Torneado de diamante

El torneado con diamante es un proceso de torneado que utiliza una herramienta de corte con punta de diamante . Se trata de un proceso de mecanizado de elementos de precisión mediante tornos o máquinas herramienta derivadas (por ejemplo, tornos-fresadoras, transferencias rotativas) equipadas con brocas de diamante natural o sintético . A veces se utiliza el término torneado con diamante de un solo punto ( SPDT , por sus siglas en inglés), aunque, como en otros trabajos de torno, la denominación "de un solo punto" a veces es solo nominal (las puntas de herramienta redondeadas y las herramientas de forma contorneada son opciones disponibles). El proceso de torneado con diamante se utiliza ampliamente para fabricar elementos ópticos asféricos de alta calidad a partir de cristales , metales , acrílico y otros materiales. La óptica de plástico se moldea frecuentemente utilizando insertos de molde torneados con diamante. Los elementos ópticos producidos mediante torneado con diamante se utilizan en conjuntos ópticos de telescopios , proyectores de vídeo , sistemas de guiado de misiles , láseres, instrumentos de investigación científica y muchos otros sistemas y dispositivos. La mayor parte del SPDT actual se realiza con máquinas herramienta de control numérico computarizado (CNC). Los diamantes también se utilizan en otros procesos de mecanizado, como el fresado , el rectificado y el bruñido . Las superficies torneadas con diamante tienen un alto brillo especular y no requieren pulido ni abrillantado adicional, a diferencia de otras superficies mecanizadas convencionalmente.

El torneado con diamante es un proceso de varias etapas. Las etapas iniciales del mecanizado se llevan a cabo utilizando una serie de tornos CNC de precisión creciente. En las etapas finales del proceso de fabricación, se utiliza una herramienta de torno con punta de diamante para lograr acabados superficiales a nivel subnanométrico y precisiones de forma submicrométricas. La calidad del acabado superficial se mide como la distancia pico a valle de las ranuras dejadas por el torno. La precisión de la forma se mide como la desviación media de la forma objetivo ideal. La calidad del acabado superficial y la precisión de la forma se supervisan durante todo el proceso de fabricación utilizando equipos como perfilómetros de contacto y láser , interferómetros láser y microscopios ópticos y electrónicos . El torneado con diamante se utiliza con mayor frecuencia para la fabricación de óptica infrarroja, ya que a longitudes de onda más largas las frecuencias espaciales medias no afectan el rendimiento óptico al ser menos sensible a la calidad del acabado superficial, y porque muchos de los materiales utilizados son difíciles de pulir con métodos tradicionales.

El control de la temperatura es crucial, ya que la superficie debe ser precisa en escalas de distancia menores que la longitud de onda de la luz. Variaciones de temperatura de tan solo unos grados durante el mecanizado pueden alterar la forma de la superficie lo suficiente como para tener un efecto. El husillo principal puede refrigerarse con un refrigerante líquido para evitar desviaciones de temperatura.

Los diamantes que se utilizan en el proceso son resistentes en la fase descendente, pero el desgaste de la herramienta también depende en gran medida de la anisotropía del cristal y del material de trabajo.

El torneado con diamante es especialmente útil para cortar materiales aptos para componentes ópticos infrarrojos y ciertos componentes ópticos no lineales, como el dihidrogenofosfato de potasio (KDP). El KDP es un material ideal para el torneado con diamante, ya que posee excelentes propiedades de modulación óptica ; sin embargo, es imposible fabricar componentes ópticos con este material mediante métodos convencionales. El KDP es soluble en agua, por lo que las técnicas convencionales de rectificado y pulido no son eficaces para la producción de componentes ópticos. El torneado con diamante funciona bien para fabricar componentes ópticos a partir de KDP.

