光学镜片的成型工艺和Abaqus材料本构

光学镜片是超精密部件，也是高精设备的核心部件。 创新的材料科学和制造技术是镜片设计过程的基石。

光学镜头由于复杂的材料性能，光学镜片厂家在制造成型过程中会出现结构张弛，导致最终产品不符合设计意图，要么使用昂贵铂抛光，要么通过迭代原始形状，减少抛光量，就时间、金钱和浪费而言，每次迭代都极其昂贵。

要打造世界级光学产品，对其成型过程和结构性能作仿真验证，能够驱动设计加快产品开发。

从本质上说，依靠专业知识，在虚拟环境中重建物理过程，通过仿真能够研究更多的工况场景，考虑更多的变量，作为实际设计的前期虚拟设计。 

非球面透镜

非球面透镜是对球面加以校正，能够补偿光学畸变，其优势有镜头计数减少、装配更方便、内部反射减少等。非球面透镜的外形设计是为了避免传统球面透镜产生的光学像差。

传统的球面镜头制造技术涉及磨削、研磨和抛光的迭行过程，以获得所需表面轮廓；非球面透镜表面的生产需要专门的抛光技术，光学镜片厂家如磁流变加工和精密抛光方法。虽然能够生产出非常高质量的透镜表面，但生产成本很高，切割液体和某些玻璃类型的铅等副产品对环境极具危害。

模压成形工艺

近年来，精密的模压光学玻璃工艺由于其成本效益显著，用于生产非球面透镜轮廓的趋势愈来愈明显，其生产成型工艺如下。 

    加热：对模具和预制件进行加热

    模压：施加1.5-2kN的恒定力

    冷却：维持为500N，应用氮冷却

    释放：将力降低到0N，加热关闭

    测量：使用触觉或非触觉测量提取和评估表面轮廓

    抛光：自动化控制抛光或磁流精加工

可塑玻璃L-BAL35的成型工艺过程的热和力随时间变化如下，峰值温度约590℃，下图曲线随后设置为仿真的边界和载荷。

材料性能和本构模型

玻璃呈现三种状态：固体、过渡和液体，三种状态下的材料性能极大不同。

体积性能也有所不同

左图显示加热或冷却过程中玻璃体积或焓变化与金属的比较；右图将玻璃体积收缩描绘成温度函数，当玻璃过渡区域以不同的冷却速率qc1、q_c2，从成型温度冷却。镜片的回弹正是源于温度的突然变化。

Abaqus提供了应力松弛的本构，如下图。

参照Balajee Ananthasayanam的学位论文

“COMPUTIONAL MODELING OF PRECISIONMOLDING OF ASPHERIC GLASS OPTICS”，LBAL-35玻璃光学镜头的材料参数如下表。

成型关键

下图所示有中心厚度、初始预制件、实际成型件和期望成型件轮廓等。

如何确定镜头是好是坏呢？需要可以衡量的数量，光学镜片厂家即轮廓偏差。计算公式如下：

最大允许的轮廓偏差要小于1µm。

将镜头归类为"GO"或"NO GO"的标准是预期轮廓与实际轮廓之间的偏差值。

总结

本文仅仅概述了光学镜头的成型工艺和材料本构，下文继续对其进行仿真求解，光学镜片厂家以及后续的优化设计。