Репликационное производство металлических форм для тиражирования полимеров с низкой шероховатостью поверхности.

Nature Communications, том 13, номер статьи: 5048 (2022) Цитировать эту статью

2775 Доступов

2 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Производственные процессы, основанные на инструментах, такие как литье под давлением, позволяют быстро и качественно производить массовое производство, но для оптических полимерных компонентов производство необходимых инструментов требует много времени и денег. В этой статье представлен процесс изготовления металлических вставок для инструментального производства с гладкими поверхностями посредством процесса литья и репликации из шаблонов из плавленого кварца. Бронзу, латунь и кобальт-хром можно успешно воспроизвести из формованных копий плавленого кварца, достигнув шероховатости поверхности Rq 8 нм и микроструктуры в диапазоне 5 мкм. Литье под давлением было успешно выполнено с использованием коммерчески доступной системы литья под давлением, при этом с помощью одного и того же инструмента были созданы тысячи копий. Кроме того, трехмерные тела из металла можно реализовать с помощью 3D-печати литейных форм из плавленого кварца. Таким образом, эта работа представляет собой подход к созданию высококачественных формовочных инструментов с помощью масштабируемого, простого и экономически эффективного пути, превосходящего используемые в настоящее время дорогостоящие, трудоемкие и трудоемкие методы обработки.

Инструментальное производство (TBM) — это процесс выбора, когда речь идет о рентабельном массовом производстве. Даже высокоточные компоненты, такие как объективы камер мобильных телефонов, линзы Френеля или микрорассеиватели1,2 с жесткими допусками, должны производиться в больших количествах по доступным ценам. Этот профиль требований оставляет очень мало выбора в производственных процедурах и может быть реализован только с помощью TBM3,4. Прежде всего, литье под давлением стало де-факто золотым стандартом высокопроизводительного производства компонентов сложной формы с высокими стандартами качества5. Среди прочего инструменты с полированной формовочной поверхностью представляют особый интерес благодаря их способности производить высококачественные компоненты оптического качества при соответствующей масштабируемости и стоимости. Однако их производство является сложным и дорогостоящим и остается основным узким местом6. Сегодня формовочные инструменты для ТБМ в основном производятся методом субтрактивной обработки, такой как сверление, токарная обработка, фрезерование и полировка7,8. Эти процедуры требуют много времени и материалов и плохо масштабируются8,9. Для изготовления форм с оптическими поверхностями обычно требуется сверхточная механическая обработка, включая алмазную токарную обработку и полировку поверхностей до уровня шероховатости нанометрового уровня7. Это ограничивает применимость TBM и делает создание прототипов формовочных инструментов чрезвычайно сложным. В зависимости от качества стоимость даже простых формовочных инструментов может варьироваться от тысяч до десятков тысяч евро9, а фактический производственный процесс легко может занимать недели, в зависимости от размера, сложности и требуемого качества поверхности8. Если требуется разрешение микрометра или даже субмикрометра, обычно предпочтительным методом является гальванопокрытие. В этом процессе готовые шаблоны, сформированные, например, с помощью фотолитографии, копируются на подложку из твердого металла, которая может выдерживать напряжения процесса формования8, обеспечивая при этом поверхности оптического качества. Решающими недостатками гальваники являются медленные скорости роста, 12 мкм/ч10 не являются чем-то необычным для никелевых покрытий, а также ограниченная свобода проектирования формовочных инструментов со значительными изменениями размеров. Были предприняты различные попытки обеспечить более быстрое и удобное создание формовочных инструментов - область, широко известную как быстрая оснастка или прямая оснастка. Было представлено несколько методов структурирования заготовки формовочного инструмента с помощью генеративных методов, таких как, например, селективное лазерное спекание (SLS)11 или обработка лазерным лучом (LBM)12. Достижимые значения шероховатости поверхности с помощью этих методов находятся в диапазоне Ra 2–40 мкм13,14,15, что по-прежнему требует трудоемкой и дорогостоящей последующей обработки. Созданный инструмент для формования преформ затем подвергается последующей обработке с использованием классических методов обработки, что позволяет экономить материал и общее время обработки. Пока что быстрое прототипирование TBM считается жизнеспособным только в отдельных приложениях и, как правило, не считается масштабируемой альтернативой классическим технологиям производства формовочных инструментов.