羅家勝，杜遙雪，李霆

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注射成型中LED非球面透鏡折射率變化的優(yōu)化仿真

羅家勝，杜遙雪，李霆

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

以Sumipex HT55X的聚甲基丙烯酸甲脂為實(shí)驗(yàn)透鏡材料，以LED非球面透鏡作為仿真模型，用模流分析軟件Mold Flow對(duì)注射成型的LED透鏡折射率的變化進(jìn)行仿真. 采用L16(45)正交實(shí)驗(yàn)矩陣，研究了成型參數(shù)中模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等5個(gè)因素對(duì)LED透鏡折射率變化的影響，結(jié)果表明：1）保壓壓力對(duì)LED透鏡折射率的變化影響最大，其次分別為冷卻時(shí)間、保壓時(shí)間、模具溫度、熔體溫度，最佳工藝參數(shù)組合為模具溫度70 ℃、熔體溫度260 ℃、保壓壓力90 MPa、保壓時(shí)間10 s、冷卻時(shí)間14 s，其平均折射率變化為0.006 8. 2）保壓壓力50～70 MPa，透鏡的折射率變化隨著保壓壓力的上升而增大；70～90 MPa，透鏡的折射率變化隨著保壓壓力的上升而減??；90～120 MPa，透鏡的折射率變化不大. 3）采用高的保壓壓力、適當(dāng)提高冷卻時(shí)間，可減小透鏡的翹曲變形和體積收縮，改善其內(nèi)部的殘余應(yīng)力，能使LED透鏡的折射率變化減小，提高其光學(xué)性能.

LED非球面透鏡；注射成型；折射指數(shù)

相對(duì)于球面透鏡，非球面透鏡具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如曲率半徑隨中心軸而變化，可用以改進(jìn)光學(xué)品質(zhì)、減少光學(xué)元件、降低設(shè)計(jì)成本，它在數(shù)碼相機(jī)、CD播放器、高端顯微儀器等方面應(yīng)用廣泛. 塑料光學(xué)元件的注射技術(shù)是項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，為了獲得亞微米的面形精度和納米級(jí)的表面粗糙度，注射過(guò)程需要克服體積收縮、塑流線、應(yīng)力雙折射以及變形等工藝缺陷[1]. 折射率是分析應(yīng)力雙折射工藝缺陷的重要指標(biāo)，也是衡量LED透鏡純度和質(zhì)量穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，一般地，透鏡的折射率變化越小，其光學(xué)性能越好，透鏡的成型精度也越高. 注射成型中，透鏡內(nèi)部的殘余應(yīng)力使透鏡呈現(xiàn)出各向異性的特征，當(dāng)光線穿過(guò)透鏡時(shí)，平行于光的傳播方向的偏振光波與垂直于光的傳播方向的偏振光波在穿過(guò)制品后產(chǎn)生相位移；如果射入光學(xué)元件的光為偏振光，或穿過(guò)一個(gè)光學(xué)元件的光還需要穿過(guò)另外一個(gè)光學(xué)元件，偏振光會(huì)在傳播的過(guò)程中出現(xiàn)光波的疊加或抵消，使光線在亮度上相互消長(zhǎng)，產(chǎn)生明暗相間的干涉條紋，嚴(yán)重影響光學(xué)元件的成像效果. 因此，透鏡內(nèi)部殘余應(yīng)力的存在是LED透鏡產(chǎn)生折射率變化的主要原因.

在LED非球面透鏡的注射成型中，注射的溫度、壓力、時(shí)間以及保壓的壓力、時(shí)間和模具溫度等工藝條件的選擇是關(guān)鍵[2-3]. 為研究注射成型工藝參數(shù)對(duì)LED非球面透鏡折射率變化的影響，本文以LED非球面透鏡折射率的變化作為質(zhì)量目標(biāo)，采用CAE軟件Mold Flow翹曲模塊中的“3D網(wǎng)格雙折射分析”功能研究了成型參數(shù)中模具溫度、熔體溫度、保壓壓力、保壓時(shí)間、冷卻時(shí)間等5個(gè)因素對(duì)透鏡折射率變化的影響，找到了其中的關(guān)鍵因素，并得到了一組實(shí)驗(yàn)優(yōu)化的工藝參數(shù).

1 有限元模型

選取已經(jīng)設(shè)計(jì)好的LED非球面透鏡三維模型，主要尺寸為：大圓外徑16 mm，高8.5 mm. 將模型轉(zhuǎn)為STL格式后導(dǎo)入MPI 6.1中并進(jìn)行3D網(wǎng)格劃分，共有139 054個(gè)四面體單元. 采用單型腔分析，澆口采用矩形澆口，始端寬2 mm，始端高1.5 mm，末端寬3 mm，末端高0.8 mm. 圖1是有限元模型.

