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1微透镜阵列注塑成型技术摘要微透镜阵列注塑成型，可作为一种非常重要的大量生产技术。因此我们在近来的研究中非常关注， 为了进一步了解注塑成型在不同的加工条件下对可复制的微透镜阵列剖面的影响，如流量、填料压力和填料时间，对 3 种不同的高分子材料(PS，PMMA和 PC)进行了大量的试验。 镍金属模具嵌件微阵列就是利用改良的 LIGA 技术电镀主装配的显微结构制造的。在表面轮廓得到测量的前提下，研究工艺条件对可复制的微透镜阵列的影响。实验结果表明， 填料压力和流速对注射模塑的终产品的表面轮廓有重要的影响。 原子力显微镜测量表明， 微透镜阵列注塑成型的平均表面粗糙度值小于模具嵌件成型， 并在实际运用中，能与精细的光学元件相媲美。1 说明微型光学产品，如微透镜或微透镜阵列已广泛应用于光学数据存储、生物医学、显示装置等各个光学领域。微透镜和微透镜阵列不仅在实践应用上，而且在微型光学的基础研究上都是非常重要的。有几种微透镜或微透镜阵列的制作方法，如改良的LIGA 技术，光阻回流进程，紫外激光照射等。还有复制技术，如注塑模压成型和热压技术 ，这种方法对于减少大规模生产的微型光学产品的成本尤为重要。由于其优越的生产和再生产能力，只要注塑成型过程中能很好的复制微观结构，那么肯定是最适合于降低大量生产成本的方法。基于这点，检查注塑成型能力并确定成型加工条件是注塑成型微观结构过程中最重要的步骤。在本次研究中，我们考察了工艺条件对可复制的微透镜阵列的注射成型的影响。微透镜阵列是用之前介绍过的改良的 LIGA 技术来编制的。注塑成型实验采用的是一种镀镍金属模具，来探讨了几种不同工艺条件对成型的影响。通过对微透镜阵列的表面轮廓测量，用来分析工艺条件产生的影响。最后，利用原子力显微镜(AFM)测量微透镜的表面粗糙度值的大小。22 模具嵌件的制造利用改良的 LIGA 技术，在一个有机玻璃板上制造出具有几种不同直径微透镜阵列。此种技术是先用 X 光照射有机玻璃板，然后再进行热处理两部分构成的。 X-射线照射引起有机玻璃分子质量的减少，同时降低了玻璃化转变温度，并因此导致净含量的增加，在热循环的作用下，微透镜发生微膨胀。利用中提出的方法，结合改良的LIGA 技术可以预测微透镜形状的变化过程。 在试验中使用的微透镜阵列，有 500m (22 阵列 )，300m (22)和 200m (55)的直径阵列，高分别是 20.81m，17.21m 和 8.06m。采用改良的 LIGA 技术制造微透镜阵列作为一个主要的技术，用来制作镀镍的金属模具的注塑成型。另一些特殊材料，因为它们的强度不够或热性能差而不能直接进行微细加工，当作模具或金属模具使用，如硅、光阻剂或高分子材料。尽量使用具有良好机械性能和热性能的金属材料，因为它们能在可复型加工过程中经受高压力和不断变化的温度。因此，为了利用这种复制技术进行大批量生产，我们选择使用金属模具材料而不是有机玻璃硅晶体。一些特殊技术，如低压注塑成型8 技术，应该作为良好的复制加工方法被采纳。电镀模具的最终大小为 30 mm30 mm3mm。镀镍金属模具所具有的微透镜阵列如图 1 所示。图 1 镀镍模具嵌件的制造 （a）直接观察；（ b）直径为 200m 的微透镜阵列电子显微镜图像；（c）直径为 300m 的微透镜阵列电子显微镜图像33 注塑成型实验传统注塑机(Allrounders 220 M，Arburg)多用做实验机。注塑模具设计的模架就是利用一块框形支撑板固定镀镍模具(如图 2 所示)。图 2 注塑模具实验中使用的模架和嵌件用修改的微透镜阵列确定模具零件孔形加强板(在这次实验中，是一块矩形板)的外部形状。模架本身已含有传输系统，如注射口，流道及浇口，通过支撑板、模具流道和滑动的模具表面将熔融聚合物引入模腔。用这种方法设计的模架，能够使模具零件更换起来简单容易。不过，有时候也使用具有特定孔径形状的支撑板。 实验主要用三种普通高分子材料，PS(615APR，陶氏化学)，有机玻璃(IF870 ， LG MMA)和 PC(Lexan 141R)进行注塑成型。这些高分子材料通常在光学元件上使用，它们有不同的折射率(PS，PMMA 和 PC 的折射率分别为 1.600，1.490 和 1.586)，能生产出具有不同的光学特性的产品，例如:具有相同的几何尺寸却有不同的焦距的光学元件。通过改变每个高分子材料的流速，充填压力和充填时间获得 7 种加工条件进行注塑成型试验。