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导光板注塑成型技术的研究 中文摘要 导光板注塑成型技术的研究 中文摘要中又摘要 背光源是液晶显示器的主要零件之一，它给液晶显示器提供了稳定的光源。导光 板是背光源的主要部件，其作用就是控制光的散射方向，把冷阴极灯管的线光源转化 为均匀面光源。导光板注塑成型技术是一种通过光学网点转移的方法成型导光板的先 进技术。 本文首先简要介绍了导光板的原理和注塑成型技术，接着通过模流分析软件分析 实验模型的注塑成型条件和注塑成型工艺参数如模具温度、熔体料温、浇口射速、成 品射速、射出压力、冷却时间、保压压力、保压时间、保压切换位置等对导光板品质 的影响，然后采用田口方法设计了注塑成型技术的工艺实验规划，并进行了实际注塑 工艺实验。实验结果表明，较长的冷却时间可以减少导光板的翘曲量；升高塑料熔体 的温度、增加保压压力和保压时间可以提高导光板辉度；升高塑料熔体的温度有利于 导光板均齐度的提高，但过高的熔体温度会使注塑成型的光学网点产生不均匀体积收 缩而使导光板的均齐度降低。最后优化确立了一组在实际生产中得到应用的工艺参 数，采用此工艺生产，实践表明其良品率从原来的7 5 提高到9 0 左右，经济效益显 著。 关键词：导光板注塑成型田口方法工艺优化 作者：史学峰 指导教师：郭培基 s t u d yo fl i g h tg u i d ep l a t em o l d i n g a b s i r a c t s t u d yo fl i g h tg u i d e p l a t em o l d i n g a b s t r a c t b a c kl i g h ti so n eo ft h em a i np a r t so fl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ( l c d ) a n di tp r o v i d e s t a b l el i g h ts o u r c ef o rl c d l i g h tg u i d ep l a t e ( l g p ) i st h em a i np a r to fb a c kl i g h t t h e m a i nf u n c t i o no fl g pi st oc o n t r o lt h es c a t t e r i n gd i r e c t i o n so fi n c i d e n tl i g h tt ot r a n s f e r l i n e a rl i g h ts o u r c et os u r f a c el i g h ts o u r c e ，i n c r e a s el u m i n a n c ea n du n i f o r m i t yi nd i s p l a y s i na d d i t i o n ，l g pm o l d i n gt e c h n o l o g yi sa l lo p t i cd o tt r a n s f e rm e t h o db ym o l d i n g f i r s t l yt h i st h e s i si n t r o d u c e dl g pl i g h tp r i n c i p i u ma n dm o l d i n gt e c h n o l o g y t h e n l g pm o l d i n gc o n d i t i o nw a sa n a l y s e db ym o l df l o ws o f tf o rt h i st e s tm o l d a n dm o l d i n g p a r a m e t e r ss u c ha sc o o l i n gt i m e ，m o l dt e m p e r a t u r e ，b a r r e lt e m p e r a t u r e ，i n j e c t i o nr a t e s ， i n j e c t i o np r e s s u r e ，p a c k i n gp r e s s u r e ，p a c k i n gs w i t c h i n g ，a n dp a c k i n gt i m e w e r ea l s o a n a l y s e db ym o l df l o ws o f t t h o s eg a v eo u te f f e c tr e s u l to nl g pq u a l i t y t h e nt a g u c h i q u a l i t ye n g i n e e r i n gm e t h o dw a sa d o p t e df o rl g pm o l d i n ge x p e r i m e n td e s i g n a n da c t u a l t e s