Generalmente, el torneado con diamante se limita a ciertos materiales. Los materiales que son fácilmente mecanizables incluyen: ^{[ 1 ]}

• Plástica
  • Acetal
  • Acrílico
  • Nylon
  • Policarbonato
  • Polipropileno
  • Poliestireno
  • Zeonex
• Rieles
  • Aluminio y aleaciones de aluminio
  • Latón
  • Cobre
  • Oro
  • Aleación de níquel-fósforo, depositada mediante niquelado electrolítico o químico sobre otros materiales.
  • Plata
  • Estaño
  • Zinc
• Cristales infrarrojos
  • sulfuro de cadmio
  • telururo de cadmio
  • Fluoruro de calcio
  • yoduro de cesio
  • arseniuro de galio
  • Germanio
  • niobato de litio
  • bromuro de potasio
  • Fosfato dihidrógeno de potasio (KDP)
  • Silicio
  • cloruro de sodio
  • dióxido de telurio
  • seleniuro de zinc
  • sulfuro de zinc

Los materiales más solicitados que no son fácilmente mecanizables son: ^{[ 1 ]}

• Vidrios y cerámicas a base de silicio
• Materiales ferrosos ( acero , hierro )
• Berilio
• Titanio
• Molibdeno
• Níquel (excepto para el niquelado químico)

Los materiales ferrosos no son fácilmente mecanizables debido a que el carbono de la herramienta de diamante reacciona químicamente con el sustrato, lo que provoca daños en la herramienta y su desgaste tras cortes cortos. Se han investigado diversas técnicas para prevenir esta reacción, pero pocas han tenido éxito en procesos de mecanizado con diamante de larga duración a escala de producción en masa.

La mejora de la vida útil de las herramientas se ha considerado en el torneado con diamante debido al alto costo de la herramienta. Recientemente, han surgido en esta industria procesos híbridos como el mecanizado asistido por láser. ^{[ 2 ]} El láser ablanda materiales duros y difíciles de mecanizar, como cerámicas y semiconductores, facilitando su corte. ^{[ 3 ]}

A pesar de la automatización del proceso de torneado con diamante, el operario humano sigue desempeñando un papel fundamental en la obtención del resultado final. El control de calidad es esencial en este proceso y se requiere tras cada etapa de mecanizado, e incluso después de cada pasada de la herramienta de corte. Si no se detecta de inmediato, un mínimo error durante cualquiera de las etapas de corte puede resultar en una pieza defectuosa. Los altísimos requisitos de calidad de las ópticas torneadas con diamante prácticamente no dejan margen de error.

El proceso de fabricación SPDT produce un porcentaje relativamente alto de piezas defectuosas, que deben desecharse. En consecuencia, los costos de fabricación son elevados en comparación con los métodos de pulido convencionales. Incluso con el volumen relativamente alto de componentes ópticos fabricados mediante el proceso SPDT, este no puede considerarse producción en masa, especialmente si se compara con la producción de óptica pulida. Cada elemento óptico torneado con diamante se fabrica individualmente con un extenso trabajo manual.

La investigación sobre el torneado de diamante de un solo punto comenzó a finales de la década de 1940 con Philips en los Países Bajos, mientras que el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) fue pionero en SPDT a mediados de la década de 1960. ^{[ 4 ]} Para 1979, LLNL recibió financiación para transferir esta tecnología a la industria privada.

Inicialmente, el LLNL se centró en el mecanizado de dos ejes para superficies axisimétricas y desarrolló la máquina de torneado de diamante para óptica de gran tamaño (LDTM), un torno de alta precisión. También experimentaron con superficies de forma libre utilizando servomotores de herramienta rápidos y torneado XZC (servomotor de herramienta lento), lo que dio lugar a aplicaciones como correctores de frente de onda para láseres.

El torneado de tres ejes se hizo más común a principios de la década de 1990 a medida que mejoraba la calidad del diamante. ^{[ 5 ]} Empresas como Zeiss comenzaron a producir lentes refractivas para óptica infrarroja, impulsando la fabricación óptica de formas libres. Para 2002, el interés en las formas libres se había expandido, especialmente en lentes de enfoque. Las primeras aplicaciones incluyeron la cámara SX-70 de Polaroid, y los servomotores de herramientas rápidas permitieron la producción rápida de superficies no axisimétricas para lentes de contacto.

• Fabricación y pruebas (componentes ópticos)