【毕业学位论文】光学薄件射出成形之残留应力研究-光电工程

國臺科技大學 機電整合研究所 碩士學位文 光學薄件射出成形之殘應研究 究生：陳文修 指導教授：啓瑞、陳炤彰 中華民國九十七一月 摘 要 文名稱：光學薄件射出成形之殘應研究 頁： 0 頁 校所別：國台科技大學機電整合研究所 畢業時間：九十學第一學期 學位：碩士 研究生：陳文修 指導教授：啓瑞、陳炤彰 關鍵詞：射出成形、殘應、光彈 光電產業的發展使產品設計趨向於輕 、薄與小，塑膠射出產品的運用也就越越多，除考慮光學的性 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 射出成形對塑膠光學元件殘應的影響。研究先用模分析軟體設 定同分析其翹曲，配合田口法找出較佳之成形供實際射出成形 實驗，再經由軟體計算應值代入迴歸分析，發現迴歸方程式得到的預測值也與實驗值非常接近，僅有 差，另外並對射出成品進退火實驗， 發現經由退火處的成品其殘應比起未經退火處的成品減少 13%，最後對同製程之成品做一比對探討其與殘應間的關係，相較於模 具溫與卻時間，由反應曲面圖結果得知當中設定有保壓壓時對殘應有 70%的改善。 I 100 2008 r. . 謝 中文摘要 . i 英文摘要 . 謝 . . 目 . 目 . 號彙編 . x 第一章 導 . 1 言 . 1 究目的 . 6 究方法 . 6 獻回顧 . 11 節介紹 . 11 第二章 光學薄件射出成形殘應 . 12 應簡介 . 12 光學關係和雙折射差值 . 14 測方式 . 16 統光彈法 . 16 應平板在圓偏振儀中的效應 . 16 的條紋值 . 18 火 . 19 火的效果 . 19 火的方法 . 19 第三章 分析模型建構與設定 . 21 腦輔助分析概述 . 21 分析 . 21 型建 . 21 析步驟 . 22 設定 . 23 析結果 . 23 第四章 實驗設計 . 33 子設計實驗法 . 33 口實驗法 . 39 介 . 39 制因子與水準配置 . 39 擇適當之直交表 . 39 算 S/N 比 . 40 應表和回應圖 . 41 分析 . 42 第五章 研究之實驗方法與規劃 . 46 驗程 . 46 具 . 46 驗設備 . 48 15電式射出機 . 48 溫機 . 48 機 . 48 膠材 . 49 偏光儀 . 49 形視窗實驗 . 53 驗設定 . 53 溫與塑融溫 . 54 出速與射出壓 . 54 壓壓與保壓時間 . 54 卻時間 . 55 火實驗規劃 . 56 第章 實驗結果與討 . 57 分析與射出成形短射實驗比對 . 57 彈與退火 . 59 火時間與殘應 . 59 火溫與殘應 . 61 驗據 . 64 第七章 結與建議 . 71 . 71 議 . 71 考文獻 . 72 附 A 射出成形之背景 . 73 B 0. 77 C 15台規格. 78 D 大同 之機械性質 . 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實驗因子與水準(. . 37 表 4直交表 (3) . . 37 表 4變之計算表(. . 37 表 4變與迴歸關係之計算表(. 38 表 4因子與水準表 . . 39 表 434）直交表 . . 40 表 4翹曲與 S/N 比 . . 41 表 4S/N 反應表 . . 42 表 4變分析表 . . 44 表 6短射實驗表. . . 57 表 6光學薄件之殘應測結果(). 67 表 6殘應之變表(. 67 目 圖 傳統射出成形模穴壓圖 . . 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手機前蓋模分析幾何模型 . . 9 圖 2魚骨圖 . . 2殘應厚方向分佈圖 . . . 2雙軸應場中一點的折射橢圓球 . . 2圓偏光場設置示意圖 . . 3析程圖 . . 3成品 2D 網格圖 . . 32D 網格統計 . . 3成品 3D 網格圖 . . 33D 網格統計 . . 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 回應圖 . . 4田口實驗設計法分析程 . . 5驗設計程圖 . . 5模具圖 . . 5成品圖 . . 5 15電式射出機 . . 5模溫機 . . 5烘機 . . 5膠材 . . 50N . . 5應偏光儀（ . 52 圖 5形視窗（ . . 5壓曲線示意圖 . . 5火溫示意圖 . 6模分析結果與短射實驗比較圖 . . 6分子鏈結圖. . . 6改變持溫時間後的退火效果. . . 6持溫時間對應消除的百分比. . 6改變溫的退火效果. . . 6溫對應消除的百分比 . . 6殘應之誤差分佈 . 6殘應誤差之常態分佈圖. . . 6殘應之反應曲面(模具溫與保壓壓) . 69 應之反應曲面(模具溫與卻時間) . 69 圖 6應之反應曲面(保壓壓與卻時間) . 