Fundamentos do fresamento: uma aplicação em microfresamento
Resumo
Os elementos ópticos difrativos representam um mercado em franco crescimento, da ordem de bilhões de dólares. Seu uso ostensivo está nos microeletrônicos, sistemas de iluminação, telecomunicações, equipamentos de segurança e outros. Por isso, esta tese teve como objetivo realizar investigação pública profunda no assunto. Insertos de cobre eletrolítico foram usados por proporcionar excelente acabamento superficial quando usinados com ferramenta de diamante monocristalino obtendo valores de Ra = 10,2 nm, Rq = 13,56 e Rt = 363,06 µm e para o aço inoxidável polido os resultados foram de Ra = 7,02 nm Rq = 9,05 nm e Rt= 225,19 nm. As réplicas foram construídas em PMMA DH ECL P com transmitância da luz avaliada em aproximadamente 90% em todo o espectro visível e infravermelho. Foram produzidos sete tipos de microelementos ópticos difrativos, baseados na geometria de Fresnel e nos arranjos de microlentes esféricas. Foi necessário desenvolver o código computacional denominado LF2010 para auxiliar a construção do projeto das microlentes anesféricas de Fresnel e calcular sua modulação de fase. Quatro processos determinísticos na fabricação dos µEODs foram usados: torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante, microforjamento, microfresamento e a combinação dos dois últimos. O método estocástico de polimento foi usado para gerar acabamento óptico e compará-lo ao torneamento com SPDT. As análises metrológicas qualitativas e dimensionais foram conduzidas com o uso do MEV e da perfilometria óptica. No torneamento de ultraprecisão com ferramenta de diamante foi comprovada a presença do fenômeno conhecido como "stick slip" nos degraus da zona de Fresnel, corrigidos alterando-se o projeto. Para os arranjos de empacotamento completo os valores da rugosidade foram mais elevados em função da interatividade das lentes adjacentes do conjunto com =100%, chegando até mesmo a causar microfraturas na estrutura das microlentes. Após sucessivos processos de calibragem, foram manufaturadas as réplicas pelas técnicas de termomoldagem e moldagem por injeção. Os resultados de replicação das microlentes mostraram que a razão de aspecto e a relação superfície/volume influenciaram significativamente na fidelidade de replicação das microlentes, sendo constatado que as lentes de Fresnel com altura variável possuem maior volume em relação às de altura constante e consequentemente, melhor fidelidade na replicação. Na termomoldagem, as variações nas dimensões das cristas foram de nanômetros e a fidelidade no processo foi de aproximadamente 100% para todas as zonas de Fresnel. Nesta técnica, porém, os tempos de ciclos são até 40 vezes maiores que os da moldagem por injeção. As investigações paraxiais de FTM para a microlente de Fresnel com altura variável convexa foram de 85,2 % para 25 lp/mm, 67,5% para 50 lp/mm e 71,2% para 75 lp/mm. A simulação por elementos finitos foi usada para auxiliar nos estudos conferindo a sensibilidade do método de cálculo numérico do simulador nas escalas macroscópicas e microscópicas. No final, investigado o desgaste da aresta de corte da ferramenta, verificou-se o desgaste de flanco e a formação da APC, constituída de partículas do cavaco de cobre com formação lamelar. Conclui-se que é possível reproduzir diversos tipos de µEODs com métodos de produção em massa da moldagem por injeção tomando-se cuidado com as variáveis do processo, geometria da peça e propriedades físicas e químicas do material a ser replicado.
Palavras Chave: Manufatura, Projetos de lentes CAD, Micro elementos ópticos
difrativos (μEODs), microforjamento, microfresagem, microtorneamento com ferramenta de
diamante, microinjeção, termomoldagem, integridade superficial, simulação por elementos
finitos CAE na moldagem por injeção, metrologia óptica dimensional e paraxial.
Sumário do trabalho
RESUMO i
ABSTRACT iii
Lista de Figuras v
Lista de Tabelas xvii
Siglas, Abreviações e Símbolos xix
Sumário xxi
Capítulo 1 Introdução 1
1.1 Microelementos ópticos difrativos (µEODs) Aspectos Gerais 2
Objetivos 9
Estrutura da Tese 10
Capítulo 2 Elementos Ópticos Difrativos (EOD) 13
2.1 Arranjos de Microlentes Esféricas 13
2.1.1 Exemplos de aplicações 16
2.2 Lentes de Fresnel 19
2.2.1 Exemplos de aplicações 22
2.2.2 Análise de ondas ópticas Modulação de fase em lentes delgadas 23
Capítulo 3 - Materiais e Processos de Fabricação dos µEODs 25
3.1 - Seleção do Material Polimérico óptico para replicação dos µEODs 29
3.2 - Métodos atuais de manufatura dos insertos usados na fabricação dos microelementos ópticos 32
3.2.1 Considerações quanto à produção de µEODs 34
3.2.2 Fabricação do molde e inserto: seleção dos materiais e processos 34
