光學塑膠成型

光學塑膠成型技術，是當前製造塑膠非球面光學零件的先進技術，包括注射成型、鑄造成型和壓製成型等技術。其中，注射成型技術主要用來大量生產直徑100mm以下的非球面光學零件，也可製造微型透鏡陣列；而鑄造成型和壓製成型則主要用於製造直徑為100mm以上的非球面透鏡光學零件。

基本介紹

• 中文名：光學塑膠成型
• 所用技術：注射成型鑄造成型壓製成型等技術
• 製造產品：塑膠非球面光學零件
• 技術實例：澆口密封成型法

光學塑膠成型技術

光學塑膠成型

光學塑膠成型

光學塑膠成型技術是當前製造塑膠非球面光學零件的先進技術，包括注射成型、鑄造成型和壓製成型等技術。光學塑膠注射成型技術主要用來大量生產直徑100mm以下的非球面光學零件，也可製造微型透鏡陣列。而鑄造和壓製成型主要用於製造直徑為100mm以上的非球面透鏡光學零件。

塑膠非球面光學零件具有重量輕、成本低；光學零件和安裝部件可以注塑成為一個整體，節省裝配工作量；耐衝擊性能好等優點。因此，在軍事、攝影、醫學、工業等領域有著非常好的套用前景。美國在AN/AVS-6型飛行員微光夜視眼鏡中就採用了9塊非球麵塑料透鏡。此外，在AN/PVS-7步兵微光夜視眼鏡、HOT夜視眼鏡、"銅斑蛇"雷射制導炮彈導引頭和其他光電制導導引頭、雷射測距機、軍用望遠鏡以及各種照相機的取景器中也都採用了非球麵塑料透鏡。美國tbe公司在製造某種末制導自動導引頭用非球面光學零件時，曾對幾種光學塑膠透鏡成型法作過經濟分析對比，認為採用注射成型法製造非球面光學塑膠透鏡最為合算。

注射成型法

注射成型是將加熱成流體的定量的光學塑膠注入到不鏽鋼模具中，在加熱加壓條件下成型，冷卻固化後打開模具，便可獲得所需要的光學塑膠零件。光學塑膠注射成型的關鍵環節是模具，由於光學塑膠模壓成型的工作溫度較低，所以對模具的要求要比對玻璃模壓成型模具的要求低一些。非球面模具的超精密加工相當困難，通常的加工都是首先在數控工具機上將模具的坯件磨削成近似非球面，然後用范成精磨法逐步提高非球面的面形精度和表面粗糙度，最後用拋光法加工成所要求的面形精度和表面粗糙度。可是，由於數控工具機的加工精度比較低，在模具加工過程中需要對模具進行反覆檢測和修改，逐步地提高模具精度，從而使模具的成本變得很高。因而現在的模具，是用剛性好、解析度高的計算機數控超精密非球面加工工具機和非球面均勻拋光機超精密加工而成的。首先用計算機數控超精密非球面工具機將模坯加工出面形精度達±0.1μμm的非球面，然後用拋光機在保持非球面面形精度不變的條件下均勻地輕拋光，大約拋去0.01μm，使模具表面的粗糙度得到提高。

注射成型的光學塑膠零件的焦距精度可以控制到0.5～1%，面形精度高於λ/4，長度公差達0.0076mm，厚度公差達0.012mm。

下面介紹一種日本人發明的高精度塑膠光學零件注射成型法--澆口密封成型法。

澆口密封成型法，是一種向加熱至樹脂轉化溫度（Tg）以上的金屬模中注射熔融的樹脂（注射量應是：冷卻結束打開模具時樹脂的壓力剛好是大氣的壓力的量），迅速密封澆口，等溫度、壓力均勻後，在相對容積一定、溫度－壓力均勻條件下，徐徐冷卻至樹脂的熱變形溫度以下後，打開模具取出壓形品的成型方法。

首先，以大約130MP2的高壓，將高溫的熔融樹脂注射到模具中，在高溫（T1）下將澆口密封。密封在模具中的樹脂，其壓力在均勻化的過程中降至30MPa左右（此時的溫度為：比樹脂轉化溫度Tg高一些的某一溫度T2）。從注射開始經過一定時間後，就可由壓型機的合模裝置上將模具單體取下。單體模具經過緩緩冷卻後才可開模，取出壓型成品。

澆口密封成型法的關鍵問題在於，注射到模具中的300℃左右高溫的熔融樹脂，如何以130MPa的壓力將澆口密封死。其做法是：在成型注射之前，先將一個小球放入金屬模具的澆口部，當向模具中注射熔融樹脂時，小球受到樹脂的擠壓就會從澆口處向靠近模穴一側移動。這時，在澆口部通往模穴的地方就會出現間隙，熔融樹脂從此間隙能夠流入到模穴中。而當注射成型機停止向模具內高壓注射樹脂時，由於壓差的原因，瞬間發生樹脂逆流現象，小球則被這種逆流的樹脂又從靠近模穴的一側推向模具的澆口處。此時，小球依靠高壓的樹脂所發生的擠壓力將模具澆口堵死，完成澆口密封工作。
該澆口密封成型法由於是樹脂注射後用小球進行澆口密封的，因而不需要保壓和壓縮機構及其工作。所以注射了樹脂後的金屬模具很容易從成型機上取下來，以金屬模具單體脫離成型機身的形式進行長時間的冷卻。這不但大大提高了成型機的工作效率，同時也提高了單位時間的生產效率。這種成型法可將一部分功能分配到機外的裝置中去完成，改變了過去那種功能只能在成型機裝置內進行的做法。

