CÔNG NGHỆ mới GIA CÔNG các sản PHẨM QUANG học yêu cầu độ CHÍNH xác đặc BIỆT CAO INNOVATIVE GLASS MOULDING TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING OF ULTRA PRECISION OPTICS

CÔNG NGHỆ MỚI GIA CÔNG CÁC SẢN PHẨM QUANG HỌC YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC ĐẶC BIỆT CAO INNOVATIVE GLASS MOULDING TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING OF ULTRA-PRECISION OPTICS Vũ Anh Tuấn Fraunhofer

CÔNG NGHỆ MỚI GIA CÔNG CÁC SẢN PHẨM QUANG HỌC

YÊU CẦU ĐỘ CHÍNH XÁC ĐẶC BIỆT CAO

INNOVATIVE GLASS MOULDING TECHNOLOGY FOR MANUFACTURING OF ULTRA-PRECISION OPTICS

Vũ Anh Tuấn

Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT), Aachen, Germany

anh.tuan.vu@ipt.fraunhofer.de

TÓM TẮT

Các chi tiết quang học độ chính xác cao đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình bùng nổ phát triển các sản phẩm công nghệ cao ở rất nhiều lĩnh vực từ giải trí, công nghiệp đến an ninh - quốc phòng trong những năm gần đây Ví dụ, thấu kính quang học (lens) của máy ảnh, máy quay kĩ thuật số hiện tại yêu cầu độ chính xác hình dáng nhỏ hơn 1µm và độ nhám bề mặt Ra nhỏ hơn 20nm Các phương pháp gia công tinh bao gồm mài và đánh bóng yêu cầu lựa chọn chế độ công nghệ vô cùng khắt khe, và trong nhiều trường hợp không thể

thỏa mãn các chi tiết yêu cầu độ chính xác cao và hình dáng phức tạp Hơn nữa, về mặt kinh

tế, các phương pháp gia công truyền thống đòi hỏi chi phí trang bị công nghệ cao, thời gian gia công lớn dẫn tới năng suất rất thấp, do vậy không phù hợp cho sản xuất hàng loạt

Công ngh ệ dập khuôn thủy tinh chính xác (Precision Glass Molding) gần đây được

tập trung nghiên cứu và phát triển tại Viện Fraunhofer IPT, CHLB Đức nhằm ứng dụng trong gia công các chi tiết quang học có yêu cầu về độ chính xác đặc biệt cao với chi phí gia công phù hợp Bài báo giới thiệu khả năng công nghệ của phương pháp dập khuôn chính xác; đồng

thời chỉ ra tiềm năng ứng dụng to lớn trong lĩnh vực quang học trên thế giới và tại Việt Nam

ABSTRACT

Ultra-precision optics has greatly contributed their significance in the emerging developments of high technology products in various ranges from entertainments, industries

to military defense Optical lenses of camera, for example, require an accuracy of less than 1µm and surface roughness Ra less than 20nm The direct manufacturing, including grinding and polishing is not able to fulfil such those precious requirements Moreover, due to the expensive investment of the machining systems together with high machining time, this traditional method becomes not appropriate for volume production of the precision optics

Precision Glass Molding has been developed in Fraunhofer IPT in Germany, which

allows to succeed in fabricating ultra-precision optics and requires less time consumption This paper presents this innovative technology in molding of glass optics and illustrates obviously potential applications in the today’s optical markets

Keywords: Precision Glass Molding, optics, glass, mould making, ultra-precision

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với những tiến bộ khoa học - kỹ thuật trong những thập kỷ gần đây, các chi tiết quang học (optics) đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong các sản phẩm công nghệ cao đòi hỏi tính chính xác, độ phân giải và độ nét cao Như giới thiệu ở Hình 1, các chi tiết quang

học có mặt trong hầu hết các sản phẩm từ các sản phẩm công nghệ cao, cho đến các thiết bị gia dụng và giải trí Đặc biệt, bước sang thế kỉ XXI, thế kỉ được dự báo là kỉ nguyên của công nghệ photon ánh sáng [1], ngành kỹ thuật gia công chính xác các sản phẩm quang học từ thủy

