CC BY
27
УДК 681.7
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ В РАЗРАБОТКЕ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ВИДЕОКАМЕР НАНОДРОНОВ
Марина Петровна Егоренко
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, старший преподаватель кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: e_m_p@mail.ru
Виктор Сергеевич Ефремов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: ews49@mail.ru
Иван Александрович Катков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: ichikkid@gmail.com
Проведено сравнение современных технологий получения преломляющих поверхностей оптических деталей, достижимых параметров в сравнении с технологией 3D печати и с расчетными значениями допусков на разработку оптических систем видеокамер нанодронов.
Ключевые слова: оптический материал, оптические свойства, выбор, требования к нанодрону, 3D печать.
PERSPECTIVES OF TECHNOLOGY 3D PRINTING IN THE DEVELOPMENT OF OPTICAL SYSTEMS CAMERA NANODRONS
Marina P. Egorenko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., senior lecturer of the Department of Nanosystems and Optics Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: e_m_p@mail.ru
Victor S. Efremov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D. associate Professor of the Department of Nanosystems and Optics Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: ews49@mail.ru
Ivan A. Katkov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optics Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: ichikkid@gmail.com
A comparison of modern technologies of refractive surfaces of optical components, attainable parameters in comparison with the technology of 3D printing and with the calculated values of the tolerances for the development of optical systems nanodrons cameras.
Key words: optical material, the optical properties, the choice to the requirements of nanodron, 3D printing.
Разработкой беспилотных летательных аппаратов или дронов активно занимаются многие лаборатории мира. Это одно из самых перспективных направлений развития современных технологий, так как дроны могут использоваться для выполнения миссий потенциально опасных или же сложных для человека.
Нанодроны - маленькие, иногда миниатюрные летательные устройства, обладают огромными возможностями. Их уже сейчас используют для задач тактической разведки как в гражданских, так и в военных целях (например, нанодрон PD-100 Black Hornet [1, 2].
Особенно жесткие требования по массогабаритным характеристикам предъявляются к перспективным разработкам оптических систем видеокамер нанодронов «особо» малого размера (например, размером с крупных насекомых), разработка которых ведется в разных странах мира, в том числе и в России [3].
При разработке оптических систем видеокамер нанодронов «особо» малого размера следует учитывать технологию изготовления оптических деталей. Малые диаметры линз (1-5 мм и менее) ограничивают возможности традиционных технологий. Так положительные линзы микро- и фотообъективов, светосильных конденсоров из неорганических материалов с радиусами R1 < 15 мм <R2 и отношением d1= (0,8 - 1,3) R1, точностью формы поверхности N = 1,0, AN = 0,2 и чистотой Р от II до IV класса составляют тип деталей, изготовляемых по особой «шариковой» технологии. Шариковая технология предъявляет высокие требования к точности размеров заготовки, что значительно удорожает производство оптических деталей [4]. Кроме того, фактор массы оптического материала является основным, поэтому силикатные стекла и другие неорганические материалы не желательны к применению.
Для разработки «сверхлегкой» оптической системы, было проведено исследование оптических и физических свойств разных материалов [5-8]. При этом, явное преимущество по плотности имели органические материалы - оптические пластики: полиметилметакрилат (ПММА), полистирол (ПС), поликарбонат (ПК), силоксан (силикон), стирол-акрилонитрил (САН). Для ряда пластиков и фотополимеров полных оптико-физических данных получить не удалось. На рисунке приведены некоторые физико-химические параметры ряда пластических материалов.
Для разработки «сверхлегкой» оптической системы видеокамеры нанодро-нов «особо» малого размер было проведено исследование оптических схем выполненной из одного оптического материала. В частности, такое техническое решение по компенсации хроматизма зеркалами Манжена, было предложено в патенте [9].
Объектив имеет следующие оптические параметры:
- фокусное расстояние - 10 мм;
- диафрагменное число - 1,4,
- угол поля зрения - 12°;
- размер аберрационного кружка рассеяния - не более 3-5 мкм.
в) г)
Рис. Некоторые параметры оптических пластиков:
а) показатель преломления; б) коэффициент дисперсии; в) плотность; г) свето-пропускание
Для обеспечения такого качества изображения были рассчитаны допуски на конструктивные параметры объектива, численные значения которых приведены в таблице.
Таблица
Допуски на конструктивные параметры объектива в мм
№ пов. Радиус Отклонение Толщина Отклонение Децентрировка Наклон
- + - + по Х по Y по Х по Y
1 11,33 0,15 0,15 0,86 0,05 0,05 0,28 0,19 0,22 0,14
2 17,80 0,43 0,45 2,63 0,05 0,05 0,71 0,35 0,19 0,08
3,5,9 -24,46 0,26 0,22 0,79 0,04 0,04 0,59 0,26 0,08 0,06
4 -29,55 0,23 0,24 0,79 - - 0,37 0,10 0,10 0,03
6,8 -24,46 0,26 0,22 - - - 0,34 0,20 0,07 0,04
7 41,51 0,94 0,86 - - - 0,53 0,16 0,06 0,02
10 -29,55 0,23 0,24 2,58 0,10 0,10 0,76 0,61 0,09 0,07
11 1,91 0,36 1,15 0,29 1,55 0,70 0,26 0,14 0,26 0,18
12 4,69 1,6 7,12 0,38 - - 0,70 0,32 0,37 0,16
Рассмотрим возможности некоторых технологий для изготовления оптических деталей данного объектива.
