塑料光学制件精密成型技术的现状

费春红等・塑料光学制件精密成型技术的现状

塑料光学制件精密成型技术的现状

费春红，张长春，李达，李世辉，于妍

（吉林大学材料科学与工程学院，吉林　　长春　　１３００２２）

摘要：本文对目前塑料光学制件精密成型技术进行了研究。传统的注射成型方法不能达到光学元件的性能要求，而注射成型与压缩成型结合在一起，则能克服注射成型中的部分问题，得到较高质量的产品，故发展了先注射后压缩的二次成型和注射压缩成型技术。超精模压成型能进一步完善注射压缩成型技术，得到更高质量的塑料制品。

关键词：精密注射成型；先注后压二次成型；注射压缩精密成型；超精模压成型

中图分类号：TQ320.662 TQ320.661 文献标识码：B 文章编号：1009-797X(2004)11-0011-06

近年来，塑料光学制件以质量轻、耐冲击性能好、成本低、可实现大批量生产、能复制复杂的形状等特点，在国内外发展很快，其应用迅速扩展到许多曾经是玻璃光学件占统治地位的领域，并将进一步扩展到信息产业、汽车行业、电子行业等。然而，光学塑料与光学玻璃相比较，存在折射率对温度依赖性大、热膨胀系数大、吸湿膨胀大、热变形温度低、受外力变形大、成型收缩比大、易产生双折射等缺点，直接影响到它的应用范围的扩大。

为此人们做了许多研究工作来提高塑料光学制件的质量，以满足日益增长的对光学塑料件的需求。具体方法有2种：①抑制变形的成型技术；②考虑变形，确立修正模具的技术。修正模具技术方法，在现阶段，一般采用成型后利用从其形状的反馈信息对模具进行修正，也有在成型前就进行预测修正模具的［1［。

本文主要针对抑制变形的成型技术，对塑料光学制件精密成型技术进行了研究。

１　　　精密注射成型技术

精密注射成型技术是一门涉及原材料性能、配方、成型工艺及设备等方面的综合技术，其特点是使制品达到高质量、高精度的要求。现将塑料光学制件精密注射成型最佳工艺参数设定的方法简述如下［2］。

１．１　　　重量的确定

塑料光学制件的几何精度在一定程度上是由重量精度决定的。重量精度较直观，检测也容易，所以在大多数试模的时候，先用重量精度来初步衡量一下精密注射成型塑料光学制件的尺寸精度。假定试模时塑料制件的重量保持恒定，模具的制造误差又在标准偏差内，就可以认为塑料制件的尺寸精度达到了要求，才有必要对塑料制件做较复杂的尺寸检测。

重量精度还没有一个国家制定的标准，但作为检测手段是可行的。

重量精度的计算方法：Y=R/X×100%式中：

Y——重量精度，无量纲；

R——100件塑料制件中重量最大值与最小值之差；

X——100件塑料制件的重量平均值。

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作者简介：费春红，硕士研究生，从事塑料制品的精密成型技术研究。

收稿日期：２００４－０７－１２

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确定了尺寸和重量的关系，就可以利用重量和重量的变化来控制产品的尺寸精度，从而确定出最佳的工艺参数。实践证明，如果塑料制件的重量变化不超过1.6%，尺寸变化将小于0.3%，一般来说，精密注射成型塑料制件的重量精度不大于0.3%。

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度，但应首先保证熔体充满型腔。注射料量和附加料量由成型的塑料件尺寸来决定，为保证塑料件的尺寸，提供一定的附加料量是必须的。一般来说，这种附加料量的储备量大约是注射量体积的1/10

。

１．２　　　温度的确定

树脂的注射温度是根据树脂的热性能而定的。以PMMA为例，其玻璃化温度为105℃，熔点为160~200℃，加工温度为210~240℃，熔体温度不宜过高，否则塑料将分解。根据这些数据可将料筒温度（Q1，Q2，Q3）和喷嘴温度（QD）分别设定为：Q1198℃；Q2200℃；Q3200℃；QD203℃。

模具两型腔板温度应不一致，动模板温度为75℃，定模板为60℃。

１．３　　　压力的确定

PMMA的注射压力应控制在80~130MPa之间，而且当注射压力等于保压压力时塑料制件的质量最好。所需的注射压力应根据熔体的粘度、流动距离比以及模具的浇口类型逐级确定。注射压力与保压压力必须能够确保熔体进入模腔，并且在熔体冷却凝固时塑料件的体积收缩最小。

