國臺(tái)科技大學(xué) 機(jī)電整合研究所 碩士學(xué)位文 光學(xué)薄件射出成形之殘應(yīng)研究 究生：陳文修 指導(dǎo)教授：?jiǎn)櫲?、陳炤?中華民國九十七一月 摘 要 文名稱：光學(xué)薄件射出成形之殘應(yīng)研究 頁： 0 頁 校所別：國臺(tái)科技大學(xué)機(jī)電整合研究所 畢業(yè)時(shí)間：九十學(xué)第一學(xué)期 學(xué)位：碩士 研究生：陳文修 指導(dǎo)教授：?jiǎn)櫲稹㈥悶菡?關(guān)鍵詞：射出成形、殘應(yīng)、光彈 光電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展使產(chǎn)品設(shè)計(jì)趨向於輕 、薄與小，塑膠射出產(chǎn)品的運(yùn)用也就越越多，除考慮光學(xué)的性 能之外，塑膠本身所造成的影響也可忽，因此本研究目的為探討同的 射出成形對(duì)塑膠光學(xué)元件殘應(yīng)的影響。研究先用模分析軟體設(shè) 定同分析其翹曲，配合田口法找出較佳之成形供實(shí)際射出成形 實(shí)驗(yàn)，再經(jīng)由軟體計(jì)算應(yīng)值代入迴歸分析，發(fā)現(xiàn)迴歸方程式得到的預(yù)測(cè)值也與實(shí)驗(yàn)值非常接近，僅有 差，另外並對(duì)射出成品進(jìn)退火實(shí)驗(yàn)， 發(fā)現(xiàn)經(jīng)由退火處的成品其殘應(yīng)比起未經(jīng)退火處的成品減少 13%，最後對(duì)同製程之成品做一比對(duì)探討其與殘應(yīng)間的關(guān)係，相較於模 具溫與卻時(shí)間，由反應(yīng)曲面圖結(jié)果得知當(dāng)中設(shè)定有保壓壓時(shí)對(duì)殘應(yīng)有 70%的改善。 I 100 2008 r. . 謝 中文摘要 . i 英文摘要 . 謝 . . 目 . 目 . 號(hào)彙編 . x 第一章 導(dǎo) . 1 言 . 1 究目的 . 6 究方法 . 6 獻(xiàn)回顧 . 11 節(jié)介紹 . 11 第二章 光學(xué)薄件射出成形殘應(yīng) . 12 應(yīng)簡(jiǎn)介 . 12 光學(xué)關(guān)係和雙折射差值 . 14 測(cè)方式 . 16 統(tǒng)光彈法 . 16 應(yīng)平板在圓偏振儀中的效應(yīng) . 16 的條紋值 . 18 火 . 19 火的效果 . 19 火的方法 . 19 第三章 分析模型建構(gòu)與設(shè)定 . 21 腦輔助分析概述 . 21 分析 . 21 型建 . 21 析步驟 . 22 設(shè)定 . 23 析結(jié)果 . 23 第四章 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) . 33 子設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)法 . 33 口實(shí)驗(yàn)法 . 39 介 . 39 制因子與水準(zhǔn)配置 . 39 擇適當(dāng)之直交表 . 39 算 S/N 比 . 40 應(yīng)表和回應(yīng)圖 . 41 分析 . 42 第五章 研究之實(shí)驗(yàn)方法與規(guī)劃 . 46 驗(yàn)程 . 46 具 . 46 驗(yàn)設(shè)備 . 48 15電式射出機(jī) . 48 溫機(jī) . 48 機(jī) . 48 膠材 . 49 偏光儀 . 49 形視窗實(shí)驗(yàn) . 53 驗(yàn)設(shè)定 . 53 溫與塑融溫 . 