70 號彙編 應光學係（ 平均平方和 f 材條紋值（ h 入射光垂直射入模型的徑長，即模型厚 i 輸入指（ k 輸入次（ of m 實驗指（ or N 條紋階 1n , , 光波主折射 2）輸入矩陣（ ）光程差（ ）或相對滯後（ ）模型向（ ）殘差（ ） of X of of 雜訊比實驗向（ ） 波長 of at 1 ,2 ,3 主應 最大剪應 第一章 導 言 目前國內 3C 及光電產業持續發展，尤其以用 於背光模組的導光板及鏡頭的塑膠光學鏡片的需求是斷成長，間接的帶動少原本生產汽機燈外殼、燈飾或化妝品的一般級光學塑膠件業者也有意升級及轉型至此一高附加價值的密光學產品域，但由於光學產品的模具要求極高，產時除尺寸的重現性之外，及的穩定性也就顯得特別重要。光學產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中，人們只是簡單地考慮如何將模子填滿完成射出的步驟。後，研究發現如果要確地控制射出塑膠的品質如尺寸的確、材的機械性質等，填滿模子的後處過程才是關鍵性的因素，而傳統的射出成形技術很難達成高尺寸確以及低殘應的要求。在填滿後處過程中，只是在熔膠的入口被施加高壓則會從熔膠入口至模子末端產生很大的壓梯，這個壓差在材卻後會引發殘應及翹曲 等問題。射出壓縮成形 術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的封模，而封模的態要一直維持至入口熔膠凝固或入口封閉，然後壓施加於整個模子 內並持續到整個射出成形步驟完成為止。因為有持續的模壓，模子內的壓分布較為平均因而因壓梯產生的殘應可以大幅減小。這種後處過程常用於製造密件如光學鏡片或光1碟等。在其他研究指出填滿後施壓相對於傳統的射出成形技術可得到較好的凹面密合並大幅減少側面收縮的情形，以下則對傳統及射出壓縮成形過程做一明。 塑膠射出成形（ 由射出成形機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，生產高，故成為現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階段：合模、充填、保壓、卻、開模頂出。 (1) 合模過程（ 鎖模系統用開啟關閉模具，支撐與 移動模具元件，需有足夠的以防止模具被射出壓推開。鎖模機構一般 以肘節機構鎖定或油壓機構鎖定。 (2) 填充過程（ 塑膠在管中被加熱融化到一定的溫，藉由桿的推擠經噴嘴、澆道、道、澆口進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，補償塑膠因固化的收縮。 (4) 卻過程（ 之後成品持續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（ 成品經卻固化至足夠強時，模具即開啟並經由頂出機構將成品自模穴頂出，此為整個射出成形的最後階段。 射出壓縮成形（ 在傳統射出成形後充填過2程加一壓縮步驟，再單靠融膠自澆口傳輸壓，而由壓縮機構自模壁全面施壓，以提升密、改善收縮，此一方式改善收縮，又致殘太多分子定向與內應，故可同時兼顧此三方面。 射出壓縮成形主要包含下三階段如圖 1示： (1) 充填階段：與傳統射出成形相同。 (2) 保壓階段：與傳統射出成形相 同，但其結束一般由阻斷（ 構中斷融膠的動，而非傳統式直到澆口凝固為止。 (3) 壓縮卻階段：乃以機械式之加壓機構對 成品作直接全面式之加壓。事實上卻階段即包含壓縮。當壓縮為固定程時，在達到此程後，壓縮即結束只剩卻。 以上三個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：射出壓縮換時間、充填速、壓縮速或壓縮、壓縮厚、壓縮時間、融膠溫、模具溫等，其優點如下： (1) 低射出壓 (2) 低殘應 (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) 增進尺寸 圖 1明射出壓縮藉由後壓縮機構對模穴施壓 ，較傳統射出能有效的控制件的收縮，並可看出射出壓縮較傳統射出，其所需的鎖模較低。 3 圖 1統射出成形模穴壓圖 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出射出成形實驗及光彈法探討各對殘應所造成的影響。 究方法 本研究方法包括軟體模擬分析、田口法 實驗設計及光彈測三部份，茲明如下： (1) 軟體模擬分析：用 析其經過整個射出成形充填（ 、保壓（ 卻（ 程後的翹曲變形並配合各同找出成形視窗以供實際射出成形使用。 (2) 田口法實驗設計：將軟體分析所 得之成形視窗範圍導入實驗設計法以找出一適合製程，再配合實際射 出以找出最佳成形。 (3) 光彈測：透過光彈測探討同的射出對殘應的影響。 獻回顧 1998 ，在相同的實驗下射出 三種同厚的成品，再經由光彈值計算，發現隨著厚的減少，殘應有增加的情形，判斷為因成品較厚時有較長的時間供應的鬆弛。