B15 应用CAE探讨影响大尺寸镜片面型变形之因素

一、前言

大尺寸塑料镜片目前应用的产品如投影机、背投影电视、照明设备、医疗仪器、抬头显示器等，就镜片功能而言，有些只是单纯光线调节，有些则必须担负成像功能，以塑料代替玻璃制作镜片，目前塑料镜片产品主要的问题在于塑料的体积收缩较大、这对需要高精度要求的镜片而言是一大障碍，在大尺寸镜片产品应用上，因为塑料件肉厚尺寸较大，所造成的成形收缩将会更严重。下面以一个简单的例子来说明这些现象。

二、案例介绍（如图1 图2）

 

三、问题解析

1.保压效果有限

此镜片厚度中央最厚处为12.0 mm，而浇口厚度为3.0 mm 所以在固化时间来说，最厚区域的冷却时间是远超过浇口的，如图3显示此材料在模温80℃的条件下由料温240℃冷却至顶出温度85℃所需要的时间，3.0 mm需要22秒而12.0 mm却需要351秒，即使将浇口厚度增加到6.0 mm，浇口的冷却时间也只约88秒，还是远低于中心，如图4保压结束时中心温度仍然几乎是料温240℃，我们都知道有效的保压对于避免产品缩水是很重要的，但是在这个例子却发现保压仅在产品冷却的初期达到效果，既始将浇口加大到上限，对于改善中央区域的缩水仍然非常有限。

2.不均匀的体积收缩为变形主因

由体积收缩率分布如图5，可以发现体积收缩最高的区域在镜片的中央最厚区域，翘曲分析结果显示镜片中央位移量较外围高如图6，如果进一步分析面形的曲率变化，可以发现中央区域的曲率变小如图7。

3.延长冷却时间可使体积收缩率差异减少

镜片中心、镜面外侧及浇口放置了感测节点如图8记录了温度的历程，由图9可知浇口与镜片中心的冷却速率是有相当差异的，我们可以发现要快速将中心冷却是不可行的，因为中央的热能要透过塑料传递，而塑料却是热的不良导体，过于快速的冷却，可能使内外侧的体积收缩差异加大造成变形，原始设计的冷却时间为100秒，将冷却时间延长时，我们可以发现体积收缩的差异变小了如图10，而变形的分布也较均匀如图11，进一步比较面形的曲率，可以发现中央曲率变小的现象获得改善如图12。

4.现象讨论

我们可以试着解释这个现象，如图13若是很快的将镜片冷却，镜片的表面外侧会有一层固化层，但中心继续在收缩，因此镜片中心的表面会被牵动而造成变形。

四、结论

虽然塑料射出有快速量产的优势，但应用于大尺寸镜片时，若是镜片的厚度较厚，却必须以高模温及较慢的冷却速率条件来克服变形的问题，而这个方法却会减低量产能力，因此以CAE事先评估大尺寸塑料镜片的可生产性就变的十分的重要，如此才能避免在投入成本后仍无法回收的窘境。

五、参考文献

（马忠成／DigiTimes.com）人物专访－富士(FujiFilm)德国子公司Fuji Magnetics／Christopher Brawley & Gerhard Fehr塑料光学镜片的发展 [2006/09/18]