tinh (glass) đã và đang được đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây nhằm đáp ứng số lượng lớn mà thị trường này yêu cầu Hình 2 cho thấy tiềm năng phát triển và sự đa dạng của

thị trường các sản phẩm quang học tại Châu Âu năm 2105 [2] Ví dụ, khi phân tích nhu cầu

tại phân khúc thị trường đèn LED cho ngành công nghiệp chiếu sáng, Hình 2 (phải) cho thấy,

chỉ trong vòng 7 năm (2008-2015), doanh thu tính riêng cho phân khúc này tăng tới 19 lần (từ 0,1 lên tới 1,9 tỉ €), phản ánh rõ nét tiềm năng to lớn của thị trường sản phẩm này

Tuy nhiên, các tiến bộ công nghệ gần đây đặt ra xu hướng thay đổi toàn diện về thiết kế

và yêu cầu kỹ thuật cho các sản phẩm quang học Về vật liệu, thủy tinh được sử dụng để thay

thế nhựa và polymer nhằm nâng cao cơ tính, tuổi thọ và độ chính xác khi gia công của chi tiết Bên cạnh đó, hình dáng hình học phức tạp hơn cho phép giảm hiện tượng quang sai, nâng cao đặc tính quang học, đồng thời đảm bảo tính thẩm mỹ và tinh giản thiết kế của hệ thống quang

học [3,4] Đặc biệt, độ chính xác và chất lượng bề mặt của chi tiết đòi hỏi ngày càng khắt khe hơn, ví dụ đối với ống kính (lens) máy ảnh, camera yêu cầu sai số hình dáng PV<1µm, độ nhám bề mặt Ra<20nm, đồng thời ứng suất dư nhỏ và không tồn tại khuyết tật bề mặt

Trước những thách thức mới, các phương pháp gia công truyền thống bao gồm mài và đánh bóng đã không còn phù hợp, đặc biệt trong sản xuất loạt lớn do năng suất và hiệu quả gia công thấp Lĩnh vực gia công các sản phẩm quang học đòi hỏi cấp thiết việc nghiên cứu và phát triển công nghệ mới đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật khắt khe đặt ra với chi phí gia công

hợp lý Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu gần đây về công nghệ dập thủy tinh chính xác (Precison Glass Moulding), cho phép đồng thời thỏa mãn các yêu cầu nêu trên, qua

đó mở ra triển vọng cho một ngành gia công mới mẻ nhưng đầy tiềm năng

Công ngh ệ dập khuôn thủy tinh chính xác là phương pháp dập thủy tinh ở trạng thái

nóng, đảm bảo hình dáng sản phẩm dập theo yêu cầu thiết kế với độ chính xác đặc biệt cao

mà không cần sử dụng thêm bất kỳ nguyên công gia công tinh nào Công nghệ cho phép sản

phẩm sau gia công đạt độ chính xác hình dáng từ 0.5µm đến vài micronmet (µm) và nhám bề

LED chiếu sáng

Lens máy ảnh Smartphone

CN truyền thông

(7%)

CN y học và KH

cuộc sống (13%)

Công nghệ

thông tin (5%) Hệ thống chiếu

sáng (15%)

Màn hình (3%)

Năng lượng mặt trời (7%)

Quốc phòng

an ninh (12%)

Công nghiệp ôtô (11%)

Hệ thống đo và

tự động hóa (7%)

CN sản xuất

(13%)

Phân khúc thị trường quang học tại Châu Âu (2015)

Tổng doanh thu: 43.5 tỉ €

Doanh thu phân khúc thị trường đèn LED tại Châu Âu

0 0,5 1,5

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015

Doanh thu [tỉ €]

