Ultra precision metrology - the key for mask lithography and ...
ultra precision technology Usinage d’ultraprécision
Transcript of ultra precision technology Usinage d’ultraprécision
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ultra precision technology
PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 1
Usinage d’ultraprécision
Jean-Luc VAVRILLEMECASEM BourgogneVillage Harfleur 200071205 LE CREUSOT
Tél 03 85 73 07 03Fax 03 85 73 07 07
Mél : [email protected] .com
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ultra precision technology
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Usinage d’ultraprécision
• Technologie de fabrication située entre les domaines de l’optique et de la mécanique
• Combinaison de l’utilisation d’outil de coupe de très haute qualité avec des machines dont les performances sont extrêmes
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PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 3
0,4
10
40FRAISAGE
1,6 0,8
Etats de surface (Ra en µm)
Préc
isio
n en
µm
TOURNAGE20ANALYSE DES
RESSOURCES TECHNOLOGIQUES EN USINAGE
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ultra precision technology
PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 4
0,4 0,2 0,1
10
40FRAISAGE
1,6 0,8 0,05 0,025
Etats de surface (Ra en µm)
Préc
isio
n en
µm
RECTIFICATION
TOURNAGE20
5
ANALYSE DES RESSOURCES TECHNOLOGIQUES EN USINAGE
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PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 5
0,4 0,2 0,1
10
40FRAISAGE
1,6 0,8
1,25
0,0050,05 0,025
Etats de surface (Ra en µm)
0,013
Préc
isio
n en
µm
SUPERFINITIONRECTIFICATION
TOURNAGE20
5
2,5 POINTEUSE
ANALYSE DES RESSOURCES TECHNOLOGIQUES EN USINAGE
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ultra precision technology
PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 6
0,1
Préc
isio
n en
µm
SUPERFINITIONRECTIFICATION
0,3
TOURNAGE20
5
2,5 POINTEUSE
1,25
0,5
0,0010,0050,05 0,025
Etats de surface (Ra en µm)
0,0130,4 0,2 0,1
10
40FRAISAGE
1,6 0,8
POLISSAGE OPTIQUE
ANALYSE DES RESSOURCES TECHNOLOGIQUES EN USINAGE
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ultra precision technology
PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 7
0,1
Préc
isio
n en
µm
SUPERFINITIONRECTIFICATION
0,3
TOURNAGE20
5
2,5 POINTEUSE
1,25
0,5
0,0010,0050,05 0,025
Etats de surface (Ra en µm)
0,0130,4 0,2 0,1
10
40FRAISAGE
1,6 0,8
FABRICATION D'ULTRA-
PRECISION
POLISSAGE OPTIQUE
ANALYSE DES RESSOURCES TECHNOLOGIQUES EN USINAGE
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Avantages
• Cumul des avantages des technologies de la mécanique et de l’optique, àsavoir :– Polyvalence du procédé permettant d’avoir
des applications variées– Performance en termes
• d’états de surface (< 10 nanomètres),• d’écarts de forme (< au micron).
