עיבוד בחוד יהלום

עיבוד בחוד יהלום הוא עיבוד עם יהלום בתור כלי העיבוד, להבדיל מכלים בהם ראש העיבוד כולל אבקת יהלומים או יהלומים זעירים. זהו תהליך של עיבוד מכני של אלמנטים מדויקים באמצעות מחרטה או כרסומת המצוידים בכלי מיהלום טבעי או מלאכותי. למרות שמדברים על חוד יהלום, בפועל מדובר בקצה כדורי עם או חוד עם עיצוב אחר. עיבוד בחוד יהלום משמש במיוחד בייצור אלמנטים אופטיים אספריים באיכות גבוהה מגבישים, מתכות קשות ועוד. בנוסף, משתמשים בעיבוד בחוד יהלום כדי לעצב תבניות יציקה מדויקות לעדשות פלסטיק. אלמנטים אופטיים המיוצרים באמצעות ליטוש בחוד יהלום משמשים במכלולים אופטיים בטלסקופים, מקרני וידאו, מערכות הנחיית טילים, לייזרים, מכשירי מחקר מדעיים, ועוד. רוב העיבוד בחוד יהלום כיום נעשה באמצעות כלי עיבוד ממוחשבים (CNC). יהלומים משמשים גם בתהליכי עיבוד אחרים, כגון השחזה. משטחים שלוטשו בחוד יהלום הם מבריקים מאוד ואינם דורשים לליטוש נוסף, בניגוד למשטחים אחרים שעובדו על ידי כלי מתכת.

התהליך

ליטוש בחוד יהלום הוא תהליך רב-שלבי. בשלבי עיבוד ראשוניים משתמשים בסדרה של מחרטות CNC ברמת דיוק הולכת וגוברת. בשלב הסופי משתמשים במחרטה עם כלי יהלום כדי להשיג גימור פני שטח תת- ננומטרי ודיוק תת- מיקרומטר.^[1] איכות גימור השטח נמדדת כמרחק שיא לעמק של החריצים שהשאירה המחרטה. דיוק הליטוש נמדד כסטייה ממוצעת מצורת היעד הרצויה. איכות גימור השטח ודיוק הצורה מנוטרת לאורך כל תהליך הייצור תוך שימוש בציוד כגון מדי מגע ולייזר, אינטרפרומטרי לייזר, מיקרוסקופ אופטי ומיקרוסקופ אלקטרונים .בליטוש בחוד יהלום משתמשים בייצור אופטיקה בתחום התת-אדום, מכיוון שבאורכי גל ארוכים יותר מאשר בנראה הביצועים האופטיים פחות רגישים לאיכות גימור פני השטח, ומשום שרבים מהחומרים המשמשים קשים מדי לליטוש בשיטות מסורתיות.

בקרת טמפרטורה היא קריטית מכיוון שהמשטח חייב להיות מדויק יותר מאורך הגל של האור. שינויי טמפרטורה של כמה מעלות במהלך העיבוד עשויים לשנות את צורת המשטח מספיק כדי להשפיע. ניתן לקרר את הציר הראשי בעזרת נוזל קירור נוזלי כדי למנוע סטיות טמפרטורה.

היהלומים המשמשים בתהליך חזקים להפליא בכיוון האנכי כלפי מטה אך חלשים מאוד בכיוונים כלפי מעלה והצד.

העבודה עם כלי יהלום

יהלומים טבעיים באיכות הטובה ביותר משמשים כחודים של כלי העיבוד בשלבי העיבוד האחרונים. המחרטה הממוחשבת לעיבוד בחוד יהלום מונחת על בסיס גרניט עם גימור פני השטח ברמת המיקרומטר. בסיס הגרניט ממוקם על מתלי אוויר על בסיס יציב, ושומר על משטח העבודה שלו בצורה אופקית לחלוטין. רכיבי כלי המכונה מונחים על גבי בסיס הגרניט וניתן להזיזם ברמת דיוק גבוהה באמצעות כרית אוויר בלחץ גבוה או מתלה הידראולי. העובד מחובר למלחציים באמצעות לחץ אוויר שלילי וממוקם ידנית באמצעות מיקרומטר. המלחציים מופרדים מהמנוע החשמלי שמסובב את העובד באמצעות מתלי אוויר נוספים.

