罗家胜，杜遥雪，李霆



注射成型中LED非球面透镜折射率变化的优化仿真

罗家胜，杜遥雪，李霆

（五邑大学 机电工程学院，广东 江门 529020）

以Sumipex HT55X的聚甲基丙烯酸甲脂为实验透镜材料，以LED非球面透镜作为仿真模型，用模流分析软件Mold Flow对注射成型的LED透镜折射率的变化进行仿真. 采用L16(45)正交实验矩阵，研究了成型参数中模具温度、熔体温度、保压压力、保压时间、冷却时间等5个因素对LED透镜折射率变化的影响，结果表明：1）保压压力对LED透镜折射率的变化影响最大，其次分别为冷却时间、保压时间、模具温度、熔体温度，最佳工艺参数组合为模具温度70 ℃、熔体温度260 ℃、保压压力90 MPa、保压时间10 s、冷却时间14 s，其平均折射率变化为0.006 8. 2）保压压力50～70 MPa，透镜的折射率变化随着保压压力的上升而增大；70～90 MPa，透镜的折射率变化随着保压压力的上升而减小；90～120 MPa，透镜的折射率变化不大. 3）采用高的保压压力、适当提高冷却时间，可减小透镜的翘曲变形和体积收缩，改善其内部的残余应力，能使LED透镜的折射率变化减小，提高其光学性能.

LED非球面透镜；注射成型；折射指数

相对于球面透镜，非球面透镜具有独特的优势，如曲率半径随中心轴而变化，可用以改进光学品质、减少光学元件、降低设计成本，它在数码相机、CD播放器、高端显微仪器等方面应用广泛. 塑料光学元件的注射技术是项复杂的系统工程，为了获得亚微米的面形精度和纳米级的表面粗糙度，注射过程需要克服体积收缩、塑流线、应力双折射以及变形等工艺缺陷[1]. 折射率是分析应力双折射工艺缺陷的重要指标，也是衡量LED透镜纯度和质量稳定性的重要指标，一般地，透镜的折射率变化越小，其光学性能越好，透镜的成型精度也越高. 注射成型中，透镜内部的残余应力使透镜呈现出各向异性的特征，当光线穿过透镜时，平行于光的传播方向的偏振光波与垂直于光的传播方向的偏振光波在穿过制品后产生相位移；如果射入光学元件的光为偏振光，或穿过一个光学元件的光还需要穿过另外一个光学元件，偏振光会在传播的过程中出现光波的叠加或抵消，使光线在亮度上相互消长，产生明暗相间的干涉条纹，严重影响光学元件的成像效果. 因此，透镜内部残余应力的存在是LED透镜产生折射率变化的主要原因.

在LED非球面透镜的注射成型中，注射的温度、压力、时间以及保压的压力、时间和模具温度等工艺条件的选择是关键[2-3]. 为研究注射成型工艺参数对LED非球面透镜折射率变化的影响，本文以LED非球面透镜折射率的变化作为质量目标，采用CAE软件Mold Flow翘曲模块中的“3D网格双折射分析”功能研究了成型参数中模具温度、熔体温度、保压压力、保压时间、冷却时间等5个因素对透镜折射率变化的影响，找到了其中的关键因素，并得到了一组实验优化的工艺参数.

1 有限元模型

选取已经设计好的LED非球面透镜三维模型，主要尺寸为：大圆外径16 mm，高8.5 mm. 将模型转为STL格式后导入MPI 6.1中并进行3D网格划分，共有139 054个四面体单元. 采用单型腔分析，浇口采用矩形浇口，始端宽2 mm，始端高1.5 mm，末端宽3 mm，末端高0.8 mm. 图1是有限元模型.

图1 有限元模型

2 材料及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设计

在正交实验[4]中，选取模具温度（A）、熔体温度（B）、保压压力（C）、保压时间（D）、冷却时间（E）5个关键成型工艺参数作为实验因子，各实验因子选取4个水平，参数水平设计如表1所示. 根据工艺参数和参数水平的数量选择L16(45)的正交实验表，所得的仿真数据结果如表2所示.

表1 控制因子与水平

表2 实验正交矩阵与实验结果

在浇口冷凝之前，保压压力对塑件收缩率的大小和分布都会产生影响. 一般来说，保压压力持续到浇口凝固后即可停止，保压时间过长会造成能源浪费，保压时间过短会造成型腔内的压力大于流道内的压力而产生逆流现象，使塑件表面产生凹陷和残余应力[5]. 采用单因素仿真，改变保压压力值，其他工艺参数不变，研究保压压力对LED非球面透镜折射率变化的影响，具体如表3所示.

表3 保压压力变化的单因素仿真

3 结果分析

由表2知各参数对LED非球面透镜折射率变化的影响程度为：保压压力>冷却时间>保压时间>模具温度>熔体温度. 对试验结果进行因素方差分析和直观分析的结果见表4，从表4的贡献率可以看出，影响LED非球面透镜折射率变化的主要因素为保压压力、冷却时间和保压时间，模具温度和熔体温度的影响较小.

表4 折射率变化的方差分析表

图2为5个因素与折射率变化的关系图，从图可以看出，保压压力对制品的折射率影响最大，保压压力越大，制品折射率的变化就越小. 原因是，高的保压压力可通过压缩熔体来补偿熔体随温度下降而产生的收缩，使制品内部残余应力减小，从而减小折射率的变化. 由图2，最小折射率变化的工艺参数组合为A2B4C4D3E4，即模具温度70 ℃、熔体温度260 ℃、保压压力90 MPa、保压时间10 s、冷却时间14 s. 采用该参数进行仿真，得到透镜的平均折射率变化为0.006 8，小于所有主实验的结果.