54 出速與射出壓 . 54 壓壓與保壓時(shí)間 . 54 卻時(shí)間 . 55 火實(shí)驗(yàn)規(guī)劃 . 56 第章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討 . 57 分析與射出成形短射實(shí)驗(yàn)比對(duì) . 57 彈與退火 . 59 火時(shí)間與殘應(yīng) . 59 火溫與殘應(yīng) . 61 驗(yàn)據(jù) . 64 第七章 結(jié)與建議 . 71 . 71 議 . 71 考文獻(xiàn) . 72 附 A 射出成形之背景 . 73 B 0. 77 C 15臺(tái)規(guī)格. 78 D 大同 之機(jī)械性質(zhì) . 79 V 表目 表 2各種塑膠的退火條件 . . 19 表 3模分析表 . . 23 表 4實(shí)驗(yàn)因子與水準(zhǔn)(. . 37 表 4直交表 (3) . . 37 表 4變之計(jì)算表(. . 37 表 4變與迴歸關(guān)係之計(jì)算表(. 38 表 4因子與水準(zhǔn)表 . . 39 表 434）直交表 . . 40 表 4翹曲與 S/N 比 . . 41 表 4S/N 反應(yīng)表 . . 42 表 4變分析表 . . 44 表 6短射實(shí)驗(yàn)表. . . 57 表 6光學(xué)薄件之殘應(yīng)測(cè)結(jié)果(). 67 表 6殘應(yīng)之變表(. 67 目 圖 傳統(tǒng)射出成形模穴壓圖 . . 4 圖 射出壓縮成形示意圖 . . 4 圖 射出壓縮成形模穴壓圖 . . . 5 圖 射出壓縮與傳統(tǒng)射出成形之 較圖 . 5 圖 1薄殼成品模分析幾何模型 . . 8 圖 1薄件射出翹曲變形研究模分析幾何模型 . 1手機(jī)前蓋模分析幾何模型 . . 9 圖 2魚骨圖 . . 2殘應(yīng)厚方向分佈圖 . . . 2雙軸應(yīng)場(chǎng)中一點(diǎn)的折射橢圓球 . . 2圓偏光場(chǎng)設(shè)置示意圖 . . 3析程圖 . . 3成品 2D 網(wǎng)格圖 . . 32D 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì) . . 3成品 3D 網(wǎng)格圖 . . 33D 網(wǎng)格統(tǒng)計(jì) . . 3第 1 組翹曲示意圖 . . 3第 2 組翹曲示意圖 . . 3第 3 組翹曲示意圖 . . 3第 4 組翹曲示意圖 . . 3 5 組翹曲示意圖 . . 3 6 組翹曲示意圖 . . 7 組翹曲示意圖 . . 3 8 組翹曲示意圖 . . 3 9 組翹曲示意圖 . . 4S/N 回應(yīng)圖 . . 4田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法分析程 . . 5驗(yàn)設(shè)計(jì)程圖 . . 5模具圖 . . 5成品圖 . . 5 15電式射出機(jī) . . 5模溫機(jī) . . 5烘機(jī) . . 5膠材 . . 50N . . 5應(yīng)偏光儀（ . 52 圖 5形視窗（ . . 5壓曲線示意圖 . . 5火溫示意圖 . 6模分析結(jié)果與短射實(shí)驗(yàn)比較圖 . . 6分子鏈結(jié)圖. . . 6改變持溫時(shí)間後的退火效果. . . 6持溫時(shí)間對(duì)應(yīng)消除的百分比. . 6改變溫的退火效果. . . 6溫對(duì)應(yīng)消除的百分比 . . 6殘應(yīng)之誤差分佈 . 6殘應(yīng)誤差之常態(tài)分佈圖. . . 