光學(xué)部件的注塑成型
在注射模塑光學(xué)部件的過程中，由于不能在其表面進(jìn)行標(biāo)注，因此模腔壓力的測定就受到了限制。但為了使用這個重要的過程參數(shù)來進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控，人們采用了一種使用特殊測量銷釘?shù)姆墙佑|式測量方法來測量空腔壓力。將流路耦合到pvT圖中來開發(fā)新的加工監(jiān)視技術(shù)。
此處并未包含質(zhì)量上高端的光學(xué)組件，正相反，恰好只能用最高的質(zhì)量水平來生產(chǎn)實際應(yīng)用的光學(xué)部件。就棱鏡而言，不僅其幾何形狀和表面結(jié)構(gòu)起到了重要作用，而且生產(chǎn)的重復(fù)性也會大大影響諸如內(nèi)應(yīng)力或分子取向之類的產(chǎn)品內(nèi)部性能。因此就個例而言，要在生產(chǎn)過程中評定產(chǎn)品光學(xué)性能的話，僅靠檢查部件的幾何形狀或者以肉眼來檢查部件表面是不夠的。進(jìn)行光學(xué)性能測定就顯得更為重要。例如用Shack-Hartmann傳感器(SHS)測得的波陣面的扭曲度就可以作為一個判定結(jié)果?？捎脭?shù)學(xué)方法推演出更為重要的質(zhì)量函數(shù)。
對諸如注射模塑的連續(xù)生產(chǎn)過程而言，我們很難用上述的方法來進(jìn)行光學(xué)測試。毫無疑問，必須將靈敏的測試裝置從外部來進(jìn)行安置，這是非常耗時的過程。并且這個過程中我們需要長時間的等待，直到得到測試結(jié)果為止。這會延遲整個生產(chǎn)順序，特別是在開始階段更是如此。一般來講，在上述的時間段內(nèi)機(jī)器必須停止工作。考慮到長的生產(chǎn)周期和機(jī)器成本，生產(chǎn)出廢品是不可接受的。
制造光學(xué)部件的加工變型
在光學(xué)部件的注射成型過程中，模塑過程不僅對其幾何形狀有影響，而且對部件的內(nèi)部性能有至關(guān)重要的影響。有關(guān)部件質(zhì)量的研究表明，如由注塑模塑改為注塑-壓縮模塑僅能稍微增加部件幾何尺寸的精度。然而其光學(xué)特性則大概能提高7個因子，因而僅通過測試幾何參數(shù)來評估部件的光學(xué)性能是不夠的。因此證明注塑-壓縮模塑成型是用來加工光學(xué)部件的一個適合方法。在加壓過程中，在壓縮相后直接施加壓力相。壓力以一個等同于均相分布壓力被施加到部件表面。作為與常規(guī)的注塑-壓縮模塑相關(guān)的不同變型的例子，下文將介紹注塑-加壓及膨脹-壓縮模塑。
常規(guī)注塑-壓縮模塑
與標(biāo)準(zhǔn)注塑模塑成型相比，注塑-壓縮模塑允許模具的流路/壁厚比高達(dá)500:1。在光學(xué)部件的表面沒有轉(zhuǎn)換流痕是很重要的。因此一個循環(huán)中的每個獨立的過程和運動必須連續(xù)貫通。
在填充階段，模具僅打開少許?？p隙大小相當(dāng)于壓縮沖程的值。塑料熔體被注入模具后，壓縮過程就以螺桿位置為函數(shù)而開始了。由于模具是打開的，因此在注塑過程中其內(nèi)部壓力降低甚至完全消失。壓縮階段是通過一個位置可調(diào)節(jié)的螺桿來開始的。在模腔被完全充滿之前，塑料熔體沿流路的末端流動，并且被隨后的壓縮階段壓縮，這也補償了塑料的收縮。
如果模腔在填充的末段階段已被充填滿，則壓縮階段直接開始。利用一些機(jī)器上的設(shè)置，在這個階段塑料熔體也可以沿與螺桿施壓相反的方向被壓回塑化單元內(nèi)。用這個方法，能生產(chǎn)出沒有熔接痕或?qū)⑵溥x擇性地轉(zhuǎn)移到部件邊緣區(qū)域的對熔接痕要求高的部件(壁厚比SA/SI≥3的棱鏡，如凹面鏡或者負(fù)彎月散射透鏡)。
膨脹-壓縮模塑
利用鎖模單元來實現(xiàn)的膨脹-壓縮模塑更適宜于橫截面處壁厚保持不變的部件的生產(chǎn)。該加工方法的優(yōu)點是填充模塑后并未將應(yīng)力引入到生產(chǎn)的部件中，因為注塑過程中壓力并不是通過螺桿來施加的，而是通過鎖模來實現(xiàn)的。因而模腔內(nèi)的壓力是均勻的，并且塑料熔體能夠幾乎沒有應(yīng)力的被冷卻，從而得到一種具有均勻微結(jié)構(gòu)的部件。
