塑料镜片射出成型技术简介

塑料镜片射出成型技术简介   

广州斗龙光学科技有限公司(http://www.douloongoptics.com)非球面透镜生产工厂

第一章：简介   

1-1 塑料镜片的优缺点   

制品的产量高、价格低，又可实现轻薄短小的产品需求，但以往被认为精度不高，无法取代传统的金属或玻璃等。但近年来由于塑料材料的研发及射出成形技术的精进，已经大大的改变了这个市场。在光学组件的领域中，塑料镜片早已进入了高精度的时代，从早期抛弃式的相机镜片，到现在需要高精度的读取头物镜，塑料镜片充分发挥塑料产品的特色，也超越了塑料产品的瓶颈。在光电产业蓬勃发展的今天，本课程将带领各位进入塑料镜片射出成形的技术领域，了解镜片的开发流程和相关技术。 

 

塑料制品生产速度快，适合大量及自动化的生产，所以容易降低价格﹔塑性良好因此耐冲击﹔因为塑料比重低，因此重量相对的较轻，可以让整个系统重量降低﹔而且成品形状自由度高，可以将系统的机构组件与光学组件合并，减少零件数量，并简化系统组装程序﹔利用这样的优点，我们可以设计特殊架构的光学组件。 

 

有优点就有缺点，塑料的缺点有：温度特性差：和玻璃相较，塑料容易受环境影响光学特性。因为一旦耐热温度低，热膨胀系数大，光学组件就会变形而影响光学特性。精度较玻璃低：塑料由于材料特性的关系，因此不均匀性较高，容易产生收缩变形，导致精度不容易控制。抗刮力差：塑料的机械强度较低，材质的硬度不像玻璃坚硬，因此抗刮力差。与光学玻璃相较，材料种类较少：由于光学玻璃发展已有很长一段时间，所以塑料镜片和其相较之下，材料种类较少，而且折射率较低，大约在 1.5 到 1.6 之间，分布较狭窄。有双折射现象：造成光学性能降低。要有一定的产量才符合经济效益：塑料射出成形的模具价格十分昂贵，一个模具开下去，可能需要几十万或百万的费用，所以如果没有达到一定的产量规模，便不符合经济效益。大小受限制：塑料镜片射出成形在∮ 100mm 以上的精度不足，会有成形上的问题，也可以说尺寸愈大，精度愈难控制。 

 

 

1-2 塑料镜片的应用  

塑料镜片可以应用在相机、数字相机用的观景窗、镜头镜片；投影机、背投式电视用的镜头镜片；最好的例子是 CD/DVD 读取头上所用的 pickup lens  、   grating lens 、 DOE ，年产量在数亿颗以上；还有 LCD 面板上的背光板、导光板也可以看到塑料镜片的应用；在各种光学系统中，光学组件适合在塑料镜片上作微细结构，产生绕射、折射、分光或偏光现象，因此也适合应用在 Frenel lens, F-θ lens 上。 

总括来说，塑料镜片非常适合用在消费性的光电产品，因为这类产品需要降低成本，精度要求与专业仪器相较下比较低，生产量很大而且要求产品轻薄短小，正好符合塑料镜片的特色。 

 

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第二章：塑料镜片射出成形各类技术   

 

2-1 光学设计的基本概念   

镜片射出成形的技术包括了光学设计、模具技术、成形技术和量测技术。现在我们分别来谈一谈

这些技术的基本概念。 

 

首先，我们来看光学设计。在光学设计上，通常需要考虑两个因素：材料的选用和形状的设计。了解光学设计的要点与射出成形之间的关系，在与光学设计者讨论时较有概念，也可以对于设计者所设计的镜片可行性及困难度加以评估与判断。 

在选用光学塑料的时候，几个光学特性是必须注意的，比方说：穿透频谱、反射损失、吸收，也就是穿透率，一般在 88~92% 之间、还有折射率、折射率稳定性，是指射出成形后的稳定性、色散、双折射特性等。  光学塑料的物理特性在光学设计时也需要考虑进去，比如说塑料材料的吸水性、成形收缩率、玻璃转移点温度、热变形温度、流动性、比重、强度、抗刮，耐高温、抗化学、电气、耐冲击等。 

 

在形状设计方面，光学设计人员应考虑塑料的光学和树脂特性来设计形状，也就是说，不同的塑胶材料会有不同的特性，光学设计人员会利用这样的特性去设计出易于成形的形状，让厚薄比、形状变化等保持在一定的限度。 