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Machine d’ultraprécision MOORE M18AG
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Axes linéaires
Positionnement Interféromètre laser
Résolution 12 nm
Guidage par glissière à W à rouleaux
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Machine d’ultraprécision MOORE 350 UPL
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Axes linéaires
Positionnement par règle incrémentale en invar
Résolution 1 nm
Guidage par palier hydrostatique
Déplacement par moteur linéaire
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Problem with AxisCaused by problem with lead screw
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0.3µm/350mm (12µ”/14”)0.3µm/350mm (12µ”/14”)
0.7µm/350mm (28µ”/14”)0.7µm/350mm (28µ”/14”)
Axe X rectitude horizontaleAxe X rectitude horizontale
Axe X rectitude verticaleAxe X rectitude verticale
NanoformNanoform®® 350 350
specification des glissièresspecification des glissières
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Broches d’ultraBroches d’ultra--precisionprecision
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Spindle ProblemWorn bearings on an angular contact ball race spindle
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Accessoires machineAccessoires machine
Optical Tool Set StationOptical Tool Set Station
LVDT Tool/Wheel Set StationLVDT Tool/Wheel Set Station
Adjustable Tool HolderAdjustable Tool Holder
8” Dia. Flat Vacuum Chuck8” Dia. Flat Vacuum Chuck
Tool/Air Lubrication SystemTool/Air Lubrication System
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Stability ProblemCaused by worn height adjuster on toolholder
Good quality after toolholder replaced
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Chatter lines caused by vibration
Surface finish problem
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Opération typique de SPDTOpération typique de SPDTUsinage d'une surface
•Vitesse de broche: 2000 t/mn
•Avance de l’outil: 10 mm/mn
•Profondeur de coupe: 4 µm
•Rayon d’outil : 1,5 mm
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Opération typique de SPDTOpération typique de SPDTUsinage d'une surface
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Structure de surface Structure de surface usinage pontuelusinage pontuel
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Mesure de la rugosité sur du Mesure de la rugosité sur du Germanium usiné diamantGermanium usiné diamant
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Finition de surfaceFinition de surface(rugosité théorique une passe)(rugosité théorique une passe)
T
r
RfVP
8)(
2
≅−
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Etat de surface
0
5
10
15
20
25
30
0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014
Avance en mm/tour
0,5 mm
0,8 mm
1 mm
2 mm
Ray ond'out il109876543210
Ra P-V
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Tournage diamant sur l’axe
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Tournage diamant hors d’axe
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Métaux usinablesMétaux usinables
• Aluminium• Argent• Or• Béryllium• Béryllium Cuivre• Cuivre• Magnésium• Plomb
• Platine• Etain• Zinc• Laiton• Bronze• Nickel (auto
catalytique et électrolytique)
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Cristaux usinablesCristaux usinables
• Fluorure de Calcium• Niobate de Lithium• Cadmium Zinc Tellure• Fluorure de
Magnésium• Iodure de Césium• Silicium
• Arséniure de Gallium• Sulfure de Zinc• Germanium• Séléniure de Zinc• Antimoniure d'Indium• Amtir• Bromure de Potassium
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Impuretés
aluminium 5083
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AnisotropieGermanium plan cristallin<111> :
transitions fragile-ductile
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AnisotropieGermanium plan cristallin<111> :
transitions fragile-ductile
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Structure granulaireCuivre pur OFHC
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Outils diamants
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Qualité du « tranchant »Outil carbure
Outil cbn
Outil diamant
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Tool InspectionGood Quality Tool Poor Quality Tool
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Outils diamants
• AVANTAGES– Dureté– Tranchant « parfait »– Qualité géométrique
• Minimisation des efforts de coupe
• Minimisation des contraintes résiduelles
– Très bonne conductivité thermique
– Ré-affutables
• INCONVENIENTS– Fragilité– Tout les matériaux ne
sont pas usinables– Prix– Délais
d’approvisionnement (pas de stock)
– Théorie de la coupe inexistante
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Selection of Natural Diamonds
100/100 OrientationBrown stones and Maccles
Good quality yellows
Natural Diamond POOR Quality
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Selection of synthetic diamonds
Diamond GRIT (Powder)
CVD Diamond
Mono Die - Single Crystal Synthetic Sumitomo - Single Crystal Synthetic
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The Tool -Terms Used
SECONDARY CLEARANCE
FRONT CLEARANCE
TABLE
RADIUS
FLANKFLANK
ARC
RAKE
TABLERAKE
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510152025602 – 6(10 – 15 for
small products)
+2½° - 0°-2½° -5°
10° - 15°0.3 – 1.5Plastics
2.53101020202 – 4-15°/ -25°10° - 15°0.5 – 1.5Silicon
2.53151025302 – 4-25°10° - 15°1.0 – 1.5Germanium
2.53151025302 – 4-15°10° - 15°0.5 – 1.5Zinc Selenide
2.53151025302 – 4-15°10° - 15°0.5 – 1.5Zinc Sulphide
55201530502 – 4+2½° - 0°-2½°
10° - 15°0.5 – 1.5Brass
53151025302 – 4+2½° - 0°-2½°
10° - 15°0.5 – 1.0Electroless Nickel
53151025302 – 4+2½° - 0°-2½°
5° - 15°0.5 – 1.5Copper
53151025302 – 4+2½° - 0°-2½°
5° - 15°0.5 – 1.5Aluminium
Feed Rate(mm/min)
Depth(µm)
Feed Rate(mm/min)
Depth(µm)
Feed Rate(mm/min)
Depth(µm)
Spindle Speed(x100RPM)
Top Rake Angle
Front Clearance
RadiusSize
Material
Final Finish Cut1st Finish CutRoughing Cut
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The Lathes
2 AxisThe point of contact changesas the tool generates a curve
Rotary AxisThe point of contact remains the
same as the tool generates a curve
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ConicalClearance
CylindricalClearance
Two types of tool clearances available.Make the correct choice
!Allows for a true circular shape.