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，熔膠無足夠時間進應鬆弛而使殘應增加；保壓即為充填完成後做些許補壓及補的動作，係將額外的塑推擠進入模穴以補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膠口附近分子定配向的程加大而減緩應的鬆弛使殘應增加；充填時間的低即充填速增加，相對造成凝固層較小及熔膠溫上升使應能6快鬆弛，所以殘應較小。 2001 等人，用 體模擬一薄殼件射出成形並探討同成形對翹曲的影響。其中發現同以保壓壓對翹曲的影響最大，貢獻達 其次分別為模具溫、塑溫、保壓時間，而充填時間與澆口尺寸影響最小，另模具溫與塑溫之間產生的交互作用的貢獻有 是需注意的地方。如圖 1示。 2001 Y. K. S h e n 3 等人使用 進薄件成品的模擬，定義薄件的動比約 150 以上，材為 別以同厚和纖維含進實驗，其中發現模具溫對成形過程影響最大，且進薄件射出時，其模溫、溫和射出壓皆比傳統射出成形要的高。 2002 ，以 成形材，分別研究薄件射出成形在同的製程下對翹曲變形與殘應的影響，並以田口方法進實驗規劃，最後再比對軟體模擬與實作，發現軟體模擬或實作並無太大差，保壓壓為影響翹曲變形最重要之因子；而在殘應上的影響，提高融膠溫和模具溫及減小保壓壓，使能低 成品的殘應。如圖 1示。 2003 ，以 種材在同厚條件下，對相同保壓條件所得之成品作光彈分析，發現厚增加時，收縮增加，殘應則隨保壓壓的提高而增加，研究中亦得知 殘應較 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驗進田口實驗法，得知保壓壓為最重要之實驗，當保壓壓增加，成品的 收縮及翹曲均隨之減少。如圖 1示。 F. 亦以實據指出，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機前蓋模分析幾何模型 5 作者 代 內容 1 1998 在相同的實驗下射出三種同厚的成品，再經由光彈值計算，發現隨著厚的減少，殘應有增加的情形；在相同厚條件下，因模溫及溫低使殘應增加；保壓壓增加使殘應增加；充填時間的低使殘應較小。 2001 用 體模擬一薄殼件射出成形並探討同成形對翹曲的影響。其中發現同以保壓壓對翹曲的影響最大，貢獻達 其次分別為模具溫、塑溫、保壓時間，而充填時間與澆口尺寸影響最小，另模具溫與塑溫之間產生的交互作用的貢獻有 是9需注意的地方。 2001 使用 進薄件成品的模擬，定義薄件的動比約 150 以上，材為 別以同厚和纖維含進實驗，其中發現模具溫對成形過程影響最大，且進薄件射出時，其模溫、溫和射出壓皆比傳統射出成形要的高。 2002 以 成形材，分別研究薄件射出成形在同的製程下對翹曲變形與殘應的影響，並以田口方法進實驗規劃，最後再比對軟體模擬與實作，發現提高融膠溫和模具溫及減小保壓壓，使能低成品的殘應。 2003 以 種材在同厚條件下，對相同保壓條件所得之成品作光彈分析，發現厚增加時，收縮增加，殘應則隨保壓壓的提高而增加，研究中亦得知 殘應較 的許多。 2004 分別以 成形材，模具溫、塑溫、射出速與保壓壓為實驗進田口實驗法，得知保壓壓為最重要之實驗，當保壓壓增加，成品的收縮及翹曲均隨之減少。 10F. 7 2005 以實據指出，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。 節介紹 第一章內容為簡介光學產業目前概況， 並明本文之研究目的及方法，最後則是對殘應、光學塑膠射出件與光彈測的相關文獻回顧。 第二章內容為簡介殘應，並明光 學性質材之雙折射差值與光彈的檢測方式。 第三章內容為模分析模型的建及 設定，並明各與殘應之間的關係。 第四章內容為明田口法並依 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。 第五章內容為明所使用的模具，實驗 與測的設備及明實際實驗的設定。 第章內容為針對模分析與實際射出件的殘應作結果與討。 第七章內容為結與建議。 11 第二章 光學薄件射出成形殘應 本章大致先對射出成形殘應簡介 明，再明材的光學性質及光學元件的雙折射差值，最後則針對光學元件殘應檢測方式的選用做一明。 應簡介 塑膠的殘應是在元件未受外施加 下，經由射出成形並卻到室溫後仍殘於元件內部的機械應。而整個射出成形產生的殘應又分為：殘動應（及殘熱應（ 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及正向應在經過卻之後仍無法完全鬆弛而凍結在成品內的應為殘動應。而殘熱應則是因均勻的溫分佈使成品表層與內部固化的時間同，進而導致收縮均，伴隨高分子熔 膠在經過玻璃轉換溫（ 急速均勻的卻所造成8,9 。因射出成形的內部殘應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好壞，所以如何低殘應實是一重要的關鍵探討 問題，相關影響如圖 2骨圖所示。 薄件之定義乃指其長比（動長與壁厚之比值， L/T）大於 100 以上