塑膠鏡片射出成型技術

1、塑膠鏡片射出成型技術第一章：簡介1-1 塑料鏡片的優(yōu)缺點制品的產量高、 價格低，又可實現(xiàn)輕薄短小的產品需求， 但以往被認為精度不高， 無法取代傳統(tǒng)的金屬或玻璃等。 但近年來由于塑料材料的研發(fā)及射出成形技術的 精進，已經大大的改變了這個市場。 在光學組件的領域中， 塑料鏡片早已進入了 高精度的時代， 從早期拋棄式的相機鏡片， 到現(xiàn)在需要高精度的讀取頭物鏡， 塑 料鏡片充分發(fā)揮塑料產品的特色， 也超越了塑料產品的瓶頸。 在光電產業(yè)蓬勃發(fā) 展的今天， 本課程將帶領各位進入塑料鏡片射出成形的技術領域， 了解鏡片的開 發(fā)流程和相關技術。塑料制品生產速度快，適合大量及自動化的生產，所以容易降低價格；塑性良

2、好 因此耐沖擊；因為塑料比重低，因此重量相對的較輕，可以讓整個系統(tǒng)重量降低 ；而且成品形狀自由度高， 可以將系統(tǒng)的機構組件與光學組件合并， 減少零件數(shù) 量，并簡化系統(tǒng)組裝程序；利用這樣的優(yōu)點， 我們可以設計特殊架構的光學組件。有優(yōu)點就有缺點，塑料的缺點有：溫度特性差：和玻璃相較，塑料容易受環(huán)境影 響光學特性。 因為一旦耐熱溫度低， 熱膨脹系數(shù)大， 光學組件就會變形而影響光 學特性。精度較玻璃低：塑料由于材料特性的關系，因此不均勻性較高，容易產 生收縮變形，導致精度不容易控制?？构瘟Σ睿核芰系臋C械強度較低，材質的硬 度不像玻璃堅硬，因此抗刮力差。與光學玻璃相較，材料種類較少：由于光學玻 璃發(fā)展已

3、有很長一段時間， 所以塑料鏡片和其相較之下， 材料種類較少， 而且折 射率較低，大約在 1.5 到 1.6 之間，分布較狹窄。有雙折射現(xiàn)象：造成光學性能 降低。要有一定的產量才符合經濟效益： 塑料射出成形的模具價格十分昂貴， 一 個模具開下去， 可能需要幾十萬或百萬的費用， 所以如果沒有達到一定的產量規(guī) 模，便不符合經濟效益。大小受限制：塑料鏡片射出成形在為100mm以上的精度不足，會有成形上的問題，也可以說尺寸愈大，精度愈難控制。1-2 塑料鏡片的應用 塑料鏡片可以應用在相機、數(shù)字相機用的觀景窗、鏡頭鏡片；投影機、背投式電 視用的鏡頭鏡片；最好的例子是CD/DVD賣取頭上所用的pickup

4、lens、grating lens、DOE年產量在數(shù)億顆以上；還有 LCD面板上的背光板、導光板也可以看 到塑料鏡片的應用；在各種光學系統(tǒng)中， 光學組件適合在塑料鏡片上作微細結構，產生繞射、折射、分光或偏光現(xiàn)象，因此也適合應用在Frenel lens, F- 9 lens上。總括來說， 塑料鏡片非常適合用在消費性的光電產品， 因為這類產品需要降低成 本，精度要求與專業(yè)儀器相較下比較低， 生產量很大而且要求產品輕薄短小， 正 好符合塑料鏡片的特色。第二章：塑料鏡片射出成形各類技術2-1 光學設計的基本概念 鏡片射出成形的技術包括了光學設計、 模具技術、 成形技術和量測技術。 現(xiàn)在我 們分別來談一

5、談這些技術的基本概念。首先，我們來看光學設計。在光學設計上，通常需要考慮兩個因素：材料的選用 和形狀的設計。 了解光學設計的要點與射出成形之間的關系， 在與光學設計者討 論時較有概念，也可以對于設計者所設計的鏡片可行性及困難度加以評估與判 斷。在選用光學塑料的時候，幾個光學特性是必須注意的，比方說：穿透頻譜、反射 損失、吸收，也就是穿透率，一般在 8892%之間、還有折射率、折射率穩(wěn)定性， 是指射出成形后的穩(wěn)定性、色散、雙折射特性等。光學塑料的物理特性在光學設計時也需要考慮進去，比如說塑料材料的吸水性、 成形收縮率、玻璃轉移點溫度、熱變形溫度、流動性、比重、強度、抗刮，耐高 溫、抗化學、電氣、

