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厚壁光学元件的多层注塑成型工艺解析

导读: 新型多层结构的厚壁透镜生产工艺不失为一个全新的选择,采用该工艺,可显著缩短生产周期时间,并提高生产加工的经济效益。

  塑料材质的厚壁光学元件注塑,不仅仅需要面对技术方面的挑战。直到现在,这类精密元件仍没有经济的生产方法。新型多层结构的厚壁透镜生产工艺不失为一个全新的选择,采用该工艺,可显著缩短生产周期时间,并提高生产加工的经济效益。

  照明技术领域在过去的几年间发生了显著的变化,推动了塑料光学元件在该领域的使用。传统灯泡如今已被节能光源如LED(发光二极管)所取代。塑料光学元件因其光源温度较低,且生产加工可改良,已经越来越广泛的投入应用领域。

  由于光学设计所限,塑料元件往往壁厚10到30mm,因此,若要满足高精确度的要求,元件只可采用注塑生产,且生产周期较长。由于复杂精密光学元件功能的设计与整合,元件整体往往会存在较大的壁厚差。较厚的注塑区域,凝固速度会明显慢于较薄区域。过早凝固会影响熔体的压力转移,从而影响注塑生产的精确性。

  另一个问题是厚壁透镜冷却时间往往比较长,通常需要5到20分钟,造成生产效率低下。同时,相对长的停留时间增加了材料分解的风险。单层注塑成型加工无法实现高效高精密度的生产。因此,厚壁透镜采用多层注塑成型工艺生产,由于减少了单层的收缩量,该工艺提高了成型精准度,继而提升了这类透镜元件生产的经济效率。

  多层注塑成型原理

  多层注塑中通常采用同样的材质用于生产预成型和后成型层。多层光学元件是逐层注塑成型的。单层厚度比元件的最终厚度会小很多,相比同样厚度的单层注塑成型元件,多层注塑成品的总生产周期更短。这一现象可表述为壁厚d的平方对塑料元件冷却时间tk的影响,二者关系可用如下公式计算得出:

  其中,TW表示注塑模具平均壁温,TM表示熔体温度,TD表示平均脱模温度,aeff表示塑料的有效热扩散率。

  隔离的预制层可减少第二层和后续注塑层的热损耗,这点在多层元件设计中必须加以考虑,同时,为了实现最低可能冷却时间而对层厚分布进行最优设计时,也应考虑这点。由此会产生的厚度分布,往往是第一层厚度最大,随后每层都逐层减少。

  如果不考虑层厚分布因素,多层塑料元件可设计出多种不同的生产策略。单层的数量和顺序对冷却时间会产生决定性的影响(见图1)。双层元件最简单的设计类似于众所周知的多组分注塑成型。当预制件被传送至另一个模具腔后,或者当模芯退回后,第二层被包覆成型。这一生产设计的缺陷在于预成型和后成型的这两层需要具有光学功能表面,对注塑成型的要求较高,因而整个生产周期会相对较长。

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