PMMA的背压为1MPa，背压能提高熔体的密实程度，同时增加熔体和螺杆、机筒之间的摩擦力和剪切力，从而使熔体塑化更加均匀。

锁模力取决于塑料件在分型面的投影面积和注射压力，应有效地防止注射时模具张开。

图１　螺杆转速与螺杆直径的关系

１．６　　　设定工艺条件的验证

当所有的参数都已初步调整好时开始试模，首先应准备1台精度在1/1000的精密天平，对成型塑料件的重量进行测定，然后逐步调整注射温度、注射压力，校正注射料量、附加料量、锁模力使其达到规定要求。再称量塑料件看重量是否恒定，如重量恒定，把各种参数固定，即可投入正常生产。

２　　　先注后压二次成型

精密注射成型方法是塑料成型加工方法中效率最高的方法。但这种方法很难生产出精度要求高的塑料光学制件，其主要原因是由于精密注射成型方法是将树脂填入型腔中，模腔的容积在填料、冷却、开模的整个过程中，保持一个常数，但实际上模腔中的填料、树脂在冷却过程中随温度的降低要发生收缩，就造成了树脂的体积比模腔的容积小。这样，零件与模腔之间产生了间隙，成型出的注射件的形状尺寸精度降低了，表面粗糙度增大了。

目前开发的先注后压二次成型是将压缩模用在注射机上成型塑件，采用注射机注射料坯，

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１．４　　　时间的确定

注射时间的设定取决于塑料件的壁厚，薄壁时间短，厚壁时间长。保压时间的设定也是根据塑料件的尺寸来确定，其长短应保证使附加料量能有效地压入型腔以补偿冷却时塑料件体积的收缩。

１．５　　　速度的确定

螺杆转速是根据不同的螺杆直径来确定的，见图1。注射速度应调整到使熔体完全充满型腔，对薄壁塑料件注射速度应较快，厚壁可较慢。虽然注射速度慢可增加塑料件的冲击强

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再利用压缩模进行压缩成型。该成型方法能在成型过程中保证型腔与塑料制件较好地接触，使树脂的温度和压力分布均匀，消除内应力，减小树脂的收缩。此工艺的技术关键是模具结构设计和温度、压力的控制。

此种方法对某些形状简单的光学件能起到明显的效果，得到内部压力分布均匀的制品，而对于较复杂的光学件则无能为力。

产品所需数量的树脂注射到型腔中后，即推动模具活动部分直至完全闭合，并使树脂在型腔内受到压缩。在型腔中的树脂由注射过程向压缩过程过渡时，树脂有一个流动暂停和静止的瞬间。这种在流动过程中的停顿导致产品表面产生流动条纹。这些流动条纹的可见程度取决于材料的颜色、零件成型时的纹理结构及所用树脂种类和等级。

图2说明了这种工艺。在注射压缩成型中，既可使用肘节式注射机，也可使用液压式注射机。

３　　　注射压缩成型

所谓注射压缩成型法是当注入模腔的树脂由于冷却而收缩时从外部加一个强制的力使模腔的尺寸变小，从而使收缩的部分得到补偿的成型方法。一般的注射成型法是用控制精密螺杆的运动来间接控制模腔送料的速度和压力，以确保成品的质量；而注射压缩成型是通过模腔向树脂直接加压来提高质量的。对于透镜零件是将树脂充填部分在光轴方向压缩而产生压力，使表面得到均匀的压力，成型品的体积由树脂的压力和温度来决定，用调整加工条件的方法，在低温下释放保持的压力，从而有可能减少体积的收缩量。由于采用机械压缩的方法，所以可以在较低的压力下注射塑料，在模具内保持较长时间的熔融状态以利于分子取向的回复，并且不需要注射后的保压压力来补偿收缩。这样就可以减少或消除由保压引起的树脂分子取向和成型时的内应力，提高了成型品的材质均匀性，并减少了残余应力，大大改善了折射率和双折射等光学性能。采用这种方法已经能制造出与玻璃精度相当的光学制件，而价格却只有玻璃的1/10。

根据注塑零件的几何形状、表面质量要求以及不同的注射设备条件，有4种注射压缩方法可供选择。它们是顺序注射压缩成型、同步注射压缩成型、间隙注射压缩成型和选择注射压缩成型。

［3］

３．１　　顺序注射压缩成型（Seq-ICM）

Ｇ—凹凸模之间的间隙；Ｇ０—初始间隙（预留间隙）

Ｇｆ—最终间隙

　　点１、２分别为螺杆（注射机注射螺杆）位置曲线的拐点。在点１之前注射系统外于预留间隙阶段，螺杆停止不动，位置曲线为水平直线；经过点１注射机开始注射，直到拐点２注射完毕，螺杆位置逐渐减小；在压塑料阶段注射机械化不再注射，螺杆位置相应不变。