跟標(biāo)準(zhǔn)的注塑成型方法一樣，該方法的塑料熔體填充過程也是在閉合的模具中完成的。在膨脹階段，可能鎖模力逐漸降低的模具通過螺桿被打開到一個限定且可精確重復(fù)的位置。該位置控制所能達(dá)到的精度是能成產(chǎn)出壁厚具有重現(xiàn)性的部件的一個關(guān)鍵因素。壓縮過程將模具的壓縮型芯移到壓縮位置。
當(dāng)?shù)竭_(dá)該位置時(直接在模具上進(jìn)行測量)，壓縮過程就開始了，同時填充過程立即停止。壓縮和保壓階段由一個多階段的鎖模力/壓縮力分布所組成。
膨脹壓縮模塑和注射-壓縮模塑都能通過壓縮模具的型芯而不是機(jī)器的鎖模單元來改變壓縮比例。然而這僅有在部件需要部分壓縮的情況下才有意義。依賴于注塑模塑機(jī)械鎖模單元的概念，然而壓縮過程也可能僅通過型芯來完成。完全的液壓拉桿鎖模單元給用戶提供了最靈活的選擇。
具有三維問題領(lǐng)域的工藝控制
在光學(xué)部件的生產(chǎn)過程中，必須對三維問題領(lǐng)域進(jìn)行管理：必須將部件的幾何、表面及光學(xué)性能列入到所需產(chǎn)品的質(zhì)量評定中。這需要精確的過程控制，即推測已知的模具內(nèi)的熔體狀態(tài)和所存在的過程。作這些推測需要具有型腔壓力方面的知識。因為型腔壓力精確地反映了注塑成型期間的填充、壓縮和保壓階段，這些信息在過程優(yōu)化期間和加工及質(zhì)量監(jiān)控都是有幫助的。
在理想化的免保壓注塑模塑中，理論上模腔是被等溫填充的，熔體被壓縮然后被等容冷卻，這就意味著在這個階段特定的體積是保持不變的(圖1所示)。然而，這樣一個填充操作將需要極高的壓力，這不一定是可能實現(xiàn)的， 因為該方法會施加應(yīng)力到模具和機(jī)器上。
經(jīng)典的pvT圖示闡明了實際的加工過程(具有保壓階段的生產(chǎn)) (圖2所示):
(1) 在注射階段(1-2)，壓力在溫度幾乎保持不變(等溫)下增加。
(2) 在定容填充模腔的充填階段結(jié)束后，就開始壓縮階段。熔體被壓縮以確保生產(chǎn)的部件形狀具有一定的重現(xiàn)性。
(3) 一達(dá)到最大模腔壓力，保壓階段就開始運行。其通過補充更多的材料補償聚合物的高溫收縮。也就是說部件體積的縮減是由于溫度的降低而引起的。
(4) 熔體在澆口區(qū)域處(密封點)的固化。逐步產(chǎn)生的熱收縮為模腔內(nèi)的壓力降低到環(huán)境壓力(5)提供了可能。該階段(4-5)是等容的。
(5) 模腔內(nèi)部壓力一達(dá)到環(huán)境壓力，收縮過程就開始。
(6) 部件溫度降到環(huán)境溫度。在(5-6)階段的特定體積改變對應(yīng)于加工收縮。
重要的是在注射模塑過程中，壓力是由螺桿通過澆口逐點發(fā)射到部件上的。冷卻效應(yīng)使部件的外層流路方向凝固。這導(dǎo)致在壓縮和保壓階段在部件內(nèi)產(chǎn)生一個壓力梯度，這導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。
重要的是作為一個二維描述的pvT圖示實際上僅給出了點的信息。那就意味著其并沒有描述部件內(nèi)沿流路方向的壓力狀態(tài)。然而對光學(xué)部件而言，沿其流路方向的內(nèi)部性能穩(wěn)定性對其質(zhì)量是很重要的。這樣不會誘導(dǎo)內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。
為了確定部件的實際情況，pvT圖示必須圍繞流路被延伸到三維圖(圖3所示)。只有這樣才能解釋在標(biāo)準(zhǔn)注塑成型中，在部件內(nèi)部存在非均相的壓力狀態(tài)，從而導(dǎo)致了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。螺桿通過澆口逐點保壓來補償部件的收縮，這使得沿流路的每一點處于不同的pvT狀態(tài)。在三維圖示中，以一個面來代表加工曲線，并用于沿流路壓力減小、溫度降低的標(biāo)準(zhǔn)加工的描述。
