微透鏡陣列注射壓縮成型的殘余應(yīng)力

孫磊磊，蔣炳炎，陳磊，蔣豐澤

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微透鏡陣列注射壓縮成型的殘余應(yīng)力

孫磊磊，蔣炳炎，陳磊，蔣豐澤

(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083)

利用Autodesk Moldflow Insight軟件，通過正交實(shí)驗(yàn)仿真分析熔體溫度、模具溫度、壓縮速度、壓縮距離、壓縮壓力和壓縮延遲時(shí)間這6個(gè)因素的工藝特性，并進(jìn)行極差分析。按照壓縮框主軸壓縮的方式制作注射壓縮模具，采用單因素實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究熔體溫度、模具溫度、壓縮速度這3個(gè)主要因素的工藝特性，運(yùn)用應(yīng)力?光學(xué)定律，根據(jù)測(cè)量所得光程差間接得到平均殘余應(yīng)力。研究結(jié)果表明：模具溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響最大，其次是壓縮延遲時(shí)間和熔體溫度；殘余應(yīng)力隨模具溫度的升高而降低，隨熔體溫度的升高先減小后增大，隨壓縮延遲時(shí)間的增加而上升。

微透鏡陣列；注射壓縮成型；殘余應(yīng)力

微透鏡陣列是微光學(xué)系統(tǒng)中重要的光學(xué)元件之一，在光學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛[1?5]。微透鏡陣列的成型材料有石英和聚合物，傳統(tǒng)石英材料多采用熱壓成型，成型精度高，制件質(zhì)量好，但生產(chǎn)效率低；當(dāng)前聚合物微透鏡陣列多采用注射成型時(shí)，生產(chǎn)效率高，但制件幾何尺寸和光學(xué)性能較差[6?7]。注射壓縮成型是傳統(tǒng)注射成型的一種高級(jí)形式，是綜合注射成型和熱壓成型形成的新工藝，兼有熱壓成型幾何精度高、內(nèi)應(yīng)力小和注射成型生產(chǎn)周期短、成本低等的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)廉價(jià)、高效、批量生產(chǎn)，是成型高質(zhì)量微透鏡陣列最有前景的方法[8?10]。殘余應(yīng)力是聚合物光學(xué)元件的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響著微透鏡陣列的成像質(zhì)量和光學(xué)性能[11?12]。MICHAELI[13]通過研究發(fā)現(xiàn)注射壓縮成型高分子透鏡在尺寸精度和光學(xué)質(zhì)量上相比注射成型得到的透鏡質(zhì)量更好。KIM等[14]通過仿真研究注壓成型光盤基板，結(jié)果表明注射壓縮成型得到的基板雙折射比注射成型的雙折射小，增大保壓壓力會(huì)使雙折射增大，增大熔體溫度可以降低雙折射。李沙[15]通過觀察干涉條紋，研究了在注射壓縮成型和注射成型制品上的雙折射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)注射壓縮成型制品的雙折射較注射成型更小且分布更均勻?，F(xiàn)有研究只是對(duì)殘余應(yīng)力進(jìn)行定性分析，本文作者通過正交實(shí)驗(yàn)仿真得出注射壓縮成型中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，再通過單因素方法研究這些關(guān)鍵參數(shù)對(duì)制件殘余應(yīng)力的定量影響。

1 注射壓縮成型數(shù)值仿真

注射壓縮成型與注射成型相比，具有注射壓力低、分子取向小的優(yōu)點(diǎn)，因此，可以不考慮制件的流動(dòng)殘余應(yīng)力，制件的殘余應(yīng)力由熱殘余應(yīng)力決定。采用Moldflow Insight/Injection Compression 軟件計(jì)算殘余應(yīng)力時(shí)，使用基于熱應(yīng)力和壓縮壓力誘導(dǎo)的殘余應(yīng)力分布的數(shù)學(xué)模型：

