VDI 5581-2011 Measurement procedures for quality control in precision moulding of aspherical freeform and microoptics.pdf

1、 ICS 25.040.40, 25.120.10 VDI-RICHTLINIEN November 2011 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Messtechnische Manahmen zur Sicherung der Qualitt beim Przisionsblankpressen von asphrischen, Freiform- und Mikrooptiken Measurement procedures for quality control in precision moulding of asherical, freeform and mic

2、rooptics VDI 5581 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GP

3、L) Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren VDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 2: Fertigungsverfahren VDI/VDE-Handbuch Fertigungsmesstechnik Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedZu beziehen

4、durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2011Frhere Ausgabe:10.10 EntwurfFormeredition:10/10DraftInhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Normative Verweise 3 3 Begr

5、iffe 3 4 Formelzeichen und Abkrzungen . 3 5 Przisionsblankpressen optischer Elemente 3 5.1 Prozessablauf . 3 5.2 Formwerkzeug . 4 5.3 Ausgangsmaterial . 4 6 Asphrische/Freiformoptiken 4 6.1 Grundlagen der Oberflchenbeschreibung . 5 6.2 Festlegung von Prfkriterien und Para-metern zur Oberflchenbeschr

6、eibung 5 6.3 Festlegung von Prfkriterien und Parametern zur Funktionsprfung 5 6.4 Beispiel: Zylinderlinsen-Arrays . 6 7 Prfung des Ausgangsmaterials . 7 7.1 Erforderliche Messungen . 7 7.2 Erweiterter Messumfang 7 8 Messsysteme zur Formprfung . 9 8.1 Tastschnittgert 9 8.2 Formprfinterferometrie 9 8.

7、3 Weilichtinterferometer . 10 9 Messung der Formwerkzeuge 11 9.1 Notwendigkeit der Prfung 11 9.2 Vorbereitung der Messung . 11 9.3 Prfung der Oberflchenform 11 9.4 Prfung der Oberflchenwelligkeit 12 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Normative references 3 3 Terms and definitions . 3

8、4 Symbols and abbreviations 3 5 Precision moulding of optical elements . 3 5.1 Process sequence 3 5.2 Forming tool . 4 5.3 Basic material . 4 6 Aspheric/freeform optics 4 6.1 Fundamentals of surface description 5 6.2 Definition of test criteria and parameters for surface description 5 6.3 Specificat

9、ion of test criteria and parameters for functional tests . 5 6.4 Example: cylinder lens array 6 7 Test of raw material . 7 7.1 Mandatory measurements . 7 7.2 Extended test procedures 7 8 Measurement systems for tests of form . 9 8.1 Stylus instrument 9 8.2 Interferometric form test 9 8.3 White light

10、 interferometers 10 9 Measurement of moulding tools 11 9.1 Necessity of test . 11 9.2 Preparation of measurement . 11 9.3 Test of surface form . 11 9.4 Test for surface ripples . 12 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 5581 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutsch

11、er Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 Inhalt Seite 9.5 Prfung der Oberflchenrauheit . 12 9.6 Prfung der Hrte . 13 9.7 Prfung auf Oberflchenfehler . 13 9.8 Prfung von beschichteten Formwerkzeugen 13 9.9 Prfhufigkeit 13 10 Messung von Testserienelementen 14 11 Prfung in der Serie 14 Schrifttum 15 Content

12、s Page 9.5 Test of surface roughness . 12 9.6 Tests of hardness 13 9.7 Tests for surface defects . 13 9.8 Tests of coated moulding tools 13 9.9 Frequency of test 13 10 Measurement of test series elements 14 11 Test in series production 14 Bibliography . 15 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie i

13、st entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah

14、rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this guideline has been develo

15、ped in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the guideline VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of t

16、his guideline without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions specified in the VDI Notices (www.vdi-richtlinien.de). We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this guideline. Einleitung Diese Richtlinie ist im Rahmen des EU-Projekts Producti

17、on for Microtechnology P4“ aus dort erarbeiteten Ergebnissen entstanden. Dank neuer Fertigungstechnologien ist die hoch-przise Fertigung asphrischer und Freiformober-flchen in zunehmendem Ma mglich. Fr die Optik werden damit optische Elemente mit asph-rischen und Freiformoberflchen verfgbar und fr d

18、as optische Design neue Freiheitsgrade zugng-lich. Bei der Herstellung von asphrischen und Frei-formoptiken aus Glas ist es bereits bei geringen Stckzahlen vorteilhaft, diese nicht direkt durch abtragende Verfahren zu fertigen, sondern durch Umformen mit geeigneten Werkzeugen. Das soge-nannte Przisi

