OTTICA
ILLUMINAZIONE
STAMPAGGIO PLASTICA
MICRO E NANOTECNOLOGIE
CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA
Elementi ottici di precisione
ottenuti mediante tecnologia di
Inietto-compressione
Igor Di Vora
Centro Ricerche Plast-optica
Parma, 2222-24 Marzo 2007
Mec Spe 2007 - Villaggio Ascomut – Fiere di Parma
CRP S.p.A - Innovazione, servizi, consulenza e assistenza per la COMPETITIVITA’ delle IMPRESE
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INTRODUZIONE
Proprietà dei materiali plastici per applicazioni ottiche
Progettazione Ottica
• approccio tradizionale al calcolo ottico
• simulazione ottica
Tecnologia di Inietto-compressione
• processo
• vantaggi
• iniezione tradizionale ed inietto-compressione a confronto
• applicazioni
Conclusioni
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PROPRIETÀ DEI MATERIALI PLASTICI PER APPLICAZIONI OTTICHE
PMMA ALTOGLAS 9D
100.0
90
80
70
60
50
%T
40
BUONA TRASMITTANZA
BLU placchetta da 1 mm
INCOLORE placchetta da 1 mm
AMBRA placchetta da 1 mm
ROSSO placchetta da 1 m
FUME’ placchetta da 1 mm
30
20
10
0.0
400.0
420
440
460
480
500
520
540
560
580
600
620
640
660
680
700.0
nm
PMMA 84 ÷ 93 %
PC 80 ÷ 91 %
ELLISSOMETRO
SPETTROFOTOMETRO
UV-Vis
INDICE DI RIFRAZIONE OTTICO
PMMA n= 1.49 ÷ 1.515
PC n= 1.583 ÷ 1.59
CALORIMETRO A SCANSIONE DIFFERENZIALE
Materiali
PMMA ALTUGLAS 9D
Valore di Tg. = 109.71°C nel punto di flesso
BUONA STABILITÀ TERMICA
Tg PMMA 100 ÷ 110 °C
Tg PC 143 ÷ 150 °C
Progettazione Ottica
Tecnologia di Inietto-compressione
Conclusioni
RESISTENZA AGLI UV
ED ALL’INVECCHIAMENTO
CAMERA
CLIMATICA
PENDOLO PER RESILIENZA
Prove su componenti in temperatura
(-40°C + 90°C) e umidità (fino 95%)
REOMETRO
BUONA RESISTENZA MECCANICA
BUONA PROCESSABILITÀ
PER STAMPAGGIO AD INIEZIONE
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APPROCCIO TRADIZIONALE AL CALCOLO OTTICO
r2
r1
Lente
f
f
p
Materiali
Progettazione Ottica
Tecnologia di Inietto-compressione
Conclusioni
q
1 1
1
= (n − 1) ⋅ −
f
r1 r2
n indice di rifrazione del materiale
r1 ed r2 raggi di curvatura delle due superfici della lente
nell’ipotesi di lente biconvessa simmetrica:
1 1 1
= +
f p q
Dati di input:
f distanza focale
1a )
p
, m= q
2)
⇒
⇒
r2 = −r1
r1 = 2 ⋅ (n − 1) ⋅ f
1b )
p distanza lente-occhio
q distanza lente-oggetto
3)
m magnificazione (ingrandimento)
⇒
Dati intermedi:
• materiale PMMA, n=1.49
• m=2.5
• q’ lente grande 140 mm
• q” lente piccola 40 mm
• p’ lente grande 350 mm
• p” lente piccola 100 mm
• f’ lente grande 99.5 mm
• f” lente piccola 28.3 mm
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Dati finali:
• r1’ lente grande 97.50 mm
• r1” lente piccola 27.75 mm
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SIMULAZIONE OTTICA
Lente Fresnel accoppiata a sorgente LED
In un esteso numero di applicazioni, quali possono essere
quelle dedicate all’illuminazione, i sistemi ottici presentano
geometrie e funzionalità complesse.
Al fine di progettare in modo corretto il sistema ottico è
necessario utilizzare programmi di simulazione che, mediante
algoritmi
di
ray-tracing
sequenziale,
descrivono
il
comportamento ottico del sistema.
Materiali
Progettazione Ottica
I principali passi seguiti nella progettazione sono:
• modellazione CAD del sistema ottico
• modellazione ottica della sorgente (LED, lampada, ecc.)
• simulazione ottica che descrive il comportamento del sistema
illuminato dalla sorgente in esame
Tecnologia di Inietto-compressione
Conclusioni
Nell’esempio si riporta il caso di una lente
Fresnel progettata e sviluppata per dispositivi
di illuminazione a LED. Le specifiche iniziali,
che richiedevano un illuminamento uniforme su
un diametro di 24 mm, sono state prima
verificate a calcolo.
Mappa di intensità luminosa
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PROCESSO DI INIETTO-COMPRESSIONE
Lo stampaggio per inietto-compressione può essere considerato come la naturale estensione del processo di iniezione
tradizionale per termopolimeri.
Nel processo si distinguono essenzialmente due fasi:
INIEZIONE
INIEZIONE
INIEZIONE: durante questa fase la
cavità stampo viene mantenuta
parzialmente aperta allo scopo di
consentire al polimero di fluire con
facilità all’interno della stessa.
Materiali
Progettazione Ottica
Tecnologia di Inietto-compressione
Conclusioni
LENTE D’INGRANDIMENTO
BICONVESSA
COMPRESSIONE
COMPRESSIONE
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COMPRESSIONE: durante od alla
fine della fase di iniezione la forza
di chiusura della pressa riduce lo
spessore della cavità stampo allo
spessore reale del componente da
realizzare; il polimero viene forzato
all’interno delle porzioni non
riempite della cavità.
