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光学镜片的成型工艺和Abaqus材料本构
江丙云
3年前
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光学镜片是超精密部件,也是高精设备的核心部件。 创新的材料科学和制造技术是镜片设计过程的基石。
光学镜头由于复杂的材料性能,在制造成型过程中会出现结构张弛,导致最终产品不符合设计意图,要么使用昂贵铂抛光,要么通过迭代原始形状,减少抛光量,就时间、金钱和浪费而言,每次迭代都极其昂贵。
要打造世界级光学产品,对其成型过程和结构性能作仿真验证,能够驱动设计加快产品开发。
从本质上说,依靠专业知识,在虚拟环境中重建物理过程,通过仿真能够研究更多的工况场景,考虑更多的变量,作为实际设计的前期虚拟设计。
非球面透镜
非球面透镜是对球面加以校正,能够补偿光学畸变,其优势有镜头计数减少、装配更方便、内部反射减少等。非球面透镜的外形设计是为了避免传统球面透镜产生的光学像差。
传统的球面镜头制造技术涉及磨削、研磨和抛光的迭行过程,以获得所需表面轮廓;非球面透镜表面的生产需要专门的抛光技术,如磁流变加工和精密抛光方法。虽然能够生产出非常高质量的透镜表面,但生产成本很高,切割液体和某些玻璃类型的铅等副产品对环境极具危害。
模压成形工艺
近年来,精密的模压光学玻璃工艺由于其成本效益显著,用于生产非球面透镜轮廓的趋势愈来愈明显,其生产成型工艺如下。
加热:对模具和预制件进行加热
模压:施加1.5-2kN的恒定力
冷却:维持为500N,应用氮冷却
释放:将力降低到0N,加热关闭
测量:使用触觉或非触觉测量提取和评估表面轮廓
抛光:自动化控制抛光或磁流精加工
可塑玻璃L-BAL35的成型工艺过程的热和力随时间变化如下,峰值温度约590℃,下图曲线随后设置为仿真的边界和载荷。
材料性能和本构模型
玻璃呈现三种状态:固体、过渡和液体,三种状态下的材料性能极大不同。
体积性能也有所不同
左图显示加热或冷却过程中玻璃体积或焓变化与金属的比较;右图将玻璃体积收缩描绘成温度函数,当玻璃过渡区域以不同的冷却速率qc1、q_c2,从成型温度冷却。
镜片的回弹正是源于温度的突然变化。
Abaqus提供了应力松弛的本构,如下图。
参照Balajee Ananthasayanam的学位论文
“COMPUTIONAL MODELING OF PRECISIONMOLDING OF ASPHERIC GLASS OPTICS”,LBAL-35玻璃光学镜头的材料参数如下表。
成型关键
下图所示有中心厚度、初始预制件、实际成型件和期望成型件轮廓等。
如何确定镜头是好是坏呢?需要可以衡量的数量,即轮廓偏差。计算公式如下:
最大允许的轮廓偏差要小于1µm。
将镜头归类为"GO"或"NO GO"的标准是预期轮廓与实际轮廓之间的偏差值。
总结
本文仅仅概述了光学镜头的成型工艺和材料本构,下文继续对其进行仿真求解,以及后续的优化设计。
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科普
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材料
Abaqus
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首次发布时间:2021-05-25
最近编辑:3年前
江丙云
博士
|
仿真专家
C9博士,5本CAE专著
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钱飞
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2年前
老师,有个问题请教,可以私聊一下吗
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