式中：為應(yīng)力張量；為材料機(jī)械性能張量；為材料熱性能張量；為時(shí)間；為熱力學(xué)溫度；?為熱膨脹系數(shù)張量；()為材料溫度隨時(shí)間的變化函數(shù)，

a為溫度與時(shí)間的轉(zhuǎn)化因子。

1.1 有限元模型及正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用模流分析軟件Moldflow進(jìn)行注射壓縮成型工藝仿真及產(chǎn)品殘余應(yīng)力研究。利用Pro/E軟件建立平凸型微透鏡陣列的基板物理模型，其長(zhǎng)×寬×高為10.0 mm×10.0 mm×0.8 mm。導(dǎo)入Autodesk Moldflow Insight 2010軟件，對(duì)微透鏡陣列進(jìn)行注射壓縮分析。型腔布局方式為1模2腔，選用圓形澆口，采用中性面(Midplane)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，三角形單元的邊長(zhǎng)為0.2 mm，共8 950個(gè)單元，單元平均縱橫比為1.44。微透鏡陣列基板的Moldflow網(wǎng)格模型如圖1所示。

(a)制件整體網(wǎng)格劃分模型；(b)微透鏡陣列基板中性面網(wǎng)格劃分圖

采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用L18(37)正交表，研究不同工藝參數(shù)組合對(duì)制件殘余應(yīng)力的影響，工藝參數(shù)水平如表1所示。

注射壓縮成型制品的殘余應(yīng)力會(huì)隨位置的變化而變化。為了全面分析注射壓縮制品的殘余應(yīng)力變化情況，每個(gè)制件選9個(gè)點(diǎn)，各取值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單元編號(hào)為t1141，t325，t311，t1312，t57， t3836，t141，t2592和t2250，其坐標(biāo)位置如圖2所示。圖3所示為微透鏡陣列結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2 仿真結(jié)果分析

常用極差分析法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，比較不同因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響力，計(jì)算結(jié)果如表2所示。注射壓縮成型參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖4所示。上述6個(gè)因素中，模具溫度對(duì)微透鏡陣列表面殘余應(yīng)力的影響最大，其極差為8.665；壓縮延遲時(shí)間的影響次之，熔體溫度排的影響最?。黄溆?個(gè)因數(shù)，和對(duì)殘余應(yīng)力的影響較小，影響由大至小依次為，，，，和。制件殘余應(yīng)力隨著模具溫度的增大而減小，隨壓縮延遲時(shí)間的增加而迅速增大；隨著熔體溫度、壓縮速度的增大先減小后增大，存在1個(gè)極小值；隨壓縮壓力、壓縮距離的增大先增大后減小，存在1個(gè)極大值。

表1 注射壓縮成型工藝參數(shù)水平

表2 注射壓縮成型6因素極差

圖2 殘余應(yīng)力測(cè)試取點(diǎn)位置圖

數(shù)據(jù)單位：mm

1—模具溫度；2—熔體溫度；3—壓縮速度；4—壓縮距離；5—壓縮延遲時(shí)間；6—壓縮壓力。

2 微透鏡陣列注射壓縮成型實(shí)驗(yàn) 研究

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

選用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)為微透鏡陣列材料，牌號(hào)為EVONIK PLEXIGLAS 8N，與仿真所用材料相同，主要性能參數(shù)如表3所示。采用配備注射壓縮功能模塊的德國(guó)雅寶公司注塑成型機(jī)，型號(hào)為ARBURG 370S。

自行設(shè)計(jì)制作注射壓縮成型實(shí)驗(yàn)?zāi)＞?，選用壓縮框形式、二級(jí)頂桿頂出、主軸壓縮等功能，有效解決了壓縮及頂出的協(xié)調(diào)性問題，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)如圖5所示。初次合模后，動(dòng)模板7與定模板8之間有一微小間隙，動(dòng)模鑲塊5與定模鑲塊6在矩形彈簧4的作用下緊密貼合在一起，貼合面為模具的分型面；然后，進(jìn)行塑料熔體注射，矩形彈簧提供足夠鎖模力；注射完畢后，動(dòng)模部分在主軸的推力下整體向前移動(dòng)1 mm的壓縮距離，頂桿2也相應(yīng)前移，完成2次合模；最后，制件被頂出，在頂桿1，2和3作用下將制件頂出。二級(jí)頂桿的設(shè)計(jì)有效避免了流道內(nèi)的聚合物被壓縮，保證了充填計(jì)量的準(zhǔn)確性。