6殘應(yīng)之反應(yīng)曲面(模具溫與保壓壓) . 69 應(yīng)之反應(yīng)曲面(模具溫與卻時(shí)間) . 69 圖 6應(yīng)之反應(yīng)曲面(保壓壓與卻時(shí)間) . 70 號(hào)彙編 應(yīng)光學(xué)係（ 平均平方和 f 材條紋值（ h 入射光垂直射入模型的徑長(zhǎng)，即模型厚 i 輸入指（ k 輸入次（ of m 實(shí)驗(yàn)指（ or N 條紋階 1n , , 光波主折射 2）輸入矩陣（ ）光程差（ ）或相對(duì)滯後（ ）模型向（ ）殘差（ ） of X of of 雜訊比實(shí)驗(yàn)向（ ） 波長(zhǎng) of at 1 ,2 ,3 主應(yīng) 最大剪應(yīng) 第一章 導(dǎo) 言 目前國內(nèi) 3C 及光電產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展，尤其以用 於背光模組的導(dǎo)光板及鏡頭的塑膠光學(xué)鏡片的需求是斷成長(zhǎng)，間接的帶動(dòng)少原本生產(chǎn)汽機(jī)燈外殼、燈飾或化妝品的一般級(jí)光學(xué)塑膠件業(yè)者也有意升級(jí)及轉(zhuǎn)型至此一高附加價(jià)值的密光學(xué)產(chǎn)品域，但由於光學(xué)產(chǎn)品的模具要求極高，產(chǎn)時(shí)除尺寸的重現(xiàn)性之外，及的穩(wěn)定性也就顯得特別重要。光學(xué)產(chǎn)品的射出與一般射出件有相同的收縮翹曲變形問題，另外還有光學(xué)折射的問題存在，而要提高尺寸的及，除模具本身的要求外，射出方式與的控制就成關(guān)鍵。 射出成形是目前製造塑膠件的最主要 的方法。在早期的射出成形技術(shù)中，人們只是簡(jiǎn)單地考慮如何將模子填滿完成射出的步驟。後，研究發(fā)現(xiàn)如果要確地控制射出塑膠的品質(zhì)如尺寸的確、材的機(jī)械性質(zhì)等，填滿模子的後處過程才是關(guān)鍵性的因素，而傳統(tǒng)的射出成形技術(shù)很難達(dá)成高尺寸確以及低殘應(yīng)的要求。在填滿後處過程中，只是在熔膠的入口被施加高壓則會(huì)從熔膠入口至模子末端產(chǎn)生很大的壓梯，這個(gè)壓差在材卻後會(huì)引發(fā)殘應(yīng)及翹曲 等問題。射出壓縮成形 術(shù)就是在填滿後處過程 中施加模壓。模壓施加的過程首先是在熔膠填滿後持續(xù)的封模，而封模的態(tài)要一直維持至入口熔膠凝固或入口封閉，然後壓施加於整個(gè)模子 內(nèi)並持續(xù)到整個(gè)射出成形步驟完成為止。因?yàn)橛谐掷m(xù)的模壓，模子內(nèi)的壓分布較為平均因而因壓梯產(chǎn)生的殘應(yīng)可以大幅減小。這種後處過程常用於製造密件如光學(xué)鏡片或光1碟等。在其他研究指出填滿後施壓相對(duì)於傳統(tǒng)的射出成形技術(shù)可得到較好的凹面密合並大幅減少側(cè)面收縮的情形，以下則對(duì)傳統(tǒng)及射出壓縮成形過程做一明。 塑膠射出成形（ 由射出成形機(jī)管將的塑膠加熱熔融後，用桿高壓射入模穴中，卻固化後形成與模穴同一形成品的成形方法。在此種成形方法中，由於塑膠成形，生產(chǎn)高，故成為現(xiàn)今塑膠製品熱門成形方式之一。塑膠射出成形過程可分為五個(gè)階段：合模、充填、保壓、卻、開模頂出。 (1) 合模過程（ 鎖模系統(tǒng)用開啟關(guān)閉模具，支撐與 移動(dòng)模具元件，需有足夠的以防止模具被射出壓推開。鎖模機(jī)構(gòu)一般 以肘節(jié)機(jī)構(gòu)鎖定或油壓機(jī)構(gòu)鎖定。 (2) 填充過程（ 塑膠在管中被加熱融化到一定的溫，藉由桿的推擠經(jīng)噴嘴、澆道、道、澆口進(jìn)入所要成形的模穴中。 (3) 保壓過程（ 在澆注口尚未完全凝固之前，藉以桿施 以較高之射出壓將額外的融膠擠壓入已充滿模穴中，補(bǔ)償塑膠因固化的收縮。 (4) 卻過程（ 之後成品持續(xù)卻至脫模稱為卻過程（ ；一般也常將保壓與卻階段合稱為後充填階段（ 穴壓曲線如圖 1示。 (5) 開模頂出過程（ 成品經(jīng)卻固化至足夠強(qiáng)時(shí)，模具即開啟並經(jīng)由頂出機(jī)構(gòu)將成品自模穴頂出，此為整個(gè)射出成形的最後階段。 射出壓縮成形（ 在傳統(tǒng)射出成形後充填過2程加一壓縮步驟，再單靠融膠自澆口傳輸壓，而由壓縮機(jī)構(gòu)自模壁全面施壓，以提升密、改善收縮，此一方式改善收縮，又致殘?zhí)喾肿佣ㄏ蚺c內(nèi)應(yīng)，故可同時(shí)兼顧此三方面。 射出壓縮成形主要包含下三階段如圖 1示： (1) 充填階段：與傳統(tǒng)射出成形相同。 (2) 保壓階段：與傳統(tǒng)射出成形相 同，但其結(jié)束一般由阻斷（ 構(gòu)中斷融膠的動(dòng)，而非傳統(tǒng)式直到澆口凝固為止。 (3) 壓縮卻階段：乃以機(jī)械式之加壓機(jī)構(gòu)對(duì) 成品作直接全面式之加壓。事實(shí)上卻階段即包含壓縮。當(dāng)壓縮為固定程時(shí)，在達(dá)到此程後，壓縮即結(jié)束只剩卻。 以上三個(gè)階段之模穴壓曲線如圖 1示： 0充填階段， 1保壓階段， 3壓縮階段，卻階段則涵蓋 4 以後之階段。射出壓縮成形主要操作包括：射出壓縮換時(shí)間、充填速、壓縮速或壓縮、壓縮厚、壓縮時(shí)間、融膠溫、模具溫等，其優(yōu)點(diǎn)如下： (1) 低射出壓 (2) 低殘應(yīng) (3) 減少分子定向 (4) 均勻保壓減少均勻收縮 (5) 克服凹陷、翹曲 (6) 減少成品雙折射差 (7) 緩和密變化 (8) 增進(jìn)尺寸 圖 1明射出壓縮藉由後壓縮機(jī)構(gòu)對(duì)模穴施壓 ，較傳統(tǒng)射出能有效的控制件的收縮，並可看出射出壓縮較傳統(tǒng)射出，其所需的鎖模較低。 3 圖 1統(tǒng)射出成形模穴壓圖 圖 1出壓縮成形示意圖 4 圖 1出壓縮成形模穴壓圖 圖 1出壓縮與傳統(tǒng)射出成形之 較圖 究目的 本研究目的在於用模分析軟體 體模擬分析，並用田口法所得之最佳進(jìn)出射出成形實(shí)驗(yàn)及光彈法探討各對(duì)殘應(yīng)所造成的影響。 究方法 本研究方法包括軟體模擬分析、田口法 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及光彈測(cè)三部份，茲明如下： (1) 軟體模擬分析：用 析其經(jīng)過整個(gè)射出成形充填（ 、保壓（ 卻（ 程後的翹曲變形並配合各同找出成形視窗以供實(shí)際射出成形使用。 (2) 田口法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：將軟體分析所 得之成形視窗範(fàn)圍導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法以找出一適合製程，再配合實(shí)際射 出以找出最佳成形。 (3) 光彈測(cè)：透過光彈測(cè)探討同的射出對(duì)殘應(yīng)的影響。 獻(xiàn)回顧 1998 ，在相同的實(shí)驗(yàn)下射出 三種同厚的成品，再經(jīng)由光彈值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著厚的減少，殘應(yīng)有增加的情形，判斷為因成品較厚時(shí)有較長(zhǎng)的時(shí)間供應(yīng)的鬆弛。