1、ICS 17.180.01, 25.120.10 VDI-RICHTLINIEN Januar 2017 January 2017 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Przisionsblankpressen optischer Elemente Technologische Grundlagen Precision glass moulding of optical elements Basic technology VDI 5580 Ausg. deutsch/englisch Issue German/English Die deutsche Version die
2、ser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as authoritative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) Fachbereich Produktionstechnik und Fertigungsverfahren VDI-Handbuch Produktionstechni
3、k und Fertigungsverfahren, Band 2: Fertigungsverfahren VDI/VDE-Handbuch Optische Technologien Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedZu beziehen durch / Available atBeuth Verlag GmbH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten / Allrightsres
4、erved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2017Frhere Ausgabe:11.11Formeredition:11/11Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 3 2 Przisionsblankpressen optischer Elemente 3 2.1 Verfahrensablauf 3 2.2 Verfahrensdurchfhrung 4 3 Przisionsblankpressen in der P
5、rozesskette der Optikfertigung 9 3.1 Form des optischen Elements 10 3.2 Linsenabmessungen . 10 3.3 Toleranzen . 11 3.4 Brechzahlnderung 11 Schrifttum 12 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 3 2 Precision glass moulding of optical elements . 3 2.1 Moulding process . 3 2.2 Process implementat
6、ion 4 3 Precision glass moulding in the process chain of optics manufacturing . 9 3.1 Shape of optical element 10 3.2 Lens dimensions . 10 3.3 Tolerances 11 3.4 Index drop 11 Bibliography . 12 B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStand
7、ardsCollection - Stand 2017-04 2 VDI 5580 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rechte, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokop
8、ie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser Richtlinie ist unter Wahrung des Urheberrechts und unter Beachtung der Li-zenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), die in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Alle
9、n, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Preliminary note The content of this standard has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing,
10、reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extracts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices.
11、We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. Einleitung Diese Richtlinie wurde im Rahmen des EU-Projekts Production for Microtechnology P4“ erstellt. Unter dem Einfluss von Konsumprodukten mit optischen Funktionen hat sich das Design optischer Systeme hin zur Verwe
12、ndung asphrischer und diffraktiver optischer Elemente entwickelt. Durch Anwendung dieser Elemente im optischen Design wurde die Anzahl optischer Elemente in einzelnen Systemen betrchtlich verringert. Beispiele sind Handykameras, LED-Beleuchtungssysteme und Projektionssysteme. Das Przisionsblankpress
13、en von Glas ist ein geeig-netes und kosteneffektives Verfahren fr die Pro-duktion komplexerer optischer Elemente auch bei kleinen und mittleren Stckzahlen von einigen Hundert aufwrts. Als abformendes Verfahren erlaubt das Przisions-blankpressen die Herstellung eines hochprzisen optischen Elements au
14、s Glas in einem Produk-tionsschritt. Die speziell bei asphrischen und Frei-formoberflchen kostenintensive direkte Fertigung durch Schleifen und Polieren muss prinzipiell nur einmal fr das Formwerkzeug durchgefhrt wer-den. Ist die Form gefertigt, wird das optische Ele-ment in einem Schritt durch Abfo
15、rmung herge-stellt, ohne dass weitere formgebende Prozess-schritte (z. B. Polieren) notwendig sind. Das Herstellungsverfahren des Przisionsblank-pressens sowie die damit hergestellten optischen Elemente weisen einige besondere Eigenschaften auf, die sowohl im Optikdesign wie auch bei wei-teren Herst
16、ellungsschritten eines optischen Sys-tems sowohl technologisch wie konomisch ge-nutzt werden knnen. Diese Richtlinie will durch eine grundlegende Dar-stellung des Verfahrens und der daraus folgenden Introduction This standard has been developed within the framework of the EU project “Production for
17、Mi-crotechnology P4”. Triggered by consumer products with optical func-tionalities the design of optical systems has under-gone a rapid development in the last decade. Espe-cially aspherical and diffractive optical elements have been applied in optical system design and have reduced the number of op
18、tical elements in a system considerably. Examples are mobile phone cameras, LED luminaires, projection devices. Precision glass moulding is an adequate and cost efficient manufacturing method for the production of advanced optical elements even for small and moderate amounts of a few hundred pieces
