B13 CAE应用于小型光学组件浇口设计之探讨

一、前言

近年来随着3C产业的蓬勃发展，微型光学镜片应用于3C产品上的附加功能愈趋常见，但在光学组件上所要求的精度及其光学特性，有别于一般射出成型产品，例如光线穿透率、良好的低复屈性、高屈折率等等…而这些特性会随着材料的性质及模具的设计、射出成型的条件相互影响，而有不同的结果。而本篇分析使用Moldex3D模流分析进行模拟，主要针对非球面(凹透镜)光学组件在不同进浇位置上，对于剪切应力产生的位置、量值及融胶流动时的波前行为、收缩变形的趋势产生之影响性进行探究，以期找出在非球面(凹透镜)光学组件设计上，较适合的进浇点位置。

二、分析案例简介

A.产品说明

产品为手机专用之光学镜头，几何尺寸为直径6mm高度2mm，厚度因非球面曲率渐变因素，外圆0.8mm渐缩至中心0.5mm均匀分布，图一为产品几何。

B.浇口设计

采一模二穴，设计一采侧边单点平板直接进浇，设计二采底部搭接二种进浇方式进行模拟分析，详细进浇位置及型式如图二,三表示。

C.使用材料

此分析材料使用精密光学组件常用之塑料COC(环状聚烯烃树脂)，材料制造商为Zeon，型号为Zeonex 480R。

D.成型条件

本文所采用之加工条件如表一所示。

三、案例解析

一般以塑料射出成型而成的光学镜片，光线需要能清楚穿透或传送、形成清晰明显之影像，并要具有再现性与稳定性等特性的要求，一般来说希望具有的特性如下：

高度的透明性(高透光率)

范围较大的折射率

低的色散特性

小的双折射率

易成形性、高的耐热性、低吸水性

而上述之各种需求与材料本身的特性有着密不可分的关系。除了材料本身的特性之外，成型参数的调整、产品及模具的设计这些都会影响到光学组件的整体质量，在上列的因素外，剪切应力的产生也是相当重要的一环，塑料在不同的成型参数及产品设计下，会产生不同大小及位置的剪切应力，而应力的产生，来自于流动融胶与冷却层接口之间的摩擦及高分子键结之间的拉扯与定向情形所造成，这个情况的发生会影响到成品之尺寸安定性、机械强度及光学特性等，如后续需要进行二次加工，容易造成影响。

本次实验以侧边单点平板直接进浇、底部平板搭接进浇两种设计进行探讨，针对产品之流动行为、体积收缩率、剪切应力、翘曲变形等等常见问题，找出对于非球面(凹透镜)光学组件可能造成之质量问题与影响与提出建议改善方式。

四、模流分析

A、流动行为:

图四为浇口设计一流动波前98%之分布，图五为浇口设计二流动波前98%之分布，经由二者的流动波前比较可得知经由改变进浇口位置对于产品的流动行为并无明显之差异，不会因更换进浇位置，而在有效镜面区产生无法预期之缝合线或包封情形，由上述之结果可确认，更换进浇口之位置，对于产品质量较无影响。

B、体积收缩率:

经由分析结果判读可得知，二种设计在进浇位置所产生之体积收缩率，约分布在3%~4.2%之间，此数值符合该成型材料之常见体积收缩率，但比对二组设计在体积收缩上的情况，发现浇口设计一在整体收缩行为较为不均匀，相对于进浇口处与流动末端会有较大的收缩行为；浇口设计二整体的量值虽然较大，但整体收缩状况与分布较为均匀。此二组分析的体积收缩率分布情形，如图六与图七所示。

C、剪切应力:

图八、九为二组设计的剪切应力分布，该图以3D立体的等位面手法表示，由图片中看到绿色区域为剪切应力达1.6MPa以上之区域，由于残留剪切应力容易对于光学组件质量产生影响，所以一般设计时，均会希望较高的剪切应力区域能够避开光学组件的有效镜面区域，如图七所示：第一组设计有较高之剪切应力，分布范围在有效镜面的区域内；图八为第二组设计，高剪切应力残留的位置，已避开有效镜面区域。

因此由残留应力的分析结果判读，以产品的光学质量与特性而言，设计二明显较优于设计一。

D、翘曲变形:

经由图十(设计一)、图十一(设计二)可判读出设计一及设计二在于翘曲变形的差异，因翘曲的量值相当小，所以以放大50倍的倍率来观察变形的行为，设计一的整体翘曲行为，受到保压压力的不平均影响，造成整体翘曲的歪斜，产品的光学性质明显不佳。

对于光学镜片要求的功能性上会衍生出相当多的问题，而设计二的部份因保压压力较均匀，整体翘曲的趋势及行为会呈现较平缓且无歪斜之状况，对于光学性质的功能需求会较优于设计一的翘曲情形。

五、结论

塑料光学镜头的光学性质，关系到产品成败重要的一个环节，然这个环节是由许多的关键参数及设计相互影响的。本次分析针对不同进浇位置上，所产生出的各种现象来解析，在于不同的进浇设计下，产品在模流分析与光学性质比较所呈现的各种情形，经由本文中各项分析结果的分析，可得知底部搭接进浇的方式，明显优于侧边直接进浇的设计；而以加工特性而言，光学镜片的浇口废料位置还需透过二次的研磨抛光，若以一般机械加工的方便性及容易度来说，底部进浇的加工位置优于侧边进浇，当一个好的浇口设计，再搭配适当的射出成形加工条件，能够让光学镜头的光学性质，达到较佳质量的要求。

总结文中的分析结果及加工便利性，建议在设计非球面(凹透镜)光学组件时，可调整浇口设计的位置，放置于底部进浇，可获得较佳之光学性质。 

光学产品急速的进步与发展，使得运用射出成型的种类也愈来愈多且复杂，使用CAE软件除了能够准确的预测出来射出成型产品的收缩与翘曲行为之外，对于影响产品光学特性的问题，也可以应用于提高光学质量及提升光学产品的稳定性，适当的改善模具的设计，就能够解决精密光学产品在收缩变形与翘曲的问题，同时提升光学产品的稳定度。

六、参考文献

[1] 许嘉翔、林秀春、张荣语，”CAE模流分析实作解析”，科盛科技股份有限公司暨国立清华大学化工系CAE研究室

[2] 科盛科技股份有限公司，”CAE模流分析入门与应用”，全华图书出版，2002 

[3] 刘文斌”残留应力对精密塑料成型与光电产品之影响”，科盛科技股份有限公司

[4]”2006模具技术与论文发表会论文集”，台湾区模具同业公会

[5]张荣语，”射出成型模具设计”，高立图书有限公司，1995