Feasibility research of additively manufactured mold inserts for replicative optics production via injection molding and precision glass molding

Abstract

Partes ópticas como lentes constituem o elemento básico de qualquer sistema óptico utilizado em dispositivos eletrônicos, médicos, militares e metrológicos, por exemplo. Essas partes podem ser produzidas por processos de moldagem por injeção (IM) e moldagem de precisão de vidro (PGM), usando moldes e insertos para adquirir a forma final do produto. Em geral, moldes são ferramentais complexos que necessitam de múltiplas etapas de usinagem e acabamento, as quais para garantir a funcionalidade óptica devem possuir níveis de qualidade superficial altas. Nesse âmbito, a manufatura aditiva (AM) representa uma solução promissora para a fabricação destes ferramentais em menor tempo e com menos custos em alguns estágios da cadeia de produção. Por isso, o presente trabalho investiga a viabilidade de aplicação de moldes e insertos fabricados por AM para a produção de partes ópticas nos processos de IM e PGM. Utilizando as informações obtidas por periódicos científicos, estudos de caso industriais e pesquisa qualitativa com especialistas, as tecnologias e materiais relacionados a manufatura aditiva foram avaliados por critérios de seleção, determinando a Fusão em Pó como a solução mais adequada até o momento, assim como a classificação das outras. Em seguida, foi realizada a implementação e fabricação de um protótipo físico para testes e comparação de dados experimentais e teóricos sobre qualidade superficial. Assim, concluiu-se em primeira etapa que é possível utilizar manufatura aditiva para produzir moldes e insertos para a produção de peças ópticas.

Optical parts such as lenses are the basic element of any optical system used in electronic, medical, military, and metrology devices, for example. These parts can be produced by injection molding (IM) and precision glass molding (PGM) processes, using molds and inserts to achieve the final shape of the product. In general, molds are complex tooling that require multiple machining and finishing steps, which to ensure optical functionality must have high levels of surface quality. In this context, additive manufacturing (AM) represents a promising solution to manufacture these tooling in less time and with less costs in some stages of the production chain. Therefore, this work investigates the feasibility of applying molds and inserts manufactured by AM to produce optical parts in IM and PGM processes. Using the information obtained by scientific papers, industrial case studies and qualitative survey with experts, the technologies and materials related to additive manufacturing were evaluated by selection criteria, determining Powder Fusion as the most suitable solution so far, as well as ranking the others. Next, a physical prototype was implemented and manufactured for testing and comparison of experimental and theoretical data on surface quality. Thus, it was concluded in first instance that it is possible to use additive manufacturing to fabricate molds and inserts for optical parts production.