导光板注塑成型技术的研究

史学峰:导光板注塑成型技术的研究　　　　《激光杂志》2008年第29卷第6期　　　　LASER J OURNAL (Vol . 29. No . 6. 2008)

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导光板注塑成型技术的研究

史学峰

(苏州大学现代光学技术研究所, 苏州　215006)

提要:导光板注塑成型技术是一种通过光学网点转移的方法成型导光板的技术, 即将融熔树脂注入带光学网点的模具型腔, 经过保压、冷

却后脱模得到导光板, 注塑成型得到的导光板具有模具型腔(stamper 部分) 所赋予的光学网点, 这些网点的凹凸性和模具型腔网点的凹凸性互补。介绍了该技术的基本原理, 通过工艺试验优化了相关工艺参数, 证明了该技术用于导光板生产具有较高的精度和效率。

关键词:导光板(LGP ) ; 注塑成型(Injection Molding ) ; 模具(Mold ) 中图分类号:T 　　　　文献标识码:E 　　　　文章编号:0253-2743(2008) 06-0075-02SHI Xue -feng

(Ins titute of Modern Optical Tec hnology , Sooc how Universit y , Suzhou 215006, China )

Abs tract :Light guide plate (LGP ) molding tec hnology is a optic dot trans fer method by mol ding . M elt resin is injected into mold cavit y , where optic dots are carved on to cavit y surface . Then melt resin is trans fered to L GP by keeping pressure , cooling and ejecting . Molding L GP have optic dots as same as optic dot de -sign of mold stamper . L GP accidented optic dots are relative with mold optic dots . This article introduced basic principle of this technology . Process test optimized process parameter and gave out better precis ion and efficiency for LGP mass production .

K ey words :l ight guide plate (LGP ) ; injection mol ding ; mol d

Study of light guide plate molding

　　导光板(Light Guide Plate ) 是整体背光模组导光的效率中心, 其原理是利用导光压克力板底的网点分布(pattern ) 破坏光的干涉现象, 将线光源均匀导成面光源。它是LCD 关键部什背光源的关键部分。LCD 市场的迅猛发展对导光板制造的要求已成产业化。这将使导光板的制造, 向着辉度和辉度分布的稳定性, 更高的良品率, 更高的生产效率和更低的生产成本的方向发展。导光板的注塑成型技术是现在导光板制造方法的主流, 它是诸多导光板制造方法中最能满足以上条件的生产方式, 它使导光板的制造产业成熟化。

质量的主要因素是物料的受热情况和所受到的剪切作用。通过料筒对物体加热, 使聚合物分子松弛, 出现由固体向液体转变; 一定的温度是塑料得以形变、熔融和塑化的必要条件; 而剪切作用则以机械力的方式强化了混合和塑化过程, 使混合和塑化扩展到聚合物分子的水平, 它使塑料熔体的温度分布、物料组成和分子形态都发生改变, 并更趋于均匀; 同时螺杆的剪切作用能在塑料中产生更多的摩擦热, 促进塑料塑化。

1　导光板注塑成型技术的原理

导光板注塑成型的基本原理如图1所示。干燥后的聚甲基丙烯酸甲酷(简称PMMA ) 塑料粒子通过注塑机螺杆的旋转运送并经加热器加热, 由固体变为熔体。该熔体通过螺杆头的挤压被注入模具型腔, 经过螺杆的保压补缩和模具水路的冷却, 熔体转化成模具型腔的固体形状。而模具型腔中装有stamper , 它具有与导光板光学网点互补的结构。最后, 打开模具型腔取出导光板半成品, 经过切浇口和入光面的抛光就得到导光板成品。

图2　塑料粒子的塑化原理

图1　注塑成型原理

2　工艺流程与工艺实验

2. 1　工艺流程

导光板注塑成型技术的工艺流程包括以下工序:模具安装→Stamper 安装→塑料粒子的干燥→塑料粒子的输送→模具闭合→塑料粒子的熔融塑化→熔体射入模具型腔→螺杆的保压补缩→塑料熔体的冷却固化→机械手取出半成品→浇口切割→入光面抛光→检验→包装。2. 2　工艺实验

