1 5.8. Оптические детали из полимеров

Полимерные материалы наиболее целесообразно применять в массовом и крупносерийном производстве оптических деталей неответственного назначения. Это детали визирной, осветительной и просмотровой оптики (линзы визирных устройств фотоаппаратов, светопроводы, конденсорные линзы, лупы, окуляры микроскопа»). Часто полимерные детали выполняют одновременно несколько функций; крепежные оправы и оптические поверхности изготовляют как единое целое с деталью. Например, при фокусировании зеркального фотоаппарата применяется деталь, состоящая из следующих элементов: линзы Френеля для увеличения яркости изображения; светоделительного клина и микропирамиды для наведения фотоаппарата на резкость; матовой поверхности, позволяющую контролировать глубину изображения.

Низкая устойчивость полимеров к истиранию определяет расположение полимерных деталей внутри оптических приборов. Их, как правило, защищают деталями из неорганического стекла.

Для изготовления оптических полимерных деталей применяют почти все методы переработки полимерных материалов: литье под давлением, прессование, полимеризацию мономеров в форме, механическую обработку (точение, фрезерование, шлифование и полирование). Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. При выборе способа изготовления конкретной оптической детали учитывают требования, предъявляемые к оптическим показателям качества полимерных деталей, серийность их производства и технические возможности их изготовления.

Литье под давлением оптических деталей из термопластов представляет собой наиболее рациональный и производительный способ изготовления оптических деталей и широко используется в массовом и крупносерийном производстве [15]. Литьем под давлением изготовляют все виды линз, растры, световоды, зеркала, защитные стекла, прозрачные и полупрозрачные колпаки и крышки.

Важнейшими технологическими факторами литья под давлением термопластов, влияющими на качество оптических изделий, являются температура и давление литья, скорость заполнения формы материалом, условия охлаждения материала в форме (табл. 15.10).

Машины для литья под давлением оптических деталей из термопластов представляют собой одночервячные литьевые термопластавтоматы.

Таблица 15.10

Режимы литья под давлением для деталей из термопластов

Термопласт	Температура литья, °С	Давление, МПа	Температура формы, °С	Время выдержки на 0,01 м толщины, с
Полиметилметакрилат Полистирол Сополимер САН Сополимер МС Поликарбонат	210±10 200±10 220±10 230±10 300±10	140-180 60-150 120-150 70-120 160-200	80±10 40±10 50±10 80±10 100±10	40-60 10-80 20-40 15-60 40-60

Основными характеристиками литьевой машины, предназначенной для получения оптических деталей, являются: давление литья, обеспечивающее постоянство размеров изделий (180-200 МПа), точное регулирование температуры пластикационного цилиндра и бесступенчатое регулирование скорости впрыска расплава в форму.

Литьевые формы для получения оптических полимерных деталей являются, как правило, стационарными и многогнездными. Формующие пуансоны изготовляют из коррозионно-стойкой стали марки 9X18, которая хорошо обрабатывается и полируется после закалки. Отклонение формующих поверхностей от заданной кривизны N < 2, ΔN < 0,2 при шероховатости не более R₂ = 0,05 мкм.

Вследствие усадочных явлений при остывании отливки и упругих деформаций при извлечении ее из формы радиусы преломляющих поверхностей оптической детали, как правило, не соответствуют радиусам формующих поверхностей пуансонов литьевой формы. Это расхождение компенсируют изменением радиуса формующей поверхности пуансона, используя для расчета выражение

где Δr₁ – необходимое изменение радиуса формующего пуансона; k – коэффициент деформации (для полиметилметакрилата k = 0,031); r₁, r₂ – расчетные радиусы линзы; d – толщина линзы.

Однако лучшие результаты дает отливка контрольной партии линз с последующим корректированием формы.

Характерной особенностью изготовления оптических деталей из полимеров является зависимость некоторых оптических показателей от технологии переработки. В отличие от оптических деталей из неорганического стекла, оптическое качество которых, за исключением дефектов поверхности, определяется качеством исходного оптического материала для полимерных деталей, велика роль дефектов, которые возникают либо усугубляются в процессе переработки. При изготовлении деталей литьем под давлением в полимере увеличивается оптическая неоднородность и двулучепреломление, появляются свили, пузыри, посторонние включения, погрешность преломляющих поверхностей, децентрирование и клиновидность. Двулучепреломление в оптических полимерных деталях является следствием внутренних напряжений, возникающих в процессе их изготовления, и в различных по конфигурации деталях составляет 50 – 150 нм/см. Свили в литых полимерных деталях образуются на линии стыка потоков материала при заполнении расплавом пресс-формы. При литье под давлением обычно встречаются нитевидные свили диаметром в десятые доли миллиметра.

