Technologie de fabrication d'inserts de moules optiques
Les composants optiques en polymères jouent un rôle de plus en plus important sur le marché actuel. Alors que les exigences de performance pour les éléments optiques continuent d’augmenter, les processus de fabrication sont confrontés à des défis considérables. Parmi ceux-ci, la production d’inserts de moule pour les processus de réplication se révèle particulièrement critique, influençant directement la qualité finale des composants optiques. Cette revue examine les technologies de fabrication actuellement disponibles pour aider les ingénieurs à prendre des décisions éclairées dans des applications pratiques.
Les éléments optiques en polymère offrent des avantages significatifs par rapport aux lentilles en verre conventionnelles. Ils permettent une production de masse rapide grâce au moulage par injection ou au moulage par injection-compression à des coûts de fabrication inférieurs. De plus, les fonctionnalités de montage et d'alignement peuvent être directement intégrées aux composants optiques, éliminant ainsi le besoin de fixations et de procédures d'assemblage supplémentaires. Des systèmes d'éclairage aux applications automobiles, des dispositifs d'imagerie aux capteurs, les domaines d'application des éléments optiques polymères continuent de s'étendre.
L’émergence de composants optiques microstructurés mérite une attention particulière. L'ajout de caractéristiques de microstructure aux surfaces des lentilles peut améliorer considérablement les performances, réduire le poids du système, corriger les aberrations et façonner les faisceaux lumineux. Les microstructures telles que les réseaux de microlentilles, les éléments optiques diffractifs, les lentilles de Fresnel et les réseaux de prismes jouent un rôle essentiel dans des domaines tels que la concentration solaire, la mise en forme du faisceau et les systèmes de mesure.
Système de classification des technologies de fabrication
Les technologies de fabrication des inserts de moules optiques peuvent être divisées en deux grandes catégories : les méthodes permettant de créer des surfaces de qualité optique et les techniques de création de microstructures optiques. Étant donné que les inserts de moule optiques nécessitent généralement une précision de forme et une qualité de surface extrêmement élevées, ces deux facteurs servent de paramètres de base pour évaluer diverses technologies.
Usinage d'ultra-précision : la base de la fabrication optique
Depuis son apparition dans les années 1960, l'usinage d'ultra-précision reste la méthode la plus couramment utilisée pour produire des inserts de moule optique. Le principal avantage de cette technologie réside dans l’obtention d’une précision de positionnement au niveau nanométrique-, obtenant ainsi une qualité de surface et une précision de forme exceptionnelles. Les composants usinés au diamant-présentent généralement une rugosité de surface inférieure à 10 nanomètres, permettant d'obtenir des finitions de qualité miroir-sans post-traitement.
Pour obtenir des pièces-de haute qualité, les composants de la machine doivent fonctionner à leurs limites. Les systèmes d'usinage au diamant utilisent le granit comme base, équipés de systèmes de positionnement de haute-précision, de broches à grande vitesse-et de fixations et d'équipements d'exploitation précis. Les broches sur coussin d'air et les roulements hydrostatiques permettent un mouvement précis des outils et des pièces, avec un contrôle de position garanti par des grilles en verre d'une résolution inférieure à 1 nanomètre. Le contrôle de la température est tout aussi critique, nécessitant une maintenance dans des plages de ±0,1K ou plus petites.
Le diamant monocristallin-constitue la pointe des outils en raison de sa dureté exceptionnelle et de sa capacité à créer des arêtes extrêmement vives avec une rondeur inférieure à 50 nanomètres. La qualité et la précision des pièces obtenues dépendent fortement de la qualité des outils diamantés. Cependant, l'usinage au diamant est limité aux matériaux non-ferreux, ce qui fait du revêtement au nickel-phosphore un standard de l'industrie. Le nickel-phosphore peut être usiné avec des outils diamantés avec une usure d'outil pratiquement négligeable.
Tournage au diamantreprésente le processus standard de fabrication de composants optiques à symétrie de révolution, adapté à la production de moules de lentilles sphériques et asphériques. La qualité de surface réalisable dépend en grande partie des facteurs de processus et de matériaux. Les principaux facteurs d'influence comprennent la vitesse de broche, le rayon de la pointe de l'outil et la vitesse d'avance. Des vitesses de broche élevées, des rayons de pointe d'outil importants et des avances lentes améliorent généralement la rugosité de la surface.
