VDI 5583 Blatt 1-2011 Recommendations for interface specifications in the process chain of precision glass moulding of optical elements - Recommendations for optics design.pdf

1、 ICS 17.180.01, 25.120.10, 37.020 VDI-RICHTLINIEN November 2011 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Empfehlungen fr Schnittstellen in der Prozesskette des Przisionsblankpressens optischer Elemente Empfehlungen fr das Optikdesign Recommendations for interface specifications in the process chain of precision

2、glass moulding of optical elements Recommendations for optics design VDI 5583 Blatt 1 / Part 1 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this guideline shall be taken as authoritative. No guarantee can be given with resp

3、ect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren VDI-Handbuch Produktionstechnik und Fertigungsverfahren, Band 2: Fertigungsverfahren Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenfo

4、rinternalusenot permittedZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2011Frhere Ausgabe:12.10 EntwurfFormeredition:12/10DraftInhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbere

5、ich . 3 2 Normative Verweise 3 3 Designempfehlungen fr das Przisionsblankpressen optischer Elemente 3 3.1 Defektspezifikation 4 3.2 Konzeptauswahl . 4 3.3 Designoptimierung . 6 3.4 Tolerierung . 8 3.5 Mechanik/Herstellungsdesign 9 Schrifttum 10 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Norma

6、tive references 3 3 Design recommendations for the precision glass moulding of optical elements . 3 3.1 Specification of defects 4 3.2 Selection of concepts 4 3.3 Optimization of design . 6 3.4 Tolerancing 8 3.5 Mechanical/manufacturing design 9 Bibliography . 10 B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09D

7、CCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 2 VDI 5583 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nach

8、drucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi-richtlinien.de), die in den VDI-Merkblttern gere

9、gelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter der Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/5583. Preliminary note The content of this guideline has been developed in strict

10、 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 this guideline

11、 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. A catalogue of all available parts of this series of guidelines can be accessed

12、 on the internet at www.vdi.de/5583. Einleitung Diese Richtlinie wurde im Rahmen des EU-Projektes Production for Microtechnology P4“ erstellt. Das hochgenaue und dennoch kostengnstige Pr-zisionsblankpressen erlaubt die replikative Herstel-lung von przisen Glasoptiken in einem einzigen Prozessschritt

13、 Auf aufwendige herkmmliche Prozesse wie Schleifen und Polieren kann bei der eigentlichen Optikfertigung verzichtet werden. Da-rber hinaus knnen mit herkmmlichen Prozessen nur schwierig herstellbare Formen wie Asphren, Arrays oder sogar diffraktive Optiken gefertigt werden. Um die Strken des Przisi

14、onsblankpressens hin-sichtlich der Aspekte Produktfunktionalitten, Kosten und Qualitt optimal ausnutzen zu knnen, ist eine Bercksichtigung der Fhigkeiten und An-forderungen der Technologie notwendig. Dazu ist es sinnvoll, speziell fr die Schnittstellen des Fer-tigungsprozesses Empfehlungen zu geben,

15、 die helfen, Rckfragen und Beanstandungen im Pro-zessablauf zu vermeiden. Eine der ersten Schnittstellen in der Prozesskette des Przisionsblankpressens ist der bergang von der Designphase der Optik zur Optikfertigung. Die Optikdesigner stehen vor der Herausforderung, die fr das gewnschte Endprodukt

16、erforderliche Funktionalitt des optischen Gesamtsystems zu erreichen, whrend gleichzeitig die Herstellkosten minimiert werden mssen. Das Przisionsblankpressen bietet dem Optik-designer viele Mglichkeiten, um unter Ausnut-zung der Besonderheiten abgeformter Elemente und Kenntnis der Leistungsfhigkeit

17、 des Ferti-Introduction This guideline has been developed within the framework of EU-project “Production for Micro-technology P4”. Precision glass moulding is a cost-effective method for replicative manufacturing of precise glass op-tics in one single process step. In the actual manu-facturing of op

18、tics, common expensive processes like grinding and polishing can be abandoned. Moreover, aspheres, arrays or even defractice op-tics which are difficult to manufacture convention-ally can be manufactured by precision glass moulding. To optimally exploit the potential of precision glass moulding with

19、 respect to product functional-ities, cost and quality it is necessary to consider the capabilities and requirements of the technology. Therefore it is useful to specify recommendations for the interfaces of the manufacturing process which help to avoid further queries and objections in the process