!Clearance angle is the same around all of radius arc and flank angles.
!Radius size (and therefore length of cutting edge) reduces every time the tool is relapped.
!There will be and elliptical form.
!Clearance angle reduces towards flanks.
!Radius size remains constant after each relap.
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The Tool
Non ControlledWaviness
ControlledWaviness
40.000 xWaviness Magnification
Arc
40.000 xWaviness Magnification
Arc
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Controlled Waviness Tools
• <1.0µm
• <0.75µm
• <0.5µm
• <0.25µm
• <0.15µm
• <0.1µm
• <0.05µm
Controlled waviness tools are expensive.
Let us help you Make the correct choice of tool for your application.
WE MEASURE THESE VALUES
PEAK TOVALLEY
Guaranteed Waviness Values Available:
(yes - that’s less than 50 nanometres)
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Non-controlled Waviness
Non-controlled waviness tools:
•Roughing applications
•Rotary axis applications
•Single point turning applications
•Flycutting applications
•Rotation applications
Let us help you make the correct choice of tool for your application.
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Considération sur la métrologieConsidération sur la métrologie• De type contact (profilomètre, machine de
mesure par coordonnées, miroir optique d'annulation) ou optique
• De la mise en œuvre à l'inspection finale• Mesure autonome ou à compensation• Sur la machine ou hors machine• Forme, finition de surface ou pente• Métrologie universelle ou spécialisée• Résultats comparés• Limitation sur la sagittale, la courbure, la
géométrie, les matériaux, etc
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Métrologie et géométrieMétrologie et géométrie• Surfaces sphériques• Surfaces asphériques
– Interféromètre avec hologramme– Profilomètre
• Surfaces diffractives– Profilomètre– Interféromètre lumière blanche
• Finition de surface– Profilomètre– Interféromètre lumière blanche
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Moyens de contrôles
Machine à mesurer SIP 30M
Résolution : 0,1µm
Microscope mécanique à balayage FORMTALYSURF S4C
Résolution : 1nm
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Processus en boucle ferméeProcessus en boucle fermée
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UltracompUltracomp™ Système de Mesure de Forme™ Système de Mesure de Forme
AprèsAprèsAvantAvant
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Nanotech 350UPLSurface Form - Aluminum
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Nanotech 350UPLSurface Finish - Aluminum
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Diamond turn Zinc Selenide (ZnSe), CX asphere with 5mm of sag over a 50mm dia. aperture.
Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 2000 RPMDepth of cut = 4µmFeed Rate = 2.5mm/minTool = -25º rake, 0.635mm rad. Material = ZnSe
•Diffractive Applications•Infrared Applications
ApplicationsApplications
Ra 2.1 nm Rms 3.2 nm
Diamond turn a nickel plated mold insert, CC sphere with a rad. of 50mm over a 20mm aperture.
Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 1500 RPMDepth of cut = 4µmFeed Rate = 5mm/min
•Mold Inserts•Ophthalmic, Commercial and Military Applications
•Helmet Displays
ApplicationsApplications
Surface RoughnessSurface Roughness
Form AccuracyForm Accuracy
Surface RoughnessSurface Roughness
App
licat
ion
Repo
rtsA
pplic
atio
n Re
ports
Application No.9902Application No.9902
Application NO.9912Application NO.9912
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Trouble Shooting
• Swarf Build up• Humidity• Incorrect tool planning• Software error• Power Failure• Lens Slips• Wrong Rake• Material Imperfections• Collet Jam• Tool Post moves
• Friday Afternoon• Monday Morning• Vibration• Tool Path Problem• Fluctuating Air supply• Fluctuating Power
supply• Operator Error• Electrical Discharge• Tool Handling• Slide Motor Problems
• Managers and Supervisors
• Too large a radius• Too small a radius• Spindle Motor
Problems• Poor Fixturing• Poor Swarf Extraction• Dynamic Balance• Cleaning Optics• Wrong Specifications• Wrong Coefficients
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Applications
• Micromécanique, micropièce• Mécanique haute précision• Optique
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Micro-pièceDiamètre total de 1 mm avec
Fonction de Bessel au centre sur un diamètre de 120µm
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Applications
• Micromécanique, micropièce• Mécanique haute précision• Optique
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Tube à paroi mince
• Longueur 180 mm• Diamètre 140 mm• Épaisseur 1 mm• Contrôle in-situ avec
palpeur à focalisation laser
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Applications
• Micromécanique, micropièce• Mécanique haute précision• Optique
– Asphériques– Repérage mécanique– Systèmes complets– Considérations concernant la
diffraction
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Surface asphériqueSurface asphériqueHauteur sagitaleHauteur sagitale
( )( )
jjasph AAA
cKcz ρρρ
ρρρ ...
1116
64
422
2
++++−+
=
Section conique Termes de déformation
C =1/R = Courbure au centreK = Constante coniqueρ = Coordonnées radiales
A4…Aj + Termes de déformation
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Section coniqueSection conique
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Réflecteurs à section coniqueRéflecteurs à section conique
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Systèmes classiques à 2 miroirsSystèmes classiques à 2 miroirs• Exemple: Objectif Cassegrain
Aberration sphérique corrigée
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Applications
• Micromécanique, micropièce• Mécanique haute précision• Optique
– Asphériques– Repérage mécanique– Systèmes complets– Considérations concernant la
diffraction
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Montage SPDT pour éliminer l'effet angulaire du au centrage
L'usinage des surfaces de montage et des surfaces optiques garantit un alignement approprié
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Système Cassegrain compact Système Cassegrain compact ‘‘’snap’snap--together’’together’’ (intégré)(intégré)
L'usinage des surfaces de montage et des surfaces optiques garantit un alignement approprié
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Vue tridimensionnelle du système Vue tridimensionnelle du système Cassegrain "Cassegrain "snapsnap--togethertogether""
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Applications
• Micromécanique, micropièce• Mécanique haute précision• Optique
– Asphériques– Repérage mécanique– Systèmes complets– Considérations concernant la
diffraction
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L’aplanat de KorschL’aplanat de Korsch
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Montage sur un tourMontage sur un tour
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En vue réelleEn vue réelle
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Miroirs plans d’alignement Miroirs plans d’alignement intégrés intégrés
L'intégration de surface d ’alignement de miroirs pour l ’autocollimation permet de gagner beaucoup de temps
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Applications
• Micromécanique, micropièce• Mécanique haute précision• Optique
– Asphériques– Repérage mécanique– Systèmes complets– Considérations concernant la
diffraction
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PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 76
