分層反壓注射成型厚壁光學(xué)透鏡的工藝分析

所屬分類：電子論文閱讀次時間：2020-04-07 11:10

本文摘要：摘要：為了研究反壓壓力對成型厚壁光學(xué)透鏡的影響，利用自行開發(fā)的分層反壓注射成型厚壁光學(xué)透鏡的實驗方案，通過正交實驗優(yōu)化設(shè)計開展了工藝參數(shù)優(yōu)化實驗，研究了在不同分層方式下內(nèi)外層反壓壓力對對厚壁光學(xué)透鏡光學(xué)性能的影響，從而根據(jù)正交優(yōu)化參數(shù)組合

　　摘要：為了研究反壓壓力對成型厚壁光學(xué)透鏡的影響，利用自行開發(fā)的分層反壓注射成型厚壁光學(xué)透鏡的實驗方案，通過正交實驗優(yōu)化設(shè)計開展了工藝參數(shù)優(yōu)化實驗，研究了在不同分層方式下內(nèi)外層反壓壓力對對厚壁光學(xué)透鏡光學(xué)性能的影響，從而根據(jù)正交優(yōu)化參數(shù)組合成型具有優(yōu)異光學(xué)性能的理想厚壁光學(xué)透鏡。正交實驗研究結(jié)果表明，使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為厚壁光學(xué)透鏡的原材料進(jìn)行分層反壓注射成型，能夠有效減少厚壁光學(xué)透鏡收縮率，同時隨著內(nèi)外層反壓壓力的提高，厚壁光學(xué)透鏡的透光率和折射率均不同程度的得到提高，透鏡光學(xué)性能優(yōu)異。

　　關(guān)鍵詞：反壓注射;厚壁;活塞;分層;光學(xué)性能

光學(xué)技術(shù)

　　0前言

　　光學(xué)透鏡被廣泛的應(yīng)用于安防、車載、數(shù)碼相機、激光、光學(xué)儀器等各個領(lǐng)域，隨著市場不斷的發(fā)展，其需求也越來越大。以往光學(xué)透鏡都主要是玻璃材質(zhì)制成，但玻璃材質(zhì)的光學(xué)透鏡易碎、非球面精度不易實現(xiàn)、生產(chǎn)效率低、成本高。針對玻璃材質(zhì)的光學(xué)透鏡存在的缺陷，塑料成型厚壁光學(xué)透鏡具有質(zhì)輕、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，因此已經(jīng)成為近些年來學(xué)者們研究的熱點。

　　但是厚壁光學(xué)透鏡所代表的光學(xué)器件往往壁厚10~30mm，通過傳統(tǒng)的注射成型厚壁光學(xué)透鏡存在收縮率大、殘余內(nèi)力大且不均、光學(xué)效果差等缺陷，這些缺陷都極大的限制塑料成型厚壁光學(xué)透鏡的發(fā)展。為了改善塑料成型厚壁光學(xué)透鏡收縮率大這方面的缺陷，Guan等[1]通過研究成型工藝參數(shù)對制品厚度的均勻性的影響，得出厚壁制品尺寸穩(wěn)定性與注射量及壓縮起始位置有關(guān)，這為注射壓縮成型厚壁制品提供了借鑒。由英國Brunei大學(xué)Bevis教授等[2]開發(fā)設(shè)計出一種多流道注射成型技術(shù)，相對比于傳統(tǒng)注射成型技術(shù)，利用該技術(shù)在注射成型厚壁制品時收縮率可以明顯減小，是動態(tài)保壓注射成型的提出者。官青等[3]應(yīng)用動態(tài)保壓注射成型技術(shù)成型厚壁制品，成功得到表面尺寸穩(wěn)定的聚乙烯厚壁長條樣件。

　　由Allan等[4‐5]提出剪切控制定向注射成型(SCORIM)特種注射成形方法可消除厚壁制品常出現(xiàn)的縮痕、氣泡和殘余應(yīng)力變形。Hop‐mann等[6]使用分層注射的方法，制備了厚壁的光學(xué)透鏡，減小了其內(nèi)應(yīng)力，使其具有優(yōu)異性能。而為了改善塑料成型厚壁光學(xué)透鏡光學(xué)效果，也有大量的學(xué)者做了相應(yīng)的研究。