圖1 有限元模型

2 材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在正交實(shí)驗(yàn)[4]中，選取模具溫度（A）、熔體溫度（B）、保壓壓力（C）、保壓時(shí)間（D）、冷卻時(shí)間（E）5個(gè)關(guān)鍵成型工藝參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)因子，各實(shí)驗(yàn)因子選取4個(gè)水平，參數(shù)水平設(shè)計(jì)如表1所示. 根據(jù)工藝參數(shù)和參數(shù)水平的數(shù)量選擇L16(45)的正交實(shí)驗(yàn)表，所得的仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示.

表1 控制因子與水平

表2 實(shí)驗(yàn)正交矩陣與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在澆口冷凝之前，保壓壓力對(duì)塑件收縮率的大小和分布都會(huì)產(chǎn)生影響. 一般來(lái)說(shuō)，保壓壓力持續(xù)到澆口凝固后即可停止，保壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成能源浪費(fèi)，保壓時(shí)間過(guò)短會(huì)造成型腔內(nèi)的壓力大于流道內(nèi)的壓力而產(chǎn)生逆流現(xiàn)象，使塑件表面產(chǎn)生凹陷和殘余應(yīng)力[5]. 采用單因素仿真，改變保壓壓力值，其他工藝參數(shù)不變，研究保壓壓力對(duì)LED非球面透鏡折射率變化的影響，具體如表3所示.

表3 保壓壓力變化的單因素仿真

3 結(jié)果分析

由表2知各參數(shù)對(duì)LED非球面透鏡折射率變化的影響程度為：保壓壓力>冷卻時(shí)間>保壓時(shí)間>模具溫度>熔體溫度. 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行因素方差分析和直觀分析的結(jié)果見(jiàn)表4，從表4的貢獻(xiàn)率可以看出，影響LED非球面透鏡折射率變化的主要因素為保壓壓力、冷卻時(shí)間和保壓時(shí)間，模具溫度和熔體溫度的影響較小.

表4 折射率變化的方差分析表

圖2為5個(gè)因素與折射率變化的關(guān)系圖，從圖可以看出，保壓壓力對(duì)制品的折射率影響最大，保壓壓力越大，制品折射率的變化就越小. 原因是，高的保壓壓力可通過(guò)壓縮熔體來(lái)補(bǔ)償熔體隨溫度下降而產(chǎn)生的收縮，使制品內(nèi)部殘余應(yīng)力減小，從而減小折射率的變化. 由圖2，最小折射率變化的工藝參數(shù)組合為A2B4C4D3E4，即模具溫度70 ℃、熔體溫度260 ℃、保壓壓力90 MPa、保壓時(shí)間10 s、冷卻時(shí)間14 s. 采用該參數(shù)進(jìn)行仿真，得到透鏡的平均折射率變化為0.006 8，小于所有主實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.

圖2 因素與折射率變化的關(guān)系圖

保壓壓力是影響LED非球面透鏡折射率變化的主要因素，由表3數(shù)據(jù)繪制其影響規(guī)律如圖3所示：50～70 MPa，透鏡的折射率變化隨著保壓壓力的上升而增大；70～90 MPa，透鏡的折射率變化隨著保壓壓力的上升而減小；90～120 MPa，透鏡的折射率變化不大. 在澆口冷凝之前，保壓壓力過(guò)高會(huì)造成溢料和模具損傷，增大塑件的殘余應(yīng)力；保壓壓力過(guò)低會(huì)造成補(bǔ)料不足，收縮過(guò)大：因此要選取合適的保壓壓力值，由圖3得出最佳保壓壓力為90 MPa，此結(jié)果與前述優(yōu)化分析一致.

圖3 保壓壓力對(duì)折射率的影響規(guī)律

工藝條件的選擇將影響LED非球面透鏡的成型質(zhì)量. 本研究以模具溫度75 ℃、熔體溫度250 ℃、保壓壓力30 MPa、保壓時(shí)間8 s、冷卻時(shí)間14 s作為優(yōu)化前工藝；優(yōu)化的工藝條件為：模具溫度70 ℃、熔體溫度260 ℃、保壓壓力90 MPa、保壓時(shí)間10 s、冷卻時(shí)間14 s. 圖4為優(yōu)化前后折射率的變化. 由圖4知，優(yōu)化前折射率變化范圍-1.826 4e-05～0.049 2，優(yōu)化后折射率變化范圍-6.014 9e-05～0.013 6. 優(yōu)化工藝采用了較高的保壓壓力和較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，高的保壓壓力可以減小透鏡的翹曲變形和體積收縮，較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間可以使透鏡芯部冷卻更均勻，提高了LED非球面透鏡表面輪廓質(zhì)量.