在相同厚條件下，因模溫及溫低而使卻速增加，造成分子配向被凍結(jié)，熔膠無足夠時(shí)間進(jìn)應(yīng)鬆弛而使殘應(yīng)增加；保壓即為充填完成後做些許補(bǔ)壓及補(bǔ)的動(dòng)作，係將額外的塑推擠進(jìn)入模穴以補(bǔ)足熔體因卻固化收縮所形成之空隙，因此壓增加主要造成進(jìn)膠口附近分子定配向的程加大而減緩應(yīng)的鬆弛使殘應(yīng)增加；充填時(shí)間的低即充填速增加，相對(duì)造成凝固層較小及熔膠溫上升使應(yīng)能6快鬆弛，所以殘應(yīng)較小。 2001 等人，用 體模擬一薄殼件射出成形並探討同成形對(duì)翹曲的影響。其中發(fā)現(xiàn)同以保壓壓對(duì)翹曲的影響最大，貢獻(xiàn)達(dá) 其次分別為模具溫、塑溫、保壓時(shí)間，而充填時(shí)間與澆口尺寸影響最小，另模具溫與塑溫之間產(chǎn)生的交互作用的貢獻(xiàn)有 是需注意的地方。如圖 1示。 2001 Y. K. S h e n 3 等人使用 進(jìn)薄件成品的模擬，定義薄件的動(dòng)比約 150 以上，材為 別以同厚和纖維含進(jìn)實(shí)驗(yàn)，其中發(fā)現(xiàn)模具溫對(duì)成形過程影響最大，且進(jìn)薄件射出時(shí)，其模溫、溫和射出壓皆比傳統(tǒng)射出成形要的高。 2002 ，以 成形材，分別研究薄件射出成形在同的製程下對(duì)翹曲變形與殘應(yīng)的影響，並以田口方法進(jìn)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，最後再比對(duì)軟體模擬與實(shí)作，發(fā)現(xiàn)軟體模擬或?qū)嵶鱽K無太大差，保壓壓為影響翹曲變形最重要之因子；而在殘應(yīng)上的影響，提高融膠溫和模具溫及減小保壓壓，使能低 成品的殘應(yīng)。如圖 1示。 2003 ，以 種材在同厚條件下，對(duì)相同保壓條件所得之成品作光彈分析，發(fā)現(xiàn)厚增加時(shí)，收縮增加，殘應(yīng)則隨保壓壓的提高而增加，研究中亦得知 殘應(yīng)較 的許多。 2004 人 6，分別以 成形材，模具溫、塑溫、射出速與保壓壓為實(shí)驗(yàn)進(jìn)田口實(shí)驗(yàn)法，得知保壓壓為最重要之實(shí)驗(yàn)，當(dāng)保壓壓增加，成品的 收縮及翹曲均隨之減少。如圖 1示。 F. 亦以實(shí)據(jù)指出，薄件之射出需比厚件要有大的射出壓，但是隨著模具溫的提 高，即可低射出壓。 7 圖 1殼成品模分析幾何模型 2 圖 1件射出翹曲變形研究模分析幾何模型3 8 圖 1機(jī)前蓋模分析幾何模型 5 作者 代 內(nèi)容 1 1998 在相同的實(shí)驗(yàn)下射出三種同厚的成品，再經(jīng)由光彈值計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著厚的減少，殘應(yīng)有增加的情形；在相同厚條件下，因模溫及溫低使殘應(yīng)增加；保壓壓增加使殘應(yīng)增加；充填時(shí)間的低使殘應(yīng)較小。 2001 用 體模擬一薄殼件射出成形並探討同成形對(duì)翹曲的影響。其中發(fā)現(xiàn)同以保壓壓對(duì)翹曲的影響最大，貢獻(xiàn)達(dá) 其次分別為模具溫、塑溫、保壓時(shí)間，而充填時(shí)間與澆口尺寸影響最小，另模具溫與塑溫之間產(chǎn)生的交互作用的貢獻(xiàn)有 是9需注意的地方。 