塑料材質(zhì)的厚壁光學(xué)元件注塑，不僅僅需要面對技術(shù)方面的挑戰(zhàn)。直到現(xiàn)在，這類精密元件仍沒有經(jīng)濟的生產(chǎn)方法。新型多層結(jié)構(gòu)的厚壁透鏡生產(chǎn)工藝不失為一個全新的選擇，采用該工藝，可顯著縮短生產(chǎn)周期時間，并提高生產(chǎn)加工的經(jīng)濟效益。

　　照明技術(shù)領(lǐng)域在過去的幾年間發(fā)生了顯著的變化，推動了塑料光學(xué)元件在該領(lǐng)域的使用。傳統(tǒng)燈泡如今已被節(jié)能光源如LED（發(fā)光二極管）所取代。塑料光學(xué)元件因其光源溫度較低，且生產(chǎn)加工可改良，已經(jīng)越來越廣泛的投入應(yīng)用領(lǐng)域。

　　由于光學(xué)設(shè)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(chǎn)，且生產(chǎn)周期較長。由于復(fù)雜精密光學(xué)元件功能的設(shè)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(qū)域，凝固速度會明顯慢于較薄區(qū)域。過早凝固會影響熔體的壓力轉(zhuǎn)移，從而影響注塑生產(chǎn)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(chǎn)效率低下。同時，相對長的停留時間增加了材料分解的風(fēng)險。單層注塑成型加工無法實現(xiàn)高效高精密度的生產(chǎn)。因此，厚壁透鏡采用多層注塑成型工藝生產(chǎn)，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(chǎn)的經(jīng)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(zhì)用于生產(chǎn)預(yù)成型和后成型層。多層光學(xué)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(chǎn)周期更短。這一現(xiàn)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(guān)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(yù)制層可減少第二層和后續(xù)注塑層的熱損耗，這點在多層元件設(shè)計中必須加以考慮，同時，為了實現(xiàn)最低可能冷卻時間而對層厚分布進行最優(yōu)設(shè)計時，也應(yīng)考慮這點。由此會產(chǎn)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(shè)計出多種不同的生產(chǎn)策略。單層的數(shù)量和順序?qū)鋮s時間會產(chǎn)生決定性的影響（見圖1）。雙層元件最簡單的設(shè)計類似于眾所周知的多組分注塑成型。當(dāng)預(yù)制件被傳送至另一個模具腔后，或者當(dāng)模芯退回后，第二層被包覆成型。這一生產(chǎn)設(shè)計的缺陷在于預(yù)成型和后成型的這兩層需要具有光學(xué)功能表面，對注塑成型的要求較高，因而整個生產(chǎn)周期會相對較長。

　　三層透鏡從一側(cè)注塑成型時會出現(xiàn)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(chǎn)周期時間縮短的潛能，就需要實現(xiàn)雙側(cè)注塑。中間層不需要具備光學(xué)功能，因而冷卻時間可以更短。從而，預(yù)制件可在一個模具腔內(nèi)完成生產(chǎn)，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(xué)元件的生產(chǎn)周期高達30%。

　　多層注塑的模具技術(shù)

　　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(shù)的研發(fā)。該生產(chǎn)工藝對注塑模具提出了較高的要求。現(xiàn)有模具是基于模芯回退技術(shù)技術(shù)，通過移動單個模芯，可擴大模具腔進行預(yù)制件的包覆成型。配備針式閥門噴嘴的熱流道系統(tǒng)，可有效控制第二層和第三層在模具腔內(nèi)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(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)在5到30mm之間進行層厚調(diào)整。安裝在兩端的注塑模具有突起結(jié)構(gòu)，彈簧底座會按壓模具來壓縮單層半成品。針對單側(cè)成型和雙側(cè)成型的不同設(shè)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(tǒng)。當(dāng)注塑模具關(guān)閉時，滑塊和頂桿可離開流道，使后續(xù)層與預(yù)制層使用同一澆口。

　　分析樣本的幾何結(jié)構(gòu)符合透鏡外直徑80mm和壁厚5到30mm。通過使用可代替的光學(xué)模具嵌件，可實現(xiàn)不同的透鏡結(jié)構(gòu)（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(qū)域是為后續(xù)的透鏡脫模而設(shè)計。另一方面，當(dāng)模芯移動到底部時，預(yù)制件依舊可以留在位置上，包覆成型環(huán)節(jié)中熔體壓力會發(fā)揮作用。

　　多層注塑成型的黏合強度和光學(xué)性能

　　除了生產(chǎn)周期時間和成型精確度，成品元件的黏合強度也至關(guān)重要。即便采用相同的塑料，舉例來說，當(dāng)進行第二層注入時，在溫度更高的情況下，會產(chǎn)生壓力，從而生產(chǎn)出的冷卻預(yù)制件會呈現(xiàn)更大的收縮量。因此，層厚分布的選擇、加工參數(shù)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?zhàn)ず媳砻鏄?gòu)成及隨后導(dǎo)致黏合強度的因素，首當(dāng)其沖就是生產(chǎn)加工中的界面溫度。非結(jié)晶熱塑性塑料往往用于光學(xué)元件，只要采取同樣的該材質(zhì)用于預(yù)成型或者后續(xù)成型層，就可實現(xiàn)充分的黏合強度。為了進行粘合強度、成型精準度和光學(xué)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(yè)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(shù)有限公司）來生產(chǎn)樣本。在實驗中，型腔溫度和界面表面溫度由滑道系統(tǒng)控制。

　　實驗結(jié)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(chǎn)生的影響，從研究中不得而知（見圖3）。從而得出結(jié)論，多層注塑成型的加工控制可有效保障元件的光學(xué)性能。

　　分層注塑成型并不會影響元件的光學(xué)性能。塑料透鏡的光學(xué)性能由加工和生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的專有指標，用于評估透鏡成像性能（見圖4）。它是光學(xué)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(xué)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(xué)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(chǎn)周期縮短了30%。

　　不止如此，多層塑料透鏡光學(xué)性能的長期特性也表現(xiàn)喜人（見圖5）。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，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(xué)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(chǎn)加工后呈現(xiàn)的光學(xué)性能的級別，即便經(jīng)受溫差影響也仍大致不變。

　　不僅生產(chǎn)周期縮短，精確度的相應(yīng)提升也是推動厚壁元件多層注塑成型工藝應(yīng)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(chǎn)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(chǎn)周期的顯著縮短。

　　結(jié)語

　　厚壁光學(xué)元件的多層注塑成型工藝可有效縮短生產(chǎn)周期高達30%。通過最外層材質(zhì)包覆成型技術(shù)，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(xiàn)更高的生產(chǎn)效率，實施過程中的模具技術(shù)至關(guān)重要。IKV研究表明，其新近研發(fā)的注塑模具可進行單層、雙層和三層透鏡生產(chǎn)，且厚度最高值可達30mm。