光學(xué)部件的注塑成型

　　在注射模塑光學(xué)部件的過(guò)程中，由于不能在其表面進(jìn)行標(biāo)注，因此模腔壓力的測(cè)定就受到了限制。但為了使用這個(gè)重要的過(guò)程參數(shù)來(lái)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，人們采用了一種使用特殊測(cè)量銷釘?shù)姆墙佑|式測(cè)量方法來(lái)測(cè)量空腔壓力。將流路耦合到pvT圖中來(lái)開(kāi)發(fā)新的加工監(jiān)視技術(shù)。

　　此處并未包含質(zhì)量上高端的光學(xué)組件，正相反，恰好只能用最高的質(zhì)量水平來(lái)生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用的光學(xué)部件。就棱鏡而言，不僅其幾何形狀和表面結(jié)構(gòu)起到了重要作用，而且生產(chǎn)的重復(fù)性也會(huì)大大影響諸如內(nèi)應(yīng)力或分子取向之類的產(chǎn)品內(nèi)部性能。因此就個(gè)例而言，要在生產(chǎn)過(guò)程中評(píng)定產(chǎn)品光學(xué)性能的話，僅靠檢查部件的幾何形狀或者以肉眼來(lái)檢查部件表面是不夠的。進(jìn)行光學(xué)性能測(cè)定就顯得更為重要。例如用Shack-Hartmann傳感器(SHS)測(cè)得的波陣面的扭曲度就可以作為一個(gè)判定結(jié)果?？捎脭?shù)學(xué)方法推演出更為重要的質(zhì)量函數(shù)。

　　對(duì)諸如注射模塑的連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程而言，我們很難用上述的方法來(lái)進(jìn)行光學(xué)測(cè)試。毫無(wú)疑問(wèn)，必須將靈敏的測(cè)試裝置從外部來(lái)進(jìn)行安置，這是非常耗時(shí)的過(guò)程。并且這個(gè)過(guò)程中我們需要長(zhǎng)時(shí)間的等待，直到得到測(cè)試結(jié)果為止。這會(huì)延遲整個(gè)生產(chǎn)順序，特別是在開(kāi)始階段更是如此。一般來(lái)講，在上述的時(shí)間段內(nèi)機(jī)器必須停止工作?？紤]到長(zhǎng)的生產(chǎn)周期和機(jī)器成本，生產(chǎn)出廢品是不可接受的。

　　制造光學(xué)部件的加工變型

　　在光學(xué)部件的注射成型過(guò)程中，模塑過(guò)程不僅對(duì)其幾何形狀有影響，而且對(duì)部件的內(nèi)部性能有至關(guān)重要的影響。有關(guān)部件質(zhì)量的研究表明，如由注塑模塑改為注塑-壓縮模塑僅能稍微增加部件幾何尺寸的精度。然而其光學(xué)特性則大概能提高7個(gè)因子，因而僅通過(guò)測(cè)試幾何參數(shù)來(lái)評(píng)估部件的光學(xué)性能是不夠的。因此證明注塑-壓縮模塑成型是用來(lái)加工光學(xué)部件的一個(gè)適合方法。在加壓過(guò)程中，在壓縮相后直接施加壓力相。壓力以一個(gè)等同于均相分布?jí)毫Ρ皇┘拥讲考砻?。作為與常規(guī)的注塑-壓縮模塑相關(guān)的不同變型的例子，下文將介紹注塑-加壓及膨脹-壓縮模塑。

　　常規(guī)注塑-壓縮模塑

　　與標(biāo)準(zhǔn)注塑模塑成型相比，注塑-壓縮模塑允許模具的流路/壁厚比高達(dá)500:1。在光學(xué)部件的表面沒(méi)有轉(zhuǎn)換流痕是很重要的。因此一個(gè)循環(huán)中的每個(gè)獨(dú)立的過(guò)程和運(yùn)動(dòng)必須連續(xù)貫通。

　　在填充階段，模具僅打開(kāi)少許?？p隙大小相當(dāng)于壓縮沖程的值。塑料熔體被注入模具后，壓縮過(guò)程就以螺桿位置為函數(shù)而開(kāi)始了。由于模具是打開(kāi)的，因此在注塑過(guò)程中其內(nèi)部壓力降低甚至完全消失。壓縮階段是通過(guò)一個(gè)位置可調(diào)節(jié)的螺桿來(lái)開(kāi)始的。在模腔被完全充滿之前，塑料熔體沿流路的末端流動(dòng)，并且被隨后的壓縮階段壓縮，這也補(bǔ)償了塑料的收縮。