tw a sd o n e t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eq u a l i t i e sa n dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a s a s s e s s e db a s e do nt h ef i n a lq u a l i t i e sv i ab o t he x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o n sa n dq u a l i t y m e a s u r e m e n t s i nc o n c l u s i o n s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a ds h o w nt h a tl o n gc o o l i n gt i m e c o u l dr e d u c et h el g p w a r p a g e h i g l lm e l tr e s i nt e m p e r a t u r ea n dh i g hp a c k i n gp r e s s u r ea n d t i m ew o u l di n c r e a s el g pl u m i n a n c e t h em e l tt e m p e r a t u r ei sm o s tc r i t i c a lt ou n i f o r m i t yo f t r a n s m i t t a n c e ，b u tt o oh i g bm e l tt e m p e r a t u r ew i l lc a u s el i g h td o tu n e v e n n e s ss h r i n k a g e a f t e rm o l d i n ga n dd e c r e a s eu n i f o r m i t yo ft r a n s m i t t a n c e f i n a l l yo n es e tp a r a m e t e rw a s o p t i m i z e df o rm a s sp r o d u c t i o na n dt h i sp r o c e s sc a ni m p r o v em o l d i n gy i e l df r o m7 5 t o 9 0 i n n o r m a lm a s sp r o d u c t i o n a n dt h a tw a sg o o df o rp r o d u c t i o nc o s ts a v i n g k e y w o r d s ：l i g h tg u i d ep l a t ei n j e c t i o nm o l d i n gt a g u c h im e t h o d p r o c e s so p t i m i z a t i o n w r i t t e nb y x u e f e n gs h i s u p e r v i s e db yp e i j ig u o 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 巡牟日期： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名： 导师签名： 日期： 期： 导光板注塑成型技术的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 近年来液晶显示( l c d ) 已取代了阴极射线管显示器( c r t ) ，成为市场的主流， 凡电脑屏幕、液晶电视、工业控制器、3 c 产品等，都大量改用l c d 作为显示工具， l c d 具有低辐射、体积轻薄短小、省电的特性，目前各厂商都在根据市场需求而加大 产量提高良品率、降低成本。l c d 的组成部分主要有液晶面板部分和光源模组部分， 背光模组是液晶显示面板上游关键零组件之一，由于液晶本身不发光，背光模组的主 要功能就是提供液晶面板足够的均匀性好的光源，使液晶显示器能正常显示。背光模 组占液晶显示器材料成本的2 0 ，仅次于彩色滤光片。而在整个背光模组中最关键的 零件就是导光板，其功能为导引光线行进的方向，将线光源或点光源变成均匀的面光 源。 目前导光板的设计和量产主要以日本、韩国、台湾地区的企业为主。导光板是一 个l c d 产业中的重要零件，所有的发展历史和技术更新也都是为了符合下游产品的需 要，至今已发展出数种制程不同的导光板。日本曾经将导光板分为第一代平板直下式， 第二代平板侧光印刷式，第三代侧光射出印刷式，第四代侧光射出非印刷式，另外还 有第五代的据称要将扩散片和棱镜片等三合一的新式导光板。无论是那一代截至目前 为止除第五代还未正式问世外，其余都还在业界量产中，所以没有最好的导光板只能 称最适合用的导光板。 