앞선 CAE도구로 광학 제품의 왜곡 및 굴절률 확인

 

고객 소개
OSU_Ohio-State-University

오하이오 주립대학교 산하 정밀 엔지니어링 실험실은 지난 2002년 설립되었으며, 현재 5명의 박사 및 석사들로 구성되어 있다. 실험실 주임 Allen Yi 교수는 오하이오 주립대학교로 오기 전 코닝 정밀렌즈회사(康寧精密透鏡公司)에 재직한 바 있다. Yi교수의 주된 연구분야는 정밀 엔지니어링으로, 특히 광학 정밀 가공 및 미세 기계 가공을 중점적으로 연구하고 있다. 오하이오 주립대학의 정밀 엔지니어링 실험실은 연구 개발 비용이 비교적 저렴한 곡면 렌즈 분야에서 세계적인 명성을 얻 고 있다. (Source: https://www.osu.edu/ )

개요

정밀사출 성형기술은 대량 생산되는 저렴한 광학 부품의 생산에 주로 활용된다. 다만 제조 과정 중 제품의 변형 및 굴절률 분포의 불균형 현상이 자주 발생하는 문제가 있다. 실무에서는 유한 요소법을 통해 자유 곡면 Alvarez 렌즈가 사출 성형 과정에서 받게 되는 영향을 분석하는 방법이 많이 활용되고 있으며, 광학 파면 간섭계도 동시에 사용되고 있다. 해당 측량 작업은 굴절율 Optical Matching Liquid를 사용해 렌즈 표면의 디옵터를 낮추거나 제거함으로써, 파면에 큰 편차가 있는 경우라도 일반적인 파면 측량 시스템으로 측정이 가능하게 한다. 본 사례에서 Moldex3D는 표면 변형 및 굴절률 분포가 파면 변화에 주는 영향을 분석하는데 사용되었다.

목표

  • 열에 의한 제품의 수축, 균일하지 않은 굴절률 분포 및 복굴절 등 광학 제품의 품질 문제 해결
  • 유한요소법을 사용한 성형 과정 시뮬레이션
  • 자유 곡면 광학 제품의 정밀사출 성형 과정의 분석
  • 광학 제품 시뮬레이션의 결과 확인

해결안

Moldex3D는 중요하고 정확한 다음 두 가지의 시뮬레이션 수치를 제공한다. 바로 자유 곡면 광학 제품의 제품 왜곡과 굴절률 분포이다. 충진, 보압, 냉각 등 각 단계에서의 실제 3D 시뮬레이션 결과가 반영된다.

장점

  • 정밀사출 성형의 자유 곡면 광학 제품의 품질 관리 강화
  • 기하학적 변형 결과의 시각화 및 측량
  • 굴절률 변화의 시각화 및 측량
  • 제품 표면의 변형 및 굴절률이 파면에 미치는 영향의 이해

사례

본 사례의 목표는 유한요소 모델을 활용해 자유 곡면 광학 제품의 기하학적 변형 및 굴절률을 계산하고, 더 나아가 파면을 측량해 정밀사출 렌즈의 효과를 확보하는 것이다. 동시에 시뮬레이션과 실제 측량 결과를 비교함으로써 광학 제품에 대한 CAE 시뮬레이션 정확도와 적용 가능성에 대해 확인하였다.

Moldex3D를 사용해 3D 유한 원소 모형(HyperMesh로 제작되었다.)을 제품 변형 및 굴절률 분포 시뮬레이션에 활용하였다(그림1). 제품에 사용된 재료는 PMMA Plexiglas V825이다. Moldex3D는 제품 표면의 변형 및 굴절률 분포의 불균형 현상을 계측하고 시각화할 수 있었고(그림2). 이어 다시 실제 측량 수치와의 비교를 통해 확인하였다.