Technologie d'asservissement d'outil lenta été développé pour répondre aux exigences élevées des éléments optiques asymétriques. S'appuyant sur les configurations traditionnelles de tournage au diamant, il ajoute une oscillation sur l'axe Z- pendant l'usinage. L'asservissement lent de l'outil peut produire des pièces asymétriques de haute précision sans aucun équipement de machine supplémentaire. Cette technologie peut être utilisée pour fabriquer des réseaux de microlentilles, des réseaux de prismes, des éléments optiques diffractifs, des asphères hors axe- et des surfaces optiques de forme libre.
Technologie d'asservissement d'outil rapideressemble à un servo d'outil lent mais utilise un actionneur supplémentaire pour faire osciller la pointe de l'outil. L'asservissement d'outil rapide permet un positionnement précis de l'outil, mais avec une course nettement plus petite que la technologie d'asservissement d'outil lent, allant généralement de plusieurs micromètres à plusieurs centaines de micromètres. L'asservissement d'outil rapide est couramment utilisé pour fabriquer des surfaces tournées au diamant-avec des structures telles que des microprismes et des réseaux de lentilles.
Fraisage au diamantutilise des fraises à billes en diamant-avec un seul tranchant, l'outil tournant à grande vitesse pour éliminer les copeaux de l'ordre du micromètre. Comparé au tournage au diamant, le fraisage est nettement plus lent mais offre une plus grande liberté de conception. Le fraisage au diamant est principalement utilisé pour fabriquer des surfaces non-lisses, en particulier des réseaux de microlentilles et des surfaces de forme libre.
Coupe à la moucheutilise un outil rotatif avec le diamant positionné hors-de l'axe, afin que le diamant ne maintienne pas de contact permanent avec le matériau. La découpe à la mouche peut créer efficacement des surfaces planes avec une qualité de surface optique sur de grandes surfaces et constitue également une méthode appropriée pour créer des microstructures et des optiques de forme libre.
Des percées dans l'usinage d'ultra-précision de l'acier
L'acier trempé étant le matériau d'ingénierie le plus populaire, des recherches approfondies ont été consacrées à l'usinage de matériaux ferreux avec des outils diamantés. Les principaux mécanismes d'usure des outils comprennent l'adhésion et la formation d'arêtes accumulées, l'abrasion et la fatigue, l'usure thermique par friction et l'usure tribochimique. Les mécanismes chimiques représentent la principale cause de l’usure des outils.
Pour éviter une usure importante des outils, les chercheurs ont proposé différentes approches :
Découpe par vibrations ultrasoniquesest la méthode la plus prometteuse pour usiner des matériaux ferreux avec des outils diamantés. L'outil de coupe vibre de manière elliptique, réduisant considérablement les forces de friction et le temps de contact entre le diamant et le substrat. Cette technologie est utile non seulement pour l'usinage de matériaux ferreux, mais permet également la microstructuration de surface tout en obtenant une qualité de surface optique avec Ra.<10 nanometers.
Optimiser les conditions de coupereprésente une autre méthode pour réduire l’usure du diamant. Les équipes de recherche ont tenté différentes conditions de coupe, notamment l'usinage cryogénique et l'usinage sous environnement gazeux. Le tournage au diamant dans des conditions cryogéniques peut réduire considérablement l’usure des outils, avec une rugosité de surface supérieure à 25 nanomètres.
Outils en nitrure de bore cubique sans liantreprésentent l’une des méthodes les plus prometteuses pour obtenir des surfaces optiques sur des matériaux ferreux. Le nitrure de bore cubique possède une excellente résistance à la chaleur et une excellente stabilité chimique, avec une dureté juste derrière le diamant. Lors du tournage d'acier inoxydable d'une dureté de 52HRC à l'aide d'outils en nitrure de bore cubique sans liant, rugosité de surface Ra<10 nanometers can be obtained.
Autres technologies de formage
Usinage par électroérosionest un processus d'usinage thermoélectrique qui élimine la matière grâce à une série d'étincelles électriques entre l'électrode de l'outil et la pièce à usiner. L'usinage par électroérosion peut produire des formes très précises avec des taux d'enlèvement de matière relativement élevés. Cependant, la qualité de surface réalisable est insuffisante pour les applications optiques, nécessitant un post-traitement tel que le meulage, la découpe ou le polissage pour obtenir des surfaces optiques lisses et précises. L'usinage par micro-électroérosion est particulièrement adapté aux applications nécessitant des microstructures à rapport d'aspect-élevé-, avec des tailles de structure aussi petites que 3 micromètres et des rapports d'aspect jusqu'à 100.