Литьем под давлением изготавливают все виды линз из пластика [4]. Точность литых полимерных деталей сравнительно невысока: отклонение преломляющих поверхностей от заданной формы составляет 20N и более интерференционных полос. Геометрические размеры литых деталей находятся в пределах четвертого-пятого классов точности. Основным недостатком данной технологии является значительная усадка материала при остывании, что требует учета при изготовлении сферических формующих поверхностей пуансонов. Корректировка формы поверхности требуется под каждый оптический материал.
Д ri = - (kri/r2) (Г2 - ri + 0,33d),
где Д ri - необходимое изменение радиуса формующего пуансона;
ri, Г2 - расчетные радиусы линзы;
d - толщина линзы по оси;
к - коэффициент деформации (для полиметилметакрилата к = 0,031).
Сферическую поверхность пуансона выполняют с точностью до двух интерференционных полос, обеспечивая центрировку в пределах (5х10-5) - (1х10-4) м и шероховатость Rz = 0,063 - 0,050 мкм.
В качестве перспективной технологии по изготовлению микро оптики из пластических материалов можно предположить технологию 3D печати [10, 11].
Как известно, качество и точность FDM 3D принтера определяются:
- точностью позиционирования по осям X и Y - это параметр, определяющий точность перемещения печатающей головки 3D принтера относительно заданных компьютером координат. Точность позиционирования у всех принтеров практически идентична от 6 до 30 мкм.
- толщиной слоя (высота шага по оси Z) - шаг механики очень мал. Современные 3D принтеры способны сдвигать платформу на ничтожно малое расстояние - 2,5 мкм. Однако, это ограничивает высоту слоя при печати до 2,5 мкм. Существует целый ряд физических ограничений, не позволяющих создавать слои такого размера. Например, экструдер выдавливает расплавленную вязкую каплю пластика и «ничтожно мелкой» ее сделать не может.
Экспериментально определена оптимальная высота слоя для FDM 3D печати - 200 мкм. При такой высоте слоя капля образуется достаточно большой, чтобы склеиться с предыдущим слоем и надежно зафиксироваться на поверхности. Приемлемой является высота слоя 100 мкм, но такая настройка вдвое увеличивают время печати и делают объект более хрупким.
Реальный размер «точки» намного больше зависит от диаметра отверстия сопла экструдера, чем от высоты слоя. Экспериментально был определен оптимальный диаметр сопла 400-500 мкм.
Стереолитография более высококачественная технология 3D печати. Классические DLP принтеры имеют самую высокую детализацию и скорость печати на рынке. Разрешение проектора формирует размер точки. Со штатным проектором размер точки - 50 мкм, высота слоя - 50 мкм.
3D принтеры построенные на базе классической SLA технологии обеспечивают толщину лазерного луча размер точки по оси X/Y - 300 мкм и высоту слоя - 50 мкм. Существенным недостатком стереолитографии является ограниченный ассортимент прозрачных фотополимеров и отсутствие оптических данных на них.
Из сравнения данных таблицы с параметрами 3D принтеров можно сделать вывод о возможности применения технологии 3D печати для изготовления оптических деталей микро объективов видеокамер.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. PD-100 BlackHornet - разведывательный нанодрон [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://itc.ua/blogs/pd-100-black-hornet-razvedyivatelnyiy-nano-dron/>.
2. Нанодрон Crazy Flie Nano - новая высокотехнологичная забава для энтузиастов [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mir24.net/news-science/324-techno-news/3851-nanodron-crazyflie-nano-novaya-vysokotexnologichnaya-zabava-dlya-entuziastov.
3. Популярная механика. В Техасе разрабатывают «тараканов-киборгов» [Электронный ресурс]. - 2015. - Режим доступа: http://www.popmech.ru/science/56056-v-tekhase-razrabatyvayut-tarakanov-kiborgov/.
4. Справочник технолога-оптика : справочник / М. А. Окатов, Э. А. Антонов, А. Байго-жин и др. ; под ред. М. А. Окатова. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб. : Политехника, 2004. -679 с.
5. Ефремов В. С., Шлишевский В. Б. Оптические материалы и ахроматическая коррекция типовых компонентов оптических систем : учеб. пособие. - Новосибирск : СГГА, 2013. -284 с.
6. Серова В. Н. Оптические и другие материалы на основе прозрачных полимеров : монография. - Казань : КГТУ, 2010. - 540 с.
7. Слюсар В. И. Фаббер-технологии. Новое средство трехмерного моделирования // Электроника: наука, технология, бизнес. - 2003. - № 5. - C. 54-60.
8. Катков И. А., Егоренко М. П. Анализ свойств оптических материалов для многодиапазонных объективов видеокамер нанодронов /// Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2016. XII Между-нар. науч. конгр. : Магистерская научная сессия «Первые шаги в науке» : сб. материалов (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. - С. 3-7.
9. Пат. 98072 на полезную модель Российская Федерация, МПК^02В 17/00. Российская Федерация МПК51 GO1C 3/00; Двухспектральная зеркально-линзовая система / М. П. Егоренко, В. С. Ефремов; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная геодезическая академия. - № 2010108755/22(012273); заявл. 09.03.10, опубл. 27.09.10.
10. Ликбез о точности и качестве современной 3Д печати. FDM, SLA 3D принтеры [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://3dprinter.ua/3d-print-quality/.
11. Вся правда о быстром прототипировании. Достоинства и недостатки технологии FDM глазами независимого эксперта [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sapr.ru/article.aspx?id=8311.
© М. П. Егоренко, В. С. Ефремов, И. А. Катков, 2017
