Moldeo de vidrio de precisión

El moldeo de vidrio de precisión es un proceso replicativo que permite la producción de componentes ópticos de alta precisión a partir de vidrio sin necesidad de pulido ni rectificado . Este proceso también se conoce como prensado de vidrio de ultraprecisión . Se utiliza para fabricar lentes de vidrio de precisión para productos de consumo, como cámaras digitales , y productos de alta gama, como sistemas médicos. La principal ventaja sobre la producción mecánica de lentes es que permite fabricar lentes con geometrías complejas, como las asféricas, de forma rentable.

El proceso de moldeo de vidrio de precisión consta de seis pasos: ^{[ 1 ] [ 2 ]}

1. La pieza de vidrio en bruto se carga en la parte inferior del molde.
2. El oxígeno se elimina del área de trabajo mediante el llenado con nitrógeno y/o la evacuación de la cámara de proceso.
3. El sistema de herramientas está prácticamente cerrado (sin contacto con el molde superior) y todo el sistema de molde, matriz y vidrio se calienta. En la mayoría de los sistemas se utilizan lámparas infrarrojas para el calentamiento.
4. Una vez alcanzada la temperatura de trabajo, que se encuentra entre la temperatura de transición y el punto de reblandecimiento del vidrio, los moldes se cierran aún más y comienzan a prensar el vidrio mediante un proceso de desplazamiento controlado.
5. Una vez alcanzado el grosor final de la pieza, el prensado pasa a ser un proceso controlado por fuerza.
6. Una vez finalizado el moldeo, el vidrio se enfría y el entorno de trabajo se llena con nitrógeno. Cuando la lente se ha enfriado lo suficiente como para poder manipularla, se retira del molde.

El proceso se lleva a cabo en una máquina de moldeo especializada que controla con precisión la temperatura, el desplazamiento y la fuerza durante el mismo. Las herramientas utilizadas deben soportar altas temperaturas y presiones, y ser resistentes a la interacción química con el vidrio. Los materiales del molde también deben ser aptos para el mecanizado de los perfiles superficiales precisos.

Para garantizar la calidad deseada, las piezas se miden entre cada etapa del proceso. Además, se manipulan y transportan con cuidado entre las etapas de procesamiento y metrología.

1. Conformado en caliente de gotas: El proceso de moldeo de vidrio de precisión ofrece los mejores resultados en calidad y coste si se trabaja con preformas precisas. Estas se obtienen generalmente mediante el prensado o el conformado en caliente de gotas de vidrio fundido. Este paso se realiza mediante la fusión continua del vidrio y el moldeo en moldes metálicos de una sola cara. Este proceso solo es adecuado para grandes volúmenes de producción. Para volúmenes de producción menores, las preformas deben fabricarse mediante procesos mecánicos de eliminación de material a partir de bloques o láminas de vidrio en bruto.
2. Moldeo de vidrio de precisión: En este paso, la preforma se transforma directamente en una lente de vidrio óptico. Es necesario limpiar la preforma de vidrio y el molde antes de comenzar el proceso, pero no se requiere pulido ni mecanizado posterior.
3. Recubrimiento de lentes: Se aplica un recubrimiento antirreflectante a las lentes terminadas. Las lentes se limpian primero y luego se colocan en un soporte. El soporte, que contiene una gran cantidad de lentes, se coloca en la máquina de recubrimiento. Después de finalizar el proceso, las lentes de vidrio se retiran del soporte y este se limpia mediante chorro de arena u otras técnicas. Generalmente, el recubrimiento óptico se realiza mediante uno de dos métodos: deposición física de vapor (PVD), en la que los materiales de óxido se evaporan y se depositan en la lente, y deposición química de vapor mejorada por plasma (PECVD). Las reacciones químicas tienen lugar en el vacío y el producto de la reacción se deposita en la lente. Las lentes se recubren por dos razones:
   1. Manipular o mejorar la transmisión/reflexión óptica.
   2. Mejora las propiedades mecánicas, químicas o eléctricas.