20、flow. One of the first interfaces in the process chain of precision glass moulding is the transition from the design phase of the optics to optics manufacturing. The optics designer usually is challenged in obtain-ing the requested functionality of the entire optical system for the product and simul

21、taneously mini-mising the manufacturing cost. Precision glass moulding offers a lot of possibili-ties to the optics designer to realize a powerful optical system at low cost knowing and using the capabilities of the manufacturing process and the B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD -

22、 Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 5583 Blatt 1 / Part 1 3 gungsprozesses ein leistungsfhiges optisches Sys-tem zu geringen Kosten zu realisieren. Dabei ist es erforderlich zu wissen, welche Faktoren einen Einfluss auf die Kosten der Herstellung ei

23、ner Pr-zisionsoptik mittels Pressen haben. In dieser Richtlinie werden einfache Empfehlun-gen fr das Design optischer Elemente gegeben, mit denen die Vorteile des Przisionsblankpressens genutzt werden knnen. characteristics of moulded optical elements. For that it is essential to know which factors

24、influence the manufacturing cost of a precision optics by precision glass moulding. In this guideline simple recommendations for the design of optical elements are given which help to exploit the advantages of precision glass moulding. 1 Anwendungsbereich Diese Richtlinie bezieht sich auf Designempf

25、eh-lungen fr das Przisionsblankpressen von opti-schen Elementen. 1 Scope This guideline applies to design recommendations for the precision glass moulding of optical compo-nents. 2 Normative Verweise Das folgende zitierte Dokument ist fr die Anwen-dung dieser Richtlinie erforderlich: VDI 5580:2011-1

26、1 Przisionsblankpressen opti-scher Elemente; Technologische Grundlagen 2 Normative references The following referenced document is indispensa-ble for the application of this guideline: VDI 5580:2011-11 Precision glass moulding of optical elements; Basic technology 3 Designempfehlungen fr das Przisio

27、nsblankpressen optischer Elemente Ziel dieser Designempfehlungen ist es, den An-wendern den Zugang zu den Wirkmechanismen zu erleichtern und die Leistungspotenziale der Tech-nologie aufzuzeigen. Die Empfehlungen helfen somit, den Abstimmungsaufwand und die Kosten in Design und Herstellung von Przisi

28、onsoptiken zu verringern. Eine enge Kooperation zwischen Optikdesign, Optikfertigung und Formwerkzeug-herstellung bleibt zwar unabdingbar, wird jedoch wesentlich vereinfacht. Um den Zugriff der Optik-designer auf die Empfehlungen zu vereinfachen, wurden diese den folgenden Schritten des Optikde-sign

29、prozesses zugeordnet: Spezifikation Konzeptauswahl Designoptimierung Tolerierung Mechanik/Herstellungsdesign In der Praxis hngt es von verschiedenen Faktoren ab, wie der Designprozess durchgefhrt wird nicht immer knnen alle Schritte und alle Iteratio-nen unter Beachtung aller Einflussfaktoren und Op

30、tionen abgedeckt werden. Zu den Faktoren gehrt beispielsweise das Ferti-gungsvolumen des geplanten Produkts. Bei geringen Stckzahlen lohnt es sich hufig nicht, einen hohen Designaufwand in die Ermgli-chung einer kostengnstigen Fertigung und eines 3 Design recommendations for the precision glass moul

31、ding of optical elements It is the aim of these design recommendations to show the potential of the technology and facilitate the use of its effective mechanisms. The recom-mendations help reducing time effort and cost for coordination in design and manufacturing of preci-sion optics. A close cooper

32、ation between optics design, optics manufacturing and mould manufac-turing remains necessary, but will be simplified considerably. To allow better use of the design recommendations by the optics designer the rules have been assigned to the following steps of the optics design process: specification

33、selection of concept optimisation of design tolerancing mechanics/manufacturing design In practice it depends on various factors how the design process is performed not all options and influencing factors can be observed and some steps and iterations are omitted. One of these influencing factors is

34、the lot size of the planned product. For small amounts the cost reduction of manufac-turing and simplified assembly frequently does not compensate the additional effort in design. In con-B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04 4 VDI 5583 Blatt 1 / Part 1 Alle Rechte vorb

