基于MOLDFLOW的注射成型与注射压缩成型塑料单透镜仿真对比

孙锐，周阳，杜遥雪



基于MOLDFLOW的注射成型与注射压缩成型塑料单透镜仿真对比

孙锐，周阳，杜遥雪

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

通过MOLDFLOW软件模拟分析注射成型和注射压缩成型塑料单透镜的折射率、翘曲变形、体积收缩率以及填充成型过程. 结合两种成型方式的技术特点，对注射成型和注射压缩成型单透镜的光学性能进行了比较和分析. 结果表明，与注射成型技术相比，注射压缩成型单透镜的折射指数变化降低了40%，翘曲变形减小了46.09%，体积收缩率下降了25.91%，说明注射压缩成型在折射指数、翘曲变形和体积收缩方面均有明显优势. 本文可为塑料单透镜的实际生产提供一定的理论依据

注射成型；注射压缩成型；单透镜；折射指数；翘曲变形；体积收缩率

和普通塑料制品相比，塑料单透镜成型的技术难点主要在光学性能要求方面，其关键是如何成型出具有较低光学畸变、低角偏差的光学制件，常用的方法有注射成型和注射压缩成型. 一般采用注射成型技术时，注塑件中的残余应力、注射成品的体积收缩、翘曲变形[1-2]等都会影响注塑件的最后成型，而塑料单透镜制品与光学玻璃制品相比，存在折射率对温度变化依赖较大、热膨胀系数大、吸湿膨胀波动大、热变形温度低、受外力变形大、成型体积收缩率大、容易产生双折射等问题[3]. 针对以上问题，本文运用Moldflow软件[4]对注射成型单透镜和注射压缩成型单透镜进行仿真，对比分析两种成型技术所得制品的折射指数、翘曲变形和体积收缩率的变化趋势，从而为指导单透镜的实际生产提供一定的理论依据.

1 注射成型和注射压缩成型概述

注射成型是传统的塑料制品成型方法，其注射填充和保压是在模具闭合的状态下一次完成的. 注射压缩成型是注射成型技术的一种高级形式，它的熔体注射是在模具非完全闭合的状态下发生的，如图1所示，型芯和型腔之间有特定的间隙，这样在注射同等体积熔体的条件下需要更小的注射压力，待熔体注射完成后，经过二次压缩、保压、冷却后成型[5]. 由于注射压缩成型的第二次压缩是通过专门的压缩装置实现的，熔体的体积收缩可以通过整个模腔的直接压缩来补偿，而并非通过螺杆压缩进胶口的局部位置来实现保压，因此需要的压力低而且均匀. 所以，注射成型和注射压缩成型制品内的残余应力和体积收缩特性有所差异. 因此，可以假设在同样的成型条件下，两种成型技术生产的光学制品在体积收缩、翘曲变形和双折射值方面也可能存在一定的差异.

图1 未完全合模下的熔体填充

2 模拟实验及分析

2.1 单透镜3D模型建立及有限元模型网格划分

选取非球面单透镜为研究对象时，需要先对其进行结构设计. 根据光学设计原理设计单透镜3D模型，图2为非球面单透镜的二维尺寸图，单透镜最大直径为，最大高度为，非球面区域直径为，非球面高度为，该单透镜为光学透镜，对光学性能要求较高，所以尺寸的稳定性是非常重要的，根据行业标准（SJ/T10628—1995），已在重要尺寸位置标注了公差范围.

图2 单透镜二维尺寸（单位：mm）

利用Pro/软件建立单透镜的3D模型，如图3，非球面单透镜的表面弧度不同于球面透镜，它的表面结构更轻、更薄、更平，具有视觉更清晰、成像失真小、透光性能好等优点. 将创建好的单透镜3D模型在Pro/e中另存为STL格式，导入MoldFlow进行3D网格划分，其浇注系统结构如图4所示.

图3 单透镜3D模型

图4 单透镜注射成型浇注系统

2.2 材料选择

由于单透镜属于光学透镜，对制品表面质量、尺寸稳定性和透光性要求特别高. 基于这些原因本文选择聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），该材料具有光学透明性高、耐候性佳、机械强度高和质轻等优良性能[6]，具体参数如表1所示.

表1 聚甲基丙烯酸甲酯的材料属性

2.3 单透镜的注射成型与注射压缩成型的成型模拟参数设置

通过注射成型工艺仿真和注射压缩成型工艺仿真两种成型技术分别对单透镜进行模拟，主要研究透镜的翘曲变化、折射指数、体积收缩率，通过正交实验方法，利用信噪比法得到了各自的最佳工艺参数组合（注射成型工艺条件为：熔体温度、开模时间、保压压力、保压时间、冷却时间、注射速率. 注射压缩成型工艺条件为：压缩距离、压缩速度、压缩力、开模时间、保压时间、保压压力为、熔体温度为、冷却时间为、注射速率）. 再分别对两种不同成型工艺的最佳参数组合进行模拟仿真.