Usinage électrochimiqueélimine la matière par dissolution anodique du métal pendant l'électrolyse. Par rapport aux technologies d'usinage conventionnelles, l'usinage électrochimique offre des taux d'enlèvement de matière élevés, une applicabilité à toute dureté de matériau, une absence d'usure des outils et des surfaces lisses. Cette technologie peut être utilisée pour le post-traitement de pièces usinées de manière conventionnelle, lorsqu'elle est appelée polissage électrochimique. Grâce à des procédés d'usinage électrochimiques améliorés, la rugosité de la surface peut atteindre 0,06 micromètre.
Affûtageest couramment utilisé pour la fabrication de moules optiques. Étant donné que la rugosité obtenue lors du meulage est insuffisante pour les applications optiques, un post-traitement tel que le polissage doit être effectué. Le meulage d'ultra-précision peut utiliser des meules diamantées en résinoïde ou des meules en nitrure de bore cubique pour obtenir une bonne précision de forme et une bonne rugosité de surface de Ra.<10 nanometers. An important factor is ensuring stable condition of the grinding wheel, with electrolytic in-process dressing being a suitable method.
Technologies de fabrication de microstructures
Processus LIGA : pionnier des microstructures de haute-précision
LIGA signifie trois mots allemands : lithographie, galvanoplastie et moulage. Cette technologie a été développée dans les années 1980 et est largement utilisée pour fabriquer des outils de moulage par injection. Pour les pièces présentant des structures à -rapport d'aspect-élevé, cette technologie offre des avantages particuliers par rapport aux autres technologies de fabrication, produisant des microstructures inférieures à 1 micromètre.
Le procédé LIGA décrit une chaîne de processus de trois opérations successives. La première étape est un processus lithographique de structuration du substrat. Ensuite, un processus de galvanoplastie au nickel a lieu, utilisant le substrat structuré comme maître pour créer le moule. La dernière étape peut utiliser le moulage par injection ou le gaufrage à chaud pour produire des pièces. La principale application du procédé LIGA en optique est la fabrication d'éléments optiques diffractifs, et il peut également produire des réseaux de microlentilles, des microprismes, des micromiroirs et des guides d'ondes.
Lithographie par nanoimpression : l'art de la précision à l'échelle nanométrique
La lithographie par nanoimpression est une technologie lithographique qui permet de modeler à haut débit des nanostructures polymères. Cette technologie a été proposée pour la première fois en 1995 et comprend trois étapes principales : tout d'abord, un maître est fabriqué à l'aide de la technologie de la microstructure, puis la structure du maître est répliquée dans un moule et enfin le processus d'impression a lieu.
La lithographie par nanoimpression comporte deux variantes : l'impression thermique utilise le chauffage pour augmenter la température de la réserve au-dessus de la température de transition vitreuse, suivi d'un refroidissement à température ambiante ; L'impression UV utilise la lumière ultraviolette pour durcir la réserve, nécessitant des moules transparents. Grâce à la technologie de lithographie par nanoimpression, des nanostructures dont la taille des caractéristiques est inférieure à 10 nanomètres peuvent être produites et répliquées. Il est couramment utilisé dans les applications photoniques, notamment les hologrammes, les structures diffractives, les structures antireflet-, les réseaux de microlentilles et les applications roll-toroll-.
Écriture directe au laser : création de microstructures flexibles
Par rapport à l'usinage laser, l'écriture directe au laser utilise un faisceau laser pour structurer la résine photosensible, similaire aux processus de lithographie utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs. Une fine couche de photorésist est déposée sur le substrat, puis le photorésist est structuré par le procédé d'écriture directe laser. L'écriture directe laser permet la fabrication de structures binaires et continues et est très couramment utilisée pour la fabrication de structures de Fresnel ou diffractives, notamment sur des substrats plans.
Par rapport aux méthodes de lithographie, l'écriture directe au laser évite les exigences d'alignement sub-micrométriques des étapes d'exposition successives. Pour reproduire de telles structures, des inserts de moule doivent être fabriqués, qui peuvent utiliser la galvanoplastie au nickel. La structure produite dans la résine photosensible représente le maître, suivi du moulage. Les récents développements en écriture directe au laser ont rendu possible la structuration sur des substrats incurvés, surmontant ainsi les limitations des substrats plans. La taille des structures est généralement d'environ 5 micromètres, mais peut également être réduite à 1 à 3 micromètres.