此外，为了检查是否能可再生产，同一实验往往需要重复三次。可能有人会指出，实验中没有考虑模具温度的影响，这是因为温度效应相对来说不是主要因素，而且微透镜阵列曲率半径比其他微观结构的高宽纵横比大。正是因为较大的微观结构高宽纵横比，使我们目前研究的温度效应更加可靠，并计划在将来实验时进行单独报告。 因此，在这项研究中，我们保持模具温度不变，而流速、充填压力和充填的时间都变化的情况下，能更清楚的观察其产生效果。表 1 详细的列出了三种高分子材料 PC， PMMA 和 PS 在其他加工条件都保持不变，将模具温度分别设定为 80，70和 60的情况下的实验结果。表 1 注塑模具实验中详细的工艺条件序号 流 速 (cc/s) 充填时间 (/s) 充填压(MPa)1 12.0 5.0 10.042 12.0 5.0 15.03 12.0 5.0 20.04 12.0 2.0 10.05 12.0 10.0 10.06 18.0 5.0 10.0PS7 24.0 5.0 10.01 6.0 10.0 10.02 6.0 10.0 15.03 6.0 10.0 20.04 6.0 5.0 10.0PMMA566.09.015.010.010.010.0续表 1序号 流 速 (cc/s)充填时间 (/s)充填压力(MPa)7 12.0 10.0 10.01 6.0 5.0 5.02 6.0 5.0 10.0355.010.015.05.066.06.09.0 5.0 5.0PC7 12.0 5.0 5.0可能有人会指出，我们的实验没有考虑型腔出现真空状态时的情况，其实大可不必担心，因为在本研究中的注射阶段，大曲率半径的微透镜阵列不会把空气引入到型腔中。4 讨论和结果在详细讨论实验结果之前，认真思考一下，可能有助于总结为什么流速、充填压力和充填时间( 在这项研究中被选为不同的加工条件)影响复制的质量。就流速而言，可能存在一个最佳流速，而在完成充填之前，流速太小会使得熔融聚合物过冷却，从而可能导致所谓的短暂的不连续现象，而过高的流速增大了压力面积，这是不可取的。充填阶段是一般要求，是要在冷却时能够弥补热熔融聚合物的体积收缩 。 因此，5在这个阶段应有足够的熔融聚合物流入型腔并控制产品的尺寸精度。 越高的充填压力，越长的充填时间，将使更多的材料持续不断的流向型腔。然而， 过高的充填压力，有时可能造成不均匀的密度分布，从而产生劣质的光学质量。过长的充填时间，不利于在各自浇口处的冷凝，并且会阻止熔融聚合物流入型腔。因此，我们需要研究不同的充填压力和充填时间所产生的影响。4.1 表面轮廓图 3 所示的是用电子显微镜(SEM) 扫描的不同注塑微透镜的直径的 PMMA 图像(a)以及不同 材料的图像 (b)。代表性的模具表面轮廓以及所有注塑微阵列都是通过三维轮廓测量系统(NH-3N ， Mitaka)测定的。图 3 注塑模具的微透镜阵列和微透镜的电子显微镜图像（a）PMMA 微透镜阵列 （b）不同材料直径为 300m 微透镜阵列的注塑模具作为一个可复制阵列的测量工具，我们已经确定了在模具与相应的模具嵌件分开的微阵列之间轮廓的相对高度偏差，所有的微透镜阵列相对偏差值列在表 2 中，具体见表所示：表 2 表面轮廓相对偏差相对偏差(%)直径 (m) 1 2 3 4 5 6 7PS200300500-7.625.862.38-7.592.03-0.382.082.860.51-5.565.611.47-8.6660.161.47-11.444.291.47-9.475.731.956PMMA 2003005007.205.77-0.661.315.60-1.62-3.886.453.98-5.805.952.80-0.975.95-0.72-8.536.68-0.904.86-2.62-0.72PC20030050023.026.20-0.9316.054.965.0916.872.66-1.8619.664.531.8833.974.786.9618.671.792.43-2.944.15-1.55值得一提的是，高分子材料的塑性会影响其重复使用性能。 因此在研究中，三种高分子材料总的相对误差是各不相同的。PC 是三种聚合物中最难注塑成型的材料。在直径最小的例子中产生最大的相对偏差，那都是意料之中的事。 在这种特殊情况下，充填时间并不对偏差产生显著影响，最好的解决方法是采用相对低的流速和充填压力。PS 和 PMMA 最小的直径的相对偏差要比 PC 小的多。 从表 2 可以看出，直径越大，相对偏差越小。