Finition de surfaceFinition de surface(rugosité théorique une passe)(rugosité théorique une passe)
T
r
RfVP
8)(
2
≅−
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DiffusionDiffusionpour une rugosité de 10nm RMSpour une rugosité de 10nm RMS
24
≅
λπRMSTIS
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Exigence pour couvrir Exigence pour couvrir le spectre visiblele spectre visible
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D’autres applicationsD’autres applications
• Master de réplication• Lentilles prototypes en plastique• Inserts moulés• Lentilles de Fresnel• Miroir de scanner• Lentilles sphériques spécialement
pour des petites quantités
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Surface toriqueSurface torique
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Tournage diamant hors d’axe
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Machining SystemsMachining Systems
Nanoform 200Nanoform 200
Nanoform 700Nanoform 700
Planoform 550Planoform 550
Freeform 3000Freeform 3000
Système de livraison Système de livraison de carburant pour automobile de carburant pour automobile
Affichage tête haute pour automobileAffichage tête haute pour automobile
Connecteurs d’interrupteurs de Connecteurs d’interrupteurs de communicationcommunication
Blocks de porteurs de Blocks de porteurs de communicationcommunication
Electronique pour affichageElectronique pour affichage
Structure mécanique paroi minceStructure mécanique paroi mince
MechanicalMechanical--AxesAxes
Systèmes IR militairesSystèmes IR militaires
Aciers durs à outillageAciers durs à outillage
CéramiquesCéramiques
OUTILS CBNOUTILS CBN
PolymèresPolymères
OUTIL DIAMANTOUTIL DIAMANT
MatériauxMatériaux
MachineMachineNanoform 350Nanoform 350
CristauxCristaux
Métaux non ferreuxMétaux non ferreux
Métaux ferreuxMétaux ferreux
Electronique pour CD/DVDElectronique pour CD/DVD
Electronique pour TV haute Electronique pour TV haute définitiondéfinition
MetrologyMetrology--Test FTM/MRTDTest FTM/MRTD
ApplicationApplication Feux de route pour Feux de route pour automobileautomobile
ApplicationApplication
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Composants pour Composants pour mécanique de précisionmécanique de précision
ElectroElectro--OptiqueOptique
Optique ophtalmiqueOptique ophtalmique
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Diamond turn electroless nickel mold pins, CC aspheric with 3.2mm of sagittal depth over a 9.5mm aperture.
Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 1000 RPMDepth of cut = 2µmFeed Rate = 2.5mm/minTool = natural diamondMaterial = electroless nickel
•Diffractive Applications•Infrared Applications•Ophthalmic, Commercial and Military Applications
ApplicationsApplications
Ra 3.0 nm Rms 2.4 nm
Hard turn hardened steel, CC cone 13mm in diameter.
Machining ParametersMachining ParametersWork Spindle = 4500 RPMDepth of cut = 20µmFeed Rate = 100mm/minTool = 0.5mm rad. -15° rake CBN
•Precision Mechanical Components•Automotive Applications
ApplicationsApplications
Surface RoughnessSurface Roughness
Surface RoughnessSurface Roughness
App
licat
ion
Repo
rtsA
pplic
atio
n Re
ports
Application No.9905Application No.9905
Application NO.0004Application NO.0004
Form AccuracyForm Accuracy
Rt 0.1122 um
Form AccuracyForm Accuracy
Ra 4.5 nm Rms 5.8 nm
Pv 0.8902 um
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Micro Optics
• Camera lens• CCD lens• CD pick up lens• DVD pick up lens• Endoscope lens• Contact lens• Intra-ocular lens
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PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 86
Coupleur à fibre optique Coupleur à fibre optique
••Pitch:Pitch: 127µ 90° included angle127µ 90° included angle
••Spindle:Spindle: 5000 RPM5000 RPM
••Feed rate:Feed rate: 200mm/min200mm/min
••Wheel dia:Wheel dia: 75mm 75mm
MaterialsMaterials
-- SiliconSilicon
-- Fused SilicaFused Silica
-- CeramicsCeramics
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PRESENTATION CNRS LE 22/05/2003 87
Conclusions et Conclusions et commentaires de fincommentaires de fin
• SPDT peut être un moyen extrêmement utile et économique de produire des éléments optiques
• Dans certains cas, c'est le seul moyen• Pour tirer avantage de cette technologie,
essayer les approches des nouveaux systèmes et les idées non conventionnelles
• Rappelez-vous Einstein: "L'imagination est plus importante que la connaissance"