【射出成型】模擬降低光學元件自由曲面問題

摘要

傳統的射出光學元件開發過程需要重複的模具設計與製造，成本高且週期長。本文介紹了使用虛擬模具試模技術來優化射出成型工藝的案例，可以有效降低成本、縮短開發週期。

案例介紹

德國Jenoptik Polymer Systems GmbH公司使用SIGMASOFT虛擬模具軟體來模擬注塑成型高精度自由曲面光學元件的工藝。通過模擬分析，可以優化如下參數：

• 熔體的流動場、壓力和溫度分佈
• 充模過程中的流動發展
• 焊縫和氣穴的可能位置
• 冷卻和後壓力階段的溫度分佈
• 收縮和變形

虛擬模具試模技術可以有效降低注塑光學元件的開發成本、縮短開發週期，並提高產品質量。通過虛擬模具試模，Jenoptik公司成功開發了高精度自由曲面光學元件，並將模具開發週期縮短了50%，成本降低了30%。

模擬過程

模具的熱分析

為了使模具達到目標溫度或熱力學平衡，需要 90°C 的熱水通過模具的調溫通道流動多長時間，可以使用熱模擬來確定這一點。

1. 最初，模具吸收大量能量。
2. 大約 10 分鐘後，能量輸入大大降低，但仍未達到穩定狀態。
3. 經過 30 分鐘的 90°C 熱水加熱後，型腔內會出現 86.5°C 到 86.8°C 之間的均勻溫度分佈。

Sigmasoft Virtual Molding 檢查有關模具回火的所有資訊。上圖為模具兩側的回火通道

繼填充模擬之後，進行複製過程的熱性能研究。由此，可以偵測到可能的射流、流線以及氣穴。模擬確定的均勻充填過程與注射測試的結果密切相關。為了進行實際比較，進行了一項充填研究，其中僅將定義的部分材料注入模具中，不足以完全填充模具。

這裡清楚看到，澆口附近的一些組件表面區域顯著冷卻，溫度達到130°C。由於填充時間長，組件在填充階段結束時會出現溫差。模擬也可以對此進行解釋，其中透過所謂的示踪粒子（無質量粒子）顯示了流動前緣後面的流動條件。它清楚地表明，澆口附近的一些區域熔體流動更慢，冷卻速度比塑膠仍承受高剪切力或熱熔體繼續進入模具的區域更快。

充填後的分析：凍結、後壓和冷卻

在模擬的組件壓力分佈中值得注意的是，調整後的1,000巴後壓力僅存在於澆口噴嘴側。隨著距澆口距離的增加，有效壓力下降。後壓階段開始時，距澆口一定距離的組件處測量到968巴，澆口附近測量到975巴。後壓時間結束時，遠離澆口的壓力只有600巴，澆口附近為622巴。

繼填充類比之後，可以進行元件的凍結類比（圖5）。這非常重要，因為該類比可以提供有關後壓時間和殘餘冷卻時間的可靠結果。恆定的後壓力只有在澆口和元件之間保持液芯才能對成型精度產生積極影響。

冷凍區域顯示為透明。紅色區域仍然熔融，並受到後壓的影響。藍色區域仍處於熔融狀態，但無法再提供後壓。在這裡，只有達到的壓力才與補償塑膠的體積收縮有關。

在後壓階段，有效壓力隨著與澆口距離的增加而減少

該元件可以在其凍結體積的90%受到保壓的影響。後壓時間30秒後，與透鏡的必要連接被凍結，因此為了提高成型精度而延長後壓時間是沒有意義的。因此，在研究過程中，最初定義的後壓時間從20秒增加到30秒。

在後壓階段，只有很低的剪切值和較低的溫度。這會導致後壓階段黏度的大幅增加。反過來，高黏度意味著將熔體壓入模具變得更加困難。

冷卻時間為 100 s 和 210 s 時組件的模擬溫度分佈

類比揭示了哪些關於冷卻時間的的資訊？為此，最初在填充過程后100秒分析了整個元件橫截面的溫度（使用傅里葉變換計算的值）。上圖所示，中心區域幾乎達到118°C，因此仍高於玻璃転變溫度。經過定義的180秒的殘餘冷卻時間和30秒的保壓時間（冷卻時間=210秒），中心區域的溫度下降到約94°C，因此低於維卡特軟化溫度（103°C），而自由曲面的邊界區域溫度為89°C，即幾乎接近型腔溫度。脫模30分鐘後，元件的核心溫度達到25.3°C，即接近室溫。

最後，檢查變形。整個直徑（44毫米）表面幾乎均勻收縮180微米。這相當於0.41%的收縮，非常接近於測得的0.3%的收縮率。同樣，在保壓作為函數的平均變形比較中，測量值和預測值也非常好地吻合。

右圖顯示，收縮和變形的計算研究了幾個週期內製程參數對零件品質的影響。後壓力對平均分量變形的預測效果與實際狀況非常吻合。