国外研究的发展主要是基于注塑成型技术的进一步背光源成本降低化。为了省掉 背光源里的光学增亮膜，v - c u t 注塑成型导光板已经被一些企业用于小型导光板的量 产；l e d 和导光板的一体化成型技术也正处于研发阶段；快速模具成型技术也正处于 试产阶段。无论哪种注塑成型，进一步优化成型工艺，提高产量和质量是永恒的追求。 国内也有一些中资企业从事l c d 导光板的开发和生产，但主要从事小型手机模块 导光板的生产。国内另有少数含有中方出资成分的合资企业从事中型和大型导光板模 块导光板的开发和生产。注塑成型是他们量产导光板的主要方式，目前较低的生产良 品率和效率是导光板生产中需要改善的主题。 l 导光板注塑成型技术的研究 第1 章绪论 导光板的设计和制造与背光模组的辉度关系较大，导光板的形状、材料和导光板 上光学网点的形状、大小、分布密度决定了光射出面的辉度及分布的均匀性，这对液 晶显示器的整体品质有极大的影响，是背光模组主要的关键技术。导光板的合理设计 和制造可以使背光模组的辉度增加、光学分布更均匀、光的利用率更高、背光模组体 积更小。导光板表面不可有任何微小的瑕疵或异物，否则l c d 会出现类似液晶缺陷的 不良现象，因此背光模组的作业环境的洁净度需要严格管控，一般为1 0 0 0 等级洁净 度的无尘室，凡是会造成粉尘的物品都不能进入作业区，人员的走动也需要严格的管 理。 目前导光板的生产模式大体分为三种：第一种是直接以板材切割成为所要的尺 寸，再经过切割边的整平抛光过程成为粗胚，再以油墨印刷方式产生网点；第二种生 产方式是以注塑成型方式生产导光板白板，去除浇口且整平抛光后，再以油墨印刷方 式产生网点；第三种是同样以注塑成型方式生产，但导光板底部光学网点直接与导光 板板体一同在模具内成型，其中以第三种最为先进，因为直接成型除了去除浇口、整 平、抛光外不需再经过任何加工。导光板主要利用光学的全反射作用，其射出后表面 平面度、收缩、缩孔、透明度、成品内应力等特性非常重要，直接影响导光板光场强 度分布的品质与均匀性，是导光板成型时特别受重视的问题，业界无不希望能以最快、 最经济、最易维持高良品率的方式进行生产。直接注塑成型导光板与光学网点是最适 合量产的生产方式，因此注塑成型制程过程的工艺参数和条件的调整就相当重要，关 系到网点的转写精度品质的问题。 目前导光板大多是利用塑料射出成型的方式来制作，当背光源技术的趋势逐渐朝 向薄型化的时候，相对的导光板生产技术也随之困难，因为当背光源体积缩小，在显 示产品有机会更轻薄的机会下，导光板自然也要跟着变薄。现在一般的导光板厚度大 约为1 o m m 左右，但是，随着市场趋势与技术的要求下，导光板的厚度已经逐渐薄化， 达到0 8 m m 。由于厚度变薄，在导光板成型方面将会出现一些问题。如果期望利用传 统的射出成型技术完成薄型导光板，那么在设备上就必须改用高射速的射出成型机才 行，但却面临平整性和量产化的问题。所以，对于导光板生产商而言，需要不断的追 求新技术来生产低成本的薄型导光板。 2 导光板注塑成型技术的研究 第1 章绪论 1 2 研究目的 背光模组中导光板的作用在于引导光的散射方向，提高液晶面板的辉度，并且确 保液晶显示器亮度的均匀性，因此导光板的设计与制造直接关系背光模组光学设计与 辉度、均匀度的控制，此为背光模组最主要的关键技术与生产成本所在。对于背光模 组制造商而言，降低成本的方法就是将背光模组构造简化，省去一些部件，对于导光 板的成本压缩采用导光板板体和光学网点或微结构一体化导光板的设计是一条有效 途径，利用蚀刻、电铮、槽切、v 切来制作精密模具，在注塑成型时，再将模具上的 微特征刻痕转写到导光板上，故而尺寸精度、转写性及光学性质的好坏，将直接影响 此制程的成败。 导光板的品质要求主要在尺寸、外观、光学特性三个方面有高精度的要求。目前 业界大多采用注塑成型来制造，但是对于较大尺寸的导光板，在尺寸、外观、光学特 性还无法达到满意的品质。一般在注塑成型过程中所产生的残留应力是成型品缺陷的 主要原因，除了充填时因流动产生的流动应力外，冷却时温度不均等也会形成热残留 应力，另外除了塑料本身的收缩会影响成品的尺寸精度外，保压压力和收缩应力则使 得残留应力分布不均，造成成型品的变形。注塑成型中影响导光板产品品质的参数比 较多，如冷却时间、模具温度、熔体料度、射出速度、射出压力、保压压力、保压切 换位置以及保压时间等等，各参数之影响程度均不相同。在使用即有的模具条件下， 若能找出制程参数与成型品质的关系，则可减少成型品缺陷的产生，提高成型品品质。 本研究主要目的是优化工艺参数，提高生产良品率，首先通过模流分析软件模拟 实验模的注塑成型状况，探讨注塑成型条件如冷却时间、模具温度、熔体料温、浇口 射速、成品射速、保压压力、保压时间和保压切换等对导光板成型品质的影响。接着 用田口方法对关键工艺参数设计实验方案，并进行注塑实验和成型品质的测量。得出 影响导光板注塑成型的关键工艺参数，最后以田口方法评估出注塑成型参数和导光板 成型品质的关系，得出优化的注塑成型参数表。该优化的注塑成型参数表将应用于导 光板注塑成型量产的实际工艺，并能有效的提高产能和良品率。 