　　如果模腔在填充的末段階段已被充填滿，則壓縮階段直接開(kāi)始。利用一些機(jī)器上的設(shè)置，在這個(gè)階段塑料熔體也可以沿與螺桿施壓相反的方向被壓回塑化單元內(nèi)。用這個(gè)方法，能生產(chǎn)出沒(méi)有熔接痕或?qū)⑵溥x擇性地轉(zhuǎn)移到部件邊緣區(qū)域的對(duì)熔接痕要求高的部件(壁厚比SA/SI≥3的棱鏡，如凹面鏡或者負(fù)彎月散射透鏡)。

　　膨脹-壓縮模塑

　　利用鎖模單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的膨脹-壓縮模塑更適宜于橫截面處壁厚保持不變的部件的生產(chǎn)。該加工方法的優(yōu)點(diǎn)是填充模塑后并未將應(yīng)力引入到生產(chǎn)的部件中，因?yàn)樽⑺苓^(guò)程中壓力并不是通過(guò)螺桿來(lái)施加的，而是通過(guò)鎖模來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因而模腔內(nèi)的壓力是均勻的，并且塑料熔體能夠幾乎沒(méi)有應(yīng)力的被冷卻，從而得到一種具有均勻微結(jié)構(gòu)的部件。

　　跟標(biāo)準(zhǔn)的注塑成型方法一樣，該方法的塑料熔體填充過(guò)程也是在閉合的模具中完成的。在膨脹階段，可能鎖模力逐漸降低的模具通過(guò)螺桿被打開(kāi)到一個(gè)限定且可精確重復(fù)的位置。該位置控制所能達(dá)到的精度是能成產(chǎn)出壁厚具有重現(xiàn)性的部件的一個(gè)關(guān)鍵因素。壓縮過(guò)程將模具的壓縮型芯移到壓縮位置。

　　當(dāng)?shù)竭_(dá)該位置時(shí)(直接在模具上進(jìn)行測(cè)量)，壓縮過(guò)程就開(kāi)始了，同時(shí)填充過(guò)程立即停止。壓縮和保壓階段由一個(gè)多階段的鎖模力/壓縮力分布所組成。

　　膨脹壓縮模塑和注射-壓縮模塑都能通過(guò)壓縮模具的型芯而不是機(jī)器的鎖模單元來(lái)改變壓縮比例。然而這僅有在部件需要部分壓縮的情況下才有意義。依賴于注塑模塑機(jī)械鎖模單元的概念，然而壓縮過(guò)程也可能僅通過(guò)型芯來(lái)完成。完全的液壓拉桿鎖模單元給用戶提供了最靈活的選擇。

　　具有三維問(wèn)題領(lǐng)域的工藝控制

　　在光學(xué)部件的生產(chǎn)過(guò)程中，必須對(duì)三維問(wèn)題領(lǐng)域進(jìn)行管理：必須將部件的幾何、表面及光學(xué)性能列入到所需產(chǎn)品的質(zhì)量評(píng)定中。這需要精確的過(guò)程控制，即推測(cè)已知的模具內(nèi)的熔體狀態(tài)和所存在的過(guò)程。作這些推測(cè)需要具有型腔壓力方面的知識(shí)。因?yàn)樾颓粔毫_地反映了注塑成型期間的填充、壓縮和保壓階段，這些信息在過(guò)程優(yōu)化期間和加工及質(zhì)量監(jiān)控都是有幫助的。

　　在理想化的免保壓注塑模塑中，理論上模腔是被等溫填充的，熔體被壓縮然后被等容冷卻，這就意味著在這個(gè)階段特定的體積是保持不變的(圖1所示)。然而，這樣一個(gè)填充操作將需要極高的壓力，這不一定是可能實(shí)現(xiàn)的， 因?yàn)樵摲椒〞?huì)施加應(yīng)力到模具和機(jī)器上。

　　經(jīng)典的pvT圖示闡明了實(shí)際的加工過(guò)程(具有保壓階段的生產(chǎn)) (圖2所示):

　　(1) 在注射階段(1-2)，壓力在溫度幾乎保持不變(等溫)下增加。

　　(2) 在定容填充模腔的充填階段結(jié)束后，就開(kāi)始?jí)嚎s階段。熔體被壓縮以確保生產(chǎn)的部件形狀具有一定的重現(xiàn)性。

　　(3) 一達(dá)到最大模腔壓力，保壓階段就開(kāi)始運(yùn)行。其通過(guò)補(bǔ)充更多的材料補(bǔ)償聚合物的高溫收縮。也就是說(shuō)部件體積的縮減是由于溫度的降低而引起的。

　　(4) 熔體在澆口區(qū)域處(密封點(diǎn))的固化。逐步產(chǎn)生的熱收縮為模腔內(nèi)的壓力降低到環(huán)境壓力(5)提供了可能。該階段(4-5)是等容的。