Muchos tipos de gafas se pueden usar con PGM. Sin embargo, existen algunas limitaciones: ^{[ 4 ]}

• La temperatura de transición vítrea Tg no debe superar la temperatura máxima de calentamiento del molde.
• Muchos vidrios de sílex con óxido de plomo no cumplen con la directiva RoHS de la UE ( Restricción de ciertas sustancias peligrosas ).
• La composición del vidrio influye en la vida útil de la herramienta de moldeo.
• Los materiales calcogenuros requieren ciertas formas de preforma.
• La expansión/contracción del vidrio es un fenómeno que depende en gran medida de la temperatura y la velocidad de expansión. El coeficiente de expansión térmica (CET) del molde y del vidrio debe coincidir. Una gran diferencia de CET implica una gran desviación entre el vidrio moldeado y el molde. Los vidrios con un CET elevado también presentan problemas en cuanto a la distribución no uniforme de la temperatura. Esto significa que no se puede aplicar un enfriamiento especialmente rápido. Además, la diferencia de temperatura entre la lente caliente inmediatamente después del moldeo y el aire circundante puede provocar fácilmente grietas. ^{[ 15 ] [ 16 ]}
• Además, la dependencia de la temperatura de la viscosidad del vidrio, la relajación viscoelástica estructural y de tensión del vidrio juegan un papel importante en la determinación de la forma de la preforma de la lente, el estado final de tensión y la desviación de la forma. ^{[ 17 ]}
• La calidad interna y externa de la pieza en bruto debe ser igual o superior a los requisitos de la lente terminada, ya que el proceso de moldeo de vidrio de precisión no permite mejorar la calidad del vidrio.
• El vidrio presenta un cambio en el índice de refracción, denominado caída de índice, durante el proceso de recocido. Esta caída se debe al enfriamiento rápido del inserto del molde, lo que induce una pequeña cantidad de tensión residual en el vidrio. Como resultado, el vidrio presenta un pequeño cambio en el índice en comparación con su estado de recocido fino. La caída del índice es pequeña (generalmente de 0,002 a 0,006), pero el diseño óptico debe optimizarse para compensar este cambio. A modo de ejemplo, la caída del índice para diferentes tipos de vidrio se muestra en la imagen de la derecha para diferentes velocidades de recocido. Cabe señalar que la velocidad de recocido no es necesariamente constante durante el proceso de enfriamiento. Las velocidades de recocido "promedio" típicas para moldeo de precisión se encuentran entre 1000 K/h y 10 000 K/h (o superiores). No solo el índice de refracción, sino también el número de Abbe del vidrio cambian debido al recocido rápido. Los puntos mostrados en la imagen de la derecha indican una velocidad de recocido de 3500 K/h.

Se han desarrollado los denominados "vidrios de baja Tg", con una temperatura de transición máxima inferior a 550  °C, para posibilitar nuevas rutas de fabricación de moldes. Para moldear vidrios de baja Tg se pueden utilizar materiales como el acero, mientras que los vidrios de alta Tg requieren un material de molde de alta temperatura, como el carburo de tungsteno .

El material del molde debe tener suficiente resistencia, dureza y precisión a altas temperaturas y presiones. También se requiere buena resistencia a la oxidación, baja expansión térmica y alta conductividad térmica. El material del molde debe ser adecuado para soportar las temperaturas del proceso sin sufrir deformaciones. Por lo tanto, la elección del material del molde depende críticamente de la temperatura de transición del material de vidrio. Para vidrios de baja Tg, se pueden utilizar moldes de acero con recubrimiento de aleación de níquel. Dado que no pueden soportar las altas temperaturas requeridas para los vidrios ópticos convencionales, en este caso se deben utilizar materiales resistentes al calor, como las aleaciones de carburo. Además, los materiales del molde incluyen aleaciones de aluminio, carbono vítreo o similar al vidrio, carburo de silicio, nitruro de silicio y una mezcla de carburo de silicio y carbono. ^{[ 18 ]}

