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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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 Parma, 2222-24 Marzo 2007 Dati finali: • r1’ lente grande 97.50 mm • r1” lente piccola 27.75 mm Mec Spe 2007 - Villaggio Ascomut – Fiere di Parma CRP S.p.A - Innovazione, servizi, consulenza e assistenza per la COMPETITIVITA’ delle IMPRESE Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 Parma, 2222-24 Marzo 2007 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. Mec Spe 2007 - Villaggio Ascomut – Fiere di Parma CRP S.p.A - Innovazione, servizi, consulenza e assistenza per la COMPETITIVITA’ delle IMPRESE Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission. OTTICA ILLUMINAZIONE STAMPAGGIO PLASTICA MICRO E NANOTECNOLOGIE CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA 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. Materiali Progettazione Ottica Tecnologia di Inietto-compressione Conclusioni 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 Centro Ricerche Plast-Optica is the sole owner of this document. It cannot be copied or given to third parties without permission.
