Collaborative Research: Manufacturing of Complex Optical Elements for Advanced Imaging Systems

合作研究:先进成像系统复杂光学元件的制造

基本信息

  • 批准号:
    2210365
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 29.17万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-05-01 至 2025-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This grant supports research that contributes new knowledge related to an advanced manufacturing process that is required for creating complex optical components. It will promote the advancement of science and strengthen our national capabilities for manufacturing of advanced optical systems. Ultra-precision machines utilize single crystal diamond tools to manufacture optics with dimensional accuracies that are on the order of a small fraction of the diameter of a human hair, approximately one ten-millionth of one meter. New ultra-precision machine technology enables the manufacture of optics of nearly arbitrary shape, known as freeform optics. This freedom allows optics designers to think in entirely new ways. As one of the enabling technologies for freeform optics, ultra-precision machining is poised to play a major role in an optical revolution. A prime application area of this technology is the manufacture of optics for thermal imaging and night vision systems. This award supports fundamental research needed for the cost-effective manufacture of freeform optics. While the immediate impact area is thermal imaging, the research has broader application to many industry sectors critical to the U.S. economic sectors including solar energy, healthcare, biomedical, aerospace, defense and automotive. This research crosses the disciplines of manufacturing, mechanical engineering, materials science and optical science and the multi-disciplinary approach is used to broaden participation of underrepresented groups in research and positively impact engineering education.The research objective of this study is to test the hypothesis that there is a shift in material removal mechanism at increased cutting velocities when single point diamond machining brittle single crystal materials such as germanium or silicon. Ultra-precision diamond machining experiments will be performed at the University of North Carolina at Charlotte that are designed to explore the effect of increased cutting velocities on the governing cutting mechanics. The study will focus on 1) high speed diamond flycutting, 2) high speed orthogonal cutting using a fast tool servo to allow rapid tool withdrawal from the cut, and 3) ohmic contact cutting to explore the possibility of a material phase change. High bandwidth dynamic forces, chip morphology and changes in material phase, if any, will be quantified. The surface and subsurface of the machined specimens will be characterized by atomic force microscopy, channeling Rutherford backscattering spectrometry, Raman spectroscopy and cross-sectional transmission electron microscopy to be performed at Oklahoma State University and Los Alamos National Laboratory.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
这笔赠款支持研究贡献与制造复杂光学元件所需的先进制造工艺相关的新知识。它将促进科学进步,增强我国先进光学系统的制造能力。超精密机器利用单晶金刚石工具来制造尺寸精度约为人类头发直径的一小部分(大约一米的百万分之一)的光学器件。 新的超精密机器技术可以制造几乎任意形状的光学器件,称为自由曲面光学器件。 这种自由使光学设计师能够以全新的方式思考。 作为自由曲面光学的支持技术之一,超精密加工有望在光学革命中发挥重要作用。 该技术的主要应用领域是热成像和夜视系统光学器件的制造。该奖项支持经济高效地制造自由曲面光学器件所需的基础研究。 虽然直接影响领域是热成像,但该研究在对美国经济至关重要的许多行业领域有着更广泛的应用,包括太阳能、医疗保健、生物医学、航空航天、国防和汽车。 这项研究跨越了制造、机械工程、材料科学和光学科学等学科,采用多学科方法扩大代表性不足群体对研究的参与,并对工程教育产生积极影响。本研究的研究目的是检验以下假设:当单点金刚石加工脆性单晶材料(例如锗或硅)时,随着切削速度的增加,材料去除机制会发生变化。超精密金刚石加工实验将在北卡罗来纳大学夏洛特分校进行,旨在探索增加切削速度对控制切削力学的影响。该研究将重点关注 1) 高速金刚石飞切,2) 使用快速刀具伺服系统进行高速正交切削,以允许刀具快速退出切削,以及 3) 欧姆接触切削,以探索材料相变的可能性。高带宽动态力、芯片形态和材料相的变化(如果有)将被量化。加工样品的表面和次表面将通过在俄克拉荷马州立大学和洛斯阿拉莫斯国家实验室进行的原子力显微镜、通道卢瑟福背散射光谱、拉曼光谱和横截面透射电子显微镜进行表征。该奖项反映了 NSF 的法定使命和通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准进行评估,该项目被认为值得支持。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Effect of cutting speed in single point diamond turning of (100)Ge
(100)Ge 单点金刚石车削中切削速度的影响
  • DOI:
    10.1016/j.mfglet.2023.08.144
  • 发表时间:
    2023-11
  • 期刊:
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Tunesi, M.;Sizemore, N.E.;Davies, M.A.;Lucca, D.A.
  • 通讯作者:
    Lucca, D.A.
Face Turning of Single Crystal (111)Ge: Cutting Mechanics and Surface/Subsurface Characteristics
单晶 (111)Ge 的端面车削:切削力学和表面/次表面特性
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