19、and upward. As a replicative process precision glass moulding (ultra-precision glass pressing) enables the produc-tion of high precision optical components from glass in one step. The especially for aspherical or freeform surfaces costly direct manufacturing by grinding and polishing in principle ha
20、s to be per-formed only once for the form tool. Once the form has been manufactured the optical element itself is produced in a single step by replication. Further shape determining processes (e.g. polishing) are not necessary. Precision glass moulding as well as the moulded optical elements show se
21、veral special characteris-tics, which may be used technologically and eco-nomically in the design of optical systems as well as in subsequent manufacturing steps. By presenting the basic technology this standard wants to help establishing a common understand-B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B
22、0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 VDI 5580 3 Spezifika helfen, ein gemeinsames Verstndnis und eine gemeinsame Sprache zwischen Kunden und Herstellern przisionsgepresster
23、 Optiken zu erreichen und das Potenzial des Przisionsblank-pressens zu nutzen. ing and language between clients and manufactur-ers of precision moulded optics gives an overview of the basic technologies to enable them to use the potential of precision glass moulding. 1 Anwendungsbereich Diese Richtl
24、inie bezieht sich auf das Przisions-blankpressen von optischen Elementen. 1 Scope This standard applies to precision glass moulding of optical components. 2 Przisionsblankpressen optischer Elemente Beim Przisionsblankpressen wird ein zum zh-flssigen Zustand erhitzter Glasrohling mittels Umformwerkze
25、ug in die gewnschte Form ge-presst. So wird die direkte Herstellung einbaufhi-ger Optiken ohne Nacharbeit ermglicht, da durch den abbildenden Charakter der Umformwerkzeuge die Oberflchenspezifikationen des Stempels auf die Glaslinse bertragen werden und damit zeit-aufwendige Schleif- und Polierproze
26、sse lediglich beim Werkzeugbau anfallen. Dies fhrt insbeson-dere bei der Herstellung von komplexen Optiken aus Glas in mittleren und groen Stckzahlen zu entscheidenden Verfahrensvorteilen. Das konventionelle Blankpressen verarbeitet dem-gegenber in der Regel extern erwrmte, zumeist stangenfrmige Roh
27、glser. Das heie Glas wird zwischen zwei klteren Formwerkzeugen verpresst und sofort im Anschluss wieder entnommen, um extern abzukhlen. Hierdurch wird in der Regel nur eine einzelne fertige Funktionsflche erzeugt, da erst durch eine spanende Nachbearbeitung die Mittendicke der Linse eingestellt wird
28、. Aufgrund der starken Schwindung des Glases beim Abkhlen ist es schwierig, hchste Formgenauig-keiten zu erreichen. 2.1 Verfahrensablauf Bild 1 zeigt schematisch den Verfahrensablauf beim Przisionsblankpressen. 2 Precision glass moulding of optical elements In precision glass moulding a glass blank
29、is heated to a softened state and then pressed to the desired shape by a moulding tool. In this way ready to mount optical elements can be manufactured di-rectly without post-processing. Due to the replica-tive character of the process the surface specifica-tions of the moulding tool are transferred
30、 to the glass lens. Grinding and polishing is necessary in manufacturing of the tool only. Especially for the manufacturing of complex glass optics in medium and large amounts this leads to crucial advantages for the process. In contrast conventional glass moulding uses rod shaped blanks which are h
31、eated externally. The hot glass is pressed to form between two colder mould tools and is removed for cooling immediately after moulding. Usually only a single functional surface can be generated. The centre thickness of the lens is adjusted by a subsequent machining step. Due to the heavy shrinking
32、of the glass during cooling it is difficult to obtain highest form accura-cies. 2.1 Moulding process Figure 1 shows the precision glass moulding process schematically. Bild 1. Sechs Schritte des Przisionsblankpressens a) Einlegen des Rohlings b) Inertgassplung/Evakuierung c) Strahlungsheizung d) Abf
33、orm-/Pressprozess e) Abkhlphase f) Entladen Figure 1. Six steps of precision glass moulding a) loading of blank b) inert gas exchange/evacuation c) infrared radiation heating d) moulding process e) cooling f) removal of lens N2-Gas / N2 gasN2-Gas / N2 gasa) b) c)d) e) f)B974908A824A6748CAAAA99BAB349
34、F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19CFC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04 4 VDI 5580 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 Im ersten Schritt wird der Glasrohling in das untere Formwerkzeug eingelegt (a). Dann wird im zweiten Schri
