非球面光学元件的快速制造技术

1.2 精密玻璃模压成型磨具材料及加工

非球面光学元件快速制造技术的关键在于能否加工出所需面型的精密模具。而模具材料和模具加工方法对最终模具表面精度有着较大影响，因此如何选择合适的模具材料和模具加工方法是模压前的重要步骤。

为满足循环回火操作的需求，模具需要满足以下条件：与其他元素的化学反应小、可加工性高、导热性好、热膨胀系数小、硬度高、断裂韧性强。在精密玻璃模压成型过程中，一般使用碳化物材料，在工业上更多的是选择化学气相沉积（Chemical vapor deposition, CVD）生产的碳化硅和烧结的无粘结剂碳化钨材料。对于大多数转变温度较低的硫系玻璃，许多金属和过渡材料也适用于硫系玻璃的精密模压成型。

用于成型的模具通常由外模具和内模芯组成，需要保证较高的面型精度，通常由单点金刚石车削、超精密磨削、超精密研磨抛光、微细电火花加工等方式制造。为了保护模压过程中模具面型表面不受损害，还需要在模具表面增加保护性镀层。文章详细阐述了碳化钨（WC）、化学镀镍磷（NiP）、反应键合碳化硅（RB-SiC）和Si用作模具材料的加工方式与特点。

1.3 精密玻璃模压成型仿真分析和工艺优化

PGM技术自1970年诞生至今，经历了多项工艺优化，如图3所示。文章概述了国内外学者对PGM技术在原材料参数影响、工艺参数优化、折射率变化预测和新型模压工艺开发方面的探索。此外，为了可视化光学元件成型过程，减少工艺优化的工作量，常利用有限元仿真对光学元件折射率、内应力等参数进行分析，并结合上述工艺优化方法进一步提高光学元件的质量。

图3.精密玻璃模压技术发展历程

2.精密光学塑料注射成型技术

精密光学塑料注射成型是指光学塑料在螺杆剪切作用和加热器辅助加热作用下达到熔融态，并在螺杆的推动下注入到模具型腔中成型，最终完全冷却形成光学元件的过程。精密光学塑料注射成型技术是塑料非球面光学元件的主要加工方法，塑料原材料在注塑机内部经历塑化阶段、注射阶段、保压阶段、冷却阶段和开模阶段后成为所需的光学元件，其基本原理如图4所示。在过程中需要进一步控制填充、保压和冷却阶段的工艺参数，来控制成型元件的质量。确定工艺参数后，还需通过退火、镀膜、检测、装调等多个步骤来提供具有实用价值的高质量非球面光学元件。

图4.注塑成型工艺原理。(a) 塑化阶段；(b) 注塑阶段；(c) 保压阶段；（d）冷却阶段；（e）开模脱模