导光板注塑成型技术的研究第2 章导光板厦4 2 1 导光板的介绍 偏光片 玻璃基板 彩色沾光片 第2 章导光板原理 配目履r ，i ”晶要杠 j j 8 一 配匀匿 蕞螽罩掘f = _ e r = r 冒_ = r = ：_ 。：广1 偏l 季e 墨譬翟墨盔盘重蟊葛盔譬墨篁譬盛盘裔墨g 圈 光皇要-墨妻苎妻叁苎苎叁竺! ! 苎妻苎皇叁苎竺! ! 苎苎苎 。首士墨哇 r = 雕博丫一一一、一一一 | 毒 ；广警 导兀桩 ，月一雁片 图2 ，1 液晶显示嚣简图 如图21 所示，液晶显示器主要有两部分组成液晶面板和背光模组。目前液晶 显示技术主要有t n l c d ( 扭曲向列) 、s t n l c d ( 超扭曲向列) 、t f t l c d ( 薄膜晶体 管阵列驱动) 三种。尺寸较大的s t n l c d 有对比度的问题，所以它的尺寸受到限制， t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 型的液晶显示器比较复杂，主要由冷阴极灯管、导光 板、光学增亮膜片、偏光片、彩色滤光片、玻璃基板、配向膜、液晶、薄膜式电晶体 等构成，t f t l c d 是目前最好的液晶彩色显示技术，它具有图像反应速度快、屏幕视 角大、色彩丰富、对比度高、亮度高、解析度高等特点，是目前电脑液晶显示器的主 流设备。 液晶本身不会发光，所以液晶显示器必须利用背光源作为光源获得亮度。在背光 源中，冷阴极灯管发出的光线，会透过导光板将光均匀的散布开来，然后经过下偏光 板和液晶，这时液晶分子的排列方式就会改变穿透液晶的光线角度，晟后这些光线经 过彩色滤光片和上偏光片射出整个液晶显示器。只要改变液晶分子两侧上下基板的电 压值，就可以控制最后射出液晶显示器的光线色彩和光线强度，这样就能在液晶显示 器的屏幕上得到不同颜色组合的图像。要得到高品质的画面，背光源射出的光线均匀 导光板注塑成型技术的研究第2 章导光板原理 性很重要，导光板就是达到这一目的的关键性光学部件，它能将光线导向设计者所需 要的方向，最重要的是要达到要求的辉度和均匀度。 因形状、制作方式和功能的差异，一般导光板有如下分类： 1 、按照形状分为：平板和楔形板( 斜板) 平板：导光板从入光处来看为长方形。 楔形板：从入光处来看为一边为厚一边为薄成楔形( 三角形) 状。 2 、按照网点制作方式：印刷式和非印刷式 印刷式：导光板完成外形加工后，以印刷方式将网点印在反射面，又分为i r 和 u v 两种。 非印刷式：将网点在导光板成形时直接成形在反射面。又分为化学蚀刻 ( e t c h i n g ) 、精密机械刻画法( v c u t ) 、光微影( s t a m p e r ) 、内部扩散。 3 、按照入光方式：侧入光( 灯管和l e d ) 和直下式。 侧入光式：将发光体( 灯管或l e d ) 放置于导光板之侧部。 直下式：将发光体( 灯管或l e d ) 放置于导光板之下方。 4 、按照成形制作方式：注塑成型和裁切成型。 注塑成型：应用注塑机将光学级p m m a 颗粒运用高温、高压射入模具内冷却成型 裁切成形：将光学级p m m a 原板经过裁切完成成品。 2 2 导光板的原理 导光板是利用透明塑料成型制成表面光滑的平板或斜板，通过由导光板上部或底 部的特殊光学设计的许多圆形或方形的扩散网点，当光线射到扩散点时，利用各种疏 密、大小不同的扩散点，光由侧面入射后直接或经底下的反射膜片使反射光会向各个 方向扩散，然后破坏全反射条件与光的干涉现象由导光板正面射出来达到辉度均匀分 布的效果，最后透过液晶显示器的液晶基板而射出。 在背光源组件中，导光板是一项关键光学元件，它的主要作用是将线光源转变为 面光源，它的技术原理来源于光学全反射的“光管效应 原理。折射率大于1 的任何 透明塑料，都会出现一种光线的全部内反射现象，这种现象是当光线从塑料内部( 光 导光板注塑成型技术的研究 第2 章导光板原理 密介质) 向空气或真空中( 光疏物质) 折射时，当入射角大于某一角度时，光线不能 折射入空气中而全部发生向内反射的现象，称为全反射，产生全反射的入射角称为临 界角。其原理如图2 2 所示。 z 图2 2 光线全反射原理 根据光的折射定律及公式s i n i s i n i ，= ，i 。n ，在此公式中，当折射角j 。= 9 0 。，此 对应的入射角j 。就是产生全反射的临界角，空气折射率n l = 1 ，导光板光学塑料聚甲 基丙烯酸甲酯( p m m a ) 折射率n = 1 4 9 1 ，。= s i n 0 6 7 0 7 = 4 1 8 。，也就是说导光 板内部的入射光线大于4 1 8 。的临界角时，都会发生全反射现象，这就是导光板光 管效应的基础。 全反射优于一切镜面反射，因为镜面的金属镀层对光有吸收作用，而全反射的理 论可使入射光的全部能量反射回原介质，所以对于p m m a 材料的导光板，光线可以沿 着板材曲率半径大于板材厚度3 0 4 倍的弯曲而不向外折射，它的透光率高达9 2 ， 雾度很小，其在可见光范围内具有很小的吸收性，光可以沿着板材传递很长距离而强 度减少很少。