　　Sortino等[7]分別使用傳統(tǒng)注射工藝(IM)和注射壓縮(ICM)的方法成型菲涅爾透鏡，并對各自的注射加工工藝參數(shù)對菲涅爾透鏡光學(xué)性能進(jìn)行了研究，從研究中發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)注射過程中，對菲涅爾透鏡成型質(zhì)量影響最大的是保壓壓力，其次是模具溫度，然而在注射壓縮實驗過程中，對菲涅爾透鏡成型質(zhì)量影響最大的是注射速度，其次是注射壓力。Michaeli等[8‐11]通過修改腔體輪廓來補償局部材料的收縮從而注射成型高質(zhì)量的厚壁光學(xué)透鏡。

　　Wen等[12]研究了在注射壓縮成型過程中，成型工藝參數(shù)對成型的光學(xué)透鏡的光學(xué)特性的影響，結(jié)果表明，熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時間等注射加工工藝參數(shù)對注射成型塑料制件的光學(xué)性能有一定的影響，其中模具溫度和保壓壓力是影響光學(xué)透鏡的最主要因素。本文以PM‐MA為原材料，采用提出的分層反壓注射成型厚壁光學(xué)透鏡的方法，通過檢測成型后三棱鏡的收縮率、透光率、折射率3項指標(biāo)，證實了分層反壓注射成型工藝能夠顯著提高厚壁光學(xué)透鏡的尺寸穩(wěn)定性和光學(xué)性能。

　　1實驗部分

　　1.1主要原料

　　PMMA，CM-205，熔體流動速率為1.8g/10min，鎮(zhèn)江奇美化工有限公司。

　　1.2主要設(shè)備及儀器

　　注射成型機，TH90/TP，山東通佳機械有限公司;此次成型的厚壁光學(xué)透鏡為底面邊長60mm的正三角形，高度為60mm的三棱鏡。

　　1.3分層反壓注射成型原理

　　分層反壓注射成型主要是依據(jù)先前提出的反壓注射成型工藝，將分層注射成型與之結(jié)合，用以成型厚壁光學(xué)透鏡。分層反壓注射成型的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，在模具型腔內(nèi)加入了可運動的活塞，活塞后連接壓力系統(tǒng)，壓力系統(tǒng)主要由壓力桿件提供，壓力系統(tǒng)為活塞提供反壓壓力，由此實現(xiàn)了機械式反壓結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)反壓注射的功能。

　　另外，將活塞分層，壓力系統(tǒng)為分層活塞提供的不同的反壓壓力。在熔體填充階段，熔體會首先推動反壓壓力的較小的活塞層運動，活塞芯部層壓力較小時，熔體會首先推動該層向后運動，當(dāng)活塞芯部層運動至行程末端時，熔體繼續(xù)推動活塞外表層向后運動。當(dāng)活塞外表層也被推至行程末端時，保壓冷卻，完成注射過程。由此實現(xiàn)了分層注射的功能。通過反壓功能與分層功能相結(jié)合，實現(xiàn)整體分層反壓注射成型的新工藝。分層反壓注射成型通過反壓可以穩(wěn)定聚合物熔體充模流動、提高制品表面質(zhì)量、減小收縮率，通過分層的方法可以縮小厚壁光學(xué)透鏡表層與芯部差異，提高光學(xué)性能。

　　1.4實驗過程

　　模具模型：通過分層反壓注射成型技術(shù)，選擇A、B2種分層方式成型規(guī)則的三棱鏡，分層方式即為總體尺寸不變，選擇2種尺寸的外層分層厚度。制備厚壁光學(xué)透鏡三棱鏡：首先將PMMA粒料在70℃的溫度下干燥6~8h，通過分層反壓注射成型制備厚壁光學(xué)透鏡三棱鏡;相關(guān)注射參數(shù)如下，注射參數(shù)為：模溫：90℃，注射壓力：80MPa，注射速度30mm/s，保壓壓力60MPa，保壓時間80s;由于分層反壓壓力實際上由壓力元件來提供，為方便統(tǒng)一單位，現(xiàn)都已經(jīng)將其換算成統(tǒng)一單位MPa;用正交實驗的方法研究2種分層方式下內(nèi)外層反壓壓力對厚壁光學(xué)透鏡三棱鏡的尺寸收縮率、透光率、折射率的影響。