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VANTAGGI TECNOLOGIA DI INIETTO-COMPRESSIONE
La fase di compressione induce un compattamento uniforme del materiale termoplastico fornendo al
prodotto finale:
• omogeneità delle proprietà fisiche
• stabilità dimensionale
• controllo sui ritiri volumetrici
• controllo sugli stress residui.
L’iniezione del polimero all’interno di una cavità di dimensioni maggiorate riduce notevolmente le
pressioni di processo, il tonnellaggio della pressa e gli shear stress sul materiale.
Materiali
Progettazione Ottica
Lo stampaggio per inietto-compressione risulta vantaggioso nella realizzazione di:
Tecnologia di Inietto-compressione
• componenti di grosso spessore
controllo ritiri volumetrici
Conclusioni
• parti a parete sottile
riduzione pressioni di processo e tonnellaggio pressa
• vetrature
materiale compatto ed omogeneo
• parti estetiche in generale
stabilità dimensionale e qualità delle superfici
• ottiche e lenti
omogeneità delle proprietà fisiche su spessori variabili
• micro-ottiche
ottima replica delle geometrie della cavità stampo
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INIEZIONE TRADIZIONALE ED INIETTO-COMPRESSIONE A CONFRONTO (1)
SEZIONE DI LENTE FRESNEL OTTENUTA CON
PROCESSO DI INIEZIONE TRADIZIONALE
Fresnel Optics
Materiali
Progettazione Ottica
Tecnologia di Inietto-compressione
Nella
Nella fase
fase di
di compattamento
compattamento viene
viene
garantita
una
distribuzione
uniforme
garantita una distribuzione uniforme di
di
pressione
sul
materiale
iniettato
che
pressione sul materiale iniettato che
permette
permette di
di ottenere
ottenere repliche
repliche fedeli
fedeli
della
della geometria
geometria della
della cavità,
cavità, soprattutto
soprattutto
se
se confrontate
confrontate con
con quelle
quelle realizzate
realizzate
mediante
mediante ilil processo
processo di
di stampaggio
stampaggio
tradizionale.
tradizionale.
Lente Fresnel per illuminazione domestica
SEZIONE DI LENTE FRESNEL OTTENUTA CON
PROCESSO DI INIETTO-COMPRESSIONE
Conclusioni
Stampo, macchine e parametri di processo.
Sebbene concettualmente non molto complesso, il processo
di inietto-compressione richiede sia delle soluzioni
progettuali dello stampo che permettano il giusto passaggio
da stampo aperto a stampo chiuso, sia delle macchine ad
iniezione appositamente predisposte alla tecnologia che una
adeguata impostazione dei parametri di processo.
Fresnel Optics
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INIEZIONE TRADIZIONALE ED INIETTO-COMPRESSIONE A CONFRONTO (2)
I bassi gradienti di pressione di processo che si ottengono dall’applicazione della tecnologia di iniettocompressione riducono gli stress del materiale e l’orientazione delle molecole dei prodotti stampati e quindi il
grado di anisotropia degli stessi.
In un materiale otticamente anisotropo il fenomeno della birifrangenza, indotto dalla differenza di indici di
rifrazione del mezzo in funzione dello stato di polarizzazione della radiazione incidente, genera una diversa
rifrazione delle componenti della luce.
Materiali
Progettazione Ottica
Tecnologia di Inietto-compressione
Conclusioni
Le immagini a fianco, raccolte utilizzando
luce polarizzata, mostrano la distribuzione
degli stress interni per due placchette di
policarbonato realizzate rispettivamente con
iniezione tradizionale (sopra) ed iniettocompressione (sotto).
Nella
placchetta
prodotta
mediante
tecnologia di inietto-compressione un
elevato grado di anisotropia si concentra
prevalentemente in corrispondenza dei tre
gate di iniezione.
Kunststoffe plast europe
Kunststoffe plast europe
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APPLICAZIONI DELLA TECNOLOGIA DI INIETTO-COMPRESSIONE
LUNOTTO POSTERIORE AUTO
La tecnologia di inietto-compressione è applica a numerosi settori: dai
trasporti (vetri e pannelli), al domestico (illuminazione), dall’energia, al
tempo libero (gusci per apparecchi elettronici).
Tra i componenti ottici realizzabili mediante tecnologia di iniettocompressione possiamo trovare:
• lenti TIR (Total Internal Reflection) a medio ed elevato spessore
• elementi a geometrie e superfici complesse
• sistemi con micro-ottiche integrate
CASE DI TELEFONINO
SISTEMI CON MICRO-OTTICHE INTEGRATE
Materiali
ELEMENTI OTTICI DI ELEVATO SPESSORE
Progettazione Ottica
ARRAY DI LENTI TIR
Tecnologia di Inietto-compressione
Conclusioni
RIFLETTORI A SUPERFICI COMPLESSE
GUIDE LUCE
MICRO-OTTICHE CILINDRICHE
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CONCLUSIONI
La tecnologia di Inietto-compressione risulta vantaggiosa in alcune applicazioni se
comparata con lo stampaggio ad iniezione tradizionale. L’inietto-compressione tuttavia
necessita di una progettazione stampo specifica e di macchine dedicate per ottenere i
migliori risultati.
La ricerca svolta nel campo delle ottiche di precisione può
contare su tale tecnologia per migliorare le qualità dei sistemi
ottici e per ampliare la gamma delle geometrie ottenibili.
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