1,0

0,10 0,20

0,30 0,70 0,90

1,40 1,60 1,90

mặt khoảng vài chục nanomet (nm), dựa theo các kết quả nghiên cứu gần đây tại Viện Fraunhofer IPT, CHLB Đức[5-8] Bên cạnh độ chính xác đạt được đặc biệt cao, công nghệ

dập khuôn chính xác cho phép gia công hoàn chỉnh các chi tiết có hình dáng phức tạp chỉ sau

một nguyên công dập (net-shape manufacturing)

Hình 3 mô tả hệ thống công nghệ và trình tự gia công của phương pháp, bao gồm 6 bước [8] Quá trình dập được thực hiện sau khi nung nóng phôi tới nhiệt độ làm việc khoảng

Tg + 50°C (Tg-nhiệt độ chuyển pha của thủy tinh) Chi tiết được làm nguội về nhiệt độ môi trường sau khi biến dạng hoàn toàn trong lòng khuôn dập đã được gia công chính xác Quá trình gia công thường diễn ra trong môi trường chân không hoặc khí bảo vệ (N2)nhằm tránh

hiện tượng oxi hóa bề mặt khuôn và chi tiết dập Các thông số công nghệ quá trình dập, bao

gồm nhiệt độ làm việc, tốc độ và thời gian nung nóng và làm nguội, lực dập, v.v được lựa

chọn và điều khiển cẩn thận nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu và chất lượng bề mặt chi tiết sau khi dập

So sánh với các phương pháp gia công truyền thống sử dụng mài, mài nghiền và đánh bóng khi gia công các chi tiết quang học vật liệu thủy tinh [7], công nghệ dập khuôn thủy tinh chính xác thể hiện nhiều ưu điểm nổi trội, bao gồm:

• Ít nguyên công, hình dáng chi tiết và các yêu cầu kỹ thuật được bảo đảm chỉ sau một nguyên công dập, cho năng suất và hiệu quả gia công cao;

• Gia công dễ dàng vật liệu cứng và giòn (thủy tinh);

• Cho phép gia công các chi tiết có hình dáng bề mặt phức tạp với độ chính xác cao;

• Độ chính xác gia công ổn định qua nhiều chi tiết dập;

• Đảm bảo các đặc tính quang học của chi tiết dập, hầu như không có khuyết tật trên bề

mặt gia công như nứt tế vi, ứng suất dư bề mặt nhỏ;

• Thân thiện với môi trường, do không sử dụng vật liệu mài, đánh bóng và dung dịch bôi trơn – làm nguội

Với những ưu điểm kể trên, công nghệ dập khuôn thủy tinh chính xác mang lại hiệu quả đặc biệt trong sản xuất loạt lớn các chi tiết quang học yêu cầu cao về độ chính xác, đồng thời phù hợp với xu thế phát triển các công nghệ bền vững trong tương lai Trước nhu cầu về số lượng ngày càng tăng trên thị trường các sản phẩm quang học, công nghệ này gần như thay

thế hoàn toàn các phương pháp truyền thống trong lĩnh vực gia công chính xác các chi tiết quang học

Với mục đích thảo luận tính công nghệ và tính kinh tế của phương pháp, chi tiết thấu kính (lens) máy ảnh được lựa chọn trong nghiên cứu này Hình 4 mô tả hình dáng và các yêu

3 Nung nóng

1 Đặt phôi

Khí N 2

2 Cấp khí trơ

4 Dập nóng

Khí N 2

5 Làm nguội

6 Tháo chi tiết

Trình tự gia công

cầu kỹ thuật của chi tiết Thay vì sử dụng bề mặt cầu (sphere) trong các chi tiết lens truyền

thống, bề mặt phi cầu (asphere) được sử dụng phổ biến ngày nay nhằm giảm hiện tượng quang sai và để tinh gọn hệ thống quang học Mô tả toán học bề mặt phi cầu đối với chi tiết lens như sau: 𝑧𝑧 = 1+�1−(1+𝑘𝑘)𝑐𝑐𝑐𝑐𝑟𝑟2 2𝑟𝑟2+ 𝑎𝑎2𝑟𝑟2+ 𝑎𝑎4𝑟𝑟4+ 𝑎𝑎6𝑟𝑟6+ 𝑎𝑎8𝑟𝑟8 (3.1)

trong đó c - độ cong bề mặt (c=1/r), k - hằng số conic, r - bán kính lens, và các hệ số a 2 , a 4 ,

a 6 và a 8 là các hằng số thiết kế bề mặt phi cầu Các hệ số này được được trình bày trong [6]