导光板正是利用这一原理，反其道而用之，设计破坏发生全反射的光学 结构，它是以光学结构的设计形态及其网点( 或微沟槽) 的分布方式，干扰光的部分 全反射光路，将冷阴极灯管线光源或l e d 点光源从导光板侧端导入并均匀地分布在导 光板平面上，使光线向正视平面反射出来，形成面向射出的光源。导光板的工作原理 如图2 3 和图2 4 所示，导光板的折射率大于外界空气的折射率，光线大于临界角入 射时在导光板内部以全反射的方式传播，同时光源出射的光线也有些直接照射到导 导光板注塑成型技术的研究 第2 章导光板原理 光板底部，但距离光源较远的导光板底部几乎接受不到光源的直接照射，所以导光板 内部的光线传播主要来自于光的全反射；为了达到照明目的，在平滑的导光板上作些 变化，破坏全反射让光从导光板正面出射，常见的破坏方式是在导光板的底部设计光 学网点，当全反射的光传播到网点上时就会发生散射，散射的光大部分会射出导光板 的外部成为被显示器所利用的有效光。 飞 上 、_ i _ 一r 图2 3 光线进入导光板示意图 留留留留留留 姒也如姒也如 图2 4 光线在背光源中散射示意图 在图2 5 中，可以计算出光源光束满足发生全反射的最大入射角i 。： 图2 5 光线满足全反射临界角示意图 导光板注塑成型技术的研究第2 章导光板原理 由全反射临界角的定义有，n s i n ( 9 0 。一a o ) = ，1 1s i n 9 0 。 ，l l 2 r l c o s ( z o 根据折射定律，n ls i n i 。= n s i n a o = n ( 1 - - c o s 2 ( t o ) 2 于是，啊s i n i 。= ( n 2 一n 1 2 ) 1 7 2 f m = a r c s i n ( 1 n l ( ，t 2 一n 1 2 ) 1 7 2 ) n 。s i n i 。称为导光板的数值孔径，由全( 内) 反射可以保证光线连续不断地全( 内) 反射从导光板的入光面传到与其相对的另一端；入射角大于此f 。的光线将透过导光板 而射出，不能继续在导光板内部传播。 导光板底部有大小不一的用于光学扩散自乞网点，并以不同密度分布在底面。网点 之所以能将光线导出是利用光的散射原理，将乓入射光线散射后，而穿透出导光板表 面，如图2 6 所示。 图2 6 光学网点对光的散射 在图2 6 中，粗实线箭头为入射光线，当此光线射到光学网点时，将会一条光线 散射为多条光线，如图2 6 中细箭头所示。这些被散射的光线，当其入射角小于全反 射临界角时，光线就透出导光板，而散射光的入射角度大于全反射临界角时，光线就 继续在导光板内部继续反射，直至遇到下一个扩散点，该散射过程将在导光板内部重 复。 光线在导光板内部传播时，在光源附近可用的光能量最高并且随着远离光源而逐 渐减弱。由于靠近灯管附近的光强较强，所以在靠近光源底面导光板的光学网点密度 较低，而且网点较小，远离灯管的导光板的光学网点的密度较高，而且网点较大。这 种分布的主要目的是将光源强度较强部分散射较少光线，而光源强度较弱部分散射较 量鲞堡鎏望些型堇查盟婴窒 苎! 童量堂堡堕翌 -_-_-_-_-。-l_-_-_-_-_-。_-_-_-_-i-_-_-_-_-_。-_-。一 多的光线来达到亮度均匀的目的。如图2 7 所示，为了达到均匀出光的效果，随着距 离的增加，将光导引出来的效率要逐渐提高。 oo oo 0 0 0 0000 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 09 99 qq oo o0 l 。oo0o o0ooo 0 0 0 o o o o 0 o 0 0 o 0 0 0o i q 旦 oo i oqo 贰o00 00 00 00 0 0 0 0 0q 乃00 0 输入能量 石oo0 厶q0 00 0 0 0 0 0 0 00 9 勺00 0 0 0 o o o 00 姐o000 00 0 0q 乃00 0 0 0 0 0 oo l ooo0 0o o0 00 00 o 0 00 00 0 0 0 o o o o o o oo oo oo o oq qqq 殳qq o o o o o o ooo o o o o o o o o o o 0 。l l l l 。_ - _ l _ 。_ 一_ ， oo o o o o o o o o o o o 0 o 0 o 0 o 射 o oo oo 09 勿奄00 000 900 00 0 0 0 o0 o9 句巧0 00 00 00 0 0 0o q0 0 0 0 o o6oooo oo oo oo o 0 o o o oo o0 0 0 o o o o o o o 0 ooo o o o 0 o o o o 0 0 o o o 0 o o o o o o o oo oo o ooo o oo o o o o o ooo o o o o o o o oo oo o o o o o o o o o o o o o o d o o o o o o o o o o o o o o o 图2 7 导光板内部不同位置导引光效的要求 9 均匀输出 导光板注塑成型技术的研究 第3 章注塑成型技术基础 3 1 概述 第3 章注塑成型技术基础 注塑成型是将高分子材料( 塑料) 加热到所需的适当熔融状态，通过注塑成型机 的螺杆快速挤压塑料熔体并充填入模具型腔，再通过冷却和顶出脱模得到塑件，其过 程经由充填、保压、冷却、脱模等成为一个成型周期，各过程介绍如下： 3 1 1 充填过程 当塑料被加热达到所需的温度时，通过螺杆将其往前推挤，塑料熔体经过注塑机 喷嘴、模具浇口、模具流道等，最后进入模腔，此过程即是充填过程。 