针对上述工艺流程, 我们主要开展了以下工艺实验:2. 2. 1　PMMA 塑料粒子干燥和输送

PMMA 塑料粒子用蜂巢式陶瓷转轮除湿干燥机进行干燥, 干燥温度是80℃,干燥时间4小时。输送系统采用集中封闭空气循环输送系统, 该系统具有除尘装置, 粒子输送过程中产生的粉尘被除去, 为高品质导光板提供了保证。2. 2. 2　塑料粒子的熔融塑化

加入的塑料在料筒中进行加热, 由固体颗粒转换成粘流态并且具有良好的可塑性的过程称为塑化。决定塑料塑化

如图2所示, 塑料粒子的熔融塑化过程分为:塑料粒子

供给、塑料粒子混炼压缩、塑料熔体计量。塑料在供给段预热的同时, 被螺杆送向料筒前端, PMMA 粒子的供给段设定温度为200℃至250℃; 经过预热的塑料在混炼压缩段的螺纹渐浅的压缩部分受到剪切作用, 并由于外部加热而融化, PM -MA 的混炼压缩段设定温度为260℃至280℃熔融塑料在计量段被捏合, 处于均匀的熔融态, PMMA 的计量段设定温度为285℃至295℃。料筒温度的分布, 一般是从料斗一侧起至喷嘴止逐渐升高的, 以使塑料温度平稳地上升以达到均匀塑化的目的。当然, 料筒温度过高, 塑料受热时间较长时, 塑料的热氧化降解量就会变大。

图3　P MMA 的流动特性

PMMA 树脂的熔融流动特性可通过螺旋流动模具测得, 图3是实验得到的PMMA 的流动长度和料筒温度的关系, 很着温升高流动性速提高因为料温超过

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温机的工作负荷, 所以选择75℃至85℃的模温成型导光板。

当浇注系统的塑料已经固化后, 继续保压已不再需要, 因此可退回螺杆, 卸除料筒内塑料的压力, 并加入新料, 同时通入冷却水对模具进行进一步的冷却, 这一阶段称为冷却。冷却过程对产品的翘曲影响较大, 图10所示为实验得到的翘曲量和模温的关系, 成型后产品会往模温较高一侧发生翘曲, 所以调整模具两侧冷却水的温度可以调整产品的翘曲, 试验时公母模侧的模温先设定一致, 根据成型出产品的翘曲方向来调整模温1℃至5℃,可以增加产品拱起侧的模温或降低另一侧的模温, 最终得到翘曲合格的导光板。2. 2. 4　导光板的后处理

300℃,PMMA 树脂容易黄化, 而低于290℃时PMMA 树脂的流

动性能铰差, 所以PMMA 树脂在料筒内加热熔融的计量段温度设为290℃左右。2. 2. 3　PMMA 熔体的注射

如图4所示注射过程可分为充模、保压、冷却三个过程。塑化好的熔体被螺杆推挤至料筒前端, 经过喷嘴及模具浇注系统进入并填满型腔, 这一阶段称为充模。如图5所示, 充填过程分四个阶段, 第一个阶段的充填是低速低压充填, 保证熔体平稳地流过模具浇注系统, 一般速度为6mm /sec 至12mm /sec , 压力为100MPa :第二个阶段的充填是中速中压充填, 保证熔体较快地流过扇形区, 一般速度为15mm /sec 至24mm /sec , 压力为200MPa ; 第三个阶段的充填是高速高压充填, 保证熔体迅速地几乎充满整个型腔区, 一般速度为30mm /see 至60mm /see , 压力为300MPa ; 第四个阶段的充填是低速低压充填, 保证熔体低速低压过渡到保压阶段, 一般速度为12m m /sec 至15mm /sec , 压力为100MPa

