孫銳，周陽，杜遙雪

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基于MOLDFLOW的注射成型與注射壓縮成型塑料單透鏡仿真對比

孫銳，周陽，杜遙雪

（五邑大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 江門 529020）

通過MOLDFLOW軟件模擬分析注射成型和注射壓縮成型塑料單透鏡的折射率、翹曲變形、體積收縮率以及填充成型過程. 結(jié)合兩種成型方式的技術(shù)特點，對注射成型和注射壓縮成型單透鏡的光學(xué)性能進行了比較和分析. 結(jié)果表明，與注射成型技術(shù)相比，注射壓縮成型單透鏡的折射指數(shù)變化降低了40%，翹曲變形減小了46.09%，體積收縮率下降了25.91%，說明注射壓縮成型在折射指數(shù)、翹曲變形和體積收縮方面均有明顯優(yōu)勢. 本文可為塑料單透鏡的實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)

注射成型；注射壓縮成型；單透鏡；折射指數(shù)；翹曲變形；體積收縮率

和普通塑料制品相比，塑料單透鏡成型的技術(shù)難點主要在光學(xué)性能要求方面，其關(guān)鍵是如何成型出具有較低光學(xué)畸變、低角偏差的光學(xué)制件，常用的方法有注射成型和注射壓縮成型. 一般采用注射成型技術(shù)時，注塑件中的殘余應(yīng)力、注射成品的體積收縮、翹曲變形[1-2]等都會影響注塑件的最后成型，而塑料單透鏡制品與光學(xué)玻璃制品相比，存在折射率對溫度變化依賴較大、熱膨脹系數(shù)大、吸濕膨脹波動大、熱變形溫度低、受外力變形大、成型體積收縮率大、容易產(chǎn)生雙折射等問題[3]. 針對以上問題，本文運用Moldflow軟件[4]對注射成型單透鏡和注射壓縮成型單透鏡進行仿真，對比分析兩種成型技術(shù)所得制品的折射指數(shù)、翹曲變形和體積收縮率的變化趨勢，從而為指導(dǎo)單透鏡的實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù).

1 注射成型和注射壓縮成型概述

注射成型是傳統(tǒng)的塑料制品成型方法，其注射填充和保壓是在模具閉合的狀態(tài)下一次完成的. 注射壓縮成型是注射成型技術(shù)的一種高級形式，它的熔體注射是在模具非完全閉合的狀態(tài)下發(fā)生的，如圖1所示，型芯和型腔之間有特定的間隙，這樣在注射同等體積熔體的條件下需要更小的注射壓力，待熔體注射完成后，經(jīng)過二次壓縮、保壓、冷卻后成型[5]. 由于注射壓縮成型的第二次壓縮是通過專門的壓縮裝置實現(xiàn)的，熔體的體積收縮可以通過整個模腔的直接壓縮來補償，而并非通過螺桿壓縮進膠口的局部位置來實現(xiàn)保壓，因此需要的壓力低而且均勻. 所以，注射成型和注射壓縮成型制品內(nèi)的殘余應(yīng)力和體積收縮特性有所差異. 因此，可以假設(shè)在同樣的成型條件下，兩種成型技術(shù)生產(chǎn)的光學(xué)制品在體積收縮、翹曲變形和雙折射值方面也可能存在一定的差異.

圖1 未完全合模下的熔體填充

2 模擬實驗及分析

2.1 單透鏡3D模型建立及有限元模型網(wǎng)格劃分

選取非球面單透鏡為研究對象時，需要先對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計. 根據(jù)光學(xué)設(shè)計原理設(shè)計單透鏡3D模型，圖2為非球面單透鏡的二維尺寸圖，單透鏡最大直徑為，最大高度為，非球面區(qū)域直徑為，非球面高度為，該單透鏡為光學(xué)透鏡，對光學(xué)性能要求較高，所以尺寸的穩(wěn)定性是非常重要的，根據(jù)行業(yè)標準（SJ/T10628—1995），已在重要尺寸位置標注了公差范圍.

圖2 單透鏡二維尺寸（單位：mm）

利用Pro/軟件建立單透鏡的3D模型，如圖3，非球面單透鏡的表面弧度不同于球面透鏡，它的表面結(jié)構(gòu)更輕、更薄、更平，具有視覺更清晰、成像失真小、透光性能好等優(yōu)點. 將創(chuàng)建好的單透鏡3D模型在Pro/e中另存為STL格式，導(dǎo)入MoldFlow進行3D網(wǎng)格劃分，其澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖3 單透鏡3D模型

圖4 單透鏡注射成型澆注系統(tǒng)

2.2 材料選擇

由于單透鏡屬于光學(xué)透鏡，對制品表面質(zhì)量、尺寸穩(wěn)定性和透光性要求特別高. 基于這些原因本文選擇聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），該材料具有光學(xué)透明性高、耐候性佳、機械強度高和質(zhì)輕等優(yōu)良性能[6]，具體參數(shù)如表1所示.

表1 聚甲基丙烯酸甲酯的材料屬性

2.3 單透鏡的注射成型與注射壓縮成型的成型模擬參數(shù)設(shè)置

通過注射成型工藝仿真和注射壓縮成型工藝仿真兩種成型技術(shù)分別對單透鏡進行模擬，主要研究透鏡的翹曲變化、折射指數(shù)、體積收縮率，通過正交實驗方法，利用信噪比法得到了各自的最佳工藝參數(shù)組合（注射成型工藝條件為：熔體溫度、開模時間、保壓壓力、保壓時間、冷卻時間、注射速率. 注射壓縮成型工藝條件為：壓縮距離、壓縮速度、壓縮力、開模時間、保壓時間、保壓壓力為、熔體溫度為、冷卻時間為、注射速率）. 再分別對兩種不同成型工藝的最佳參數(shù)組合進行模擬仿真.