6、耐沖擊等。在形狀設計方面， 光學設計人員應考慮塑料的光學和樹脂特性來設計形狀， 也就 是說，不同的塑料材料會有不同的特性， 光學設計人員會利用這樣的特性去設計 出易于成形的形狀，讓厚薄比、形狀變化等保持在一定的限度。我們拿CD和DVD賣取頭物鏡來做例子。從這張表格中，我們可以看到一些關于 光學系統(tǒng)的設計值。NA值越大，代表物鏡聚焦角度越大，通常伴隨而來的是曲率半徑更小、厚薄比 更大、模仁加工和成形困難度更高。 厚薄比是衡量鏡片成形難度的重要指標， 當 厚薄比越大時， 成形收縮越不均勻， 越難成形高精度的鏡片。 有效徑是指光路真 正通過鏡片的口徑大小。 鏡片在成形時， 由于厚度和溫度的差異， 在

7、中央與邊緣 的收縮率會不一致， 當有效徑比率越大時， 代表在周圍無效的區(qū)域要越小。 最小 曲率半徑與有效徑同時考慮， 通常就決定了最大曲面斜率， 曲面斜率越大， 加工 范圍及量測誤差也會越大， 甚至可能產生刀具干涉或超出可量測范圍的問題， 這 對高精度的鏡片是很大的問題。 波面收差是物鏡的規(guī)格要求， 可以有效的量化鏡 片的光學特性，對于物鏡微小的缺陷，都可以由波面收差表現(xiàn)出來；因此， 波面 收差值越小，代表物鏡可容許的誤差越小。 這些誤差包含了兩個曲面的形狀誤差、 tilt 和 decenter 誤差的綜合表現(xiàn)。這個表為光學鏡片射出成型精度比較表， 以曲率半徑變化為例子， 在較低階的鏡 片，所

8、允許的誤差值為正負 3-5%， 但對精密的鏡片，所要求的值則達千分之 0.5-1 之間；也就是說， 愈精密等級的鏡片， 所允許的誤差值就愈小。 一般而言， 傳統(tǒng)射出成型技術對形狀精度的控制無法達到精密光學鏡片的要求， 特別是近年 來塑料鏡片應用范圍變大后， 光學系統(tǒng)所需要的鏡片精度高、 厚薄比大， 更提高 了成型技術的困難度。精密塑料鏡片的成形，無論在模具設計、模仁加工、成形 條件及鏡片量測上都需要高層次的技術和設備。2-2 模具技術的基本概念模具技術含有下列三個要素：模具設計、模具制作和模仁加工。塑料射出成形的制程是將塑料射入模具，經過充填、保壓、冷卻三個步驟完成， 因此，如果模具設計不當，

9、 就會影響整個制程和成品。 模具設計包含澆道、 澆口、 排氣、定位、頂出、模溫控制等，對成形的品質量都有影響，此外，還需考慮模 具材質的摩耗、腐蝕等。第二個要素是模具制作， 我們必須選擇各零件的尺寸搭配、 加工方法及加工程序。最后一個要素模仁加工， 指的是模仁鍍膜及鏡面加工技術， 模仁加工技術愈精密， 鏡片的形狀精度相對地也會提高等級。2-3 模具技術的基本概念 成型條件的調整，是確保鏡片形狀的準確性與穩(wěn)定性。 依據(jù)累積經驗與模擬分析， 加上實驗計劃及溫壓控制的使用， 找出適當?shù)臈l件組合， 達到穩(wěn)定且良好的形狀 精度。隨著鏡片形狀精度要求的增加，成形機條件的再現(xiàn)性的要求也提高了。2-3 量測技

10、術的基本概念 量測能驗證鏡片的質量， 所得數(shù)據(jù)可對鏡片的形狀誤差作補償。 量測方式通常有 兩種：第一種是量測成品的表面形狀及粗度，最常用的儀器為 Form Talysurf ， 它是屬于接觸式量測， 因為塑料的硬度、 彈性系數(shù)比金屬小， 如果以金屬相同的 量測方式， 會因成品變形而失真， 所以需考慮塑料特性加以修正， 才能增加量測 的精度。另一種為非接觸式量測，也稱為光學性能量測，最常使用的儀器為干涉 儀和點像質量檢測系統(tǒng)。量測時須注意如何設計及架設量測系統(tǒng)，使量測值能夠 正確的反映出如波面收差等光學性能。第三章：塑料鏡片開發(fā)流程鏡片開發(fā)流程的第一個步驟為光學設計， 之后經過審查，考慮這些設計

