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Tese de Doutorado
DOI
10.11606/T.18.2010.tde-02062011-121234
Documento
Autor
Nome completo
Renê Mendes Granado
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2010
Orientador
Banca examinadora
Jasinevicius, Renato Goulart (Presidente)
Cirino, Giuseppe Antonio
Montanari, Luciana
Rodrigues, Alessandro Roger
Tsunaki, Roberto Hideaki
Título em português
Moldagem por injeção de microcomponentes ópticos poliméricos gerados em insertos usinados por torneamento de ultraprecisão
Palavras-chave em português
Elementos ópticos difrativos
Ferramenta de diamante
Fidelidade de replicação
Microinjeção. Polimetilmetacrilato
Torneamento
Resumo em português
Este trabalho analisou o processo de moldagem por injeção de micro elementos ópticos difrativos usinados em insertos de cobre eletrolítico com ferramenta de diamante com ponta única. Quatro tipos de microestruturas características foram selecionados neste estudo, a saber: lente anesférica, lente de Fresnel, grade de difração (blaze grating) e sensor de frente de onda. A análise da fidelidade de replicação foi feita considerando aspectos dimensionais micrométricos e nanométricos para a microestrutura e acabamento. Um perfilometro óptico e microscópio eletrônico de varredura foram utilizados para avaliar os insertos usinados e as características dos replicados. Uma ferramenta de diamante com geometria especial, com meio raio, foi usada para usinar as características de difração. As superfícies usinadas apresentaram baixo acabamento superficial, na faixa de 16 nm Rms. As simulações numéricas foram realizadas para avaliar o desempenho do processo de moldagem por injeção com polimetilmetacrilato (PMMA), e os resultados foram utilizados para orientar a injeção do polímero. Com base na simulações numéricas as temperaturas do molde e pressões de injeção foram variadas entre 85ºC/130°C e 70 bar/130 bar, respectivamente. A influência destes parâmetros no desempenho do processo de replicação foi analisada. A análise quantitativa da replicação foi feita através de um parâmetro denominado grau de replicação que define a relação entre a altura nominal da microestrutura do inserto e à altura da microestrutura na réplica de polímero. A grade de difração e o sensor de frente de onda apresentaram os melhores níveis de replicação: 98% e 99%, respectivamente. Os resultados experimentais mostraram que o processo de moldagem por injeção é uma técnica viável para replicar com alta qualidade microcaracterísticas de elementos ópticos de difração gerados por torneamento com ferramenta de diamante com ponta única.
Título em inglês
Injection molding of polymer micro-optical components generated in inserts by ultra-precision turning
Palavras-chave em inglês
Diamond tool
Diffractive optical elements
Fidelity of replication
Micro injection
Polymethylmethacrylate
Turning
Resumo em inglês
This work investigated the injection molding process of micro diffractive optical elements machined on electrolytic copper inserts by single point diamond turning. Four types of microstructure features were selected in this study, namely: aspherical lens, Fresnel lens, blaze grating and the wavefront sensor. The replication fidelity was evaluated in terms of dimensional micrometric features found in the microstructure and the surface finish. An optical profiler and scanning electron microscopy were used to assess the machined inserts and the replicated features. A special geometry diamond tool with half radius was used to machine the diffraction features. The machined surfaces presented very low surface finish in the range of 16 nm Rms. Numerical simulations were carried out to evaluate the performance of the injection molding process with polymethylmethacrylate (PMMA), and the results were used to guide the polymer injection. Based on numerical simulations mold temperatures and injection pressures were varied between 85°C/130°C and 70 bar/130 bar, respectively. The influence of these parameters on performance of the replication process was assessed. The quantitative assessement of the replication was made by using a parameter called degree of replication which defines the ratio between the nominal height of the microstructure in the insert and the height of the microstructure in the polymer replica. The blaze grating and the wavefront sensor presented the best degrees of replication: 98% and 99%, respectively. The experimental results showed that injection molding process is a viable technique to replicate high quality micro features of optical diffraction elements generated by single point diamond turning.
 
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TESE.pdf (28.77 Mbytes)
Data de Publicação
2011-07-04
 
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