using-novel-cae-tools-to-verify-warpage-and-refractive-index-of-optical-parts-1그림1 10층의 육각 프리즘 메쉬로 구성된 3D 메쉬 모형(좌) 및 런너 시스템(우) 제작
using-novel-cae-tools-to-verify-warpage-and-refractive-index-of-optical-parts-2그림2 정밀사출 성형 Alvarez 렌즈(좌) 및 그 표면 변형의 시각화 결과(우)

본 사례의 주 목적은 시뮬레이션 결과의 확인(그림3 및 4)이기 때문에 제품의 원설계를 변형하지는 않았다. 후속 연구 과정에서 해당 정밀사출 제품의 설계를 변형해 최적화할 예정이다.

using-novel-cae-tools-to-verify-warpage-and-refractive-index-of-optical-parts-3그림3 정밀사출 성형 Alvarez 렌즈의 표면 변형 시뮬레이션 결과(좌)와
실제 측량 결과(우)의 비교
using-novel-cae-tools-to-verify-warpage-and-refractive-index-of-optical-parts-4그림4 정밀사출 성형 Alvarez 렌즈의 굴절률 분포 시뮬레이션 결과(좌)와
실제 측량 결과(우)의 비교

이어 해당 자유 곡면 렌즈 파면의 특징을 확인하였다. 먼저 간섭계 시스템 설정을 통해 정밀사출 성형된 Alvarez 렌즈의 파면을 측량하고 균일한 굴절률 분포를 가지는 정규형상의 파면결과와 비교하였다. 렌즈는 굴절률 고정 액체에 투입하였다. 액체의 굴절률과 렌즈 표면의 굴절률이 동일한 경우, 측량된 파면 특징은 곧 렌즈 내부의 굴절률 변화를 의미한다. 상대적으로 통제된 굴절률과 표면 굴절률이 동일하지 않은 경우, 측량된 파면 특징은 주로 표면 디옵터에 의해 결정되었음을 의미한다.

using-novel-cae-tools-to-verify-warpage-and-refractive-index-of-optical-parts-5그림5 정규형상의 파면(좌)과 실제 측량된 파면(중앙), 및 양자의 차이(우)

결과에 따르면 파면의 편차는 정규형상은 15.89λ, 실제 측량된 수치는 15.8λ였다. 두 개의 국부적인 파면 특징 중 가장 큰 차이는 5% 미만이었으며, 제품의 중앙 및 가장자리 부분에서 가장 큰 차이를 보였다. 위 과정을 통해 차이를 만들어 낸 주요 원인은 정밀사출 성형 제품 표면의 변형과 굴절률 변화의 종합적인 영향에 의한 것임이 확인되었다. 이러한 사실 역시 Moldex3D의 예측과 일치하는 것이었다.

결론

Moldex3D의 분석을 통해 정밀사출 성형으로 제작된 자유 곡면 광학 제품의 왜곡 정도 및 굴절률을 예측하고 확인할 수 있었다. 이는 사용자가 표면 변형 및 굴절률 변화 등의 잠재 요소가 파면의 변화에 어떠한 영향을 주는지 더욱 면밀하게 이해하는데 도움을 주었다. 또한, 균일한 굴절률 분포를 가진 변형되지 않은 렌즈와, 굴절률 분포가 불균일해 변형된 미세 사출 Alvarez 렌즈 사이의 파면 특징 차이 역시 Moldex3D의 분석을 통해 확인할 수 있었으며, 그 주요 원인은 굴절률과 표면 변형 모두의 영향에 기인한다는 것이 밝혀졌다. 이 밖에도 충진, 보압, 냉각 등 단계에서의 실제 3D 시뮬레이션 결과도 동시에 얻을 수 있었다. 더욱 중요한 점은 Moldex3D가 제품 연구 개발 주기를 대폭 단축시켜 주었으며, 응력 분석, 복굴절 분석, 통합 광학 제품 부품 성형 및 실험 계획법(DOE)을 이용한 사출 과정의 최적화, 파면 차이의 감소 등 미래의 연구 개발에 필요한 수많은 가치 있는 정보를 제공하였다는 점이다.


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