11、值是否需 要修改；一般在衡量塑料鏡片的成形難度時， 主要會先看鏡片的厚薄比及精度要 求，再考慮形狀與材料等特性。前兩者決定模具及成形機精度與成形條件的困難 度，后兩者則牽涉到成品的成形性。所謂良好的成型性，是指射出成型所設定的 溫度、壓力范圍廣泛；塑料流動性佳；脫模容易及成型收縮率小等等。除此，在 機臺能力、模具精度是否符合標準，及對于工作的分配、時程的順序也需做好完 善的安排。 同時，我們亦會進行光學設計驗證，依據(jù)這些設計值直接打樣去做 檢驗。上述條件都通過之后， 即開始進行模具設計，包括整體設計、零件設計、 材料選用等。 設計沒有問題，即著手進行模具制作，相關工作包括制程方法、 估價、發(fā)包

12、、進度追蹤和驗收。 整個模具制作完成后，則組裝起來做試模，然后以實驗計劃法進行模具和制程的調整，如量測數(shù)據(jù)、模仁形狀的補償。此時若 有任何瑕疵，則需要修改模具重新設計，最后經過試產，確認無誤后，才進行最后的量產階段，依需要去做光學鍍膜、自動化澆口剪斷等動作。這里的圖像可以更進一步了解鏡片開發(fā)流程中的幾個步驟。這是一個光學鏡片的 外形設計圖，曲面有個別的光學設計值，鏡片也須訂定量測的規(guī)格。而在模具設 計這個步驟，我們看到的是模具的整體設計圖，圖中的各個零件也會有屬于該部 分更詳細的設計圖。（模具制作）之后根據(jù)設計圖制作模具，如圖片所示，模具的形狀，一般而言，都大同小異。模具完成之后，必須經過試模

13、，圖片中是一射出成形機，我們將模具置放在成形機中，測試模具作動是否正常，成品外觀 是否有瑕疵，尺寸是否正確。在射出制程中，需要經過一些調整，比如說，我們 以田口實驗計劃法，經過實驗及量測得到一些數(shù)據(jù)及圖表， 可得知一些條件參數(shù) 的趨勢，需要往什么方向做調整。最后，我們對成品做各類的檢測，從量測結果可以知道鏡片的形狀精度、光學性能等數(shù)據(jù)。其實，制程調整和量測兩個步驟 是相輔相成，經由量測的數(shù)據(jù)去做制程的調整， 制程參數(shù)調整之后，也必須經過 再次的量測。第四章：模具技術在射出成形中，模具是為了得到所要求質量的成形品而使用的一種工具；引申來 說,精密射出成形的根本在于高精度的模具。模具的質量是鏡片成

14、形技術的關鍵， 也是整個鏡片制造過程中，花費最大的部分，不僅需要有經驗的設計者加以設計， 而且也需要制造人員具有精密加工以及檢測方面的知識。模具的技術主要分為兩個部分：模具設計與模具制作。模具設計的方向主要是為 了對應鏡片精度的要求，為了確保鏡片質量，在設計模具時，應該將成形時所有 可能影響精度的因素加以控制， 包括成形機、 成形條件和成形材料。 整體的模具 設計要注意成形機的尺寸和精度、 成形條件和成形材料的特性， 并考慮到具有累 加性的誤差，如平行度、垂直度、同心度，及影響塑料流動的因子，如排氣孔位 置和澆口形狀，都需要特別的注意。此外，模具要達到高精度， 在制作上就必須考慮其加工方法、

15、工作機械和模具材 料，比方說零件制造的機臺、方法、程序是否合宜。因為機臺能力不足、制造方 法或程序有誤， 都會直接影響模具的尺寸精度， 很容易導致模具無法達到設計的 公差范圍。因此，檢測尺寸精度，是確保設計的不二法門。4- 1 模具設計整體設計 在模具的整體設計上，設計人員根據(jù)鏡片的材質、規(guī)格、大小，來設計模具的大 小、結構、模穴數(shù)量、 模穴位置的分布、 模溫控制和分模線位置。 （澆口澆道圖） 澆道系統(tǒng)也是必須特別注意的地方。 因為澆道的功能是將灌嘴所射出的塑料， 在 溫度與壓力降低最少的情況下注入模具內， 所以此處的設計將會影響塑料在模具 內的流動狀況。 澆口是澆道系統(tǒng)的終點， 也是塑料進入

