低表面粗さポリマー複製用金型の複製製造

Nature Communications volume 13、記事番号: 5048 (2022) この記事を引用

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射出成形などのツールベースの製造プロセスにより、迅速かつ高品質の大量市場生産が可能になりますが、光学ポリマーコンポーネントの場合、必要なツールの製造には時間がかかり、高価になります。 この論文では、溶融シリカテンプレートからの鋳造および複製プロセスを介して、滑らかな表面を備えたツールベースの製造用の金属インサートを製造するプロセスが示されています。 青銅、真鍮、およびコバルトクロムは、Rq 8 nm の表面粗さと 5 μm の範囲の微細構造を達成する、成形溶融シリカ複製から首尾よく複製することができました。 市販の射出成形システムを使用して、同じツールから何千ものレプリカが生成され、射出成形が正常に実行されました。 さらに、溶融シリカ鋳型の 3D プリンティングを使用して、金属の三次元ボディを実現できます。 したがって、この研究は、現在採用されているコスト、労働力、設備を大量に消費する加工技術を超えた、拡張性があり、簡単で費用対効果の高い方法による高品質の成形ツールへのアプローチを表しています。

ツールベース製造 (TBM) は、コスト効率の高い大量生産を実現する場合に最適なプロセスです。 携帯電話のカメラ レンズ、フレネル レンズ、マイクロ ディフューザー 1、2 など、公差が厳しい高精度コンポーネントであっても、手頃なコストで大量に製造する必要があります。 この要件プロファイルでは、製造手順にほとんど選択肢がなく、TBM3、4 によってのみ実現できます。 最も顕著なのは、射出成形が、高水準の品質を備えた複雑な形状の部品を高スループットで製造するための事実上のゴールドスタンダードとして浮上していることです5。 中でも、高度に研磨された成形表面を備えたツールは、関連する拡張性とコストで光学品質の高品質コンポーネントを製造できるため、特に興味深いものとなっています。 しかし、その製造は複雑で高価であり、依然として主要なボトルネックとなっています6。 現在、TBM 用の成形工具は主に、穴あけ、旋削、フライス加工、研磨などのサブトラクティブ加工によって製造されています 7,8。 これらの手順は時間と資材が多くかかり、拡張性が高くありません8,9。 光学表面を備えた金型を製造するには、通常、ダイヤモンド旋削やナノメートルの表面粗さ範囲まで表面を研磨するなどの超精密機械加工が必要です7。 これにより、TBM の適用性が制限され、成形ツールのプロトタイピングが非常に困難になります。 品質に応じて、単純な成形ツールでもコストは数千ユーロから数万ユーロに及ぶ可能性があり9、実際の製造プロセスは、そのサイズ、複雑さ、および必要な表面品質に応じて、軽く数週間かかります8。 マイクロメートルまたはサブマイクロメートルの分解能が必要な場合は、通常、電気メッキが選択される方法です。 このプロセスでは、たとえばフォトリソグラフィーによって成形された事前に作製されたテンプレートが、光学品質の表面を提供しながら、成形プロセスの応力に耐えることができる硬質金属基板にコピーされます8。 電気めっきの決定的な欠点は、成長速度が遅いこと、ニッケル コーティングでは 12 µm/h10 が珍しくないこと、寸法が大幅に異なる成形ツールの設計の自由度が限られていることです。 一般にラピッドツーリングまたはダイレクトツーリングとして知られる分野である成形ツールをより迅速かつ便利に生成できるようにするために、さまざまな試みがなされてきた。 選択的レーザー焼結 (SLS) 11 やレーザービーム加工 (LBM) 12 などの生成技術を介して成形ツールのプリフォームを構造化するためのいくつかの技術が提示されています。 これらの技術で達成可能な表面粗さの値は Ra 2 ～ 40 μm の範囲にあります 13,14,15 が、依然として時間と費用のかかる後処理を必要とします。 生成されたプリフォーム成形ツールは、従来の機械加工技術を使用して後処理されるため、材料と全体の処理時間が節約されます。 これまでのところ、TBM のラピッド プロトタイピングは、選択された用途でのみ実行可能であると考えられており、一般に、成形ツールの古典的な製造技術に代わる拡張可能な代替手段とは考えられていません。