。

图9　模温对产品收缩量的影响　图10　冷却时模温不同造成成型品翘曲

图4　PM MA 熔体的注射过程　图5　PMMA 溶体的充模过程

PMMA 熔融树脂的充填过程可以通过短射试验测得充填各段的树脂量, 图6为实验得到的导光板充填短射图, 很明显随着充填的进行模具型腔内产品的重量将迅速增加。第一段用15. 32克树脂充填满流道部分以防止入光面的进胶口部分有银丝不良现象, 第二段用67. 12克树脂充填满导光板的入光面侧以防止入光面两角有流痕不良现象, 第三段用189. 21克树脂充填满几乎全部模腔以防止入光面对面有流痕不良现象, 第四段用6. 6克树脂完全充填满模腔以使导光板薄侧定型

。

成型后得到的半成品导光板, 其入光面残留浇口, 需要对入光面进行切削和抛光处理。切削的去除量主要是浇口部分, 抛光的去除量为入光面端面0. 1mm 至0. 15mm 。根据背光源组装的需求抛光工艺可分为镜面抛光和雾面抛光。

3　实验结果及结论

通过以上工艺成型出的导光板, 会进行尺寸、翘曲、外观、辉度的测试, 最后经过背光源的试组装确认组装性。导光板的尺寸检测内容包括:长度、宽度、厚度、两侧耳部长宽和其到入光面的距离, 长度公差是±0. 25mm , 宽度公差和耳部到入光面距离公差是±0. 2mm , 厚度公差是±0. 1m m 。导光板的翘曲检测一般用厚薄规, 测量其翘起离大理石平台间隙最大值, 翘曲要控制在0. 5m m 以下。外观检测是把导光扳入光面装入灯管组, 在暗室环境中目视检查, 可能检查到的外观缺陷有:黑点、白点、划伤、黄变、脏污、缩水、毛刺、流痕等。辉度的测试是在暗室环境中进行的, 把导光扳组装入背光源中, 在点灯状态下用B M -7辉度测试仪测试导光板上5个点或13个点的辉度值, 并计算5点和13点的辉度均齐度, 平均辉度一般要达到3000cd /m 2, 均齐度一般要达到80%以上。如图12所示, 最后把导光板批量组装到背光源里面, 确认组装过程的可量产性和是否存在某些光学上的缺陷。

图6　PM MA 熔体的充模过程　图7　PMMA

熔体的保压过程

图8　产品尺寸和保压压力、保压时间的关系

图11　导光板的抛光　图12　组装图

在模具中熔体冷却收缩时, 继续保持施压状态迫使浇口附近的熔料不断补充入模具中, 使型腔的塑料能成型出形状完整而致密的塑件, 这一阶段称为保压。如图7楔型导光板所示, 离浇口远处充填结束熔体就完全固化, 该处尺寸只决定于模具型腔的大小。其它较厚区域的尺寸除了受模具型腔大小的影响外, 还受保压压力和保压时间的影响, 需要得到较大尺寸时, 我们只需要使用较大的保压压力和较长的保压时间(图8为实验得到的产品尺寸和保压压力、保压时间的关系) 。根据试验, 保压过程会根据产品尺寸需要分成几段式保压, 通过调整其数值可以得到我们需要的产品尺寸。很明显, 保压压力越大或保压时间越长, 该保压作用于产品相应部位的尺寸越大, 但同时产品内部的应力也越大。所以在产品尺寸合格时, 选择较低的保压压力和保压时间, 试验中15寸楔型导光板(平均厚度为3. 5mm ) 的保压压力和保压时间一般是200MPa 和20s 左右。

充填和保压过程中模具由模温机进行加热, 模具水路的冷却温度保持恒定, 从而保证树脂能顺利的充实模具型腔, 同时模温的高低也直接影响产品的后收缩, 图9为实验得到的不同模温对产品收缩量的影响, 试验中尽量减少收缩量,

, 但超过80℃通过优化的注塑成型工艺可以获得具有以上品质要求的导光板, 而且能保证各品质要求的稳定性. 导光板模具的使用寿命超过30万模次, 因此注塑成型工艺适合于导光板的量产, 它给背光源的低成本要求提供了较好的生产途径。

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