　　厚壁光學(xué)透鏡三棱鏡透光率測量：使用分光光度計測量厚壁光學(xué)透鏡的光學(xué)效果，選擇光的三原色紅、綠、藍(lán)(波長分別為：700、546、436nm)為檢測代表來進(jìn)行透光率的檢測。使用分光光度計對厚壁光學(xué)透鏡的透光率進(jìn)行檢測，然后獲取波長分別為700、546、436nm的點的透光率，以此來表達(dá)該厚壁光學(xué)透鏡的光學(xué)效果。實驗中使用分光光度計測量的部位是三棱鏡的2個三角形底面中點的連線。

　　厚壁光學(xué)透鏡三棱鏡折射率測量：對厚壁光學(xué)透鏡折射率的測定使用的是最小偏向角法，其中偏向角指的是入射光線的延長線與射出光線的反向延長線之間的夾角，最小偏向角指的是轉(zhuǎn)動三棱鏡時，入射角會發(fā)生改變，偏向角也會改變，在某個入射角處，偏向角存在一個最小值，這個角成為最小偏向角δmin，依靠分光計(測角儀)完成測量，分光計主要包括平行光管、載物臺、望遠(yuǎn)鏡、讀數(shù)裝置4個部分。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1分層反壓對尺寸穩(wěn)定性的影響

　　在分層反壓注射成型實驗中，選擇前文介紹的A、B2種方式分層，測量2種分層方式在不同反壓壓力下成型的厚壁光學(xué)透尺寸，經(jīng)過式(2)換算為收縮率。

　　2.2分層反壓對厚壁光學(xué)透鏡的透光率的影響

　　分層反壓壓力參數(shù)注射成型厚壁光學(xué)透鏡并測量其透光率，http://www.zpfmc.com/dzqk/6804.html本次實驗結(jié)果以紅光(波長700nm)的透光率來表征。在A、B2種分層方式下，內(nèi)層反壓壓力對于厚壁光學(xué)三棱鏡的透光率影響程度更大。這主要是因為厚壁光學(xué)三棱鏡的透光率與其本身的密度有關(guān)，在熔體充模過程中，內(nèi)層反壓壓力可以起到穩(wěn)定充模流動的效果，一定程度上減少了熔體空隙的填充不充分，保證了三棱鏡致密性，使其熔體物性差異變小，從而使得三棱鏡的透光效果更好。

　　在不同分層反壓注射成型的條件下，成型的厚壁光學(xué)透鏡的透光率有著很明顯的變化，總體趨勢隨著壓力的提升，透光率也在不斷提高。可以看出，使用B類分層方式分層反壓注射成型的厚壁光學(xué)透鏡的透光率更高。主要是因為在相同的反壓壓力下，B類分層方式進(jìn)一步減小了型腔截面積，使得反壓壓力更加均勻作用在型腔截面上，保證不同截面上的熔體均較致密，不同層面的熔體物性差異也比較小，因而B類成型三棱鏡的透光率比較高。由于厚壁光學(xué)三棱鏡的透光率的越大越好，因此實驗范圍內(nèi)最佳工藝參數(shù)是B類分層方式下內(nèi)層反壓壓力為0.179MPa、外層反壓壓力為0.256MPa。

　　3結(jié)論

　　(1)通過采用分層反壓注射成型厚壁光學(xué)透鏡，外層反壓壓力改善制品尺寸穩(wěn)定性效果更顯著，而內(nèi)層反壓壓力是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化制品尺寸的穩(wěn)定性，從而可以得到尺寸更加穩(wěn)定的厚壁制品;(2)采用分層反壓注射成型厚壁光學(xué)透鏡，分層可以減小成型后的厚壁光學(xué)透鏡表層與芯部差異，從而減小其冷卻后的殘余內(nèi)應(yīng)力;分層方式的改變對成型厚壁光學(xué)透鏡也有不同的影響，通過優(yōu)化分層方式，可以進(jìn)一步提高厚壁光學(xué)透鏡的各項指標(biāo);通過實驗得出B類分層方式有助于成型更優(yōu)異的厚壁光學(xué)三棱鏡。

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　　光學(xué)論文投稿刊物：《光學(xué)技術(shù)》創(chuàng)刊于1975年，由北京兵工學(xué)會、北京理工大學(xué)、中國北方光電工業(yè)總公司主辦。是面向國內(nèi)外的以應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)研究成果為主的有關(guān)光電技術(shù)方面的專業(yè)性學(xué)術(shù)刊物。