35、ehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 einfachen Zusammenbaus zu investieren. Bei ho-hen Stckzahlen werden demgegenber die Kosten des Designs auf das hohe Produktionsvolumen verteilt, und z. B. eine bessere Tolerierung, die zu einer hheren Gutteilausbeute im Herstellungspro-zess fh

36、rt, lohnt sich schnell. Die Designempfehlungen schwchen diesen Zu-sammenhang ab, indem sie den Designaufwand verringern und bewhrte Detaillsungen zur Ver-fgung stellen. Sie ermglichen ein fertigungsge-rechtes Design auch fr geringere Stckzahlen. Weil die Empfehlungen nicht die Grenzen der Technologi

37、e aufzeigen sollen, sondern vielmehr eine Hilfe zur Optimierung darstellen, ist dennoch im Zweifelsfall eine Kontaktaufnahme mit einem Fertigungsanbieter ratsam. Im Folgenden werden fr jeden Schritt des Optikdesignprozesses Design-empfehlungen aufgefhrt. 3.1 Defektspezifikation Durch Verzicht auf ei

38、ne berhhte Defektspezifi-kation knnen Kosten in der Herstellung gespart werden. Bereits in einer frhen Designphase sollte hinsichtlich des spteren Anwendungskontexts des geplanten Produkts bewertet werden, inwiefern eine anspruchsvolle Defektspezifikation gefordert wer-den muss. Gegebenenfalls kann,

39、 z. B. weil die Linse in der Anwendung ohnehin Umwelteinflssen aus-gesetzt sein wird, auf diese verzichtet werden. Eine hohe Defektspezifikation ist beim Pressen noch aufwendiger zu erfllen als bei der konventionellen Fertigung, weil dadurch die nutzbaren Standzeiten der teuren Werkzeuge wesentlich

40、verringert werden. 3.2 Konzeptauswahl 3.2.1 Kombination optischer Funktionsflchen Das optische und mechanische Systemdesign kann durch die Kombination mehrerer optischer Funk-tionen in einem Element vereinfacht werden. Ins-besondere bei der Auslegung des optischen Ge-samtsystems kommen die Vorteile

41、przisions-blankgepresster Linsen voll zur Geltung. Es kn-nen sowohl neue Funktionen realisiert als auch die erforderlichen optischen Systeme fr bestehende Funktionen vereinfacht werden 1. Bereits im Design des gesamten optischen Systems sollte bercksichtigt werden, dass mittels des Pr-zisionsblankpr

42、essens in einem Bearbeitungsschritt mehrere optische Funktionsflchen realisiert wer-den knnen. Dies kann genutzt werden, um kos-teneffizient mehrere Funktionen in einem opti-schen Element zu kombinieren (Bild 1). trast the additional design cost are shared by the higher production volume for larger

43、amounts and e.g. a better tolerancing that leads to a higher yield of good parts in the manufacturing process pays off rapidly. The design recommendations alleviate this correla-tion in reducing the design effort and providing successful detail solutions. For small amounts they also enable a design

44、suitable for manufacturing. The recommendations do not represent the limits of the technology but are intended as support for optimization. In case of doubt a corresponding manufacturer should be contacted. In the follow-ing, design recommendations will be given for each step of the optics design pr

45、ocess. 3.1 Specification of defects Waiving excessive defect specifications can reduce cost in manufacturing. Already in an early design phase the later application context of the planned product should be looked at regarding demanding defect specifications. Eventually these may be abandoned, e.g. b

46、ecause the lens is exposed to environmental influences. In precision glass moulding it is even more costly to meet high defect specifications than in conventional manufacturing as the usable tool life time of the expensive tools is reduced considerably. 3.2 Selection of concepts 3.2.1 Combination of

47、 functional optical surfaces The optical and mechanical systems design can be simplified by combining several optical functions in one element. Especially when the complete opti-cal system is designed, the advantages of precision moulded elements can be used. On the one hand new functions can be rea

48、lized on the other hand the optical systems necessary for established functions can be simplified 1. Already in the design of the complete optical sys-tem it should be considered that several functional optical surfaces can be realized in one process step in precision glass moulding. This can be use

49、d to cost-effectively combine several functions in one optical element (Figure 1). B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCCB7EF8AD9NormCD - Stand 2012-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2011 VDI 5583 Blatt 1 / Part 1 5 Bild 1. Kombination zweier optischer Funktionsfl-chen in einem Element Ein Element kann durch die Kombination mehrere vom Designer gewnschte Funktionsflchen be-inhalten, von denen e