　　(5) 模腔內(nèi)部壓力一達(dá)到環(huán)境壓力，收縮過(guò)程就開(kāi)始。

　　(6) 部件溫度降到環(huán)境溫度。在(5-6)階段的特定體積改變對(duì)應(yīng)于加工收縮。

　　重要的是在注射模塑過(guò)程中，壓力是由螺桿通過(guò)澆口逐點(diǎn)發(fā)射到部件上的。冷卻效應(yīng)使部件的外層流路方向凝固。這導(dǎo)致在壓縮和保壓階段在部件內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)壓力梯度，這導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

　　重要的是作為一個(gè)二維描述的pvT圖示實(shí)際上僅給出了點(diǎn)的信息。那就意味著其并沒(méi)有描述部件內(nèi)沿流路方向的壓力狀態(tài)。然而對(duì)光學(xué)部件而言，沿其流路方向的內(nèi)部性能穩(wěn)定性對(duì)其質(zhì)量是很重要的。這樣不會(huì)誘導(dǎo)內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。

　　為了確定部件的實(shí)際情況，pvT圖示必須圍繞流路被延伸到三維圖(圖3所示)。只有這樣才能解釋在標(biāo)準(zhǔn)注塑成型中，在部件內(nèi)部存在非均相的壓力狀態(tài)，從而導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。螺桿通過(guò)澆口逐點(diǎn)保壓來(lái)補(bǔ)償部件的收縮，這使得沿流路的每一點(diǎn)處于不同的pvT狀態(tài)。在三維圖示中，以一個(gè)面來(lái)代表加工曲線，并用于沿流路壓力減小、溫度降低的標(biāo)準(zhǔn)加工的描述。

　　作為膨脹壓縮模塑的例子，理想的加工以一個(gè)等溫填充階段(1-2)運(yùn)行，然后融入到膨脹階段(2)。在這個(gè)階段，模腔內(nèi)壓力達(dá)到最大值，并且該過(guò)程被恒壓控制。在(4)中，壓縮階段也是以恒壓的方式開(kāi)始的。從(5)開(kāi)始，該過(guò)程又是等壓的，直到模腔壓力降到環(huán)境壓力或冷卻環(huán)境溫度(7)之下為止。在等壓過(guò)程控制期間，該工藝流程是一個(gè)壓力沿整個(gè)流路保持不變的平面。

　　從模腔被完全填滿開(kāi)始，該工藝按與標(biāo)準(zhǔn)注塑成型的充填階段(1-2)相似的模式運(yùn)行。由于沿流路的流動(dòng)阻力增加，在注塑階段整個(gè)流路不能以常壓的方式來(lái)進(jìn)行壓縮。當(dāng)加工由標(biāo)準(zhǔn)工藝轉(zhuǎn)入到更高壓力的壓縮階段時(shí)，在壓縮期間壓力保持不變(pvT圖示中的3-5階段)。注射-壓縮模塑期間沿流路方向的壓力降是通過(guò)運(yùn)用大面積的壓力來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。因而為在模壓階段達(dá)到等壓控制的壓縮沖程的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

　　跟在標(biāo)準(zhǔn)注射模塑中的理想加工流動(dòng)一樣，這種理想化的流動(dòng)也不能徹底的實(shí)現(xiàn)。那是由于部件外層的部分凝固而導(dǎo)致的。因而通常難以實(shí)現(xiàn)圖中所描述的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)。

　　工藝優(yōu)化步驟

　　光學(xué)部件壓縮生產(chǎn)的pvT圖示顯示了工藝控制的基本過(guò)程，并在這里用于解釋膨脹-壓縮模塑工藝。在模腔被填滿之后，必須對(duì)壓縮柱塞的注射壓力和力進(jìn)行優(yōu)化以使腔內(nèi)的為一常數(shù)值。轉(zhuǎn)到壓縮生產(chǎn)工藝后，注射壓力和力必須又被設(shè)定到腔內(nèi)的常數(shù)壓力值。如果腔內(nèi)壓力不能達(dá)到常數(shù)值，部件的光學(xué)性能就會(huì)降低。對(duì)優(yōu)化工藝控制來(lái)講，在光學(xué)部件的生產(chǎn)過(guò)程中測(cè)定模腔內(nèi)的壓力是必備的。此外，測(cè)定這個(gè)工藝參數(shù)可使優(yōu)化該復(fù)雜的工藝變得簡(jiǎn)單得多。

　　在優(yōu)化階段，不同的腔內(nèi)壓力曲線被記錄下來(lái)(圖5所示)：其中最上面的圖顯示的是優(yōu)化后的曲線。而在中間的圖則表示膨脹階段腔內(nèi)的壓力急劇降低。在這個(gè)階段，作用在柱塞上的力太小，材料之間發(fā)生替換。必須增加該力到與腔內(nèi)壓力相當(dāng)?shù)囊粋€(gè)常數(shù)值。圖5底部的圖則顯示腔內(nèi)的壓力由于在壓縮階段沒(méi)有對(duì)材料的收縮進(jìn)行補(bǔ)償而如何劇降的。更高的壓縮力對(duì)該工藝更有利。

