分层反压注射成型厚壁光学透镜的工艺分析

所属分类：电子论文阅读次时间：2020-04-07 11:10

本文摘要：摘要：为了研究反压压力对成型厚壁光学透镜的影响，利用自行开发的分层反压注射成型厚壁光学透镜的实验方案，通过正交实验优化设计开展了工艺参数优化实验，研究了在不同分层方式下内外层反压压力对对厚壁光学透镜光学性能的影响，从而根据正交优化参数组合

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　　摘要：为了研究反压压力对成型厚壁光学透镜的影响，利用自行开发的分层反压注射成型厚壁光学透镜的实验方案，通过正交实验优化设计开展了工艺参数优化实验，研究了在不同分层方式下内外层反压压力对对厚壁光学透镜光学性能的影响，从而根据正交优化参数组合成型具有优异光学性能的理想厚壁光学透镜。正交实验研究结果表明，使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为厚壁光学透镜的原材料进行分层反压注射成型，能够有效减少厚壁光学透镜收缩率，同时随着内外层反压压力的提高，厚壁光学透镜的透光率和折射率均不同程度的得到提高，透镜光学性能优异。

　　关键词：反压注射;厚壁;活塞;分层;光学性能

光学技术

　　0前言

　　光学透镜被广泛的应用于安防、车载、数码相机、激光、光学仪器等各个领域，随着市场不断的发展，其需求也越来越大。以往光学透镜都主要是玻璃材质制成，但玻璃材质的光学透镜易碎、非球面精度不易实现、生产效率低、成本高。针对玻璃材质的光学透镜存在的缺陷，塑料成型厚壁光学透镜具有质轻、生产成本低等优点，因此已经成为近些年来学者们研究的热点。

　　但是厚壁光学透镜所代表的光学器件往往壁厚10~30mm，通过传统的注射成型厚壁光学透镜存在收缩率大、残余内力大且不均、光学效果差等缺陷，这些缺陷都极大的限制塑料成型厚壁光学透镜的发展。为了改善塑料成型厚壁光学透镜收缩率大这方面的缺陷，Guan等[1]通过研究成型工艺参数对制品厚度的均匀性的影响，得出厚壁制品尺寸稳定性与注射量及压缩起始位置有关，这为注射压缩成型厚壁制品提供了借鉴。由英国Brunei大学Bevis教授等[2]开发设计出一种多流道注射成型技术，相对比于传统注射成型技术，利用该技术在注射成型厚壁制品时收缩率可以明显减小，是动态保压注射成型的提出者。官青等[3]应用动态保压注射成型技术成型厚壁制品，成功得到表面尺寸稳定的聚乙烯厚壁长条样件。

　　由Allan等[4‐5]提出剪切控制定向注射成型(SCORIM)特种注射成形方法可消除厚壁制品常出现的缩痕、气泡和残余应力变形。Hop‐mann等[6]使用分层注射的方法，制备了厚壁的光学透镜，减小了其内应力，使其具有优异性能。而为了改善塑料成型厚壁光学透镜光学效果，也有大量的学者做了相应的研究。

　　Sortino等[7]分别使用传统注射工艺(IM)和注射压缩(ICM)的方法成型菲涅尔透镜，并对各自的注射加工工艺参数对菲涅尔透镜光学性能进行了研究，从研究中发现在传统注射过程中，对菲涅尔透镜成型质量影响最大的是保压压力，其次是模具温度，然而在注射压缩实验过程中，对菲涅尔透镜成型质量影响最大的是注射速度，其次是注射压力。Michaeli等[8‐11]通过修改腔体轮廓来补偿局部材料的收缩从而注射成型高质量的厚壁光学透镜。

　　Wen等[12]研究了在注射压缩成型过程中，成型工艺参数对成型的光学透镜的光学特性的影响，结果表明，熔体温度、模具温度、保压压力和保压时间等注射加工工艺参数对注射成型塑料制件的光学性能有一定的影响，其中模具温度和保压压力是影响光学透镜的最主要因素。本文以PM‐MA为原材料，采用提出的分层反压注射成型厚壁光学透镜的方法，通过检测成型后三棱镜的收缩率、透光率、折射率3项指标，证实了分层反压注射成型工艺能够显著提高厚壁光学透镜的尺寸稳定性和光学性能。

　　1实验部分

　　1.1主要原料

　　PMMA，CM-205，熔体流动速率为1.8g/10min，镇江奇美化工有限公司。

　　1.2主要设备及仪器

　　注射成型机，TH90/TP，山东通佳机械有限公司;此次成型的厚壁光学透镜为底面边长60mm的正三角形，高度为60mm的三棱镜。

　　1.3分层反压注射成型原理

　　分层反压注射成型主要是依据先前提出的反压注射成型工艺，将分层注射成型与之结合，用以成型厚壁光学透镜。分层反压注射成型的结构设计如图2所示，在模具型腔内加入了可运动的活塞，活塞后连接压力系统，压力系统主要由压力杆件提供，压力系统为活塞提供反压压力，由此实现了机械式反压结构，实现反压注射的功能。