Như mô tả trên Hình 4, chi tiết lens thiết kế yêu cầu nhám bề mặt Ra<20nm và sai số profil hình học nhỏ hơn 1µm Để thỏa mãn yêu cầu đặc biệt khắt khe này, hai nhiệm vụ chính

của phương pháp dập thủy tinh chính xác đó là: i) chế tạo khuôn dập chính xác; và ii) lựa

chọn thông số dập phù hợp Trình tự công nghệ của phương pháp đượctrình bày theo Hình 5

Hình 5 Quy trình công nghệ gia công chi tiết

Vật liệu khuôn đóng vai trò quyết định khi sử dụng công nghệ dập thủy tinh chính xác

Vật liệu khuôn dập thường được sử dụng là hợp kim cứng và gốm (ceramics) do khả năng duy trì cơ tính tốt trong điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao với áp lực dập lớn; đồng thời đảm

bảo độ chính xác hình dáng và chất lượng bề mặt ổn định sau nhiều lần dập

4.80±0.05

r

z

 Sai số hình dáng hình học P-V (Peak-to-Valley) < 0.5 µm

 Sai số profil < 1µm

 Độ nhám bề mặt: Ra < 20nm

 Không tồn tại khuyết tật bề mặt

Conventional

Turning and Milling Mould Insert

Pre-machining

Ultrasonic Assisted Diamond Turning

Finishing

UP-Turning with cBNPolishing

Finishing for outer mould insert

EDM

Machining of vent hole

Diamond Turning

Tạo khuôn ban đầu

Tiện kim cương

Tiện kim cương tích hợp rung

Tiện chính xác kết hợp đánh bóng

Khuôn dập

Gốm: SN-PU

Ra 7.27 nm

Rt 0.223 μm

Chất lượng bề mặt sau gia công

HKC: WC

Ra 5.61 nm

Rt 0.88 μm

Cần chú ý rằng, việc lựa chọn hợp kim cứng hay gốm làm vật liệu khuôn còn dựa trên tính gia công đối với loại vật liệu này nhằm đảm bảo độ chính xác chế tạo theo yêu cầu Cụ

thể, để thỏa mãn các thông số kỹ thuật của chi tiết lens sau dập nêu trên (Hình 4), yêu cầu đòi

hỏi bề mặt khuôn sau gia công phải đạt nhám bề mặt Ra<10nm và sai số hình dáng nhỏ hơn 1µm Các phương pháp trước đây để đạt được yêu cầu trên khi gia công khuôn bao gồm tiện chính xác, mài nghiền và đánh bóng; tuy nhiên các phương pháp này cho năng suất rất thấp

Gần đây, được phát triển tại Viện Fraunhofer IPT, việc sử dụng tiện kim cương chính xác tích

hợp rung (ultrasonic vibrated diamond turning) áp dụng khi gia công các vật liệu hợp kim

cứng và gốm sứ cho phép độ chính xác gia công đạt được thậm chí còn cao hơn cả mài và đánh bóng với năng suất cao hơn nhiều, do không cần sử dụng các phương pháp gia công tinh

lần cuối Hình 6 cho thấy nhám bề mặt Ra<10nm khi sử dụng phương pháp tiện kim cương và sai số hình dáng PV<1µm được bảo đảm Sau khi gia công, bề mặt khuôn thường được bảo vệ

bằng lớp phủ Pt-Ir nhằm tăng khả năng chống oxi hóa, giảm ma sát với thủy tinh và giảm hiện tượng dính thủy tinh trên bề mặt khuôn sau khi dập [9]

Nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu của chi tiết thành phẩm (Hình 4), nhiều thông số trong quá trình dập cần được điều khiển và tối ưu, bao gồm nhiệt độ và thời gian nung nóng (T1, ts1), thời gian giữ nhiệt (ts2), nhiệt độ và thời gian làm nguội chậm (T2, tc1), tốc độ làm nguội chậm (∆T1) nhiệt độ và thời gian làm nguội nhanh (T3, tc2), lực dập (P1) và thời gian

dập (tP) và lực giữ (P2) như mô tả trên Hình 7 Việc xác định các thông số công nghệ phù hợp thường dựa trên kinh nghiệm hoặc tiến hành gia công nhiều lần; tuy nhiên chi phí cho công

việc này là khá lớn và lãng phí Trong quá trình nghiên cứu và phát triển với mục đích nhanh chóng ứng dụng công nghệ này trong sản xuất công nghiệp, Viện nghiên cứu Fraunhofer IPT

đã phát triển phần mềm SimPGM [8] để mô phỏng quá trình biến dạng của thủy tinh dưới các điều kiện dập khác nhau Dựa trên kết quả mô phỏng, các thông số gia công tối ưu cho quá trình dập sẽ được xác định, tương ứng với hàm mục tiêu do yêu cầu của chi tiết thiết kế

đề ra

Bài báo này giới thiệu nội dung nghiên cứu quá trình tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên kết

quả mô phỏng bằng phần tử hữu hạn (FEM) Như trình bày ở trên, các thông số đầu vào cần

tối ưu khi lựa chọn chế độ gia công khi dập bao gồm: nhiệt độ nung nóng T1 và làm nguội

chậm T2, tốc độ làm nguội chậm ∆T1, lực dập P1 và lực giữ P2 Các thông số trên cần tối ưu

nhằm bảo đảm chất lượng của chi tiết sau dập, bao gồm: ứng suất dư (σ max) nhỏ nhất, sai số

profil (ε max) nhỏ nhất và thời gian gia công t (bao gồm thời gian dập và thời gian làm nguội)

nhỏ nhất để bảo đảm năng suất gia công Khi đó, hàm mục tiêu quá trình tối ưu hóa như sau:

Lực dập Nung nóng

Thời gian (s)

Giữ nhiệt

T/g dập

chậm 45s

T/g nung

P2 = 1.6kN

nhanh 220s

Nhiệt độ

-0.6 1.5 3.5 MPa

σmax

Ứng suất tương đương

Bán kính lens, r [mm]

ε max

0

2

4 [µm] / Sai số profil

0 2 4 6 8 10

𝑓𝑓𝑡𝑡𝑡𝑡 = 𝛿𝛿1𝜎𝜎∗+ 𝛿𝛿2𝜀𝜀∗+ 𝛿𝛿3𝑡𝑡∗→ 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚

𝛿𝛿1+ 𝛿𝛿2+ 𝛿𝛿3 = 1

𝜎𝜎∗= 𝜎𝜎𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚�𝜎𝜎𝑜𝑜𝑜𝑜, 𝜀𝜀∗ = 𝜀𝜀𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚� , 𝑡𝑡𝜀𝜀𝑒𝑒 ∗ = 𝑡𝑡 𝑡𝑡�𝑡𝑡𝑡𝑡

(3.2)

trong đó δ1 , δ2 , δ3 là các trọng số phản ánh mức độ ảnh hưởng của các thông số tới giá

trị hàm mục tiêu Do đây là quá trình tối ưu hóa đa mục tiêu, các thông số trong hàm tối ưu đều khác thứ nguyên, do vậy cần đưa vào hàm mục tiêu các đại lượng không thứ nguyên, bao

gồm: σ*ứng suất dư tính toán (bằng tỉ số giữa ứng suất dư lớn nhất với ứng suất tới hạn cho phép σov, được xác định theo giá trị ứng suất xác suất Weibull khi chi tiết dập thủy tinh bắt đầu bị vỡ), ε* sai số profil tính toán (tỉ số giữa sai số lớn nhất so với sai số profil cho phép εe),