Un material comúnmente utilizado en la fabricación de moldes es el carburo de tungsteno . Los insertos del molde se producen mediante metalurgia de polvos, es decir, un proceso de sinterización seguido de procesos de post-mecanizado y operaciones de rectificado sofisticadas. Generalmente se añade un aglutinante metálico (normalmente cobalto) en la sinterización en fase líquida. En este proceso, el aglutinante metálico mejora la tenacidad del molde, así como la calidad de la sinterización en fase líquida hasta obtener un material completamente denso. ^{[ 19 ]} Los moldes fabricados con materiales duros tienen una vida útil típica de miles de piezas (dependiendo del tamaño) y son rentables para volúmenes de 200 a 1000 o más (dependiendo del tamaño de la pieza).

Este artículo describe cómo se fabrican los insertos de molde para el moldeo de vidrio de precisión.

Para garantizar altos estándares de calidad, se implementan pasos de metrología entre cada etapa del proceso.

1. Procesamiento del polvo : Esta etapa del proceso es responsable de obtener tamaños de grano adecuados para el prensado y el mecanizado. El polvo se procesa moliendo la materia prima.
2. Prensado : Este paso consiste en el preformado de los cuerpos en bruto "verdes" de los insertos del molde.
3. Sinterización : Mediante la sinterización, las piezas preformadas en verde se comprimen y endurecen. Para ello, se calientan a una temperatura inferior a su punto de fusión. El proceso de sinterización consta de tres fases: primero, se reduce el volumen y la porosidad; segundo, se reduce la porosidad abierta; y tercero, se forman cuellos de sinterización que aumentan la resistencia del material.
4. Pre-mecanizado : Esta etapa define la forma principal del inserto óptico. Generalmente consta de cuatro pasos: rectificado del diámetro interior/exterior, rectificado de las caras paralelas/extremo del inserto, rectificado/lapeado del ajuste del inserto y, finalmente, rectificado de la cavidad para obtener la forma casi final. Normalmente, la cavidad se pre-mecaniza para obtener una superficie plana o una esfera de ajuste óptimo.
5. Rectificado : El rectificado o mecanizado de acabado crea la forma final y el acabado superficial de la cavidad en el inserto del molde. Generalmente, el acabado se realiza mediante rectificado; opcionalmente se requiere un paso de pulido posterior. El rectificado de acabado puede requerir varios cambios de la herramienta de rectificado y varios pasos de rectificado de la herramienta. El mecanizado de acabado del molde es un proceso iterativo: mientras el molde mecanizado muestre desviaciones del contorno nominal en el paso de medición después del rectificado, debe rectificarse nuevamente. No existe un límite bien definido entre el pre-mecanizado y el rectificado fino. A lo largo del proceso de rectificado de la cavidad, el tamaño del grano de la herramienta, la velocidad de avance y la profundidad de corte se reducen, mientras que el tiempo de mecanizado aumenta. Las superficies convexas son más fáciles de fabricar. Los pasos necesarios para la preparación de la pieza de trabajo son la alineación del molde y la referencia del molde. También se deben realizar la alineación, la referencia de la herramienta de rectificado y el rectificado de la herramienta de rectificado. Después de eso, puede ser necesario el pulido para eliminar la estructura anisotrópica que queda después del rectificado. Puede realizarse manualmente o con una máquina CNC.
6. Recubrimiento : El recubrimiento es el paso del proceso en el que se aplica una capa sobre la superficie de la cavidad del inserto óptico que protege el molde contra el desgaste, la corrosión, la fricción, la adherencia del vidrio y las reacciones químicas con el vidrio. Para recubrir la superficie de los moldes mediante deposición física de vapor (PVD), los metales se evaporan en combinación con productos químicos a base de gas de proceso. Sobre la superficie de la herramienta, se sintetizan recubrimientos delgados de alta adherencia. Los materiales para recubrimientos en insertos ópticos son PVD a base de platino (principalmente aleado con iridio, estándar), carbono tipo diamante (aún no disponible comercialmente), SiC (CVD) sobre cerámica de SiC (aún no disponible comercialmente, debe ser mecanizado posteriormente) o TiAlN (aún no disponible comercialmente). Para lograr un espesor de capa homogéneo, la posición del molde debe cambiarse durante el recubrimiento. Para preparar el molde para el recubrimiento, las superficies deben desengrasarse, limpiarse (en condiciones de sala limpia o casi limpia) y agruparse. Especialmente el cátodo de la máquina debe limpiarse. Tras este proceso, la pieza debe ser separada del lote.
7. Ensamblaje : En esta etapa, el inserto óptico y la base del molde se combinan para formar el molde ensamblado. Para un elemento óptico se necesitan dos insertos de molde, los cuales se ensamblan fuera de la máquina. Para el ensamblaje, es fundamental medir la altura y ajustar los espaciadores.
8. Pruebas de moldeo : Este paso determina si el molde reproduce la forma y la calidad superficial especificadas. Si el molde no es adecuado, debe rectificarse. Forma parte de un proceso iterativo. El conjunto del molde debe colocarse en la máquina para iniciar la prueba de moldeo.