Écriture par faisceau d'électrons et lithographie par faisceau d'ions
Écriture par faisceau d'électronsest une méthode alternative de structuration de résine photosensible, similaire à la technologie d'écriture directe au laser, utilisée pour la fabrication de structures maîtresses suivies de processus de galvanoplastie au nickel. Cette technologie a été développée à l'origine pour l'écriture de masques semi-conducteurs mais peut également être utilisée pour fabriquer des éléments micro-optiques, particulièrement adaptés à la génération de structures de Fresnel et diffractives.
L'écriture par faisceau d'électrons est utilisée dans les processus de semi-conducteurs, c'est pourquoi des efforts substantiels ont été investis pour faire progresser la résolution réalisable. La résolution d'écriture par faisceau d'électrons dans la résine photosensible à base de PMMA- peut être aussi faible que 10 nanomètres. Cette technologie peut également être utilisée comme processus de polissage des surfaces métalliques, en utilisant des faisceaux d'électrons défocalisés pour balayer les surfaces, la fusion des surfaces métalliques conduisant à une rugosité de surface réduite.
Lithographie par faisceau d'ionsutilise des faisceaux d'ions focalisés pour scanner les surfaces, créant ainsi de très petites structures. Cette technologie est très similaire à l’écriture par faisceau d’électrons, mais les ions sont plus lourds et portent plus de charge, les longueurs d’onde du faisceau d’ions étant plus petites que celles des électrons, ce qui donne une résolution plus élevée. En utilisant des faisceaux d'ions focalisés, des tailles de structure inférieures à 5 nanomètres ont été signalées. Cette technologie est également utilisée comme méthode de polissage pour les éléments optiques lithographiques, utilisant des ions de faible énergie pour éliminer les erreurs de forme et réduire la rugosité, obtenant ainsi une rugosité de surface de Ra.<1 nanometer.
Usinage et polissage laser
L'utilisation de lasers à impulsions courtes-et ultracourtes-est une technologie émergente pour différentes applications de micro-usinage et peut être utilisée pour structurer les outils de moulage. Le principal avantage de l’usinage laser est que presque tous les matériaux peuvent être traités. Lorsque tous les paramètres sont optimisés, l'usinage laser peut même être utilisé comme traitement de polissage, avec une qualité de surface atteignant Ra.<1 micrometer. Laser machining can produce structures as small as 10 micrometers.
Polissage et rodagesont des traitements de finition qui créent des surfaces lisses à l'aide d'arêtes de coupe non définies. Ce que tous les processus de polissage ont en commun est l’utilisation d’abrasifs pour lisser les surfaces, avec des abrasifs en suspension dans un fluide pour former une suspension. Le polissage peut créer une qualité de surface très élevée dans les gammes nano et sub-nano, mais les taux d'élimination sont généralement très faibles. Le polissage peut être utilisé pour traiter des pièces planes, sphériques, asphériques et de forme libre ainsi que des surfaces structurées.
Sélection technologique
Pour faciliter les décisions de sélection des méthodes de fabrication appropriées, nous pouvons distinguer trois catégories : le formage, la microstructuration et le post-traitement.
Pour les méthodes de formage, la rectification et l'usinage d'ultra-précision permettent d'obtenir une haute précision et de bonnes surfaces, mais avec des taux d'enlèvement de matière considérablement réduits par rapport à l'usinage électrochimique et à l'usinage par électroérosion. L'usinage d'ultra-précision en tant que méthode de formage reste la technologie la plus prometteuse, en particulier lorsqu'un formage précis est requis dans les inserts de moules optiques. Lorsque des géométries complexes sont nécessaires, aucune autre technologie n'offre une telle liberté de conception que l'usinage d'ultra-précision.
Pour les technologies de microstructure, la taille de structure réalisable est un facteur important. En règle générale, à mesure que la taille de la structure diminue et que la précision de la forme augmente, la zone pouvant être structurée diminue en raison des temps de traitement plus longs. L'usinage d'ultra-précision n'est pas seulement une méthode appropriée pour façonner les inserts de moule, mais peut également être utilisé pour créer des microstructures. En particulier, le processus de découpe à la mouche permet de fabriquer rapidement et de manière économique de grandes zones structurées de l'ordre du centimètre.
Pour toutes les méthodes d'usinage où la qualité de surface est insuffisante pour les applications optiques, le post-traitement peut ensuite améliorer la qualité de surface. En particulier, le polissage et le rodage permettent de fabriquer des surfaces optiques. Cependant, il convient de considérer que les opérations de post-traitement peuvent affecter la forme globale et la précision de la forme.