　　点Ｉ，ＩＩ分别为夹紧装置的拐点。注射机开始合模到拐点Ｉ，预留曲线间隙Ｇ０，位置一直保持不变，直至注射完毕。在压塑阶段，夹紧装置推动模具合模，位置曲线下降至最终位置。　　　　　图中阴影部分表示液压式压力平紧装置的状况，注射一开始液压式压力平紧装置就推动模具闭合，可根据需要自行设定推动

速度。

图２　顺序注射压缩成型

３．２　　　同步注射压缩成型（Sim-ICM）

与顺序注射压缩成型相似，在同步注射压缩成型中模具没有完全闭合。在树脂注射到型腔中的同时，模具闭合。这种螺杆与模具型腔

的同步运动（图3中S2或S3线中的延时）意味

着，流动前沿在模具型腔中以恒定速度移动。因此不会像顺序注射压缩成型那样，由于流动停顿而导致流动条纹。

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所谓顺序注射压缩成型，其注射操作和模具型腔的压缩按顺序进行。开始时，模具没有完全闭合，型腔较大，为最终壁厚的2倍。将

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　　　　　　各曲线意义同图2。

同步注射过程中，在聚合物注射到型腔中的同时，模具完成　　　　　

压缩动作，螺杆位置曲线从注射开始到压缩完毕呈直线下降状态。

　曲线S1，S2，S3分别是表示夹紧装置在不同时间段的压缩情　　　　况。曲线S表示注射一开始就压缩，曲线S，S则表示注射一

1

2

3

　　　　　各曲线意义同图２

　　　　　间歇注射压缩过程中，在预定间歇阶段模具闭合，夹紧装置与压缩完毕位置相同；注射开始（点I）后，模具在夹紧装置的作用下慢慢打开；当几乎所有所需聚合物都已注射到型腔中（点II）时，夹紧装置开始推动模具闭合至最终位置。

段时间后才开始压缩，这可根据实际需要来选择。

图４　间歇注射压缩成型

图３　同步注射压缩成型

过程中或之后，一个单独的型芯被压到局部模具中，从而在一个相对大的截面中实现局部减薄。局部压缩可以由注塑机的模具型芯程序或一个单独的液压机构来调节。其原理如图5。

顺序注射压缩成型或同步注射压缩成型用于壁厚较大的零件时，由于模具型腔初始的开口较大，重力对注射的树脂熔料影响就很大。如果模具型腔过大，树脂注射到模具中时不会产生任何反向压力，结果是模具型腔较低的一端首先填充，并可能因暂时处于未承受压力状态而出现不希望有的泡沫。同时，零件壁厚越大，型腔空间也会越大，而流动距离的延长也会增加模具完全闭合的周期，这些都可能会使上述现象加剧。

３．３　　　间歇注射压缩成型（Breach-ICM）

该工艺在注射时模具完全闭合，使树脂保持压力。在流动距离较大和壁厚较大时，这种方法避免了同步注射压缩成型的潜在问题。模具在注射树脂过程中打开，从而产生较大的型腔空间。模具型腔中的树脂因此保持在压力以下。当几乎所有所需的树脂都已注射到型腔中时，增加液压夹紧力。这样闭合夹板，树脂在模具型腔中被压缩至最终壁厚。

型腔中树脂的注射压力或注射机预先设定的夹紧运动，都可用于扩大（间歇）模具型腔。其原理如图4。

图５　选择性注射压缩成型（精压）

４　　　超精模压成型

利用注射成型法，通常模具温度要设定在所用树脂的热变形温度以下。因而，经向模具内腔注射充填的熔化树脂形成固、液混合状，温度和压力存在梯度。而且采用注射成型法，为防止产生“气孔”，树脂被注射充填后，需进行维持压力的“保压”操作，树脂取向的原因即源于此。进而采用注射压缩成型法，模具喷口处（树脂入口处）的树脂固化后，力求使内腔体积压缩，完成高精度复制，但由于树脂

的

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３．４　　　选择性注射压缩成型（Select-ICM）

也称“精压”，模具完全闭合，在树脂注射

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固化，无法实施压力均匀的传输。因此，注射成型和注射压缩成型技术制作的厚度不等的大口径的塑料透镜，其密度和折射率不够均匀，存在很大的残余应力和双折射，面形精度不够理想［4］。

针对上述精密成型方法存在的缺陷，依据树脂的温度和压力的关系，可采用超精模压成型技术，实现高精度塑料光学制件的制备。

在介绍超精模压之前，有必要研究一下塑料在加热过程中的状态。树脂在加热过程中体积不断增加，当超过树脂的玻璃化转变温度时，体积增加率更大，在冷却时体积又减少。假定树脂处于加热过程中某个温度T1（如图6），利用与当时树脂体积有相同体积空间的模具充填树脂。然后继续加热接近树脂玻璃化转变温度，此时，树脂的体积不再增加，压力却增大，一旦超过玻璃化转变温度，压力便急剧增加。若从此温度逐渐冷却，则塑料的压力便减少，在温度T1时，塑料的压力与大气压相等，其体积等于模腔容积。若进一步将温度降至室温时，树脂的体积与加热前的体积相等，但小于模具容积。