3.2.2.1 Fabricação do inserto para a microlente de Fresnel: processos de usinagem de ultraprecisão com ferramenta de ponta de diamante monocristalino 36
3.2.2.2 Fabricação do inserto para os arranjos esféricos: técnicas de microfresamento e microforjamento. 42
3.3 Métodos de replicação dos elementos ópticos difrativos usando polímeros 43
3.3.1 - Razão de Aspecto e Fidelidade na Replicação de elementos ópticos 43
3.3.2 - Moldagem por prensagem a quente ou termomoldagem 45
3.3.3 - Moldagem por injeção 46
3.3.3.1 - Descrições do processo para uma máquina do tipo rosca-sem-fim ... 49 Abastecimento 49
Injeção 51
Resfriamento 53
3.3.3.2 - Principais desafios da moldagem por microinjeção 55
3.3.3.3 - Temperatura da fusão cristalina (Tm) na injeção 57
3.3.3.4 - Temperatura do molde 57
3.3.3.5 - Velocidade de injeção 58
3.3.3.6 - Retração e empenamento 60
3.3.3.7 - Rugosidade superficial do molde e microgeometrias 62
3.3.3.8 - Temperatura de transição vítrea (Tg) 62
3.3.3.9 - Viscosidade e reologia do material fundido 63
3.3.3.10 - Peso molecular e grau de polimerização 66
3.3.3.11 - Cristalinidade 68
3.3.3.12 - Calor específico 69
3.3.3.13 - Coeficiente de transferência térmica 69
3.3.3.14 - Módulo de elasticidade 69
3.3.4 - Análise geral sobre os parâmetros e propriedades na microinjeção 70
3.3.5 Simulação 70
Capítulo 4 Metrologia 75
4.1 - Rugosidade superficial 77
4.2 Metrologia típica usada na caracterização dos µEODs 78
4.2.1 - Metrologia dimensional e perfilometria de contato 78
4.2.2 Metrologia óptica 80
4.2.3 Microscopia eletrônica de varredura (MEV) 82
4.2.4 - Microscopia de Varredura por Sonda Mecânica (SPM) 83
4.3 - Seleção da metrologia dimensional usada nos µEODs 84
4.4 Análise e metrologia paraxial das microlentes 86
4.4.1 Transparência e transmitância da luz 86
4.4.2 Função Transferência de Modulação (FTM) 87
4.4.3 - Interferograma 91
Capítulo 5 - Materiais e Métodos
5.1 - Material para fabricação dos insertos 95
5.1.1 Insertos de cobre 95
5.1.2 Molde plano fixo e porta-insertos 96
5.2 - Fabricação dos arranjos de microlentes esféricas 98
5.2.1 - Máquina-ferramenta Centro de Usinagem CNC 98
5.2.2 - Fresa de metal duro 99
5.2.3 - Punção de aço VND 100
5.2.4 - Concepção do projeto e calibragem do processo de fabricação dos arranjos de microlentes esféricas (microfresamento e microforjamento) 101
5.3 Fabricação das lentes de Fresnel 105
5.3.1 Projeto e concepção das microlentes de Fresnel 105
5.3.2 - Máquina-ferramenta Torneamento de ultraprecisão 108
5.3.3 Seleção das ferramentas de diamante 110
5.3.4 Etapas de calibração do processo de torneamento de ultraprecisão 113
5.4 Termomoldagem Equipamentos e calibragem do processo 115
5.5 - Moldagem por Microinjeção 116
5.5.1 Máquina injetora 116
5.5.2 Porta-moldes 117
5.5.3 Calibragem dos parâmetros técnicos da moldagem por injeção 118
5.6 - Perfilômetro óptico 122
5.7 - Microscopia Eletrônica de Varredura (M.E.V.) 123
5.8 - Análises Paraxiais 124
Capítulo 6 Resultados e Discussões 125
6.1 Arranjos de microlentes esféricas 126
6.1.1 Arranjo de microlentes esféricas fresadas 127
6.1.2 Arranjos de microlentes esféricas fresadas e conformadas 129
6.1.2.1 Empacotamento quadrado = 78,5% abertura circular de 2 mm ... 129
6.1.2.2 Empacotamento completo = 100% abertura quadrada de 2 mm . 131
6.1.2.3 Empacotamento quadrado = 78,5% abertura circular de 1 mm ... 133
6.1.2.4 Empacotamento completo = 100% abertura quadrada de 1 mm . 137
6.1.3 Arranjo de microlentes esféricas conformadas 142
6.1.3.1 Empacotamento quadrado = 78,5% abertura circular de 2 mm ... 142
6.1.3.2 Empacotamento completo = 100% abertura quadrada de 2 mm . 145
6.1.3.3 Empacotamento quadrado = 78,5% abertura circular de 1 mm ... 147
6.1.3.4 Empacotamento completo = 100% abertura quadrada de 1 mm.. 150 6.2 - Lente de Fresnel 153
6.2.1 Lente de Fresnel convexa com altura constante 153
6.2.2 Lente de Fresnel convexa com altura variável 164
6.2.3 Lente de Fresnel côncava com altura variável 171
6.3 Análises Paraxiais 177
6.3.1 Modulação de fase para microlente de Fresnel com altura constante 177
6.3.2 Modulação de fase para microlente de Fresnel com altura Variável 177
6.3.3 FTM e Distância Focal 178
6.3.4 Transmitância do PMMA - DH ECL P 180
6.4 Simulações 181
6.4.1 Tempo de preenchimento 181
6.4.2 Confiança de preenchimento 182
6.4.3 Qualidade de preenchimento 183
6.4.4 Queda de pressão 184
6.4.5 Temperatura na frente de escoamento, do substrato e de refrigeração .. 185
6.4.6 Pressão de injeção e força de fechamento do molde 188
6.4.7 Retração no volume da peça 190
6.4.8 Rechupe 191
6.4.9 Camada superficial 192
6.4.10 Linha de soldagem 194
6.5 - Desgaste da ferramenta de diamante 196
6.6 - Análise do Cavaco 198
Capítulo 7 Conclusões 201
Sugestões para Trabalhos futuros 209
Referências 211
ANEXO A Laudo técnico do Cobre Eletrolítico 217
APÊNDICE A Projetos 221