　　除了壓力和力太小以外，腔內(nèi)壓力曲線也顯示力太大或者注射、膨脹和壓縮階段之間的過(guò)渡不當(dāng)。該曲線也提供了對(duì)優(yōu)化測(cè)量有利的詳細(xì)信息。

　　腔內(nèi)壓力的非接觸式測(cè)量

　　顯而易見(jiàn)的是，在光學(xué)部件的可見(jiàn)或者功能區(qū)不能有任何痕跡或者瑕疵。這就使得難以用傳統(tǒng)的傳感器來(lái)測(cè)定壓力，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)部件的表面來(lái)測(cè)定腔內(nèi)的壓力，從而可能會(huì)使部件產(chǎn)生壓縮。一種可能的補(bǔ)救措施是制造更大尺寸的部件，從而使測(cè)量點(diǎn)偏移到部件的邊緣區(qū)域(所需用到的部件的光學(xué)區(qū)域之外)。測(cè)量以后再用機(jī)械方法除去部件上多余的部分。但該方法并沒(méi)有得到采納，因?yàn)檫@會(huì)增加成本并降低(破壞)生產(chǎn)效率。

　　在腔內(nèi)壓力的非接觸式測(cè)量方面，位于瑞士溫特圖爾市的奇石樂(lè)儀器股份公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專用的銷釘式測(cè)量傳感器，并與位于德國(guó)慕尼黑的克勞斯瑪菲塑料技術(shù)有限公司在一個(gè)用于棱鏡生產(chǎn)的注射-壓縮裝置上成功實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想。該新型的傳感器被整合到模具中，并被安放在模腔壁后面或壓縮柱塞上，以此測(cè)量由模腔內(nèi)壓力對(duì)鋼材的壓縮。這種測(cè)量方法的建立使得在一個(gè)雙腔測(cè)試模具中利用兩個(gè)測(cè)量銷釘感應(yīng)器快速和便利地優(yōu)化工藝控制成為可能。在生產(chǎn)過(guò)程中，棱鏡的質(zhì)量是依靠腔內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)控的。

　　圖6所示分別為膨脹壓縮模塑腔內(nèi)壓力曲線(棕色)、螺桿前部壓力(黑色)和壓縮柱塞處的壓力(紅色)。在注射階段，模腔內(nèi)壓力一直增加直到其被填滿為止。然后腔內(nèi)的壓力由于保壓壓力和膨脹力的作用而被建立起來(lái)。從pvT圖上來(lái)看，該壓力保持一常數(shù)值。壓縮階段開(kāi)始，緊接著是最終的脫模階段。

　　在成型的早期階段對(duì)質(zhì)量缺陷進(jìn)行識(shí)別

　　注射-壓縮成型已被證明是一種適用于光學(xué)部件生產(chǎn)的生產(chǎn)工藝。許多參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有顯著影響，并只有腔內(nèi)壓力已知的情況下這些參數(shù)的變化才能被追蹤并被控制。在注射模塑期間，腔內(nèi)的壓力是壓縮力或鎖模力隨時(shí)間變化的函數(shù)。

　　無(wú)需通過(guò)對(duì)部件的光學(xué)性能進(jìn)行復(fù)雜的測(cè)試，而通過(guò)測(cè)定腔內(nèi)的壓力來(lái)對(duì)工藝進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控就能提供早期的部件性能信息。因此在生產(chǎn)車間不需要在產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷被檢測(cè)出來(lái)之前不必要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)生產(chǎn)次品。

　　上述結(jié)果已由一系列不同的實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證。這說(shuō)明在光學(xué)部件的生產(chǎn)過(guò)程中，沿流路通路的pvT圖示，三維pvT圖示適于作為質(zhì)量監(jiān)控的參考曲線。在重新開(kāi)始模塑時(shí)，參考曲線也具有使儀器能更快地達(dá)到優(yōu)化工作狀態(tài)的優(yōu)勢(shì)。

　　因而決定性的因素是模塑試驗(yàn)和隨后的模塑優(yōu)化階段。確定理想的基本工藝需要經(jīng)典的模腔壓力測(cè)定。只有當(dāng)實(shí)現(xiàn)合理的工藝流程，部件才能受到了上述的光學(xué)性能測(cè)試。在使部件質(zhì)量達(dá)到所需要求的同時(shí)，參考曲線也使生產(chǎn)監(jiān)控-因而質(zhì)量監(jiān)控成為可能。