تولید نیمه هادی. یک لایه نازک از فوتوریست بر روی زیرلایه رسوب می‌کند، سپس با استفاده از فرآیند نوشتن مستقیم لیزر، ساختار نوری مقاوم می‌شود. نوشتن مستقیم لیزری امکان ساخت ساختارهای دوتایی و پیوسته را فراهم می کند و معمولاً برای ساخت ساختارهای فرنل یا پراش، به ویژه در زیرلایه های مسطح استفاده می شود.

در مقایسه با روش‌های لیتوگرافی، نوشتن مستقیم لیزری از الزامات تراز زیر میکرومتری مراحل نوردهی متوالی اجتناب می‌کند. برای تکرار چنین ساختارهایی، درج های قالب باید تولید شوند که می توانند از آبکاری نیکل استفاده کنند. ساختار تولید شده در مقاوم نوری نشان دهنده استاد و به دنبال آن ریخته گری است. پیشرفت‌های اخیر نوشتن مستقیم لیزری، ساختاردهی روی بسترهای منحنی را ممکن کرده است، و بر محدودیت‌های بستر مسطح غلبه می‌کند. اندازه سازه معمولاً حدود 5 میکرومتر است اما می تواند به 1-3 میکرومتر نیز کاهش یابد.

نوشتن پرتو الکترونی و لیتوگرافی پرتو یونی

نوشتن پرتو الکترونییک روش جایگزین برای ساختار مقاوم به نور، شبیه به فناوری نوشتن مستقیم لیزری است که برای ساخت سازه های اصلی و به دنبال فرآیندهای آبکاری نیکل استفاده می شود. این فناوری در ابتدا برای نوشتن ماسک نیمه هادی توسعه داده شد، اما می تواند برای تولید عناصر میکرو{1} نوری، به ویژه برای تولید ساختارهای فرنل و پراش مناسب، استفاده شود.

نوشتن پرتو الکترونی در فرآیندهای نیمه هادی استفاده می شود، بنابراین تلاش قابل توجهی برای پیشبرد وضوح قابل دستیابی سرمایه گذاری شده است. وضوح نوشتن پرتوی الکترونی در مقاومت نوری مبتنی بر PMMA{1}}می‌تواند تا 10 نانومتر باشد. این فناوری همچنین می تواند به عنوان یک فرآیند پرداخت برای سطوح فلزی استفاده شود، با استفاده از پرتوهای الکترونی غیر متمرکز برای اسکن سطوح، با ذوب سطح فلز که منجر به کاهش زبری سطح می شود.

لیتوگرافی پرتو یونیاز پرتوهای یون متمرکز برای اسکن سطوح استفاده می کند و در نتیجه ساختارهای بسیار کوچکی ایجاد می کند. این فناوری بسیار شبیه به نوشتن پرتوهای الکترونی است، اما یون‌ها سنگین‌تر هستند و بار بیشتری حمل می‌کنند، با طول موج پرتوهای یونی کوچک‌تر از الکترون‌ها و در نتیجه وضوح بالاتری دارند. با استفاده از پرتوهای یون متمرکز، اندازه ساختار زیر 5 نانومتر گزارش شده است. این فناوری همچنین به عنوان یک روش پرداخت برای عناصر نوری لیتوگرافی با استفاده از یونهای کم انرژی برای حذف خطاهای شکل و کاهش زبری و دستیابی به زبری سطح Ra استفاده می شود.<1 nanometer.

ماشینکاری و پرداخت لیزری

استفاده از لیزرهای پالس کوتاه-پالسی و فوق کوتاه- یک فناوری نوظهور برای کاربردهای مختلف ریزماشینکاری است و می‌تواند برای ساختار ابزارهای قالب‌گیری استفاده شود. مزیت اصلی ماشینکاری لیزری این است که تقریباً تمام مواد قابل پردازش هستند. هنگامی که تمام پارامترها بهینه شوند، ماشینکاری لیزری حتی می تواند به عنوان یک درمان پرداخت استفاده شود، با کیفیت سطح به Ra<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.

پولیش و لپ زدندرمان های تکمیلی هستند که سطوح صاف را با استفاده از لبه های برش نامشخص ایجاد می کنند. وجه مشترک همه فرآیندهای پولیش استفاده از مواد ساینده برای صاف کردن سطوح، با مواد ساینده معلق در مایع برای تشکیل دوغاب است. پولیش می تواند کیفیت سطح بسیار بالایی را در محدوده نانو و زیر{2}}نانو ایجاد کند، اما نرخ حذف عموماً بسیار پایین است. پولیش را می توان برای پردازش قطعات کار مسطح، کروی، کروی و آزاد و همچنین سطوح ساخت یافته استفاده کرد.

انتخاب فناوری

برای حمایت از تصمیم‌گیری‌ها برای انتخاب روش‌های تولید مناسب، می‌توانیم سه دسته را متمایز کنیم: شکل‌دهی، ریزساختار، و{0}}پس پردازش.

برای روش‌های شکل‌دهی، سنگ‌زنی و ماشین‌کاری فوق‌{0}دقیق می‌تواند به سطوحی با دقت بالا و خوب دست یابد، اما با کاهش قابل‌توجه نرخ حذف مواد در مقایسه با ماشین‌کاری الکتروشیمیایی و ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی. ماشین‌کاری فوق‌{2}دقیق به‌عنوان یک روش شکل‌دهی، امیدوارکننده‌ترین فناوری باقی می‌ماند، به‌ویژه زمانی که شکل‌دهی دقیق در قالب‌های نوری مورد نیاز است. هنگامی که به هندسه های پیچیده نیاز است، هیچ فناوری دیگری به اندازه ماشینکاری فوق{4}دقیق، آزادی زیادی در طراحی ارائه نمی دهد.

برای فناوری های ریزساختار، اندازه ساختار قابل دستیابی یک عامل مهم است. به عنوان یک قاعده کلی، با کاهش اندازه ساختار و افزایش دقت شکل، ناحیه ای که می توان ساختاربندی کرد به دلیل زمان پردازش طولانی تر کاهش می یابد. ماشینکاری فوق-دقیق نه تنها روشی مناسب برای شکل دادن به درج های قالب است، بلکه می تواند برای ایجاد ریزساختارها نیز مورد استفاده قرار گیرد. به ویژه، فرآیند برش مگس می‌تواند به سرعت و با صرفه‌جویی اقتصادی، نواحی ساختاری بزرگی را در محدوده سانتی‌متری تولید کند.

برای همه روش‌های ماشینکاری که کیفیت سطح برای کاربردهای نوری کافی نیست، پردازش بعد از{0}}می‌تواند کیفیت سطح را افزایش دهد. به ویژه، پرداخت و لپینگ می تواند سطوح نوری را تولید کند. با این حال، باید در نظر گرفت که عملیات پردازش پس از{3}} ممکن است بر دقت شکل و شکل کلی تأثیر بگذارد.