在所成型树脂的玻璃化转变温度以上。注射充填后，在保持温度和压力均匀分布的同时，以恒定比容将模具冷却到树脂的热变形温度。超精模压成型正是利用塑料的这些特性研究出来的成型方法。

超精模压成型原理：模具加热到树脂的玻璃化转变温度以上的某一温度，将熔融树脂注射充填入模腔内并立即封堵。注射充填的压力和树脂量，按开模时树脂压力等于大气压来设定。封堵之后，将模具温度保持在玻璃化转变温度以上，使树脂的压力和温度分布均匀。然后，在维持树脂压力和温度均匀的同时，以恒定比容将模具冷却到树脂的热变形温度。然后，开模取出成型塑料光学制件。这一成型法即为超精模压成型。其原理如图7所示。

图６　树脂热膨胀概念图

图７　封闭成型法的原理

树脂的这种可逆现象是在树脂的温度和均匀一致时才能成立。如前所述，为防止塑料光学制件产生缩坑，需进行“保压”或减小模腔容积，但树脂比容未必恒定。为使比容恒定，需高压注射充填熔融树脂，并立即将其封堵在模腔内。另外，为尽快消除模腔内熔融树脂的温度和压力不均匀以及取向，模具温度必须控制

在超精密成型过程中，模具温度比通常成型法高，注射充填压力也大，很难使用一般的滑动机构。图8是本成型法专门使用的小金属球树脂封堵机构示意图。在合模之前把小金属球放进模具注射口内。成型机注射充填熔融树脂时，如图8（a

）所示，金属球被注射的树脂

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推向模腔的一侧，留出通道让树脂注射入模腔。熔融树脂高压充满模腔后，成型机停止注射，此时由于压差，树脂倒流而把金属球推向注射口，如图8（b）所示，从而封堵树脂。使用这种机构保持的压力为封堵前压力的95%以上。

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参数指标的产品。

试验表明超精模压成型能克服注射成型、注射压缩成型过程中的缺陷。其成型制品的表面具有很高的精度，缩坑、气泡明显减少。其双折射率明显下降，面形偏差明显减少，能生产出较理想的塑料光学制件。

５　　　结论

本文依据光学塑料制件基本性能要求，对目前塑料光学制件各种精密成型技术进行了研究。传统的注射成型方法不能达到光学元件的性能要求，但经过优化成型参数，多次验证工艺条件，可实现精密注射成型，能提高制件的光学质量。而注射成型与压缩成型结合在一起，能克服注射成型中的部分问题，得到更高质量的产品，故发展了先注射后压缩的二次成型和

图８　封堵树脂机构

注射压缩成型技术。另外，本文介绍的超精模压成型能进一步完善注射压缩成型，得到较理想的塑料光学制件。

参考文献：

［1］　　　侯小真编译．　塑料光学件的注射压缩成型技术和外围技术．

光机电信息，1998，9（15）：1~4．

［2］　　　孙奇志，宋卫东．　精密注射成型最佳工艺参数的设定．　塑

料科技，1996，6（116）．

［3］　　　南汉编译．　塑料注塑压缩成型．　国外塑料，2000，18（3）．［4］　　　杨妹清摘译．　塑料透镜的超精模压加工．　光机电信息，

1998，9（15）：8~12．

对于该成型法，在完成逐渐冷却时树脂的压力和大气压相等的条件下注射充填熔化树脂和控制模具温度是其关键所在。因此，即便是成型塑料光学制件的形状尺寸不同，如果保持树脂压力和温度均匀性的缓和时间和逐渐冷却时间足够的话，只改变充填条件，便可获得高精度的塑料光学制件。因而，该成型系统能使用多个模具，在一条生产线上可生产具有不同

The present status of precision moulding technology

for plastic optical parts

Fei Chunhong, Zhang Changchun, Li Da, Li Shihui, Yu Yan

(Material science and engineering institute of Jilin university ,Changchun 130022, Jilin, China )Abstract: Analyzed the current precision moulding technology of plastic optical parts. For the tradionalinjection molding can not reach the performance requirement of the optical element, meanwhile takingthe injection molding and compressing molding combined together that can solve partial problems fromthe injection molding, and get better quality goods, therefore,developed the secondary molding tech-nology of prior injection and compress after and injection compressing molding technology. Exceedingprecision molding can make further to complete the injection compressing molding technology and gainthe fantast plastic goods.

Key words: precision injection molding ; secondary molding with prior injection and compressingafter; injection and compressing precision molding; exceeding precision molding

(XS-05)

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