כלי היהלום מוזז בדיוק תת-מיקרוני על ידי שילוב של מנועים חשמליים ומפעילים פיזואלקטריים . כמו במכונות CNC אחרות, תנועת הכלי נשלטת על ידי רשימת קואורדינטות שנוצרת על ידי מחשב. בדרך כלל, החלק המיוצר מתואר תחילה באמצעות דגם CAD, ואז מומר לקוד G באמצעות תוכנית CAM, ולבסוף קוד ה- G מבוצע על ידי מחשב הבקרה של המכונה כדי להזיז את כלי היהלום. ^[^{דרוש מקור]} המשטח הסופי מושג באמצעות סדרת מעברי חיתוך בעומק יורד.

שיטות חילופיות לעיבוד בחוד יהלום כוללות fly cutting, וכירסום. ניתן להשתמש ב- fly cutting כדי לייצר סריג עקיפה ומבנים דיפרקטיביים אחרים. ניתן להשתמש בקידוח יהלומים ליצירת מערכי עדשות אספריות באמצעות שיטות חיתוך טבעתיות בעזרת כלי יהלום כדורי.

התבצע מחקר על הארכת חיי כלי היהלומים בגלל עלותו הגבוהה. תהליכים היברידיים כמו עיבוד עזר בלייזר צצו בענף זה לאחרונה.^[2] הלייזר מרכך חומרים קשים לעיבוד כמו קרמיקה ומוליכים למחצה, ומקל על העיבוד בחוד יהלום.^[3]

חומרים

עיבוד בחוד יהלום שימושי במיוחד לחיתוך מרכיבים אופטיים לתחום התת-אדום ורכיבים אופטיים לא ליניאריים מסוימים כמו אשלגן דיהידרוגן פוספט (KDP. (KDP מתאים לעיבוד בחוד יהלום מכיוון שאי אפשר לעבדו בשיטות מקובלות בגלל מסיסותו במים. החומרים המתאימים לעיבוד בחוד יהלום כוללים:^[4]

פלסטיקה:אקריליק, ניילון, פוליקרבונט, פוליפרופילן.
מתכות:אלומיניום ו סגסוגות אלומיניום, פליז, נחושת, זהב, סגסוגות ניקל-זרחן, כסף, בדיל, אבץ, בריליום,טיטניום, מוליבדן, ניקל (למעט ניקל שצופה בתהליך לא אלקטרוליטי).
גבישי תת-אדום: קדמיום גופרתי, קדמיום טאלוריד, סידן פלואוריד, סידן יודיד, גליום ארסניד, גרמניום, ליתיום ניובט, אשלגן ברומיד, אשלגן דיהידרוגני פוספט (KDP), סיליקון, נתרן כלורי (מלח בישול גבישי), טלריום דו חמצני, אבץ סלניד, אבץ גופרתי.

משקפיים וקרמיקה מבוססי סיליקון
זכוכית אופטית
חומרים ברזליים ( פלדה, ברזל ). חומרים ברזלים אינם ניתנים לעיבוד קל מכיוון שהפחמן בכלי היהלום מגיב כימית עם המצע, דבר שמוביל לנזק לחוד היהלום ולהקהייתו לאחר זמן עיבוד קצר.

ביקורת איכות

למרות כל האוטומציה הכרוכה בעיבוד בחוד יהלום, המפעיל האנושי עדיין ממלא את התפקיד העיקרי בהשגת התוצאה הסופית. בקרת איכות היא חלק עיקרי מתהליך העיבוד בחוד יהלום והבקרה נדרשת לאחר כל שלב של עיבוד שבבי, לעיתים אף לאחר כל מעבר של כלי היהלומים. אם ליקוי לא מתגלה מייד, הוא עלול לגרום לכישלון העיבוד. הדרישות הגבוהות במיוחד לאיכות אופטיקה המלוטשת בחוד יהלום אינה משאירה כמעט מקום לטעויות.

תהליך הייצור של בחוד יהלום מייצר אחוז גבוה יחסית של חלקים פגומים. כתוצאה מכך, עלויות הייצור גבוהות לעומת שיטות ליטוש קונבנציונליות. אפילו בנפח הגבוה יחסית של רכיבים אופטיים המיוצרים באמצעות חוד יהלום, לא ניתן לסווג תהליך זה כייצור המוני, במיוחד בהשוואה לייצור אופטיקה מלוטשת. כל אלמנט אופטי עם יהלומים מיוצר על בסיס אינדיבידואלי עם עבודת כפיים נרחבת.