当然，在注射和保压阶段，直径大的微透镜阵列容易比直径小的更容易填补，不管是在什么加工条件下和使用什么材料，大直径的微透镜阵列一般都能得到较好的复型。研究发现直径 500m 的 PS 最好复型，一般而言，与 PMMA 和 PC 相比较，PS 具有良好的成型性能。根据表 2 的数据，在考察最小的直径的 PS 和 PMMA 的相对偏差时，可能会有人提出一些消极的观点，认为偏差过大，但是在这些数据中可以得到，高度上的绝对偏差在0.1m 左右，这是在测量系统误差范围以内。 所以，在解读复型实验数据时可以忽略这些消极的观点。 直径为 300m 的 PC 和 PMMA 微透镜表面轮廓分别如图 4 和图 5 所示。正如之前所述，在图 4 所示的 PC 中，越高的充填压力或越高流速复制微透镜时效果越好，而充填时间在这些复型例子中只起一点作用。如图所示，对于 PMMA 来说，充填压力和充填时间的作用微不足道；然而，流速对于 PC 也有类似的效果。 它可以提醒我们注意如果一个浇口冻结了，并阻止材料流入型腔时，充填时间并不影响复型。 因此，经过一段时间后，充填时间的影响，主要取决于加工条件。7图 4 直径为 300m 的 PC 微透镜表面轮廓 a 充填压力的影响 b 流速的影响 c 充填时间的影响 图 5 直径为 300m 的 PMMA 微透镜表面轮廓a 充填压力的影响 b 流速的影响 c 充填时间的影响4.2 表面粗糙度直径 300m 的微透镜和模具嵌件的平均表面粗糙度 Ra 的值，是用原子力显微镜(Bioscope AFM，数字仪表) 测量的。测量了每个微透镜顶点周围面积为 5m5m 区8域， 图 6 所示的是原子力显微镜图象和所测量的微透镜 Ra 的值。PMMA 微透镜复型具有最低的 Ra 值，为 1.606nm。通过 AFM 的测量表明，注塑成型微透镜阵列的 Ra 值比相对应的模具嵌件要小。 因此，现在还不清楚如何改善可复制微透镜阵列的表面粗糙度，也许可以从冷却过程的回流而造成的表面张力入手，它可能会进一步得出，在实际运用中，微透镜阵列注塑成型的平均表面粗糙度值能与精细的光学元件相媲美。a 镀镍模具嵌件 ; b PS; c PMMA; d PC图 6 直径为 300m 的模具嵌件和注塑模具微透镜的原子力显微镜(AFM)图像和平均表面粗糙度 Ra 值 4.3 焦距焦距可以通过下面这个著名的等式计算得出： 12()nfR式中 f，nl ， R1 和 R2 分别指焦距，透镜材料的折射率，两个主曲率半径。比如，根据等式可以计算得出，直径为 200m 的模具微透镜的焦距大约为 1.065mm(其中R1=0.624mm 和 R2=)，直径 300 的微透镜大约为 1.130mm (其中 R1=0.662mm 和R2=) ，直径 500m 的微透镜大约为 2.580mm(其中 R1=1.512mm 和 R2=)。 (1)这些计算结果是基于假设与模具嵌件具有相同形状的 PC(nl=1.586)可复型的微透镜而得到的，所以由此推导出的几何尺寸可能与实验所测量的焦距相反。95 总结 通过使用改良的 LIGA 技术电镀镍金属模具嵌件，改变各种加工条件进行大量的实验，研究工艺条件对可复型的微透镜的注塑成型过程的影响。结果显示越高的充填压力或越高流速，能得到越好的可复型效果。 相比之下，充填时间对微透镜阵列复型的影响却很小。也许是因为冷却阶段回流的表面张力造成的，注射成型微透镜阵列比模具嵌件有更小的平均表面粗糙度值，PMMA 复型的微透镜阵列具有最好的表面质量(即最低粗糙度值 Ra=1.606 nm)。在实际应用中，注塑成型微透镜阵列的表面粗糙度能与精密的光学元件相媲美。就凭这一点，注塑成型将成为大规模生产微透镜阵列的一个有用方法。1现代模具技术引言随着全球经济的发展，新的技术革命不断取得新的进展和突破，技术的飞跃发展已经成为推动世界经济增长的重要因素。市场经济的不断发展，促使工业产 品越来越向多品种、小批量、高质量、低成本的方向发展，为了保持和加强产品在市场上的竞争力，产品的开发周期、生产周期越来越短，于是对制造各种产品的关键工艺装备模具的要求越来越苛刻。 一方面企业为追求规模效益，使得模具向着高速、精密、长寿命方向发展； 另一方面企业为了满足多品种、小批量、产品更新换代快、赢得市场的需要，要求模具向着制造周期短、成本低的快速经济的方向发展。计算机、激光、电子、新材料、新技术的发展，使得快速经济制
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