在充填过程中，主要控制的参数有充填时间、充填压力、熔体温度、充填速度等， 而直接对成型品品质有最大影响的仍是因为熔胶本身与模壁间发生剪切摩擦和热传 递效应所产生的，结果是塑料的均匀度、热应力与剪切应力分布、短射现象等因此产 生。 3 1 2 保压过程 在熔体充填且尚未凝固前，熔体充填量达到模腔体积9 8 时，停止充填并保持一 定的压力作用于模腔熔体，持续给予补充余料及因塑胶固化所需的收缩量，这就是保 压过程。 在保压阶段，主要的过程是由射出速度控制单元转换为射出压力控制单元，且经 由适当的保压时间和保压压力的设定，将有助于尺寸、收缩量、翘曲量的控制，对成 型品外形的控制相当重要。一般来说，低的保压压力可以降低注塑机的工作负荷，但 可能会因保压压力不足造成成品表面缺陷；反之，如果保压压力过大，会增加注塑机 的工作负荷，可能会造成锁模负担因而产生毛边，也可能会造成产品内应力较大而使 产品产生翘曲，影响成型品的品质。 3 1 3 冷却过程 塑料在保压成型之后，为了减少成型品模内与外界的温度差，造成脱模之后收缩 变形，因此在保压之后，需要持续一段时间使其冷却并固化，此过程即是冷却过程。 l n 导光板洼塑成型技术的研究第3 章注塑成型拄木基础 在注塑成型的成型周期中，冷却时间所占的比例最高，所以成型周期缩短的虽有 效的阶段决定于冷却阶段，而冷却时间的缩短受熔体温度和模具温度的影响。在成型 过程中，可通过适当冷却使熔体因热传导效应所致的密度变化得到稳定，并且适当的 冷却时间可获得较好的成型品质。 3 2 注塑成型机 典型的注塑成型机如图31 所示，主要包括了射出系统( i n j e c t i o ns y s t e m ) 、模 具系统( m o l ds y s t e m ) 、油压系统( h y d r a u l i cs y s z e m ) 、控制系统( c o m t r o ls y s t e m ) 、 和锁模系统( c l a a p i n gs y s t e m ) 等五个单元。 图31 注塑成型机 32 1 射出系统 射出系统包括了料斗( h o o p e r ) 、回转螺杆与料筒( b a r r e l ) 组合，和喷嘴( n o z z l e ) 如图3 2 。射出系统的功能是存放及输送塑料，使塑料经历进料、压缩、排气、熔化 射出及保压阶段。 导光扳注塑成型技术的研究第3 章注塑威型技术摹础 图32 螵杆、料筒、加热器、固定模板、移动模板 ( 1 ) 料斗 热塑性塑料通常以小颗粒供应成型厂。注塑机的料斗可以存放塑料胶颗粒，通过 重力作用使塑料颗粒经过料斗颈部，进入料筒与螺杆组合体内。 ( 2 ) 料筒 注塑机的料筒可以容纳回转式螺杆，并且使用电加热器( e l e c t r i ch e a t e rb a n d s ) 加热塑料。 ( 3 ) 回转式螺杆 回转式螺杆可以压缩塑料、熔化塑料及输送塑料，螺杆上包括了进料区( f e e d i n g z o n e ) 、压缩区( c o m p r e s s i o nz o n e ，或转移区t r a n s i t i o nz o n e ) 、和计量区( m e t e r i n g z o n e ) 三个区段，如图33 所示。 图33 回转式螺杆的进料区、压缩区、计量区 螺杆的外径为固定值，螺杆的沟槽深度( t h ed e p t ho ff l i g h t ) 从进料区到计量 区起点逐渐递减，沟槽深度的变化使塑料相对于料筒内径产生压缩，同时造成剪切热。 导光板注塑成型技术的研究第3 章注塑成型技术基础 料筒外的加热片则帮助塑料维持于熔融状态一般的注塑机有三组或更多组加热片， 以便设定为不同的温度区段。 ( 4 ) 喷嘴 喷嘴连接料筒和竖浇道衬套( s p r u eb u s h i n g ) 。当料筒移到最前端的成型位置， 其喷嘴外径必须包覆在竖浇道定位环内，构成密封。喷嘴的温度应该设定在材料供货 商建议之塑料熔化温度，或是略低于温度。如此，清理料筒时，只要将料筒后退远离 竖浇道，清除的塑料可以从喷嘴自由落下，参阅图34 。 ，l 图34 ( a ) 在成形位置的喷嘴与料筒 【= ( b ) 在清料位置的喷嘴与料筒 3 23 模具系统 模具系统包括了y f f ( t i eb a r s ) 、固定模板( s t a t i o n a r yp l a t e n ) 、移动模板( r a o v a b l e p l a t e n ) 、和模穴、竖浇道、流道系统、顶出销和冷却管路的模板( m o l d i n gp l a t e s ) ，如 图3 5 所示。基本上，模具是一座热交换器，使热塑性塑料的熔胶在模穴内凝固成需 要的形状及尺寸。 