בישראל

בשנים 1969-1972 קיימה ישקר מחלקה ליצור כלי יהלומים לליטוש בחוד יהלום.^[5] בעקבות סגירת המחלקה הקים עובד המחלקה שמואל ברגר בעיר נתניה מפעל ליצור כלי יהלומים, שפעל בניהולו בשנים 1972-1989. המפעל סיפק כלי יהלומים לשמיר אופטיקה^[6] ולחברות נוספות.
במקביל פעל ביפו מפעל דיאפוינט כלי יהלום בבעלות אברהם אוסלנדר, אשר מכר ב-2013 את החברה להראל גנץ ולאורון גולקרוב אשר מאז מפעילים את החברה מאזור התעשייה בברקן.^[7]

כלי יהלום לליטוש בחוד יהלום מתוצרת דיאפוינט

חברת אופיר אופטרוניקס מירושלים מיצרת רכיבים אופטיים ומלטשת אותם בחוד יהלום.^[1] חברה נוספת המשתמשת בחוד יהלום לליטוש אופטיקה היא א. אופטיקל מחולון.^[8]

ראו גם

הערות שוליים

^ ¹ ² אופיר אופטרוניקס, רכיבים אופטיים צבאיים לתחום התת-אדום, ‏12.5.2020
^ Mohammadi, Hossein; Poyraz, H. Bogac; Ravindra, Deepak; Patten, John A. (2014). "Single point diamond turning of silicon by using micro-laser assisted machining Technique". ASME 2014 International Manufacturing Science and Engineering Conference. 2. doi:10.1115/MSEC2014-4138.
^ Mohammadi, Hossein; Poyraz, H. Bogac; Ravindra, Deepak; Patten, John A. (2015). "Surface finish improvement of an unpolished silicon wafer using micro-laser assisted machining". International Journal of Abrasive Technology. 7 (2): 107–121. doi:10.1504/IJAT.2015.073805.
^ Mark Craig Gerchman (1986). "Specifications and manufacturing considerations of diamond-machined optical components" (PDF). Optical Components Specifications for Laser-based Systems and other Modern Optical Systems. 607: 36–45.
^ סטף ורטהיימר, איש ליד מכונה-סיפור חיים, רעיונות ומעשים, תל-אביב: ידיעות אחרונות ספרי חמד, 2011, עמ' 126
^ שמיר אופטיקה, חברה ליצור עדשות אופטיות
^ המכון הישראלי ליהלומים, מיהלומי תעשיה לכלי יהלום, ‏21.1.2016
^ א. אופטיקל קומפוננטס בע"מ, ‏18.5.2020

[:0-1] ¹ ² אופיר אופטרוניקס, רכיבים אופטיים צבאיים לתחום התת-אדום, ‏12.5.2020

[Mohammadi-2] Mohammadi, Hossein; Poyraz, H. Bogac; Ravindra, Deepak; Patten, John A. (2014). "Single point diamond turning of silicon by using micro-laser assisted machining Technique". ASME 2014 International Manufacturing Science and Engineering Conference. 2. doi:10.1115/MSEC2014-4138.

[Mohammadi2-3] Mohammadi, Hossein; Poyraz, H. Bogac; Ravindra, Deepak; Patten, John A. (2015). "Surface finish improvement of an unpolished silicon wafer using micro-laser assisted machining". International Journal of Abrasive Technology. 7 (2): 107–121. doi:10.1504/IJAT.2015.073805.

[Gerchman-4] Mark Craig Gerchman (1986). "Specifications and manufacturing considerations of diamond-machined optical components" (PDF). Optical Components Specifications for Laser-based Systems and other Modern Optical Systems. 607: 36–45.

[5] סטף ורטהיימר, איש ליד מכונה-סיפור חיים, רעיונות ומעשים, תל-אביב: ידיעות אחרונות ספרי חמד, 2011, עמ' 126

[6] שמיר אופטיקה, חברה ליצור עדשות אופטיות

[7] המכון הישראלי ליהלומים, מיהלומי תעשיה לכלי יהלום, ‏21.1.2016

[8] א. אופטיקל קומפוננטס בע"מ, ‏18.5.2020

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]