2001 使用 進(jìn)薄件成品的模擬，定義薄件的動(dòng)比約 150 以上，材為 別以同厚和纖維含進(jìn)實(shí)驗(yàn)，其中發(fā)現(xiàn)模具溫對(duì)成形過程影響最大，且進(jìn)薄件射出時(shí)，其模溫、溫和射出壓皆比傳統(tǒng)射出成形要的高。 2002 以 成形材，分別研究薄件射出成形在同的製程下對(duì)翹曲變形與殘應(yīng)的影響，並以田口方法進(jìn)實(shí)驗(yàn)規(guī)劃，最後再比對(duì)軟體模擬與實(shí)作，發(fā)現(xiàn)提高融膠溫和模具溫及減小保壓壓，使能低成品的殘應(yīng)。 2003 以 種材在同厚條件下，對(duì)相同保壓條件所得之成品作光彈分析，發(fā)現(xiàn)厚增加時(shí)，收縮增加，殘應(yīng)則隨保壓壓的提高而增加，研究中亦得知 殘應(yīng)較 的許多。 2004 分別以 成形材，模具溫、塑溫、射出速與保壓壓為實(shí)驗(yàn)進(jìn)田口實(shí)驗(yàn)法，得知保壓壓為最重要之實(shí)驗(yàn)，當(dāng)保壓壓增加，成品的收縮及翹曲均隨之減少。 10F. 7 2005 以實(shí)據(jù)指出，薄件之射出需比厚件要有大的射出壓，但是隨著模具溫的提高，即可低射出壓。 節(jié)介紹 第一章內(nèi)容為簡(jiǎn)介光學(xué)產(chǎn)業(yè)目前概況， 並明本文之研究目的及方法，最後則是對(duì)殘應(yīng)、光學(xué)塑膠射出件與光彈測(cè)的相關(guān)文獻(xiàn)回顧。 第二章內(nèi)容為簡(jiǎn)介殘應(yīng)，並明光 學(xué)性質(zhì)材之雙折射差值與光彈的檢測(cè)方式。 第三章內(nèi)容為模分析模型的建及 設(shè)定，並明各與殘應(yīng)之間的關(guān)係。 第四章內(nèi)容為明田口法並依 其方法步驟，包括直交表、 S/N 比和變分析以找出最佳之射出。 第五章內(nèi)容為明所使用的模具，實(shí)驗(yàn) 與測(cè)的設(shè)備及明實(shí)際實(shí)驗(yàn)的設(shè)定。 第章內(nèi)容為針對(duì)模分析與實(shí)際射出件的殘應(yīng)作結(jié)果與討。 第七章內(nèi)容為結(jié)與建議。 11 第二章 光學(xué)薄件射出成形殘應(yīng) 本章大致先對(duì)射出成形殘應(yīng)簡(jiǎn)介 明，再明材的光學(xué)性質(zhì)及光學(xué)元件的雙折射差值，最後則針對(duì)光學(xué)元件殘應(yīng)檢測(cè)方式的選用做一明。 應(yīng)簡(jiǎn)介 塑膠的殘應(yīng)是在元件未受外施加 下，經(jīng)由射出成形並卻到室溫後仍殘於元件內(nèi)部的機(jī)械應(yīng)。而整個(gè)射出成形產(chǎn)生的殘應(yīng)又分為：殘動(dòng)應(yīng)（及殘熱應(yīng)（ 基於高分子熔膠的黏彈特性、分子配向，充填與保壓過程中的剪應(yīng)及正向應(yīng)在經(jīng)過卻之後仍無法完全鬆弛而凍結(jié)在成品內(nèi)的應(yīng)為殘動(dòng)應(yīng)。而殘熱應(yīng)則是因均勻的溫分佈使成品表層與內(nèi)部固化的時(shí)間同，進(jìn)而導(dǎo)致收縮均，伴隨高分子熔 膠在經(jīng)過玻璃轉(zhuǎn)換溫（ 急速均勻的卻所造成8,9 。因射出成形的內(nèi)部殘應(yīng)是造成收縮及翹曲的主要原因，而收縮及翹曲又影響塑膠元件的品質(zhì)好壞，所以如何低殘應(yīng)實(shí)是一重要的關(guān)鍵探討 問題，相關(guān)影響如圖 2骨圖所示。 薄件之定義乃指其長(zhǎng)比（動(dòng)長(zhǎng)與壁厚之比值， L/T）大於 100 以上