 

我们拿 CD 和 DVD 读取头物镜来做例子。从这张表格中，我们可以看到一些关于光学系统的设计值。  NA 值越大，代表物镜聚焦角度越大，通常伴随而来的是曲率半径更小、厚薄比更大、模仁加工和成形困难度更高。厚薄比是衡量镜片成形难度的重要指标，当厚薄比越大时，成形收缩越不均匀，越难成形高精度的镜片。有效径是指光路真正通过镜片的口径大小。镜片在成形时，由于厚度和温度的差异，在中央与边缘的收缩率会不一致，当有效径比率越大时，代表在周围无效的区域要越小。最小曲率半径与有效径同时考虑，通常就决定了最大曲面斜率，曲面斜率越大，加工范围及量测误差也会越大，甚至可能产生刀具干涉或超出可量测范围的问题，这对高精度的镜片是很大的问题。波面收差是物镜的规格要求，可以有效的量化镜片的光学特性，对于物镜微小的缺陷，都可以由波面收差表现出来﹔因此，波面收差值越小，代表物镜可容许的误差越小。这些误差包含了两个曲面的形状误差、 tilt 和 decenter 误差的综合表现。  这个表为光学镜片射出成型精度比较表，以曲率半径变化为例子，在较低阶的镜片，所允许的误差值为正负 3-5% ，   但对精密的镜片，所要求的值则达千分之 0.5-1 之间；也就是说，愈精密等级的镜片，所允许的误差值就愈小。一般而言，传统射出成型技术对形状精度的控制无法达到精密光学镜片的要求，特别是近年来塑料镜片应用范围变大后，光学系统所需要的镜片精度高、厚薄比大，更提高了成型技术的困难度。精密塑料镜片的成形，无论在模具设计、模仁加工、成形条件及镜片量测上都需要高层次的技术和设备。   

2-2 模具技术的基本概念   

 

模具技术含有下列三个要素：模具设计、模具制作和模仁加工。 

 

塑料射出成形的制程是将塑料射入模具，经过充填、保压、冷却三个步骤完成，因此，如果模具设计不当，就会影响整个制程和成品。模具设计包含浇道、浇口、排气、定位、顶出、模温控制等，对成形的质量量都有影响，此外，还需考虑模具材质的摩耗、腐蚀等。 

 

第二个要素是模具制作，我们必须选择各零件的尺寸搭配、加工方法及加工程序。 

 最后一个要素模仁加工，指的是模仁镀膜及镜面加工技术，模仁加工技术愈精密，镜片的形状精度相对地也会提高等级。   

 

2-3 模具技术的基本概念   

成型条件的调整，是确保镜片形状的准确性与稳定性。依据累积经验与模拟分析，加上实验计划及温压控制的使用，找出适当的条件组合，达到稳定且良好的形状精度。 

 随着镜片形状精度要求的增加，成形机条件的再现性的要求也提高了。   

2-3 量测技术的基本概念   

量测能验证镜片的质量，所得数据可对镜片的形状误差作补偿。量测方式通常有两种：第一种是量测成品的表面形状及粗度，最常用的仪器为 Form Talysurf ，它是属于接触式量测，因为塑料的硬度、弹性系数比金属小，如果以金属相同的量测方式，会因成品变形而失真，所以需考虑塑胶特性加以修正，才能增加量测的精度。另一种为非接触式量测，也称为光学性能量测，最常使用的仪器为干涉仪和点像质量检测系统。量测时须注意如何设计及架设量测系统，使量测值能够正确的反映出如波面收差等光学性能。   

 