圖5分別為注射成型和注射壓縮成型兩種不同成型方式的單透鏡折射指數(shù)變化對比云圖，兩者都是經(jīng)信噪比方法優(yōu)化處理后得到的.

a.注射成型????????????????b.注射壓縮成型

圖5 注射成型與注射壓縮成型的折射率變化

翹曲變形也是影響單透鏡光學(xué)性能的重要因素. 圖6為注射成型和注射壓縮成型的單透鏡翹曲變化量對比云圖，兩者都是經(jīng)信噪比方法優(yōu)化處理后得到的.

a.注射成型???????????????b.注射壓縮成型

圖6 注射成型與注射壓縮成型的翹曲變形

可以看出，圖6-a中大端面邊緣翹曲變形明顯，圖6-b比6-a變化更均勻分散，注射成型單透鏡的最大翹曲變形值為，大于注射壓縮成型單透鏡的最大翹曲變形值，而注射壓縮成型相對注射成型單透鏡的翹曲變形下降了46.09%. 由于注射壓縮成型多了壓縮階段，彌補了在注射階段中的部分缺陷，使透鏡各部分翹曲分布較均勻，沒有出現(xiàn)過大的翹曲變形，保證了制品尺寸的穩(wěn)定性. 可見，注射壓縮成型單透鏡在產(chǎn)品尺寸穩(wěn)定性方面要高于注射成型的透鏡.

由于光聚合過程中的材料體積收縮，不僅會造成材料尺寸不穩(wěn)定，還會造成材料變形、斷裂、附著力下降等問題. 圖7為注射成型和注射壓縮成型兩種不同成型方式的單透鏡體積收縮率對比云圖，兩者都是經(jīng)信噪比方法優(yōu)化處理后得到的.

a.注射成型???????????????b.注射壓縮成型

圖7 注射成型與注射壓縮成型的體積收縮率

由Moldflow軟件分析結(jié)果可知，通過注射成型得到的單透鏡體積率收縮率最大值為11.04%（圖7-a），主要發(fā)生在透鏡中心部位，產(chǎn)品的非球面區(qū)域和側(cè)面收縮率小不明顯. 通過注射壓縮成型得到的單透鏡體積率收縮率最大值為8.179%（圖7-b），相比注射成型下降25.91%，對比發(fā)現(xiàn)注射壓縮成型得到的單透鏡體積收縮率云圖透鏡各部分分布很均勻，沒有出現(xiàn)注射成型中比較分散的情況. 可見，注射壓縮成型得到的單透鏡體積收縮率更小，精度尺寸更高.

3 結(jié)論

通過分析對比在同等成型條件下單透鏡的注射成型和注射壓縮成型模擬圖可以知道，對制品質(zhì)量要求不高時，可以考慮采用注射成型技術(shù)，而對制品質(zhì)量有較高要求時，在條件允許的情況下應(yīng)優(yōu)先使用注射壓縮成型技術(shù). 本實驗表明注射壓縮成型單透鏡在翹曲變形、折射率變化、體積收縮率方面明顯優(yōu)于注射成型單透鏡，對改善單透鏡光學(xué)性能、減小折射指數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸和表面質(zhì)量方面具有一定的指導(dǎo)作用，對實際生產(chǎn)也提供了很好的參考價值. 根據(jù)注射壓縮成型技術(shù)的成型特點和所得光學(xué)制品光學(xué)性能的優(yōu)越性，我們可以在結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，尺寸更大、更薄的光學(xué)制品上進一步研究、開發(fā)和運用.

參考文獻：

[1] 陳宇宏，袁淵. 注射成型和注射壓縮成型透明件的光學(xué)性能對比與分析[J]. 航空材料學(xué)報，2011, 31(2): 55-60.

[2] LI Yichao, ZHANG Yisheng, LI Dequn. Shrinkage analysis of injection-compression molding for transparent plastic panel by 3D simulation [J]. Appl Mechan Mater, 2010, 44-47: 1029-1033.

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[4] 陳智勇. Moldflow6.1注塑成型從入門到精通[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2009.

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[6] 周春艷，姜月偉，徐兵. 國內(nèi)聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的生產(chǎn)及市場[J]. 塑料工業(yè)，2011, 39(9): 5-8.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

A Simulation Analysis of Single Lens for Injection Molding and Injection Compression Molding Based on MOLDFLOW

SUNRui, ZHOUYang, DUYao-xue

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

MOLDFLOW software is used to simulate and analyze the refractive index, warping deformation, volume shrinkage and the filling process of the plastic single lens for injection molding and injection compression. In view of the technical features of the two kinds of molding, optical properties of injection molding and injection compression molding single lens are analyzed and compared. The simulation results show that, by adopting the injection compression molding in stead of the injection molding, the refractive index of the single lens is reduced by 40%, the warping deformation is reduced by 46.09%, and the volume shrinkage rate decreases by 25.91%. The results indicate that the injection compression molding have obvious advantages on refractive indexes, warping deformation and shrinkage rate. This paper can provide a theoretical basis for the practical production of plastic lenses..

injection molding; injection compression molding; single lens; refractive indexes; warping deformation; volume shrinkage rate

1006-7302（2016）04-0052-05

TQ320.66

A

2016-07-06

廣東省自然科學(xué)基金資助項目（2016A030313004）

孫銳（1985—），男，湖北襄陽人，在讀碩士生，研究方向為聚合物成型加工CAD/CAE；杜遙雪，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，通信作者，研究方向為聚合物成型加工CAD/CAE.