表3 PMMA材料基本參數(shù)

1—一級(jí)頂桿；2—頂桿；3—二級(jí)頂桿；4—矩形彈簧；5—?jiǎng)幽ｈ倝K；6—定模鑲塊；7—?jiǎng)幽０澹?—?jiǎng)幽０濉?/p>

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)方案

參考微透鏡陣列注射壓縮成型仿真結(jié)果和前人研究結(jié)果，選定模具溫度、熔體溫度和壓縮延遲時(shí)間等6個(gè)工藝參數(shù)作為研究對(duì)象，采用單因素實(shí)驗(yàn)方法研究各工藝參數(shù)對(duì)微透鏡陣列殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，根據(jù)注塑機(jī)壓縮模塊參數(shù)范圍和初期工藝調(diào)試情況，設(shè)定各工藝參數(shù)的水平，如表4所示。

2.3 殘余應(yīng)力檢測(cè)儀器與原理

為實(shí)現(xiàn)微透鏡陣列殘余應(yīng)力檢測(cè)，采用Motic BA300Pol型偏光顯微鏡檢測(cè)儀器。其主要性能參數(shù)如下：放大倍數(shù)為600倍；檢偏鏡旋轉(zhuǎn)角度精度為0.2°；載物臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度精度為0.1°；單色光波長(zhǎng)為589 nm；光程差測(cè)量精度為0.65 nm。

表4 因素試驗(yàn)水平

運(yùn)用應(yīng)力光學(xué)定律，根據(jù)制件某點(diǎn)2個(gè)主應(yīng)力方向上折射率的差值，由式(3)計(jì)算光程差，再由式(4)間接得到制件的殘余應(yīng)力：

式中：Δ為折射率差；為光程差；為投影件厚度；R為殘余應(yīng)力；為材料系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將工藝參數(shù)設(shè)為基準(zhǔn)水平，即模具溫度為80 ℃，熔體溫度為240 ℃，壓縮延遲時(shí)間為1 s。其他參數(shù)恒定，如壓縮壓力為350 kN，壓縮速度為6 mm/s，壓縮距離為0.6 mm，在該基準(zhǔn)參數(shù)下得到樣件光彈圖如圖6所示。

3.1 模具溫度

模具溫度對(duì)帶微結(jié)構(gòu)零件的成型質(zhì)量有較大影響，其他參數(shù)不變，模具溫度從60，70，90和100 ℃依次變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到模具溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖7所示。

圖6 基準(zhǔn)參數(shù)下的光彈圖

從圖7可見：隨著模具溫度上升，微透鏡陣列殘余應(yīng)力呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，在60~70 ℃時(shí)尤為顯著，由 60 ℃時(shí)的14.5 MPa下降為100 ℃時(shí)的11.8 MPa。模具溫度升高，利于聚合物熔體充填，分子取向減?。惠^高模具溫度使型腔表面的冷凝層變薄，熔體冷卻凝固時(shí)間加長(zhǎng)，更加充分地釋放制件表面的內(nèi)應(yīng)力，這些都使微透鏡陣列制件殘余應(yīng)力降低。

圖7 模具溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3.2 熔體溫度

熔體溫度將直接影響PMMA熔體的流動(dòng)性能和冷卻凝固時(shí)間。其他參數(shù)不變，熔體溫度從220，230，250和260 ℃依次變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同熔體溫度下的光彈圖如圖8所示。