第三章：塑料镜片开发流程   

镜片开发流程的第一个步骤为光学设计，之后经过审查，考虑这些设计值是否需要修改；一般在衡量塑料镜片的成形难度时，主要会先看镜片的厚薄比及精度要求，再考虑形状与材料等特性。前两者决定模具及成形机精度与成形条件的困难度，后两者则牵涉到成品的成形性。所谓良好的成型性，是指射出成型所设定的温度、压力范围广泛；塑料流动性佳；脱模容易及成型收缩率小等等。除此，在机台能力、模具精度是否符合标准，及对于工作的分配、时程的顺序也需做好完善的安排。   同时，我们亦会进行光学设计验证，依据这些设计值直接打样去做检验。   上述条件都通过之后，   即开始进行模具设计，包括整体设计、零件设计、材料选用等。   设计没有问题，即着手进行模具制作，相关工作包括制程方法、估价、发包、进度追踪和验收。   整个模具制作完成后，则组装起来做试模，   然后以实验计划法进行模具和制程的调整，如量测数据、模仁形状的补偿。此时若有任何瑕疵，则需要修改模具重新设计，   最后经过试产，确认无误后，才进行最后的量产阶段，依需要去做光学镀膜、自动化浇口剪断等动作。    这里的图像可以更进一步了解镜片开发流程中的几个步骤。这是一个光学镜片的外形设计图，曲面有个别的光学设计值，镜片也须订定量测的规格。而在模具设计这个步骤，我们看到的是模具的整体设计图，图中的各个零件也会有属于该部分更详细的设计图。   （模具制作）之后根据设计图制作模具，如图片所示，模具的形状，一般而言，都大同小异。   模具完成之后，必须经过试模，图片中是一射出成形机，我们将模具置放在成形机中，测试模具作动是否正常，成品外观是否有瑕疵，尺寸是否正确。在射出制程中，需要经过一些调整，比如说，我们以田口实验计划法，经过实验及量测得到一些数据及图表，可得知一些条件参数的趋势，需要往什么方向做调整。 

最后，我们对成品做各类的检测，从量测结果可以知道镜片的形状精度、光学性能等数据。其实，制程调整和量测两个步骤是相辅相成，经由量测的数据去做制程的调整，制程参数调整之后，也必须经过再次的量测。   

 

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第四章：模具技术   

在射出成形中，模具是为了得到所要求质量的成形品而使用的一种工具﹔引申来说，精密射出成形的根本在于高精度的模具。模具的质量是镜片成形技术的关键，也是整个镜片制造过程中，花费最大的部分，不仅需要有经验的设计者加以设计，而且也需要制造人员具有精密加工以及检测方面的知识。 

 

模具的技术主要分为两个部分：模具设计与模具制作。模具设计的方向主要是为了对应镜片精度的要求，为了确保镜片质量，在设计模具时，应该将成形时所有可能影响精度的因素加以控制，包括成形机、成形条件和成形材料。整体的模具设计要注意成形机的尺寸和精度、成形条件和成形材料的特性，并考虑到具有累加性的误差，如平行度、垂直度、同心度，及影响塑料流动的因数，如排气孔位置和浇口形状，都需要特别的注意。 

此外，模具要达到高精度，在制作上就必须考虑其加工方法、工作机械和模具材料，比方说零件制造的机台、方法、程序是否合宜。因为机台能力不足、制造方法或程序有误，都会直接影响模具的尺寸精度，很容易导致模具无法达到设计的公差范围。因此，检测尺寸精度，是确保设计的不二法门。   

4-1 模具设计   

整体设计   

在模具的整体设计上，设计人员根据镜片的材质、规格、大小，来设计模具的大小、结构、模穴数量、模穴位置的分布、模温控制和分模线位置。（浇口浇道图）浇道系统也是必须特别注意的地方。因为浇道的功能是将灌嘴所射出的塑料，在温度与压力降低最少的情况下注入模具内，所以此处的设计将会影响塑料在模具内的流动状况。浇口是浇道系统的终点，也是塑料进入模仁的入口，浇口的位置、形状、尺寸不只是对镜片外观有影响，对收缩率及尺寸精度影响亦大。浇口设计的好坏较难量化，只能从成品的质量或量测上看出端倪，好的浇口设计不但可以避免外观上的不良，更可确保形状精度，降低收缩变形量，这些可从量测镜片形状和光学性能判断出来。 

 

材料选用   

对于模具的材料也需慎选，必须根据模具各零件的功能和重要性做选择。一般模仁、模套及范本的质量要求较严格，使用不锈钢及 STAVAX ﹔模座要求比较低，使用易加工的钢材，隔热板使用耐温及耐压的复合材料或陶瓷材料﹔其他零件则依照其功能，决定使用硬化过或未硬化过的钢材。   

零件设计 

 

在零件设计方面，应对镜片的精度要求与整体设计，将各零件可能影响镜片质量的因素加以控制，比方说尺寸公差、具有累加性的误差，如平行度、垂直度、同心度、位置度，还有，影响塑胶流动及成形收缩率的因素，如排气孔位置、流道形状及面粗度、浇口形状等。   