图2 因素与折射率变化的关系图

保压压力是影响LED非球面透镜折射率变化的主要因素，由表3数据绘制其影响规律如图3所示：50～70 MPa，透镜的折射率变化随着保压压力的上升而增大；70～90 MPa，透镜的折射率变化随着保压压力的上升而减小；90～120 MPa，透镜的折射率变化不大. 在浇口冷凝之前，保压压力过高会造成溢料和模具损伤，增大塑件的残余应力；保压压力过低会造成补料不足，收缩过大：因此要选取合适的保压压力值，由图3得出最佳保压压力为90 MPa，此结果与前述优化分析一致.

图3 保压压力对折射率的影响规律

工艺条件的选择将影响LED非球面透镜的成型质量. 本研究以模具温度75 ℃、熔体温度250 ℃、保压压力30 MPa、保压时间8 s、冷却时间14 s作为优化前工艺；优化的工艺条件为：模具温度70 ℃、熔体温度260 ℃、保压压力90 MPa、保压时间10 s、冷却时间14 s. 图4为优化前后折射率的变化. 由图4知，优化前折射率变化范围-1.826 4e-05～0.049 2，优化后折射率变化范围-6.014 9e-05～0.013 6. 优化工艺采用了较高的保压压力和较长的冷却时间，高的保压压力可以减小透镜的翘曲变形和体积收缩，较长的冷却时间可以使透镜芯部冷却更均匀，提高了LED非球面透镜表面轮廓质量.

图4 优化前后的折射率变化

图5为优化前后翘曲量的变化，由图5可知，优化前最大翘曲量为0.050 2 mm，优化后最大翘曲量为0.026 4 mm，且总翘曲变形均匀. 优化后LED非球面透镜的翘曲量大大减小，这是因为高的保压压力使透镜收缩减小，较长的冷却时间使透镜冷却更均匀应力相应也减小，从而使透镜的折射率变化减小、光学性能提高.

图5 优化前后翘曲量的变化

4 结论

正交试验和MPI中3D网格分析相结合的方法研究LED非球面透镜注射成型中折射率的变化是一种有效的方法，在当前的制品造型、成型工艺条件下，它可以在模具设计阶段消除制品成型缺陷，并保证产品快速投入生产. 值得注意的是，在模流分析中，我们发现透镜折射率变化主要发生在靠近浇口的部分，而该部位的内应力也较大，这可能与保压和冷却时间的设置有关，后续研究还需要对浇口冷凝前后型腔内压力的变化做探讨.

[1] 杜雪，王尔祺，李荣彬，等. 自由曲面光学透镜注射成型误差因素研究[J]. 应用光学，2007, 28(6): 684-688.

[2] 勾治践，樊仲维，卢锷，等. 光学塑料透镜注射成型关键技术的研究[J]. 光学精密工程，2000, 8(6): 525-53l.

[3] YOUNG Wenbin. Effect of process parameters on injection compression molding of pickup lens [J]. Applied Mathematical Modeling, 2005, 29: 955-971.

[4] 刘瑞江，张业旺，闻崇炜，等. 正交试验设计和分析方法研究[J]. 实验技术与管理，2010, 27(9): 52-55.

[5] 廖秋慧，刘淑梅. 注塑成型保压参数对塑件翘曲变形的影响[J]. 塑料科技，2009, 37(10): 67-69.

[责任编辑：熊玉涛]

Optimized Simulation of LED Aspheric Lens’ Refractive Index Variety in Injection Molding

LUOJia-sheng, DUYao-xue, LITing

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

Sumipex HT55X polymethyl methacrylate was selected as the experiment lens material and LED aspheric lens was chosen as the simulation model. The simulation of LED lens’ refractive index variety in injection molding was executed by the mold flow analysis software Mold Flow. Adopting the L16(45) orthogonal experiment array, the effect of the five factors of mold temperatures, melting temperatures, holding pressure, holding time, and cooling time among the molding parameters on LED lens refractive index variety was studied. The results show that: 1) the holding pressure is the principal factor affecting the refractive index variety of LED lens, followed by cooling time, holding time, mold temperature, and melting temperature in a descending order; the optimum combinations of processing parameters were as follows: molding temperature at 70℃, melting temperature at 260℃, holding pressure at 90MPa, holding time at 10s, cooling time at 14s, and the average refractive index variety at 0.0068; 2) when the pressure was 50MPa to 70MPa, the lens’ refractive index variety increased along with the rise of holding pressure; when the pressure was 70 MPa to 90 MPa, the lens’ refractive index variety decreased along with the holding pressure’s raise; when the pressure was 90 MPa to120 MPa, the lens’ refractive index variety did not change greatly; 3) with high holding pressure and increasing cooling time appropriately, the lens’ warping distortion and volume shrinkage decreased, and the inner remaining stress was improved, thus decreasing the LED lens’ refractive index variety and enhancing its optical properties.

LED aspheric lens; injection molding; refractive index variety

1006-7302（2013）03-0046-06

TH320.63

A

2013-03-12

广东省自然科学基金资助项目（S2011010000411）

罗家胜（1986—），男，广东广州人，在读硕士生，从事机械设计及优化仿真分析研究；杜遥雪，教授，博士，硕士生导师，通信作者，从事模具CAD/CAM/CAE和聚合物加工研究.