La idea de una cámara completamente impresa en 3D , una máquina con muchos componentes complejos, ha estado flotando en Formlabs desde que experimentamos por primera vez con la creación de lentes impresas en 3D .
Nuestro ingeniero de aplicaciones, Amos Dudley, asumió el desafío y creó la primera cámara de lentes intercambiables totalmente impresa en 3D, producida íntegramente en una impresora 3D SLA de Formlabs .
La primera cámara de lentes intercambiables totalmente impresa en 3D se fabricó íntegramente en la Form 2.
La impresión 3D con resina transparente y estereolitografía (SLA) de Formlabs puede crear objetos transparentes que, con un poco de procesamiento posterior, pueden volverse ópticamente claros. La última impresora 3D SLA de Formlabs, la Form 3 , lleva la claridad un paso más allá mediante el uso de un tanque de resina flexible que reduce las fuerzas de pelado, lo que da como resultado piezas más claras con un acabado de superficie suave.
La lente de una cámara es un emocionante caso de prueba para la posibilidad de impresiones ópticamente claras porque los resultados se ven y se miden muy fácilmente en la película.
Lea nuestra guía para obtener una lista de métodos de acabado para crear piezas claras impresas en 3D para una variedad de aplicaciones, desde óptica hasta tubos de luz y fluídica.
Paso 1: Diseñar la lente, equilibrar la distorsión
La fabricación de una lente funcional comienza con el diseño adecuado de la lente. El software de diseño óptico ayuda a los diseñadores de lentes a predecir el comportamiento de una lente y las restricciones que la lente impondrá en una cámara.
Los diseñadores de lentes profesionales usan paquetes ópticos como Zemax y Code V , pero estos programas pueden costar miles de dólares. Los paquetes de software gratuitos y de código abierto como Optical Ray Tracer son alternativas adecuadas.
Los objetivos de las cámaras comerciales utilizan varios elementos para corregir las distorsiones ópticas que suelen afectar a los objetivos esféricos, como la aberración esférica, el coma y la curvatura de campo. En aras de la simplicidad, la cámara impresa en 3D está diseñada en torno a un único elemento de lente esférica.
La imagen inferior muestra cómo una apertura más pequeña aumenta el enfoque.
Cada lado de una lente esférica es una sección de una esfera con un radio dado. Al insertar el valor del índice de refracción de la resina transparente (1,5403) en el rastreador de rayos ópticos, se muestra que una lente simétrica con un radio esférico de 50 mm se enfoca aproximadamente a 47,5 mm del centro de la lente.
Una lente de un solo objetivo para una cámara necesita equilibrar la potencia óptica con la distorsión. Una lente de longitud focal larga y baja potencia tendrá menos distorsión, pero un campo de visión estrecho. Es difícil apuntar una cámara si el campo de visión de su lente es demasiado estrecho. Reducir el tamaño de la apertura ayuda a eliminar cierta distorsión de coma, como se ve arriba.
Un buen compromiso entre estos factores es una distancia focal de 50 mm, que es lo suficientemente amplia como para colocar un sujeto dentro del marco.
La lente se modela como la intersección de dos esferas y un cilindro.
Una vez que se diseña la lente, se puede modelar en un programa CAD. Dado que la lente es simétrica, esto es tan simple como cruzar dos esferas de 50 mm a la distancia correcta. La distancia define el radio y el grosor de la lente, pero no afecta radicalmente a la óptica. La lente fue diseñada para tener 40 mm de diámetro con un borde cilíndrico de 2 mm.
Paso 2: Óptica de impresión 3D con una impresora 3D de Formlabs
Si imprime en 3D en una impresora 3D SLA de Formlabs, considere diferentes orientaciones y resoluciones para imprimir sus lentes en 3D:
Una lente impresa en 3D horizontalmente puede tener artefactos de línea de capa hacia el centro del eje de la lente.
Una lente impresa en 3D perfectamente verticalmente puede estar sujeta a cierta distorsión causada por el proceso aditivo.
Las lentes más claras se imprimieron en un ángulo de 30° con respecto a la plataforma de construcción, con soportes colocados solo a lo largo del borde para evitar marcas de soporte en las superficies importantes de las lentes.
Paso 3: Abordar los desafíos en el acabado
Probar diferentes métodos de pulido de lentes, incluido el lijado a mano y el pulido a máquina.
Probamos tres métodos para pulir lentes hasta obtener claridad óptica: lijado manual, lijado automático y inmersión.
Intento 1: lijado manual
Utilizamos una gama de lijas y almohadillas de micromalla con granos de 400 a 12000, en incrementos de 200, y lentes pulidas hasta lograr un acabado muy suave. Esto se hizo lentamente y con mucho cuidado para limpiar la lente entre los niveles de grano y eliminar los rayones del nivel anterior antes de pasar al siguiente.
Con alrededor de 3000 granos, las lentes impresas en 3D SLA se vuelven brillantes y muy suaves al tacto. Por grano 12000, son reflectantes.
Para hacer una lente impresa en 3D ópticamente clara, todas las líneas de capa deben eliminarse por completo, lo que no fue posible a mano. A pesar de que las lentes eran suaves al tacto, los reflejos aún parecían borrosos y aún se veían microarañazos al sostener las lentes en un ángulo poco profundo con respecto a la luz.
La lente era clara como una lupa, pero como lente de enfoque no era lo suficientemente precisa.
Intento 2: lijado automatizado
Era difícil controlar la cantidad de material lijado en las primeras etapas del lijado manual, donde se eliminaba la mayor parte de las líneas de capa. El siguiente paso fue probar un método automatizado para reducir las líneas de capa.
Amos diseñó e imprimió una máquina pulidora de lentes con la esperanza de reducir parte del error.
La velocidad de rotación de la lente en la máquina pulidora de lentes está controlada por un Arduino.
Dentro de la máquina de lentes, la lente gira contra el interior de un plato con el mismo radio esférico. El plato también gira, pero fuera del eje de la lente en 45 grados, ya una velocidad diferente.
La lente está conectada a un servomotor con un acoplamiento cinemático que combina piezas impresas en 3D, resortes y pequeños remaches. El acoplamiento mantiene la lente presionada firmemente, pero de manera flexible, contra el plato y permite que se “tambalee” a medida que gira. El plato contiene una pequeña cantidad de agua y compuesto de pulido de diamante como abrasivo, y está hecho de la misma resina transparente que la lente.
La máquina redujo rápidamente las líneas de capas, pero no podía usarse fácilmente para todo el proceso. El plato tendría que ser reemplazado entre las capas de pulido para que la arena no se transfiera a niveles más finos de pulido.