Пузыри в литых полимерных деталях обусловлены присутствием влаги в исходном материале (грануляте). В процессе изготовления деталей в них попадают включения, находящиеся в производственном помещении, которые рассеивают свет аналогично пузырям. Поэтому любые посторонние включения в оптических полимерных деталях приравнивают к пузырям. Чистота рабочих поверхностей полимерных деталей находится в пределах IV-V классов. На поверхности деталей появляются следующие характерные дефекты: тонкие трещины, пятна, полосы и царапины. Причинами поверхностных дефектов являются, с одной стороны, внутренние напряжения, способствующие образованию микротрещин, а с другой – дефекты формующих поверхностей литьевой формы.

Центрирование полимерных линз зависит от точности изготовления формующего инструмента. Значения центрирования полимерных линз 0,05 – 0,10 мм. Ошибки рабочих поверхностей литых оптических деталей из ПММА достигают N > 20, ΔN > 2.

Характерные дефекты, возникающие в литьевых оптических деталях из термопластов, и возможные способы их устранения приведены в таблице 15.11.

Таблица 15.11

Характерные дефекты, возникающие в литых оптических деталях, и способы их устранения

Двулучепреломление	Свили	Усадочные раковины	Поверхностные микро-трещины	Пузыри	Способ устранения
	++			++	Предварительно сушить материал
+	++	++			Увеличить объем впрыскиваемого материала
+	++	+			Повысить температуру пластификационного цилиндра
+			+	++	Понизить температуру пластификационного цилиндра
		++		++	Повысить давление литья
++			++		Понизить давление литья
++	++	++	++		Повысить температуру формы
+	++				Увеличить время выдержки в форме
+	++	++			Увеличить скорость впрыска

Окончание табл. 15.11

				++	Уменьшить скорость впрыска
	++	++			Увеличить сечение литников
++	++	+	+		Переместить литник
Примечание «+» — слабое проявление дефекта; «++» — сильное проявление дефекта.

Для повышения точности поверхности используют метод литья под давлением с подпрессовкой. Подпрессовку выполняют в процессе затвердевания. Формы для полимеризации обычно изготовляют из стекла и металла, причем формующие поверхности должны иметь параметр шероховатости не менее R_z = 0,05 мкм, погрешность формы N = 1, ΔN = 0,3. Так как при полимеризации происходит значительная усадка объема, между половинами формы помещают эластичные прокладки. Полимеризацией в форме изготовляют контактные линзы, линзовые растры, зеркала. Наиболее широко она применяется для изготовления очковых линз из ДЭГБАК.

Для получения асферических оптических деталей применяется также метод нанесения асферизующего слоя на сферическую заготовку. В этом случае возможно сочетание достоинств стекла как оптического материала и сведение к минимуму недостатков полимера, поскольку асферизующий слой имеет относительно малую толщину – до 300 мкм.

Метод состоит в следующем: на стеклянную заготовку с радиусом ближайшей сферы наносится фотополимеризующаяся компонента.

До сих пор не существует единого мнения о методике оценки оптического качества полимерных деталей.

Ввиду невысокого качества изготовления поверхностей подавляющего большинства полимерных деталей (N 20; AN & 2) контроль качества изготовления полимерной оптики целесообразно проводить методами, позволяющими оценить качество оптического изображения. Пластины и линзы следует контролировать в проходящем свете на коллиматорной установке (например, типа оптической скамьи ОСК-2) по качеству дифракционного изображения точки шли по разрешению миры. Качество изготовления зеркал можно контролировать методом автоколлимации сравнением контролируемой и образцовой поверхностей. Проверка качества изготовления поверхностей и определение геометрических параметров деталей (фокусного расстояния, толщины, радиуса кривизны) должны проводиться при отладке технологического процесса.

При изготовлении полимерных линз за контрольные параметры принимают их фокусное расстояние и разрешающую способность.