16、模仁的入口， 澆口的位置、 形狀、尺寸不只是對鏡片外觀有影響， 對收縮率及尺寸精度影響亦大。 澆口設計 的好壞較難量化， 只能從成品的質量或量測上看出端倪， 好的澆口設計不但可以 避免外觀上的不良， 更可確保形狀精度， 降低收縮變形量， 這些可從量測鏡片形 狀和光學性能判斷出來。材料選用對于模具的材料也需慎選， 必須根據(jù)模具各零件的功能和重要性做選擇。 一般模 仁、模套及模板的質量要求較嚴格，使用不銹鋼及 STAVAX模座要求比較低， 使用易加工的鋼材，隔熱板使用耐溫及耐壓的復合材料或陶瓷材料；其它零件則 依照其功能，決定使用硬化過或未硬化過的鋼材。零件設計在零件設計方面， 應對鏡片的精度要求

17、與整體設計， 將各零件可能影響鏡片質量 的因素加以控制，比方說尺寸公差、具有累加性的誤差，如平行度、垂直度、同 心度、位置度，還有，影響塑料流動及成形收縮率的因素，如排氣孔位置、流道 形狀及面粗度、澆口形狀等。4- 2 模具制造 要達到模具設計的精度，在模具制作時必須考慮周詳，并且確實檢測重要尺寸。 模具大致分為模仁、 模套、模座及其配件等三個部分， 各部分與成品都有重要的 關系，簡述如下： 鏡片成品其實是復制模仁的形狀及尺寸， 所以模仁是模具中決定鏡片質量最重要 的部分。模仁的制造是以STAVAX鍍上無電鍍鎳層做為粗胚，經過外形研磨，然 后使用單晶鉆石切削成品面以達到鏡面要求，亦可提高模仁使

18、用壽命。 模套是結合模仁與模座間的重要零件， 目的是獨立定位公母模套， 可降低成品錯 位的情形， 并且在模具需要更換不同用途的產品時， 只需要更換模套， 模座依然 可以共享。 模套的制作是以不銹鋼材制作粗胚， 先加工流道及澆口， 最后做模仁 及定位孔的加工。 模具中的另一個重要零件為模座，泛指公母模板、承板、上下頂出板、間隔板、 公母模固定板及其它零件，模座的幾何精度及定位精度對成品精度有很大的影 響。如果沒有精準的模具， 根本無法達到鏡片的規(guī)格， 因此模具要以嚴謹?shù)姆绞街谱鳎?然后再依射出成品所發(fā)生的問題點加以修改， 始能達到鏡片質量優(yōu)良且穩(wěn)定。 當 然，模具本身并不是沒有問題，例如經過多次

19、修改；使用及拆裝上的磨耗；零件 銹蝕，都可能造成部分精度已不如原先制作的等級了。 這時需要的是以量測的數(shù) 據(jù)及形狀判斷模具哪個部分的精度發(fā)生問題， 再尋求補救的辦法。 不過這需要深 入的分析及探討，以累積判斷的經驗。第五章：成形技術5- 1 成形的流程 整個過程中塑料產生了相變化、 密度變化、 溫度變化及壓力變化。 為了要能掌握 塑料變化的情形， 除了要了解材料的加工性質外， 運用實驗計劃法分析成形條件 的趨勢，更是精密成形的關鍵。成形技術的目的， 是希望成品能夠有良好的再現(xiàn)性， 并符合形狀精度要求。 前者 需要的是成形條件范圍大， 機臺和模具的精度及穩(wěn)定性高；后者需要成形收縮變 形小，成品對稱性高。這些要求除了需要良好的成形技術外，也需要模具技術、 硬設備及環(huán)境的配合。5- 2 成形的不良原因與對策 圖中的表格列舉了一般常見的不良現(xiàn)象， 以及可能的發(fā)生原因， 并提出一些對應 的解決方案。 一般而言， 成品的外觀不良大部分是射出階段就造成了， 形狀或光 學性能的問題則是在保壓冷卻階段所產生的； 無論何種問題， 除了改善成形條件 外，還需反省模具設計與制作是否正確，射出機、模溫機或環(huán)境是否穩(wěn)定。5-2 射出制程開發(fā)在射出制程開發(fā)中，我們以田口實驗計劃法為例子。這是L18田口