và t * là thời gian dập tính toán (tỉ số giữa thời gian dập thực tế và thời gian dập thiết kế t tn) Quá trình tối ưu hóa được thực hiện như sau: đầu tiên tiến hành mô phỏng quá trình

dập với các thông số ban đầu được thiết kế như trên Hình 7 Các giá trị δ1 , δ2 , δ3 khi đó được xác định dựa trên phương pháp phân tích độ nhạy (sensitivity analysis) Với các trị số này, sử dụng hàm fmincon trong MATLAB nhằm xác định giá trị nhỏ nhất của hàm mục tiêu minf tu, qua đó sẽ xác định được thông số công nghệ tối ưu Các thông số này được mô

tả tại Bảng 1 [10]

Kết quả trên cho thấy, việc xác định trị số tối ưu cho phép giảm 8% thời gian gia công, đồng thời ứng suất dư của chi tiết giảm 64% Trị số ứng suất dư rất nhỏ này đảm bảo chi tiết

sẽ không bị nứt, vỡ trong quá trình sử dụng Tuy nhiên, nhận thấy rằng ngay cả khi đạt được các trị số gia công tối ưu, sai số profil vẫn tương đối lớn (3.37µm), lớn hơn yêu cầu cho phép khi thiết kế (ε<1µm) Sai số profil lớn hơn giá trị cho phép được giải thích bởi quá trình biến

dạng phức tạp của thủy tinh trong quá trình dập nóng và làm nguội; đồng thời việc lựa chọn thông số thiết kế khuôn ban đầu chưa hợp lý Việc đảm bảo dung sai profil theo yêu cầu trong quá trình dập thủy tinh nói chung là rất khó khăn và tốn nhiều thời gian; thậm chí trong nhiều trường hợp không thể đạt được chỉ bằng cách điều chỉnh thông số gia công nếu chi tiết dập có hình dáng phức tạp Để giải quyết vấn đề này một cách hệ thống, bài báo giới thiệu kỹ thuật

bù khuôn (mould compensation) nhằm đạt được dung sai hình dáng theo yêu cầu

Đối với công nghệ dập thủy tinh chính xác, hình dạng và độ chính xác của chi tiết được

thỏa mãn chỉ sau một nguyên công dập mà không cần thêm bất kỳ nguyên công gia công tinh

lần cuối Do vậy, công nghệ này đòi hỏi việc chế tạo chính xác hình dáng khuôn dập nhằm đảm

bảo chi tiết thủy tinh sau khi gia công sẽ đạt được hình dáng theo yêu cầu Thông thường, hình dáng lòng khuôn được xác định dựa trên hình dáng thiết kế của chi tiết dập và bổ sung phần

biến dạng trong quá trình gia công Tuy nhiên, thủy tinh ứng xử như vật liệu có tính đàn hồi

-nhớt (viscoelasticity) tại nhiệt độ gia công (>Tg), dẫn tới quá trình biến dạng rất phức tạp Vì

vậy, việc dự đoán được lượng bổ sung khi thiết kế khuôn dập là tương đối khó khăn

Để giải quyết vấn đề trên một cách có hệ thống và làm cơ sở cho mọi quá trình thiết kế khuôn, lượng bổ sung (lượng bù) cho khuôn mẫu được tính toán dựa trên mô phỏng FEM quá trình biến dạng của chi tiết trong khi dập và làm nguội Việc xây dựng mô hình nghiên cứu

mô phỏng chính xác quá trình biến dạng của chi tiết trong khi dập sẽ giúp nâng cao được độ