4-2 模具制造   

要达到模具设计的精度，在模具制作时必须考虑周详，并且确实检测重要尺寸。模具大致分为模仁、模套、模座及其配件等三个部分，各部分与成品都有重要的关系，简述如下：   

镜片成品其实是复制模仁的形状及尺寸，所以模仁是模具中决定镜片质量最重要的部分。模仁的制造是以 STAVAX 镀上无电镀镍层做为粗胚，经过外形研磨，然后使用单晶钻石切削成品面以达到镜面要求，亦可提高模仁使用寿命。   

模套是结合模仁与模座间的重要零件，目的是独立定位公母模套，可降低成品错位的情形，并且在模具需要更换不同用途的产品时，只需要更换模套，模座依然可以共享。模套的制作是以不锈钢材制作粗胚，先加工流道及浇口，最后做模仁及定位孔的加工。 

模具中的另一个重要零件为模座，泛指公母范本、承板、上下顶出板、间隔板、公母模固定板及其它零件，模座的几何精度及定位精度对成品精度有很大的影响。   

如果没有精准的模具，根本无法达到镜片的规格，因此模具要以严谨的方式制作，然后再依射出成品所发生的问题点加以修改，始能达到镜片质量优良且稳定。当然，模具本身并不是没有问题，例如经过多次修改﹔使用及拆装上的磨耗﹔零件锈蚀，都可能造成部分精度已不如原先制作的等级了。这时需要的是以量测的数据及形状判断模具哪个部分的精度发生问题，再寻求补救的办法。不过这需要深入的分析及探讨，以累积判断的经验。   

 

第五章：成形技术   

5-1 成形的流程   

整个过程中塑料产生了相变化、密度变化、温度变化及压力变化。为了要能掌握塑料变化的情形，除了要了解材料的加工性质外，运用实验计划法分析成形条件的趋势，更是精密成形的关键。   

成形技术的目的，是希望成品能够有良好的再现性，并符合形状精度要求。前者需要的是成形条件范围大，机台和模具的精度及稳定性高﹔后者需要成形收缩变形小，成品对称性高。这些要求除了需要良好的成形技术外，也需要模具技术、硬设备及环境的配合。   

 

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5-2 成形的不良原因与对策   

图中的表格列举了一般常见的不良现象，以及可能的发生原因，并提出一些对应的解决方案。一般而言，成品的外观不良大部分是射出阶段就造成了，形状或光学性能的问题则是在保压冷却阶段所产生的；无论何种问题，除了改善成形条件外，还需反省模具设计与制作是否正确，射出机、模温机或环境是否稳定。   

5-2 射出制程开发   

在射出制程开发中，我们以田口实验计划法为例子。这是 L18 田口实验的量测资料结果，由这些资料产生田口实验的 S/N 响应表，我们可以根据响应表看出条件参数的趋势，每一个英文字母代表不同的条件，比方说从资料 A 和 B 可得知所代表的模温控制和料温控制，对射出成形的影响最大。工作人员可根据这些趋势做参数调整，以达到质量更好的精度。   

第六章：量测技术   

基本的量测包括了模仁的量测和镜片的量测。一般而言，镜片量测又分为接触式量测和非接触式量测，非接触式量测也称光学量测。 

塑料的硬度、弹性系数比金属小，如以金属相同的量测方式，会因成品变形而失真，应考虑塑料特性加以修正，才能增加量测的精度。   

6-1 接触式量测   

无论是模仁或是镜片皆可做接触式量测。这是 Talysurf 的量测结果，量测标的为模仁或镜片曲面之形状精度及表面粗度因为玻璃模造需要在高温下进行，因此对于模仁的材料和硬膜的选择需要特别注意。   

6-2 光学性能量测   

这是 Panasonic UA3P 三次元量测仪的量测结果，针对镜片的整个曲面做量测。   

第一种光学量测为干涉仪。干涉仪为非接触式的量测方式，可对球面或平面模仁及镜片作几何形状的量测，亦可对镜片作光学性能的量测。 

对于镜片的光学性能评价，最普遍为业界所使用的，是利用干涉仪仿真光学系统的光路，经反射回来后，量测光路经由待测镜片所造成的各项波面收差值。   

另一种光学性能量测为点像质量检测系统。不同于干涉仪的量测指标，它是针对镜片成像的质量作量测，将成像图像化，以限度样品对该图像作定量化分析，进而判断出该镜片的光学性能。