Para garantizar la calidad y permitir una alerta temprana ante cualquier problema, es necesario realizar mediciones y referencias en cada etapa del proceso. Además, se debe considerar el tiempo de transporte y manipulación al planificar el proceso.

Una vez desarrollados el proceso y la herramienta, el moldeo de vidrio de precisión ofrece una gran ventaja sobre las técnicas de producción convencionales. La mayoría de las características de calidad de las lentes dependen de la herramienta. Esto significa que las lentes prensadas con la misma herramienta y proceso suelen presentar desviaciones mínimas. Por ejemplo, una característica importante de una lente es la forma de su superficie óptica. En el caso de las lentes asféricas, la medición de las superficies ópticas es muy difícil y requiere un gran esfuerzo. Además, al trabajar con sistemas de medición táctiles, siempre existe el riesgo de rayar la superficie óptica. Para las lentes moldeadas de precisión, estas mediciones solo son necesarias para una pequeña cantidad de muestras con el fin de certificar la herramienta. La producción en serie puede entonces ejecutarse sin necesidad de realizar más mediciones. En este caso, solo es necesario controlar la limpieza de la superficie óptica. Otra ventaja es que el espesor central de la lente puede estimarse a partir del espesor del borde, que se mide fácilmente, o mediante un sistema de medición sin contacto. ^{[ 20 ]}

Para prolongar la vida útil del inserto del molde, se pueden aplicar recubrimientos protectores. “Los materiales seleccionados para los recubrimientos antiadherentes se dividen en 5 grupos: (1) carburos, nitruros, óxidos y boruros monocapa como TiN, BN, TiAlN, NiAlN, TiBC, TiBCN, NiCrSiB y Al₂O₃ , ( 2 ) nitruros o carburos con gradiente y multicapas _{, (} 3) películas de superredes a base de nitruros, (4) carbono amorfo o carbono tipo diamante y ( 5) aleaciones a base de metales preciosos” ^{[ 21 ].}

Los experimentos realizados por Ma et al. arrojan los siguientes resultados: ^{[ 21 ]} “Cuanto mayor es la temperatura, menor es el ángulo de humectación observado entre la gota de vidrio y el sustrato. Esto indica que se produjo una reacción química interfacial severa, lo que resultó en la pérdida de transparencia del vidrio. El experimento de humectación en atmósfera de nitrógeno mejoró la adherencia. La combinación de sustratos y recubrimientos químicamente estables, como zafiro (sustrato) / GaN (película) y vidrio (sustrato) / Al₂O₃ ( película ₎ , permite lograr la mejor propiedad antiadherente. Las películas de metales preciosos, como PtIr (platino, iridio), depositadas sobre sustratos cerámicos _, reducen eficazmente la reacción interfacial entre el vidrio y los sustratos.”

Si bien el PtIr se utiliza como material de recubrimiento estándar, tiene la desventaja de ser costoso. Por lo tanto, las investigaciones se centran en sustituir el PtIr por materiales más económicos.

• Fabricación y pruebas (componentes ópticos)