塑料材質的厚壁光學元件注塑，不僅僅需要面對技術方面的挑戰。直到現在，這類精密元件仍沒有經濟的生產方法。新型多層結構的厚壁透鏡生產工藝不失為一個全新的選擇，采用該工藝，可顯著縮短生產周期時間，并提高生產加工的經濟效益。

　　照明技術領域在過去的幾年間發生了顯著的變化，推動了塑料光學元件在該領域的使用。傳統燈泡如今已被節能光源如LED（發光二極管）所取代。塑料光學元件因其光源溫度較低，且生產加工可改良，已經越來越廣泛的投入應用領域。

　　由于光學設計所限，塑料元件往往壁厚10到30mm，因此，若要滿足高精確度的要求，元件只可采用注塑生產，且生產周期較長。由于復雜精密光學元件功能的設計與整合，元件整體往往會存在較大的壁厚差。較厚的注塑區域，凝固速度會明顯慢于較薄區域。過早凝固會影響熔體的壓力轉移，從而影響注塑生產的精確性。

　　另一個問題是厚壁透鏡冷卻時間往往比較長，通常需要5到20分鐘，造成生產效率低下。同時，相對長的停留時間增加了材料分解的風險。單層注塑成型加工無法實現高效高精密度的生產。因此，厚壁透鏡采用多層注塑成型工藝生產，由于減少了單層的收縮量，該工藝提高了成型精準度，繼而提升了這類透鏡元件生產的經濟效率。

　　多層注塑成型原理

　　多層注塑中通常采用同樣的材質用于生產預成型和后成型層。多層光學元件是逐層注塑成型的。單層厚度比元件的最終厚度會小很多，相比同樣厚度的單層注塑成型元件，多層注塑成品的總生產周期更短。這一現象可表述為壁厚d的平方對塑料元件冷卻時間tk的影響，二者關系可用如下公式計算得出：

　　其中，TW表示注塑模具平均壁溫，TM表示熔體溫度，TD表示平均脫模溫度，aeff表示塑料的有效熱擴散率。

　　隔離的預制層可減少第二層和后續注塑層的熱損耗，這點在多層元件設計中必須加以考慮，同時，為了實現最低可能冷卻時間而對層厚分布進行最優設計時，也應考慮這點。由此會產生的厚度分布，往往是第一層厚度最大，隨后每層都逐層減少。

　　如果不考慮層厚分布因素，多層塑料元件可設計出多種不同的生產策略。單層的數量和順序對冷卻時間會產生決定性的影響（見圖1）。雙層元件最簡單的設計類似于眾所周知的多組分注塑成型。當預制件被傳送至另一個模具腔后，或者當模芯退回后，第二層被包覆成型。這一生產設計的缺陷在于預成型和后成型的這兩層需要具有光學功能表面，對注塑成型的要求較高，因而整個生產周期會相對較長。

　　三層透鏡從一側注塑成型時會出現同樣的問題，第一層和第三層必須精準注塑成型，從而保證達到元件性能的要求。中間層可縮短冷卻時間，從而縮短整個周期時間。然而，為了徹底挖掘生產周期時間縮短的潛能，就需要實現雙側注塑。中間層不需要具備光學功能，因而冷卻時間可以更短。從而，預制件可在一個模具腔內完成生產，模具壁溫更低，因而成型精確度也較低。但其表面瑕疵可以通過更薄層的包覆成型而得到補償。用這種方法，可有效縮短厚壁光學元件的生產周期高達30%。

　　多層注塑的模具技術

　　IGF近期完成的研究項目，其中就重點聚焦多層注塑成型模具技術的研發。該生產工藝對注塑模具提出了較高的要求?，F有模具是基于模芯回退技術技術，通過移動單個模芯，可擴大模具腔進行預制件的包覆成型。配備針式閥門噴嘴的熱流道系統，可有效控制第二層和第三層在模具腔內的注塑（見圖2）。