圖4 優(yōu)化前后的折射率變化

圖5為優(yōu)化前后翹曲量的變化，由圖5可知，優(yōu)化前最大翹曲量為0.050 2 mm，優(yōu)化后最大翹曲量為0.026 4 mm，且總翹曲變形均勻. 優(yōu)化后LED非球面透鏡的翹曲量大大減小，這是因?yàn)楦叩谋簤毫κ雇哥R收縮減小，較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間使透鏡冷卻更均勻應(yīng)力相應(yīng)也減小，從而使透鏡的折射率變化減小、光學(xué)性能提高.

圖5 優(yōu)化前后翹曲量的變化

4 結(jié)論

正交試驗(yàn)和MPI中3D網(wǎng)格分析相結(jié)合的方法研究LED非球面透鏡注射成型中折射率的變化是一種有效的方法，在當(dāng)前的制品造型、成型工藝條件下，它可以在模具設(shè)計(jì)階段消除制品成型缺陷，并保證產(chǎn)品快速投入生產(chǎn). 值得注意的是，在模流分析中，我們發(fā)現(xiàn)透鏡折射率變化主要發(fā)生在靠近澆口的部分，而該部位的內(nèi)應(yīng)力也較大，這可能與保壓和冷卻時(shí)間的設(shè)置有關(guān)，后續(xù)研究還需要對(duì)澆口冷凝前后型腔內(nèi)壓力的變化做探討.

[1] 杜雪，王爾祺，李榮彬，等. 自由曲面光學(xué)透鏡注射成型誤差因素研究[J]. 應(yīng)用光學(xué)，2007, 28(6): 684-688.

[2] 勾治踐，樊仲維，盧鍔，等. 光學(xué)塑料透鏡注射成型關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 光學(xué)精密工程，2000, 8(6): 525-53l.

[3] YOUNG Wenbin. Effect of process parameters on injection compression molding of pickup lens [J]. Applied Mathematical Modeling, 2005, 29: 955-971.

[4] 劉瑞江，張業(yè)旺，聞崇煒，等. 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析方法研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2010, 27(9): 52-55.

[5] 廖秋慧，劉淑梅. 注塑成型保壓參數(shù)對(duì)塑件翹曲變形的影響[J]. 塑料科技，2009, 37(10): 67-69.

[責(zé)任編輯：熊玉濤]

Optimized Simulation of LED Aspheric Lens’ Refractive Index Variety in Injection Molding

LUOJia-sheng, DUYao-xue, LITing

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Sumipex HT55X polymethyl methacrylate was selected as the experiment lens material and LED aspheric lens was chosen as the simulation model. The simulation of LED lens’ refractive index variety in injection molding was executed by the mold flow analysis software Mold Flow. Adopting the L16(45) orthogonal experiment array, the effect of the five factors of mold temperatures, melting temperatures, holding pressure, holding time, and cooling time among the molding parameters on LED lens refractive index variety was studied. The results show that: 1) the holding pressure is the principal factor affecting the refractive index variety of LED lens, followed by cooling time, holding time, mold temperature, and melting temperature in a descending order; the optimum combinations of processing parameters were as follows: molding temperature at 70℃, melting temperature at 260℃, holding pressure at 90MPa, holding time at 10s, cooling time at 14s, and the average refractive index variety at 0.0068; 2) when the pressure was 50MPa to 70MPa, the lens’ refractive index variety increased along with the rise of holding pressure; when the pressure was 70 MPa to 90 MPa, the lens’ refractive index variety decreased along with the holding pressure’s raise; when the pressure was 90 MPa to120 MPa, the lens’ refractive index variety did not change greatly; 3) with high holding pressure and increasing cooling time appropriately, the lens’ warping distortion and volume shrinkage decreased, and the inner remaining stress was improved, thus decreasing the LED lens’ refractive index variety and enhancing its optical properties.

LED aspheric lens; injection molding; refractive index variety

1006-7302（2013）03-0046-06

TH320.63

A

2013-03-12

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2011010000411）

羅家勝（1986—），男，廣東廣州人，在讀碩士生，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及優(yōu)化仿真分析研究；杜遙雪，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，從事模具CAD/CAM/CAE和聚合物加工研究.