Thông số

Thông số thiết kế Thông số hàm mục tiêu

T 1 T 2 ∆T P 1 P 2 εmax σmax t

(°C) (°C) (°C/s) (kN) (kN) (µm) (MPa) (s) Giá trị ban đầu 565 493 0.9 2 1.6 3.16 8.9 112 Trị số tối ưu 570 503 0.5 1.76 1.83 3.37 3.2 103

chính xác thiết kế khuôn, cho phép chi tiết sau khi dập đạt được dung sai khắt khe theo yêu

cầu

Kỹ thuật bù khuôn được mô tả như trên Hình 8(a) Đầu tiên, khuôn sẽ được thiết kế trước dựa theo hình dáng thiết kế của chi tiết lens Khi đó, mô phỏng FEM sẽ xác định hình dáng chi tiết sau khi biến dạng tương ứng với hình dạng thiết kế ban đầu của khuôn Kết quả này cho phép xác định sai số hình dáng của chi tiết sau gia công, ε,(Hình 8(b)) Trị số này được sử dụng làm cơ sở để xác định lượng bù khuôn tương ứng, ∆ε Như vậy, khi chế tạo khuôn, lòng khuôn sẽ được gia công dựa trên hình dáng của chi tiết thiết kế và lượng bù xác định được từ mô phỏng FEM (đường xanh lá cây, Hình 8(b)) Hình dáng lòng khuôn như vậy

sẽ đảm bảo sai số của chi tiết sau dập nằm trong phạm vi dung sai cho phép (ε<1µm, đường

da cam)

Hình 9 trình bày kết quả đạt được của chi tiết thành phẩm dựa trên kỹ thuật bù khuôn Sai số hình dáng hình học của khuôn và chi tiết dập được đo bằng máy đo profile của hãng Taylor Hobson (High Precision Form Talysurf PGI 1240) Khuôn dập được gia công chính xác bằng tiện kim cương, đảm bảo sai số hình dáng (P-V) nhỏ hơn 0.3µm Nhận thấy rằng, khi không sử dụng phương pháp bù khuôn, sai số hình dáng của chi tiết lens sau khi dập

ε = 3.275µm, không thỏa mãn yêu cầu thiết kế Bằng cách sử dụng bù khuôn như mô tả trên, lòng khuôn được gia công lại có lượng bù tính toán bổ sung cho phép sai số chi tiết lens sau khi dập chỉ còn 0.2µm Độ chính xác hình học đạt được như trên cho phép thỏa mãn hầu như toàn bộ các chi tiết có yêu cầu độ chính xác cao trên thị trường quang học hiện tại

Thị trường các thiết bị quang học rộng lớn trong thế kỉ XXI giúp phát triển ngành gia công chính xác các sản phẩm từ thủy tinh đầy tiềm năng Công nghệ dập nóng thủy tinh chính xác cho phép thay thế các phương pháp truyền thống khi gia công các sản phẩm từ thủy tinh cho độ chính xác và năng suất cao hơn Với độ chính xác hình dáng đạt được nhỏ hơn 0.5µm

và nhám bề mặt đạt được khoảng Ra 20nm của chi tiết sau khi dập cho phép thỏa mãn hầu hết các sản phẩm quang học yêu cầu trên thị trường hiện tại Bên cạnh đó, thời gian gia công hoàn

chỉnh một sản phẩm giảm đáng kể Vì vậy, công nghệ này cho phép áp dụng trong sản xuất

loạt lớn đối với thiết bị quang học đòi hỏi độ chính xác cao với giá thành phù hợp, điều đang được yêu cầu cao tại thị trường Châu Âu và Châu Á (Nhật Bản, Hàn Quốc và Đài Loan, v.v)

Phạm vi ứng dụng của công nghệ dập nóng thủy tinh còn được mở rộng cho các chi tiết

có hình dáng đặc biệt phức tạp và phạm vi yêu cầu độ chính xác đạt được từ 0.5µm đến vài

chục µm Vì vậy, công nghệ này mở ra tiềm năng ứng dụng to lớn đối với không chỉ các sản

Radial posit ion [mm]

-6 -4 -2 0 2 4

6 µm / deviation f rom desired f orm

Average of t he calculation Compensated mould Pressed lens Calculated deviation

Radial posit ion [mm]

-6 -4 -2 0 2 4

6 µm / deviation f rom desired f orm

-6 -4 -2 0 2 4

6 µm / deviation f rom desired f orm

Average of t he calculation Compensated mould Pressed lens

Calculated deviation Average of t he calculation Compensated mould Pressed lens

Calculated deviation

Giá trị sai số tính toán Giá trị sai số trung bình Lượng bù khuôn Sai số chi tiết sau bù