從圖8可見：當(dāng)熔體溫度為220 ℃時(shí)，熔體黏度過高，無法成型制件，故無法檢測(cè)其光彈圖；隨著熔體溫度升高，微透鏡陣列的殘余應(yīng)力先減小后增大，由230 ℃時(shí)的13.1 MPa下降到250 ℃的10.8 MPa，再增加至260 ℃時(shí)的17.8 MPa；當(dāng)熔體溫度升高后，聚合物熔體的流動(dòng)性加強(qiáng)，制件更易充填，流動(dòng)殘余應(yīng)力較??；隨著熔體溫度進(jìn)一步升高，超過250 ℃后，熔體的高溫導(dǎo)致澆口不能冷凝完全，在壓縮過程中產(chǎn)生熔體從澆口回流的現(xiàn)象，造成制件內(nèi)部密度分布不均勻，微透鏡陣列殘余應(yīng)力增加。因此，在微透鏡陣列注射壓縮過程中，不宜采用過高的熔體溫度。

圖8 熔體溫度對(duì)殘余應(yīng)力的影響

3.3 壓縮延遲時(shí)間

壓縮延遲時(shí)間直接影響PMMA熔體的冷凝層厚度。其他參數(shù)不變，壓縮延遲時(shí)間從0，0.5，1.5和2.0 s依次變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到不同壓縮延遲時(shí)間與殘余應(yīng)力的關(guān)系，如圖9所示。

從圖9可見：隨著壓縮延遲時(shí)間增加，微透鏡陣列的殘余應(yīng)力呈逐漸上升的趨勢(shì)，由0 s時(shí)的11 MPa增加至2 s時(shí)的13.6 MPa；壓縮延遲時(shí)間增加，型腔界面的冷凝層厚度也隨之增加，因此，在二次壓縮過程中，型腔內(nèi)壓縮機(jī)構(gòu)對(duì)接近冷凝熔體的擠壓影響了應(yīng)力的平衡分布，殘余應(yīng)力也相應(yīng)增大。

圖9 壓縮延遲時(shí)間對(duì)殘余應(yīng)力的影響

4 結(jié)論

1) 仿真得到各工藝參數(shù)對(duì)微透鏡陣列殘余應(yīng)力的影響力，其中模具溫度、壓縮延遲時(shí)間、熔體溫度對(duì)制件殘余應(yīng)力的變化起主要作用。

2) 采用單因素實(shí)驗(yàn)研究了3個(gè)主要參數(shù)對(duì)微透鏡陣列殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，與仿真所得規(guī)律相符，即殘余應(yīng)力隨模具溫度的升高而降低，隨熔體溫度升高先減小后增大，隨壓縮延遲時(shí)間的增長(zhǎng)而變大。

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(編輯 陳燦華)

Residual force of microlens array by injection compression molding

SUN Leilei, JIANG Bingyan, CHEN Lei, JIANG Fengze

(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing,School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

Melt temperature, mold temperature, compression speed, compression distance, compression pressure and compression delay time were studied to simulate the process properties by the orthogonal experimental design using the Autodesk Moldflow Insight software. Range analysis was conducted, and the injection compression mold was designed using the compression frame driven by spindle to experimentally study the effect of the melt temperature, mold temperature and compression speed on the residual force of microlens array (MLA).Injection compression experiments were made with single factor experiment method. Stress-optic law was used to switch the optical path difference on residual stress. The results show that mold temperature is more significant than any other parameters, followed by compression delay time and melt temperature. With the increase of mold temperature, the residual stress of the microlens array tends to decrease. The residual stress decreases at first and increases later with the increase of melt temperature. The residual stress increases with the increase of compression delay time.

microlens array; injection compression molding; residual force

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.10.011

TQ320.63

A

1672?7207(2017)10?2635?06

2016?10?07；

修回日期：2016?12?08

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2012CB025905)(Project(2012CB025905) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China)

蔣炳炎，博士，教授，從事高分子材料精密成型技術(shù)研究；E-mail：jby@csu.edu.cn