澆口密封成型工序分4步工序進行。

（1）加熱工序。由金屬模具的外部進行傳導加熱。從成型品的取出溫度加熱到Tg（樹脂的轉化溫度－即模具加溫需要達到的溫度）以上的一定溫度為止，用很短的時間進行升溫，使熱度做到均勻化。
（2）成型工序。向模具內注射熔融的樹脂，使小球將模具澆口密封后，為使溫度、壓力做到均勻化，對金屬模進行保溫。
（3）緩冷工序。利用自行保持合模力的機構，一邊維持合模狀態，一邊從壓型機上取下壓型模。取下的單體壓型模具，採用自然空氣冷卻或是強制空氣冷卻的方式，以每分鐘1～2℃的速度逐漸降溫。
（4）取出工序。從壓型模中取出成形品。由於壓型模具已從壓型機上取下，這時只要取下自行保持合模力的機構，就能打開型模取出成形品。在成形品取出過程中，由於樹脂的壓力相當於大氣的壓力，所以不需要推出裝置，只要打開突出分型面的部分，成形品就能離模。

澆口密封成型法的關鍵要素，是金屬模具的溫度條件和注射充填條件（緩慢冷卻結束時樹脂壓力為大氣壓力的條件）。因此，既使是模壓成型形狀和體積不同的成型品，也不用改變注射時和冷卻結束時的金屬模具的溫度，只要有充裕的時間使溫度－壓力達到均勻化，並保持緩慢冷卻的速度，根據模穴的容積注射充填樹脂，就能進行高精度地複製。

壓製成型法

所謂壓製成型法就是將光學塑膠毛坯放入金屬模具中模壓成光學塑膠零件的一種方法。下面介紹其中一種壓製成型方法--再熔融成型法。

再熔成型法，是將近似於成形品形狀的毛坯，插入具有複製面形、又使樹脂不能流出的金屬模具中，在模穴容積一定條件下，將模穴中的樹脂加熱至樹脂轉化溫度Tg以上，利用因樹脂的膨脹和軟化-熔融所發生的均勻的樹脂壓力，使樹脂緊密附著到模子的複製面上，等溫度-壓力均勻後，在相對容積一定、溫度-壓力均勻條件下，徐徐冷卻至樹脂的熱變形溫度以下，然後打開型模取出壓型成形品的一種光學塑膠零件成形方法。

再熔成型法，通過利用不同的工序確保壓形品的形狀創成和面形精度，緩和了成形品內的殘留應力和密度分布，實現了成形品的精度優良製作。再熔成型法工藝由下述2道工序組成。

（1）毛坯成形工序。使用普通的注射成形法，製作近似於最後成形品形狀的毛坯成形品。

毛坯成形工序，由於採用的是通常的注射成形法，在將熔融的樹脂向低於樹脂熱變形溫度的模具中注射充填過程中，表層部就會驟冷固化，毛坯會有收縮。若出現面形不能複製的話，則是殘留應力比較大的緣故。

（2）面形複製工序。將毛坯插入具有複製面形、而又使樹脂不能流出外部的不同模具中，加熱－冷卻，進行面形複製。

面形複製工序是將低精度的毛坯高精度化的一個工序。具有面形的模具，通過加熱至樹脂的Tg（樹脂轉化溫度）以上，殘留應力可以得到緩和。進而，由於加熱時樹脂的軟化－熱膨脹能使模穴內發生均勻的樹脂壓力，所以，能夠實現高精度的面形複製。

為了防止發生溫度分布和壓力分布，冷卻需要緩慢進行，而且必需冷卻至樹脂熱變形溫度以下。這樣，開模取壓形品時，成形品才不會變形。另外，由於開模時的樹脂壓力必需大致相當於大氣壓力，因此，模穴容積一定條件下的毛坯的重量誤差也是應該引起重視的一個要點。

通過實施各自具有特徵的毛坯工序和面形複製工序，可以構成能生產性能優良的塑膠光學零件的製造系統。

再熔成形法的面形複製工序的設備，除了能夠開、合型模的衝壓機外，還有不需要有澆口和噴嘴之類的部分金屬模具，製作起來很便宜。因此，設備增設起來很容易。可以根據生產量的情況，適宜地進行設備投資，建立起一個相對應的柔性生產系統。

再熔成形法的特徵是：由於再熔成形法的毛坯成形工程採用了普通的注射成形工藝，所以具有成形周期短、適合批量生產之優點。但是，面形複製工程必需實施加熱、冷卻工程，因此又存在著與澆口密封成型法一樣周期長的缺陷。然而，因為不需要像通常注射成形工藝那樣的注射、充填工序，所以也就不用考慮樹脂流路的問題。又因成形時產生的壓力小於30MPa（通常的注射成形為100MPa左右），故並不要求模具有很高的剛性。模具因為體積小而可使用多個，因此，可以採用多個模具彌補生產效率低的不足。由於加熱、冷卻容易控制，成形周期縮短，所以生產效率可以提高。

另外，由於毛坯成型工序和面形複製工序能夠獨立操作，面形複製工序的衝壓機可以對每一個壓形品的成形條件進行設計，所以可以進行不同樹脂、不同形狀的成形品的混合生產。

利用該成型法製作的非球面反射鏡經過形狀測量，結果是：在±100mm範圍內，反射面的彎曲（起伏）度在4μm以下，成形品的精度很高。