Vị trí tính từ tâm chi tiết, r (mm)

Thiết kế khuôn

Mô phỏng FEM

Thông số hình dáng hình

học thiết kế của chi tiết

Chế tạo khuôn Dập chi tiết

Xác định sai số, ε

Chi tiết thành phẩm

/ trị số sai lệch hình dáng so với thiết kế

r

ε

phẩm yêu cầu độ chính xác đặc biệt cao mà còn bao gồm các sản phẩm quang học có độ chính xác trung bình, ví dụ các thiết bị trong hệ thống laser, chiếu sáng (đèn LED), ngành thiết bị ôtô, smart phone hay các thiết bị y tế, v.v Điều này đang mở ra triển vọng đặc biệt cho thị trường Việt Nam trong những năm tới khi ứng dụng công nghệ này để sản xuất các thiết bị quang học có độ chính xác phù hợp với giá thành cạnh tranh

[1] How optics and photonics address Europe‘s challenges of the 21st century, European

Optical Society

[2] Vu, A.-T., Kreilkamp, H., Liu, G., Dambon, O., & Klocke, F., Numerical Modeling-based Design ofthe Newly Developed Non-isothermal Glass Molding Process for

Complex Glass Optics Proceedings of the 13 th International Seminar on Furnace Design – Operation & Process Simulation, Velke Karlovice, 2015

[3] Fischer, R E.,& Hileman, D., Bending to Demand.SPIE’s Newsroom, Oemagazine,

2004, 116, p 25-27

[4] Deegan, J., et al., RPO Precision Glass Moulding.Technical Brief 6/28/2007, 2007

[5] Dambon, O.,et.al., Efficient mould manufacturing for precision glass moulding.Journal

of Vacuum Science & Technology B, 2009, 27, p 1445-1449

[6] Wang, F., Chen, Y., Klocke, F., Pongs, G., & Yi, A.Y., Numerical simulation assisted curve compensation in compression moulding of high precision aspherical glass

lenses.Journal of Manufacturing Science andEngineering, 2009, 131(1)

[7] Klocke, F.,et.al., Finite element analysis of glass moulding.Proceedings of the

Institution of Mechanical Engineers, Part B: Journal of Engineering Manufacture January 1,2008, 222 (1), p 101-106

[8] Klocke, F., Wang, F., Wang, Y., Liu, G., Dambon, O., & Yi, A Y., Development of a flexible and reliable numerical simulation for precision glass molding of complex glass

optics.Proc SPIE 8416, 6 th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies: Advanced Optical Manufacturing Technologies, 2012, 841603

P–V=0,272 µm

P–V=0,208 µm

Độ chính xác của khuôn trước khi bù

Độ chính xác của lens sau khi dập không bù khuôn

Độ chính xác của khuôn sau khi bù

Độ chính xác của lens sau khi dập có bù khuôn

[9] Klocke, F., Bergs, T., Georgiadis, K., Sarikaya, H.,& Wang, F., Coatings systems for

precision glass moulding tools.Proceedings of the 7th International Conference

Coatings in Manufacturing Engineering, 2008

[10] Klocke, F., et al., Intelligent Process-design-software-tool for Precision Glass Molding

Proceedings of the 12 th EUSPEN International Conference, Stockholm, 2012

website: http://www.ipt.fraunhofer.de/en/Competencies/processtechnology/Finemachiningandoptics.html

2 Lĩnh vực nghiên cứu: gia công các sản phẩm quang học, gia công khuôn mẫu chính xác (tiện kim cương, gia công tích hợp rung, mài, đánh bóng), mô phỏng các quá trình dập cho vật liệu thủy tinh & kim loại, mô phỏng quá trình mài và trường phân bố nhiệt khi mài, v.v

Email: anh.tuan.vu@ipt.fraunhofer.de Phone: +49 176 251 678 68