图5分别为注射成型和注射压缩成型两种不同成型方式的单透镜折射指数变化对比云图，两者都是经信噪比方法优化处理后得到的.

a.注射成型                b.注射压缩成型

图5 注射成型与注射压缩成型的折射率变化

翘曲变形也是影响单透镜光学性能的重要因素. 图6为注射成型和注射压缩成型的单透镜翘曲变化量对比云图，两者都是经信噪比方法优化处理后得到的.

a.注射成型               b.注射压缩成型

图6 注射成型与注射压缩成型的翘曲变形

可以看出，图6-a中大端面边缘翘曲变形明显，图6-b比6-a变化更均匀分散，注射成型单透镜的最大翘曲变形值为，大于注射压缩成型单透镜的最大翘曲变形值，而注射压缩成型相对注射成型单透镜的翘曲变形下降了46.09%. 由于注射压缩成型多了压缩阶段，弥补了在注射阶段中的部分缺陷，使透镜各部分翘曲分布较均匀，没有出现过大的翘曲变形，保证了制品尺寸的稳定性. 可见，注射压缩成型单透镜在产品尺寸稳定性方面要高于注射成型的透镜.

由于光聚合过程中的材料体积收缩，不仅会造成材料尺寸不稳定，还会造成材料变形、断裂、附着力下降等问题. 图7为注射成型和注射压缩成型两种不同成型方式的单透镜体积收缩率对比云图，两者都是经信噪比方法优化处理后得到的.

a.注射成型               b.注射压缩成型

图7 注射成型与注射压缩成型的体积收缩率

由Moldflow软件分析结果可知，通过注射成型得到的单透镜体积率收缩率最大值为11.04%（图7-a），主要发生在透镜中心部位，产品的非球面区域和侧面收缩率小不明显. 通过注射压缩成型得到的单透镜体积率收缩率最大值为8.179%（图7-b），相比注射成型下降25.91%，对比发现注射压缩成型得到的单透镜体积收缩率云图透镜各部分分布很均匀，没有出现注射成型中比较分散的情况. 可见，注射压缩成型得到的单透镜体积收缩率更小，精度尺寸更高.

3 结论

通过分析对比在同等成型条件下单透镜的注射成型和注射压缩成型模拟图可以知道，对制品质量要求不高时，可以考虑采用注射成型技术，而对制品质量有较高要求时，在条件允许的情况下应优先使用注射压缩成型技术. 本实验表明注射压缩成型单透镜在翘曲变形、折射率变化、体积收缩率方面明显优于注射成型单透镜，对改善单透镜光学性能、减小折射指数、优化结构尺寸和表面质量方面具有一定的指导作用，对实际生产也提供了很好的参考价值. 根据注射压缩成型技术的成型特点和所得光学制品光学性能的优越性，我们可以在结构更复杂，尺寸更大、更薄的光学制品上进一步研究、开发和运用.

参考文献：

[1] 陈宇宏，袁渊. 注射成型和注射压缩成型透明件的光学性能对比与分析[J]. 航空材料学报，2011, 31(2): 55-60.

[2] LI Yichao, ZHANG Yisheng, LI Dequn. Shrinkage analysis of injection-compression molding for transparent plastic panel by 3D simulation [J]. Appl Mechan Mater, 2010, 44-47: 1029-1033.

[3] 费春红，张长春，李达，等. 塑料光学制件精密成型技术的现状[J]. 橡塑技术与装备，2005, 30(11): 11-16.

[4] 陈智勇. Moldflow6.1注塑成型从入门到精通[M]. 北京：电子工业出版社，2009.

[5] 孟兵，孙建丽，刘志学. 新型注射成型技术及特点[J]. 成都航空职业技术学院学报（综合版），2013, 29(1): 42-44.

[6] 周春艳，姜月伟，徐兵. 国内聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的生产及市场[J]. 塑料工业，2011, 39(9): 5-8.

[责任编辑：韦 韬]

A Simulation Analysis of Single Lens for Injection Molding and Injection Compression Molding Based on MOLDFLOW

SUNRui, ZHOUYang, DUYao-xue

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

MOLDFLOW software is used to simulate and analyze the refractive index, warping deformation, volume shrinkage and the filling process of the plastic single lens for injection molding and injection compression. In view of the technical features of the two kinds of molding, optical properties of injection molding and injection compression molding single lens are analyzed and compared. The simulation results show that, by adopting the injection compression molding in stead of the injection molding, the refractive index of the single lens is reduced by 40%, the warping deformation is reduced by 46.09%, and the volume shrinkage rate decreases by 25.91%. The results indicate that the injection compression molding have obvious advantages on refractive indexes, warping deformation and shrinkage rate. This paper can provide a theoretical basis for the practical production of plastic lenses..

injection molding; injection compression molding; single lens; refractive indexes; warping deformation; volume shrinkage rate

1006-7302（2016）04-0052-05

TQ320.66

A

2016-07-06

广东省自然科学基金资助项目（2016A030313004）

孙锐（1985—），男，湖北襄阳人，在读硕士生，研究方向为聚合物成型加工CAD/CAE；杜遥雪，教授，博士，硕士生导师，通信作者，研究方向为聚合物成型加工CAD/CAE.