1.2 精密玻璃模壓成型磨具材料及加工

非球面光學(xué)元件快速制造技術(shù)的關(guān)鍵在于能否加工出所需面型的精密模具。而模具材料和模具加工方法對(duì)最終模具表面精度有著較大影響，因此如何選擇合適的模具材料和模具加工方法是模壓前的重要步驟。

為滿足循環(huán)回火操作的需求，模具需要滿足以下條件：與其他元素的化學(xué)反應(yīng)小、可加工性高、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、硬度高、斷裂韌性強(qiáng)。在精密玻璃模壓成型過(guò)程中，一般使用碳化物材料，在工業(yè)上更多的是選擇化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition, CVD）生產(chǎn)的碳化硅和燒結(jié)的無(wú)粘結(jié)劑碳化鎢材料。對(duì)于大多數(shù)轉(zhuǎn)變溫度較低的硫系玻璃，許多金屬和過(guò)渡材料也適用于硫系玻璃的精密模壓成型。

用于成型的模具通常由外模具和內(nèi)模芯組成，需要保證較高的面型精度，通常由單點(diǎn)金剛石車(chē)削、超精密磨削、超精密研磨拋光、微細(xì)電火花加工等方式制造。為了保護(hù)模壓過(guò)程中模具面型表面不受損害，還需要在模具表面增加保護(hù)性鍍層。文章詳細(xì)闡述了碳化鎢（WC）、化學(xué)鍍鎳磷（NiP）、反應(yīng)鍵合碳化硅（RB-SiC）和Si用作模具材料的加工方式與特點(diǎn)。

1.3 精密玻璃模壓成型仿真分析和工藝優(yōu)化

PGM技術(shù)自1970年誕生至今，經(jīng)歷了多項(xiàng)工藝優(yōu)化，如圖3所示。文章概述了國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)PGM技術(shù)在原材料參數(shù)影響、工藝參數(shù)優(yōu)化、折射率變化預(yù)測(cè)和新型模壓工藝開(kāi)發(fā)方面的探索。此外，為了可視化光學(xué)元件成型過(guò)程，減少工藝優(yōu)化的工作量，常利用有限元仿真對(duì)光學(xué)元件折射率、內(nèi)應(yīng)力等參數(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合上述工藝優(yōu)化方法進(jìn)一步提高光學(xué)元件的質(zhì)量。

圖3.精密玻璃模壓技術(shù)發(fā)展歷程

2.精密光學(xué)塑料注射成型技術(shù)

精密光學(xué)塑料注射成型是指光學(xué)塑料在螺桿剪切作用和加熱器輔助加熱作用下達(dá)到熔融態(tài)，并在螺桿的推動(dòng)下注入到模具型腔中成型，最終完全冷卻形成光學(xué)元件的過(guò)程。精密光學(xué)塑料注射成型技術(shù)是塑料非球面光學(xué)元件的主要加工方法，塑料原材料在注塑機(jī)內(nèi)部經(jīng)歷塑化階段、注射階段、保壓階段、冷卻階段和開(kāi)模階段后成為所需的光學(xué)元件，其基本原理如圖4所示。在過(guò)程中需要進(jìn)一步控制填充、保壓和冷卻階段的工藝參數(shù)，來(lái)控制成型元件的質(zhì)量。確定工藝參數(shù)后，還需通過(guò)退火、鍍膜、檢測(cè)、裝調(diào)等多個(gè)步驟來(lái)提供具有實(shí)用價(jià)值的高質(zhì)量非球面光學(xué)元件。

圖4.注塑成型工藝原理。(a) 塑化階段；(b) 注塑階段；(c) 保壓階段；（d）冷卻階段；（e）開(kāi)模脫模