19、onsblankpressen von optischen Ele-menten mit asphrischen und Freiformoberflchen erfordert zur Sicherung der notwendigen Qualitt der in der Serie hergestellten optischen Elemente besondere messtechnische Manahmen bei der Herstellung der Formen sowie Prfung von Testse-rienelementen. Introduction This

20、guideline has been developed within and the results achieved from the framework of the EU project Production for Microtechnology P4“. New manufacturing technologies make the highly precise manufacturing of aspheric and free form surfaces more feasible. Especially new optical elements with aspheric a

21、nd freeform surfaces be-come available and new degrees of freedom be-come accessible in optical design. Already for small quantities, aspheric or freeform optical elements from glass are better produced by glass moulding with appropriate tools instead of grinding and polishing. However, the so calle

22、d precision glass moulding of optical elements with aspheric or free form surfaces requires special measurement procedures in the manufacturing of the moulds and inspection of test series elements to ensure production quality control. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012

23、04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 5581 3 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie bezieht sich auf messtechnische Manahmen zur Qualittssicherung beim Przisi-onsblankpressen von optischen Elementen mit asphrischen und Freiformoberflchen. 2 Normative Verweise Das

24、folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: DIN ISO 10110 Optik und Photonik; Erstellung von Zeichnungen fr optische Elemente und Sys-teme (ISO 10110) 1 Scope This guideline applies to measurement procedures for quality control in precision glass moulding of opti

25、cal elements with aspheric or free form sur-faces. 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: DIN ISO 10110 Optics and photonics; Preparation of drawings for optical elements and systems (ISO 10110) 3 Begriffe Fr die Anwendung di

26、eser Richtlinie gelten die Begriffe nach DIN ISO 10110. 3 Terms and definitions For the purposes of this guideline, the terms and definitions in accordance with DIN ISO 10110 apply. 4 Formelzeichen und Abkrzungen In dieser Richtlinie werden die in DIN ISO 10110 aufgefhrten Formelzeichen und Abkrzung

27、en verwendet. 4 Symbols and abbreviations The symbols and abbreviations designated in DIN ISO 10110 are used throughout this guideline. 5 Przisionsblankpressen optischer Elemente Beim Przisionsblankpressen wird ein erhitzter Glasrohling (400 C bis 800 C, je nach Glassorte) mittels Umformwerkzeugen i

28、n die gewnschte Form gepresst. Mit dieser Technologie lassen sich einbaufhige Optiken ohne Nacharbeit herstellen, da durch den abbildenden Charakter der Umform-werkzeuge die Oberflchenspezifikationen des Stempels auf die Glaslinse bertragen werden. Dies fhrt insbesondere bei der Herstellung von komp

29、lexen Optiken aus Glas in mittleren und gro-en Stckzahlen zu entscheidenden Verfahrens- und Kostenvorteilen. 5.1 Prozessablauf Beim Przisionsblankpressen werden nach Einle-gen eines Glasrohlings in das untere Formwerk-zeug Rohling und Formwerkzeug durch Wrme-strahlung aufgeheizt. Bei Erreichen der P

30、resstem-peratur, die leicht oberhalb der Transformations-temperatur Tgliegt, und nach Ablauf der Homo-genisierungszeit, beginnt der eigentliche Pressvor-gang. Glasrohling und Werkzeug haben whrend des Pressvorgangs die gleiche Temperatur. Durch eine weg- oder zeitgesteuerte Pressphase kann die Linse

31、ndicke whrend des Prozesses direkt einge-stellt werden. Der Abkhlvorgang beginnt langsam und noch unter Last. Durch dieses Vorgehen wird eine unkontrolliert starke Schrumpfung des Glases vermieden. Mit Unterschreiten der Transforma-5 Precision moulding of optical elements In precision glass moulding

32、 the heated moulding blank (400 C to 800 C according to glass type) is pressed to the desired form with the help of the moulding tool. In this way, ready to mount optical elements can be produced without finishing opera-tion, because the surface specifications of the mould are transferred directly o

33、nto the optical ele-ment. This leads to essential advantages for the process and the costs, especially when producing complex optical glass elements in medium or large cuantities. 5.1 Process sequence After the moulding blank has been placed into the lower form tool the blank and the tool are heated

34、 by thermal radiation. When the press temperature, which is slightly above the transformation tem-perature, Tg, is reached and the time for homogeni-zation is over, the actual pressing process starts. The glass blank and the tool have the same tem-perature during the pressing process. The thickness

