- 고객: The Ohio State University
- 국가: 미국
- 산업: 교육
- 솔루션: Moldex3D Advanced / Moldex3D Optics
오하이오주립대학의 정밀공학연구소(PERL-OSU)는 2002년에 설립되어, 현재 5명의 박사과정과 몇몇 석사과정 학생들이 주도하고 있다. 연구소 이사인 알렌 이(Allen Yi) 교수는 오하이오주립대에 합류하기 전 코닝정밀렌즈사의 정규 과학자이었으며, 그의 연구의 관심은 정밀공학 특히, 광학제조 및 미세가공이었다. PERL-OSU는 전세계적으로 저원가의 자유형 광학응용에 초점을 둔 선도센터로 인식되고 있다.
(자료 출처: https://www.osu.edu/)
수행 요약
누진다초점렌즈(PAL)는 과거 60여년 동안 노안 (즉 나이에 따른 안구안착 쇠퇴)을 보상코저 폭넓게 활용되어 왔으며, 전통적으로 주조공법에 의해 제조되었다. 그러나, 전통적 폴리머주조법은 생산율의 제약성으로 인해 그 제조원가가 높다. 따라서, 본 연구에서는, 초정밀 다이아몬드 선삭과 미세사출성형을 조합하여, 누진다초점렌즈의 독자적 저원가 제조공정을 창출하는데 그 목적을 둔다.
해결과제
- 제품의 변형과 편중굴절률 분포로 인한 렌즈투과 안구투사 광전파의 변경
- 하이브리드 유리-폴리머 PAL의 플라스틱코팅에 대한 미충진 구멍 발생 및 고 잔류응력으로 인해 제품인서트의 크랙발생
해결안
정밀공학연구소(PERL)는 Moldex3D의 사출성형해석기술을 적용:
- 사출성형 공정 파라미터를 최적화하여 더 나은 품질성취와 광학 왜곡수차를 보상 함.
- 플라스틱 코팅을 위한 제품의 설계와 공정 파라미터를 최적화함.
Moldex3D광학모듈로 적절한 보압을 결정, 변형문제를 배제함.
사례연구
본 광학적 문제점을 해결하기 위하여, PERL-OSU는 Moldex3D의 광학모듈을 사용하여 사출성형 PAL의 광학 왜곡수차를 결정하는 방법을 개발하였다. 이 방법은 편중굴절률 분포와 표면변형의 존재로 인한 파면패턴을 FEM을 사용하여 재구성하였다. 이러한 수치모델링과 더불어, Shack-Hartmann 파면센서에 기반한 측정시스템 역시 Moldex3D로 하이브리드 유리-폴리머 PAL의 플라스틱 박층의 코팅을 예측하였다.
PAL은 공정조건을 잘 조절하면서 미세사출성형으로 제조되었다. 이 PAL의 광학성능을 평가하기 위하여, Shack-Hartmann 파면센서시스템을 설치하고 측정된 데이터는 함께 엮어 수치조작을 통하여 전체 렌즈의 광학표면으로 매핑하였다. 광학설정을 사용한 측정과 더불어, 성형된 렌즈의 광학성능을 위한 수치모델링 또한 수행되었다.
Moldex3D 광학모듈로 얻어진 굴절률 변동과 기하학적 변형 결과를 내 보낸 후, 파면광학이론에 따라 사출성형된 PAL의 광학 왜곡수차를 계산한다. 설계, 해석 및 측정의 광학 왜곡수차를 비교 분석하였고, 수치해석과 실험곡선이 상호 충분히 일치하므로, 해석이 사출성형된 PAL의 광학 왜곡수차를 정확히 예측하는데 사용될 수 있게 된 것이다. 더구나, 폴리머 용액의 유동패턴 역시 Moldex3D로 예측하여 하이브리드 유리-폴리머 PAL용 플라스틱 박피코핑을 정확히 가시화하였다.
해석결과 (B) 파면 센서측정(wavefront sensing measurements)과 잘 일치함.
해석으로 미충진 구멍을 정확히 예측, 해당 구명들이 사출성형 폴리머 렌즈의 천공중심에 형성됨.
Moldex3D로 얻은 해석결과를 활용, 광학설정이 기하학적으로 재설계되고,
폴리머 렌즈 두께를 0.126mm에서 0.726mm로 증가시켜 미충진 구멍을 배제함.
결론
본 연구는 초정밀 다이아몬드 선삭과 정밀사출성형을 조합, 사용하여 PAL을 제조하는 새 접근방식을 제시한다. 이와같은 접근방식은 경제성을 고려할 때, 산업화 확산의 잠재성이 크다고 할 수 있다. 또한, Moldex3D 해석으로 어떻게 제품 형상수축과 사출성형공정으로 야기된 유동선단을 이해할 수 있는 지도 파악할 수 있다. 나아가 사출성형 PAL의 제품설계와 공정파라미터를 어떻게 최적화하는 지를 잘 보여준다.
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본 연구프로젝트의 가장 큰 가치는 어떻게 시뮬레이션이 제조원가를 감소시키며 동시에 광학정밀을 유지하는 지를 보여주는 것이다. – 오하이오주립대의 고등 연구원, Likai Li. |