　　整合在終端扣和噴嘴口的斜坡可通過使用液壓缸來完成模芯的轉換，從而實現在5到30mm之間進行層厚調整。安裝在兩端的注塑模具有突起結構，彈簧底座會按壓模具來壓縮單層半成品。針對單側成型和雙側成型的不同設計策略，模具還整合了具有澆道滑塊和澆道殘料頂桿的短流道，毗鄰熱流道系統。當注塑模具關閉時，滑塊和頂桿可離開流道，使后續層與預制層使用同一澆口。

　　分析樣本的幾何結構符合透鏡外直徑80mm和壁厚5到30mm。通過使用可代替的光學模具嵌件，可實現不同的透鏡結構（平面/平面，平面/凸面，平面/凹面，雙凸面等）。一方面，圖2中標出的頂出區域是為后續的透鏡脫模而設計。另一方面，當模芯移動到底部時，預制件依舊可以留在位置上，包覆成型環節中熔體壓力會發揮作用。

　　多層注塑成型的黏合強度和光學性能

　　除了生產周期時間和成型精確度，成品元件的黏合強度也至關重要。即便采用相同的塑料，舉例來說，當進行第二層注入時，在溫度更高的情況下，會產生壓力，從而生產出的冷卻預制件會呈現更大的收縮量。因此，層厚分布的選擇、加工參數和溫度控制都極其重要。同時，多組分注塑中不同透明塑料的黏合強度方面也展開了大量的研究。

　　影響黏合表面構成及隨后導致黏合強度的因素，首當其沖就是生產加工中的界面溫度。非結晶熱塑性塑料往往用于光學元件，只要采取同樣的該材質用于預成型或者后續成型層，就可實現充分的黏合強度。為了進行粘合強度、成型精準度和光學性能的分析，實驗采用了聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA，級別：樹脂玻璃7N；制造商：德國達姆施塔特Evonik工業有限公司）和聚碳酸酯（PC，級別：MakrolonLED2445HCC；制造商：德國萊沃庫森拜耳材料技術有限公司）來生產樣本。在實驗中，型腔溫度和界面表面溫度由滑道系統控制。

　　實驗結果顯示，PMMA的黏合強度約為30MPa，PC則為約40MPa。型腔溫度及界面表面溫度對黏合強度產生的影響，從研究中不得而知（見圖3）。從而得出結論，多層注塑成型的加工控制可有效保障元件的光學性能。

　　分層注塑成型并不會影響元件的光學性能。塑料透鏡的光學性能由加工和生產周期決定，可用斯特列爾值進行評估，斯特列爾值是特殊幾何結構的專有指標，用于評估透鏡成像性能（見圖4）。它是光學性能的指標，由同一孔徑中的平面圖像的最大強度和理想衍射限定成像強度的比率決定。

　　由于收縮量較大，厚度為21mm的單層透鏡光學性能較差，以致于無法評估，雙層（14mm+7mm）和三層（3*7mm）成型元件的光學性能呈顯著提升。同時比較顯示出，三層元件比單層元件的注塑成型生產周期縮短了30%。

　　不止如此，多層塑料透鏡光學性能的長期特性也表現喜人（見圖5）。通過對比可以發現，單層注塑雖然冷卻時間更長，卻并沒有因此提升元件的光學性能，且熱加工（48小時，80℃）及冷儲藏（48小時，-11℃）也沒有顯著影響。生產加工后呈現的光學性能的級別，即便經受溫差影響也仍大致不變。

　　不僅生產周期縮短，精確度的相應提升也是推動厚壁元件多層注塑成型工藝應用的動力。因為相對較薄的單層厚度，其收縮量得以降低。單層元件的PV值（再造透鏡和模具嵌件之間的差）由于生產周期過短而約為1mm，該值在雙層和三層元件則約為40和20微米（見圖6）。不止如此，成型精準度極大地提升，伴隨生產周期的顯著縮短。

　　結語

　　厚壁光學元件的多層注塑成型工藝可有效縮短生產周期高達30%。通過最外層材質包覆成型技術，可顯著降低收縮量和表面缺陷，從而提升成品元件的成型精準度。采用多層注塑成型工藝可實現更高的生產效率，實施過程中的模具技術至關重要。IKV研究表明，其新近研發的注塑模具可進行單層、雙層和三層透鏡生產，且厚度最高值可達30mm。