Elementi ottici di precisione ottenuti mediante tecnologia di Inietto-compressione

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Faustina Forte
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1 CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA Elementi ottici di precisione ottenuti mediante tecnologia di Inietto-compressione Igor Di Vora Centro Ricerche Plast-optica

2 INTRODUZIONE Proprietà dei materiali plastici per applicazioni ottiche approccio tradizionale al calcolo ottico simulazione ottica processo vantaggi iniezione tradizionale ed inietto-compressione a confronto applicazioni

3 %T nm CENTRO RICERCHE PLAST-OPTICA PROPRIETÀ DEI MATERIALI PLASTICI PER APPLICAZIONI OTTICHE PMMA ALTOGLAS 9D BLU placchetta da mm INCOLORE placchetta da mm AMBRA placchetta da mm ROSSO placchetta da m FUME placchetta da mm SPETTROFOTOMETRO UV-Vis BUONA TRASMITTANZA PMMA % PC 80 9 % INDICE DI RIFRAZIONE OTTICO PMMA n= PC n= BUONA STABILITÀ TERMICA Tg PMMA 00 0 C Tg PC C ELLISSOMETRO CALORIMETRO A SCANSIONE DIFFERENZIALE PMMA ALTUGLAS 9D Valore di Tg. = 09.7 C nel punto di flesso CAMERA CLIMATICA Prove su componenti in temperatura (-40 C + 90 C) e umidità (fino 95%) RESISTENZA AGLI UV ED ALL INVECCHIAMENTO PENDOLO PER RESILIENZA REOMETRO BUONA RESISTENZA MECCANICA BUONA PROCESSABILITÀ PER STAMPAGGIO AD INIEZIONE

4 APPROCCIO TRADIZIONALE AL CALCOLO OTTICO r r 2 p Lente f f q f = ( n ) r r 2) 2 nell ipotesi di lente biconvessa simmetrica: f = + p q, a ) m = p q r n indice di rifrazione del materiale r ed r 2 raggi di curvatura delle due superfici della lente f distanza focale 2 = r r = 2 3) p distanza lente-occhio q distanza lente-oggetto m magnificazione (ingrandimento) ( n ) f ) b materiale PMMA, n=.49 m=2.5 p lente grande 350 mm p lente piccola 00 mm q lente grande 40 mm q lente piccola 40 mm f lente grande 99.5 mm f lente piccola 28.3 mm r lente grande mm r lente piccola mm Dati di input: Dati intermedi: Dati finali:

5 SIMULAZIONE 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. 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 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

6 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: durante questa fase la cavità stampo viene mantenuta parzialmente aperta allo scopo di consentire al polimero di fluire con facilità all interno della stessa. LENTE D INGRANDIMENTO BICONVESSA COMPRESSIONE 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.

7 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. Lo stampaggio per inietto-compressione risulta vantaggioso nella realizzazione di: componenti di grosso spessore controllo ritiri volumetrici parti a parete sottile vetrature parti estetiche in generale ottiche e lenti micro-ottiche riduzione pressioni di processo e tonnellaggio pressa materiale compatto ed omogeneo stabilità dimensionale e qualità delle superfici omogeneità delle proprietà fisiche su spessori variabili ottima replica delle geometrie della cavità stampo

8 INIEZIONE TRADIZIONALE ED INIETTO-COMPRESSIONE A CONFRONTO () SEZIONE DI LENTE FRESNEL OTTENUTA CON PROCESSO DI INIEZIONE TRADIZIONALE Fresnel Optics Nella fase di compattamento viene garantita una distribuzione uniforme di pressione sul materiale iniettato che permette di ottenere repliche fedeli della geometria della cavità, soprattutto se confrontate con quelle realizzate mediante il il processo di stampaggio tradizionale. Lente Fresnel per illuminazione domestica SEZIONE DI LENTE FRESNEL OTTENUTA CON PROCESSO DI INIETTO-COMPRESSIONE 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

9 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. 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

10 APPLICAZIONI DELLA TECNOLOGIA DI INIETTO-COMPRESSIONE 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). LUNOTTO POSTERIORE AUTO 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 ELEMENTI OTTICI DI ELEVATO SPESSORE ARRAY DI LENTI TIR RIFLETTORI A SUPERFICI COMPLESSE GUIDE LUCE MICRO-OTTICHE CILINDRICHE

11 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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