35、of the lens can be adjusted by controlling the tool path or time during the pressing phase. The cooling phase starts slowly, but still under pressure. This procedure avoids an uncontrolled large shrinking of the glass. When the temperature falls below the transformation temperature, the rapid coolin

36、g process starts and the tools move apart. In the last B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 5581 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 tionstemperatur beginnt der schnelle Abkhlpro-zess und die Werkzeuge bewegen sich auseinan-d

37、er. Im letzten Schritt wird die gepresste Linse nach dem ffnen der Presskammer entnommen. 5.2 Formwerkzeug Aufgrund des abbildenden Charakters der Press-technologie kommt dem Werkzeug eine entschei-dende Bedeutung zu. Die Werkzeuge mssen ho-hen mechanischen und chemischen Belastungen im Kontakt mit

38、dem Glas bei wechselnden Tempera-turen von bis zu 800 C standhalten. Die Um-formwerkzeuge werden in einem iterativen De-signprozess so gestaltet, dass eine nachtrgliche Schrumpfung des Glasmaterials kompensiert wird. Defekte der Werkzeugoberflche und ihrer Be-schichtungen sowie Formabweichungen des

39、Werk-zeugs werden auf die Glasoberflche bertragen. Die hohen Anforderungen an die Qualitt von Form und Oberflche sowohl des Werkzeugs als auch des gepressten optischen Elements mssen in der Produktion messtechnisch erfasst und ber-wacht werden. 5.3 Ausgangsmaterial Das Ausgangsmaterial fr das Przisi

40、onsblank-pressen ist ein Glas mit einer geeigneten Trans-formationstemperatur Tg, das in fr den Umform-prozess angepassten Rohlingen (Gobs, Kugeln, Scheiben usw.) zur Verfgung stehen muss. Die optischen Eigenschaften von Glsern knnen sich durch den Pressprozess verndern. Bezogen auf den Brechungsind

41、ex spricht man hier vom soge-nannten index drop“. Wenn die Indexnderung nicht auf Basis vorhandener Daten bekannt ist, muss diese messtechnisch bestimmt werden. Ist die Indexnderung bekannt, kann sie im Rahmen des genannten Iterationsprozesses durch eine entspre-chende Optikdesignanpassung bercksich

42、tigt wer-den. Auch weitere Eigenschaften des Glases kn-nen durch den Umformprozess verndert werden. So kann Spannungsdoppelbrechung auftreten und ist gegebenenfalls zu berprfen. Darber hinaus kann nicht angepasste Prozessfhrung Defekte (Mikrorisse, Blasen usw.) hervorrufen. step the moulded lens is

43、removed from the open pressure chamber. 5.2 Forming tool Due to the reproductive character of the moulding technology, the tool is of decisive importance. The tools must be able to bear high mechanical and chemical load when in contact with the glass at temperatures varying up to 800 C. The moulding

44、 tools are designed in an iterative process, so that the subsequent shrinking of the glass is compen-sated. Defects on the tool surface or its coating as well as form deviations of the tool are transferred to the glass surface. The high quality requirements in form and surface of the tool as well as

45、 of the moulded optical elements must be measured and supervised in production. 5.3 Basic material The basic material for precision glass moulding is a glass with an appropriate transformation tem-perature, Tg. It must be available in preforms (gobs, spheres, discs, etc.), which are adapted to the f

46、orm-ing process. The optical properties of the glasses can change due to the moulding process. With respect to the refractive index this is the so called “index drop”. If the change of the index is not available from existing data, it must be determined by measurement. If the index change is known,

47、it can be compensated by a corresponding adaption of design. Other properties of the glass can be changed by the moulding process, too. For exam-ple, stress birefringence can occur and has to be checked, if necessary. In addition, defects (micro cracks, bubbles, etc.) can be caused by improper proce

48、ss control. 6 Asphrische/Freiformoptiken Der folgende Abschnitt gibt Informationen zur Beschreibung der Oberflchen von asphrischen optischen Elementen und Freiformelementen. Die sich daraus ergebenden Prfparameter fr eine Oberflchen- und Funktionsprfung werden ange-geben. 6 Aspheric/freeform optics

49、The following section contains information on the description of surfaces of aspheric optical elements and freeform elements. The resulting control pa-rameters for surface and functional inspection will be quoted. B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 5581 5 6.1 Grundlagen der Oberflchenbeschreibung Die Beschreibung vo