图3 5 典型的三板模模具系统 画 导光板注塑成型技术的研究第3 章注塑成型技术基础 模具系统将熔融塑料在模穴内定形，并于冷却后将塑件顶出。注塑成型的模具系 统是安装模板与成型模板的组合，通常以工具钢加工制成。固定安装板连接到注塑机 科筒一侧，并经由导杆与移动模板相接。母模板通常锁在固定模板上，并且连接到喷 嘴；公模板锁在移动安装板上，沿着导杆的导引而移动。有些应用会相反地将母模板 锁在移动模板上，将公模板和液压顶出机构安装固定模板上。 ( 1 ) 两扳模 大多数模具是由两片模板组成，如图3 6 ，此类模具常使用在塑件浇口正好设在 塑件边缘或者接近塑件边缘的设计，其流道帅拙神也设计在母模板上。 ( 2 ) 三板模 三板模通常应用于浇口远离塑件边缘的设计，其流道是设计在分隔公模与母模的 脱料板( s t r i p p e r p l a t e ) ) 上，如图3 6 所示。 图3 6 两板模与三板模 ( 3 ) 冷却管路( 回路) 冷却管路( c o o l i n gc h a n n e l s ) 是模具本体的通道，冷媒( 一般是水、蒸汽或油) 经 由冷却管路循环以调节模壁温度。冷却管路也可以搭配其它的温度控制装置一起使 用，例如障板管( b a f f l e r s ) 、扰流板( b u b b l e r s ) 或热管( t h e r m a l p i n s o rh e a tp i p e s ) 等。 324 油压系统 注塑机的油压系统提供开启与关闭模具的动力，蓄积并维持锁模力吨数，旋转与 推进螺杆，致动顶出销，以及移动公模侧。油压系统的组件包括油压泵、阀、油压马 达、油压管件、油压接头及油压槽等。 。目竺崮 导光板注塑成型技木的研究第3 章注塑成型技术基 325 控制系统 控制系统提供注塑机一致性的重复操作，并且监控温度、压力、射出速度、螺杆 速度与位置、及油压位置等靠8 程参数。制程控制直接影响到塑件品质和制程的经济效 益。控制系统包括简单的开关继电器控制到复杂的微处理器闭回路控制器。 326 锁模系统 锁模系统用来开启关闭模具，支撑与移动模具组件，产生足够的力量以防止模 具被射出压力推开。锁模机构可以是肘节机构锁定、油压机构锁定、或是上述的两个 基本型态的组合。 3 3 注塑成型塑件 典型的注塑成型塑件包括料头和成型品，如图3 7 所示。料头是提供让熔胶从注 塑机赜嘴流到模穴的通道，它通常包括：竖浇道( s p r u e ) 、冷料井( c o l ds l u gw e l l ) 、主流 道、分枝流道、浇r l ( g a t e s ) 。 图37 注塑成型品包括料头和成型品 料头设计对于充填模式与塑件品质都有很重要的影响。因此应该设计料头系统， 以维持所需充填模式，将熔胶输送到模穴。在完成注塑成型之后，冷流道料头将会被 切除成为回收废料，所以应该设计料头系统，以产生最少的废料。 热流道( h o t n a n n e r 或无流道r u n n e r l e s s ) 成型制程维持流道于高温，使其内之熔 胶维持在熔融状态。因为热流道中的熔体并不与塑件一起脱模，不致于造成废料，井 导光板注塑成型挫术的研究第3 章注塑成型技术基m 且节省塑件二次切除加工的制程 3 4 注塑机操作顺序 塑料注塑成型加工是一种适合高速量产精密组件的加工方法，它将粒状塑料于料 筒内融化、混合、移动( m e l t ，m i x ，m o v e ) ，再于模穴内流动、充填、凝固( f l o w 。f o r m ， f r e e z e ) 。其动作可以区分为塑料的塑化、充填、保压、冷却、顶出等阶段的循环制程， 包括的基本操作动作如下列： 关闭模具，以便螺杆开始向前推进，如图38 ( a ) 。 推进回转式螺杆以充填模穴，如图38 ( b ) 。 螺杆继续推进，以进行模穴保压，如图38 ( c 1 。 当模穴冷却，浇口凝固，螺杆开始后退，并塑化材料准备下一次射出如图38 ( d ) 。 开启模具，项出塑件，如图3 8 ( e 】。 开闭模具，以开始下一个循环，如图38 ( o 。 塑料在料筒被螺杆挤压产生大量摩擦热，熔胶堆积于料筒前端，并且使用加热器 维持熔体温度。在充填阶段开始，注塑机打开喷嘴，螺杆前进将熔胶经喷嘴注入关闭 的模穴，以完成充填。当熔胶进入模穴，受压气体从顶出销、分模线和气孔逸出。良 好的充填决定于塑料组件设计、浇口位置和良好的排气。假如塑料的流动性不佳，或 者射出压力不足就可能造成短射现象；相反地，假如塑料的流动性太好，容易在塑件 的分模面造成毛边。熔胶完全填满模穴后，继续施压以注入更多熔胶，补偿园冷却而 造成之塑料体积收缩，并确保模穴完全填满。 充填与保压阶段结束，熔胶在模具里完全凝固后，再打开模穴取出塑件。冷却时 间在整个成形周期占非常高的比例大约8 0 ，成型品的冷却时间依照塑料性质、成 型品的形状、大小、尺寸、精度而有不同。当移动模板后退，使顶出销顶到后扳( r e a r p l a t e ) 而停止运动，将成型品和料头顶出。 + 椎蠹 导光扳注塑成型技术的研究第3 章注塑成型技术基础 ( o 图3 8 注塑机操作程序：( a ) 关闭模具；( b ) 充填模穴：( 0 保压 ( d ) 螺杆后退：( 0 顶出塑件：( o 开始下一个循环 为了进一步说明制程循环中的注塑机动作，图3 9 画出不同阶段的油压缸压力 模穴压力、公母模分隔距离与螺杆位置的示意图，其中编号表示： 导光板注塑成型技术的研究第3 章挂塑成型技术基础 z a1乏。12 c 。 绺 h y d r o u l ic 。_ ( c y i r j d e t ) pr e 3 u fe c a v i t y p r e e 、一兰j 一弋 、i 图3 9 典型的注塑机的动作循环和各动作所占的时间比例 1 一充填( 射出阶段) 2 一保压与冷却 3 一开启模具 4 一顶出塑件 5 一关闭锁具 注塑成型的周期时间根据制程的塑件重量、厚度、塑料性质、机器设定参数而改 变。典型的周期时间可能从数秒钟到数十秒。 3 5 螺杆操作 根据需求，回转式螺杆可以设定转速以塑化塑料颗粒，并且将熔胶以设定的螺杆 速度、射出量与射出压力压挤进入模穴。回转式螺杆射出机的注塑成型的主要控制参 数如下列： ( 1 ) 背压 背压( b a c kp r e s s u r e ) 是螺, 杆往后推以准备下一次射出塑料时，作用于螺杆前端的 塑料的压力值。当注塑机准备要射出时，螺杆将前端的塑料推入模穴，射出的塑料在 模具内冷却后，注塑机再进入螺杆倒退阶段，重新开始一个循环。通常，注塑机可以 调节背压的最大值，当螺杆移呲预设背压位置，就结束螺杆倒退阶段。此预设的螺 杆停止位置是根据充填流道和模穴所需的塑料量，以手动方式设定的。 ( 2 ) 射出速度( 或射出时间) 射出速度( i n j e c l i o ns p e e d 或螺杆速度r a m 印d ) 是指射出操作中，螺杆的前进 导光板注塑成型技术的研究第3 章注塑成型技术基础 速度。对于大部份的工程塑料，应该在塑件设计的技术条件和制程允许的经济条件下， 设定为最快的射出速度。然而，在射出的起始阶段，仍应采用较低的射速以避免喷射 流( j e t t i n g ) 或扰流。接近射出完成时，也应该降低射速以避免造成塑件溢料，同时可 以帮助形成均质的缝合线。 射出时间是将熔胶充填进模穴所需的时间，受到射出速度控制。虽然最佳的充填 速度取决于塑件的几何形状、浇口尺寸和熔胶温度，但大多数情况会将熔胶尽快射入 模穴。因为模具温度通常低于树脂的凝固点( f r e e z i n gp o i n t ) ，所以太长的射出时间会 提高导致塑料太早凝固的可能性。 厚度较薄的塑件使用高射出速度以防止充保模穴前发生凝固。有时候，粗厚塑件 或小浇口会降低充填速度，此时必须保持熔胶连续地流过浇口以防止浇口凝固，进而 充饱模穴。 ( 3 ) 螺杆旋转速度 螺杆旋转速度是塑化螺杆的转速。转速越快，塑料螺杆沟槽压缩得越激烈，产生 更大量的剪切热。 ( 4 ) 缓冲量 缓冲量( c u s h i o n ) 是螺杆的最大允许前进位置与最末端的前进位置之间的差值。假 如允许螺杆行程设为最大值，缓冲量为零，螺杆将前进至碰到喷嘴后才停止。通常， 缓冲量设定为3 。6i n l t l 。 ( 5 ) 熔体温度 熔体温度应依照( a ) 树脂种类、( b ) 注塑机特性、( c ) 射出量，相互配合。最初设定 的熔胶温度应参考树脂供货商的推荐数据。通常选择高于软化温度、低于树脂之熔点 做为熔胶温度，以免过热而裂解。以n y l o n 为例，在射出区( f e e dz o n e ) 的温度通常比 料筒的温度高，此增加的热量可以降低熔胶射出压力而不致于使熔胶过热。因为n y l o n 熔胶的黏滞性相当低，可以很容易地充填模穴而不必倚赖提升温度造成的致稀性。 ( 6 ) 模具温度 模具温度的限制在于避免塑料在模穴内的剖面冻结( f r e e z i n g ) 及塑料的冷却性 质( 例如c r y s t a l l i z a t i o n 等) 。所以，模具温度应该是在熔胶的流动性与模具温度之间作 折衷选择。假如可能的话，应该让临界之凝固位n ( t h ec r i t i c a lf r e e z i n gl o c a t i o n ) 发生在 导光板注塑成型技术的研究第3 章注塑成型技术基础 浇口处。调节浇口尺寸能够获得在可能的最低模具温度下的最佳流动性。 较低的模具温度可以加速成形周期，故应尽量使用可接受的最低模具温度。有些 注塑成型需要冷却或冷凝，有些则需要加热模具以控制结晶度( c r y s t a l l i z a t i o n ) 和热应 力。模具温度可以使用冷却剂调节。模具温度和冷却剂温度都应监控。模具固定侧和 移动侧使用不同模温的目的之是要控制成品附着在模仁，方便顶出。 影响熔胶温度和模具温度的一些因素包括： 射出量( s h o ts i z e ) 一较大的射出量需要较高的模具温度。 射出速率( i n j e c t i o nr a t e ) 一高射出速度会造成致稀性的高温。 流道尺寸( s i z eo fr u n n e r ) 一长的流道需要较高温度。 塑件壁厚( p a r tt h i c k n e s s ) - - 粗厚件需要较长冷却时间，通常使用较低模温。