　　另外，将活塞分层，压力系统为分层活塞提供的不同的反压压力。在熔体填充阶段，熔体会首先推动反压压力的较小的活塞层运动，活塞芯部层压力较小时，熔体会首先推动该层向后运动，当活塞芯部层运动至行程末端时，熔体继续推动活塞外表层向后运动。当活塞外表层也被推至行程末端时，保压冷却，完成注射过程。由此实现了分层注射的功能。通过反压功能与分层功能相结合，实现整体分层反压注射成型的新工艺。分层反压注射成型通过反压可以稳定聚合物熔体充模流动、提高制品表面质量、减小收缩率，通过分层的方法可以缩小厚壁光学透镜表层与芯部差异，提高光学性能。

　　1.4实验过程

　　模具模型：通过分层反压注射成型技术，选择A、B2种分层方式成型规则的三棱镜，分层方式即为总体尺寸不变，选择2种尺寸的外层分层厚度。制备厚壁光学透镜三棱镜：首先将PMMA粒料在70℃的温度下干燥6~8h，通过分层反压注射成型制备厚壁光学透镜三棱镜;相关注射参数如下，注射参数为：模温：90℃，注射压力：80MPa，注射速度30mm/s，保压压力60MPa，保压时间80s;由于分层反压压力实际上由压力元件来提供，为方便统一单位，现都已经将其换算成统一单位MPa;用正交实验的方法研究2种分层方式下内外层反压压力对厚壁光学透镜三棱镜的尺寸收缩率、透光率、折射率的影响。

　　厚壁光学透镜三棱镜透光率测量：使用分光光度计测量厚壁光学透镜的光学效果，选择光的三原色红、绿、蓝(波长分别为：700、546、436nm)为检测代表来进行透光率的检测。使用分光光度计对厚壁光学透镜的透光率进行检测，然后获取波长分别为700、546、436nm的点的透光率，以此来表达该厚壁光学透镜的光学效果。实验中使用分光光度计测量的部位是三棱镜的2个三角形底面中点的连线。

　　厚壁光学透镜三棱镜折射率测量：对厚壁光学透镜折射率的测定使用的是最小偏向角法，其中偏向角指的是入射光线的延长线与射出光线的反向延长线之间的夹角，最小偏向角指的是转动三棱镜时，入射角会发生改变，偏向角也会改变，在某个入射角处，偏向角存在一个最小值，这个角成为最小偏向角δmin，依靠分光计(测角仪)完成测量，分光计主要包括平行光管、载物台、望远镜、读数装置4个部分。

　　2结果与讨论

　　2.1分层反压对尺寸稳定性的影响

　　在分层反压注射成型实验中，选择前文介绍的A、B2种方式分层，测量2种分层方式在不同反压压力下成型的厚壁光学透尺寸，经过式(2)换算为收缩率。

　　2.2分层反压对厚壁光学透镜的透光率的影响

　　分层反压压力参数注射成型厚壁光学透镜并测量其透光率，http://www.fbxslw.com/dzqk/6804.html本次实验结果以红光(波长700nm)的透光率来表征。在A、B2种分层方式下，内层反压压力对于厚壁光学三棱镜的透光率影响程度更大。这主要是因为厚壁光学三棱镜的透光率与其本身的密度有关，在熔体充模过程中，内层反压压力可以起到稳定充模流动的效果，一定程度上减少了熔体空隙的填充不充分，保证了三棱镜致密性，使其熔体物性差异变小，从而使得三棱镜的透光效果更好。

　　在不同分层反压注射成型的条件下，成型的厚壁光学透镜的透光率有着很明显的变化，总体趋势随着压力的提升，透光率也在不断提高。可以看出，使用B类分层方式分层反压注射成型的厚壁光学透镜的透光率更高。主要是因为在相同的反压压力下，B类分层方式进一步减小了型腔截面积，使得反压压力更加均匀作用在型腔截面上，保证不同截面上的熔体均较致密，不同层面的熔体物性差异也比较小，因而B类成型三棱镜的透光率比较高。由于厚壁光学三棱镜的透光率的越大越好，因此实验范围内最佳工艺参数是B类分层方式下内层反压压力为0.179MPa、外层反压压力为0.256MPa。

　　3结论

　　(1)通过采用分层反压注射成型厚壁光学透镜，外层反压压力改善制品尺寸稳定性效果更显著，而内层反压压力是在此基础上进一步优化制品尺寸的稳定性，从而可以得到尺寸更加稳定的厚壁制品;(2)采用分层反压注射成型厚壁光学透镜，分层可以减小成型后的厚壁光学透镜表层与芯部差异，从而减小其冷却后的残余内应力;分层方式的改变对成型厚壁光学透镜也有不同的影响，通过优化分层方式，可以进一步提高厚壁光学透镜的各项指标;通过实验得出B类分层方式有助于成型更优异的厚壁光学三棱镜。

　　参考文献：

　　[1]GUANWS，HUANGHX.BackMeltFlowinInjec‐tion‐compressionMolding：EffectonPartThicknessDistri‐bution[J].InternationalCommunicationsinHeat&MassTransfer，2012，39(6)：792‐797.

　　[2]ALLANPS，BEVISMJ.DevelopmentandApplicationofMultipleLive‐feedMouldingforTheManagementofFi‐bresinMouldedParts[J].CompositesManufacturing，1990，1(2)：79‐84.

　　[3]官青，申开智，吉继亮.动态保压注射成型技术研究[J].成都科技大学学报，1995(5)：20‐26.GUANQ，SHENKZ，JIJL.TheStudyofOscillatingPackingInjectionMolding[J].JournalofChengduUniver‐sityofScienceandTechnology，1995(5)：20‐25.

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