35、tt in der Presskammer eine inerte Gasatmo-sphre erzeugt (b). Dazu wird die Prozesskammer in der Regel zunchst evakuiert, um Sauerstoff und Wasser (Luftfeuchtigkeit) zu entfernen. Anschlie-end wird mit Stickstoff eine inerte Gasatmosphre aufgebaut. Diese weist einen berdruck auf, um das Eindringen vo
36、n Umgebungsluft zu verringern. Im dritten Schritt (c) werden Glasrohling und Formwerkzeug durch Wrmestrahlung aufgeheizt. Bei Erreichen der Presstemperatur, die leicht ober-halb der Transformationstemperatur Tg(je nach Glassorte zwischen 400 C und 800 C 1) liegt, sowie nach Ablauf der Homogenisierun
37、gszeit, be-ginnt im vierten Schritt (d) der eigentliche Press-vorgang. Die beiden Werkzeughlften werden aufeinander zubewegt, wobei im Glaskontakt je nach Applika-tion und Werkzeuggre bis zu 30 kN Presskraft genutzt wird. Charakteristischerweise haben Glas-rohling und Werkzeug whrend des Pressvorgan
38、gs die gleiche Temperatur. Die Achsbewegung in der Pressphase ist in der Regel kraftgesteuert und endet bei Erreichen der Z-Position. Dadurch kann die Mittendicke der Lin-se eingestellt werden. Mit Beginn der Abkhlphase wird der Gasvolumenstrom in der Presskammer erhht. Zunchst erfolgt dieser Abkhlv
39、organg sehr langsam und immer noch unter kontrollierter Presskraft. Durch dieses Vorgehen wird eine un-kontrolliert starke Schrumpfung des Glases ver-mieden. Weg-, Kraft- und Temperaturverlauf sind in Bild 2 dargestellt. Erst mit Unterschreiten der Transformationstempe-ratur beginnt der schnelle Abk
40、hlprozess und die Werkzeuge bewegen sich auseinander (e). Im letz-ten Schritt (f) wird die gepresste Linse nach dem ffnen der Presskammer entnommen. Be- und Entladevorgnge knnen mit entsprechen-den Automatisierungssystemen durchgefhrt wer-den. 2.2 Verfahrensdurchfhrung 2.2.1 Maschinen Zur Durchfhrun
41、g des Przisionsblankpressens sind spezialisierte Maschinen erforderlich, die die Regelung der Temperatur, des Pressenwegs und der Pressenkraft erlauben 2. 2.2.2 Geeignete Glasmaterialien Das Przisionsblankpressen schrnkt die Auswahl mglicher Glser ein, siehe dazu die Glser mit niedriger Transmission
42、stemperatur Tgim Abbe-diagramm 3. Die Einschrnkungen sind: In a first step the glass blank is loaded into the lower moulding tool part (a). In a second step the process chamber is filled with an inert gas (b). This is done by evacuating the process chamber in a first step to remove oxygen and water
43、(air humidi-ty). Then, an inert gas atmosphere is created using nitrogen. This atmosphere is under overpressure to minimise surrounding air intrusion. In the third step (c), the glass blank and moulding tool are heated by infrared radiation. Having reached the moulding temperature which is slightly
44、above the transition temperature Tg(about 400 C to 800 C depending on the glass type 1) and having awaited the homogenisation time the actual moulding process starts in the fourth step (d). When the moulding tool is closed, up to 30 kN pressing force is applied in glass contact depending on applicat
45、ion and tool size. Characteristically, the glass blank and the tool are on the same tempera-ture during moulding. The movement of the axis in the moulding phase is usually controlled by the force applied. This ena-bles to adjust the lens thickness. When the cooling phase starts the gas flow in the p
46、rocess chamber is increased. Cooling starts slowly under controlled tool force applied. In this way an uncontrolled strong shrinking of the glass can be avoided. Trav-el-, force- and temperature control are displayed in Figure 2. If the temperature is lower than the transition tem-perature Tgrapid c
47、ooling begins and the tool opens (e). In the last step (f) the moulded lens is removed from the moulding tool. Loading and removal can be performed with ap-propriate automation systems. 2.2 Process implementation 2.2.1 Moulding machines Highly specialised moulding machines, which precisely control t
48、he temperature, travel, and force are needed to perform the process 2. 2.2.2 Usable glasses Precision glass moulding somewhat restricts the choice of glasses, cf. low Tg-glasses in the Abbe diagram 3 The limitations are: B974908A824A6748CAAAA99BAB349F63B2C88DD9B0D2BF8368C461B1CCB65CD15BE74F0686BD19C
49、FC1FB2DEE1C29BEST BeuthStandardsCollection - Stand 2017-04All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2017 VDI 5580 5 Bild 2. Temperatur- (1), Weg- (2) und Kraftverlauf (3) beim Przisionsblankpressen Die Transformationstemperatur Tgdarf die ma-ximale Prozesstemperatur des Werkzeugs nicht bersteigen. Viele Bleioxid-Flintglser entsprechen nicht den aktuellen gesetzlichen Vorschriften. Die chemische Zusammensetzung des Glases kan