作為膨脹壓縮模塑的例子，理想的加工以一個等溫填充階段(1-2)運行，然后融入到膨脹階段(2)。在這個階段，模腔內(nèi)壓力達(dá)到最大值，并且該過程被恒壓控制。在(4)中，壓縮階段也是以恒壓的方式開始的。從(5)開始，該過程又是等壓的，直到模腔壓力降到環(huán)境壓力或冷卻環(huán)境溫度(7)之下為止。在等壓過程控制期間，該工藝流程是一個壓力沿整個流路保持不變的平面。
從模腔被完全填滿開始，該工藝按與標(biāo)準(zhǔn)注塑成型的充填階段(1-2)相似的模式運行。由于沿流路的流動阻力增加，在注塑階段整個流路不能以常壓的方式來進(jìn)行壓縮。當(dāng)加工由標(biāo)準(zhǔn)工藝轉(zhuǎn)入到更高壓力的壓縮階段時，在壓縮期間壓力保持不變(pvT圖示中的3-5階段)。注射-壓縮模塑期間沿流路方向的壓力降是通過運用大面積的壓力來進(jìn)行補償?shù)?。因而為在模壓階段達(dá)到等壓控制的壓縮沖程的目標(biāo)得以實現(xiàn)。
跟在標(biāo)準(zhǔn)注射模塑中的理想加工流動一樣，這種理想化的流動也不能徹底的實現(xiàn)。那是由于部件外層的部分凝固而導(dǎo)致的。因而通常難以實現(xiàn)圖中所描述的實際流動狀態(tài)。
工藝優(yōu)化步驟
光學(xué)部件壓縮生產(chǎn)的pvT圖示顯示了工藝控制的基本過程，并在這里用于解釋膨脹-壓縮模塑工藝。在模腔被填滿之后，必須對壓縮柱塞的注射壓力和力進(jìn)行優(yōu)化以使腔內(nèi)的為一常數(shù)值。轉(zhuǎn)到壓縮生產(chǎn)工藝后，注射壓力和力必須又被設(shè)定到腔內(nèi)的常數(shù)壓力值。如果腔內(nèi)壓力不能達(dá)到常數(shù)值，部件的光學(xué)性能就會降低。對優(yōu)化工藝控制來講，在光學(xué)部件的生產(chǎn)過程中測定模腔內(nèi)的壓力是必備的。此外，測定這個工藝參數(shù)可使優(yōu)化該復(fù)雜的工藝變得簡單得多。
在優(yōu)化階段，不同的腔內(nèi)壓力曲線被記錄下來(圖5所示)：其中最上面的圖顯示的是優(yōu)化后的曲線。而在中間的圖則表示膨脹階段腔內(nèi)的壓力急劇降低。在這個階段，作用在柱塞上的力太小，材料之間發(fā)生替換。必須增加該力到與腔內(nèi)壓力相當(dāng)?shù)囊粋€常數(shù)值。圖5底部的圖則顯示腔內(nèi)的壓力由于在壓縮階段沒有對材料的收縮進(jìn)行補償而如何劇降的。更高的壓縮力對該工藝更有利。
除了壓力和力太小以外，腔內(nèi)壓力曲線也顯示力太大或者注射、膨脹和壓縮階段之間的過渡不當(dāng)。該曲線也提供了對優(yōu)化測量有利的詳細(xì)信息。
腔內(nèi)壓力的非接觸式測量
顯而易見的是，在光學(xué)部件的可見或者功能區(qū)不能有任何痕跡或者瑕疵。這就使得難以用傳統(tǒng)的傳感器來測定壓力，因為它們是通過部件的表面來測定腔內(nèi)的壓力，從而可能會使部件產(chǎn)生壓縮。一種可能的補救措施是制造更大尺寸的部件，從而使測量點偏移到部件的邊緣區(qū)域(所需用到的部件的光學(xué)區(qū)域之外)。測量以后再用機(jī)械方法除去部件上多余的部分。但該方法并沒有得到采納，因為這會增加成本并降低(破壞)生產(chǎn)效率。
在腔內(nèi)壓力的非接觸式測量方面，位于瑞士溫特圖爾市的奇石樂儀器股份公司已經(jīng)開發(fā)出專用的銷釘式測量傳感器，并與位于德國慕尼黑的克勞斯瑪菲塑料技術(shù)有限公司在一個用于棱鏡生產(chǎn)的注射-壓縮裝置上成功實現(xiàn)了這一構(gòu)想。該新型的傳感器被整合到模具中，并被安放在模腔壁后面或壓縮柱塞上，以此測量由模腔內(nèi)壓力對鋼材的壓縮。這種測量方法的建立使得在一個雙腔測試模具中利用兩個測量銷釘感應(yīng)器快速和便利地優(yōu)化工藝控制成為可能。在生產(chǎn)過程中，棱鏡的質(zhì)量是依靠腔內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)控的。
圖6所示分別為膨脹壓縮模塑腔內(nèi)壓力曲線(棕色)、螺桿前部壓力(黑色)和壓縮柱塞處的壓力(紅色)。在注射階段，模腔內(nèi)壓力一直增加直到其被填滿為止。然后腔內(nèi)的壓力由于保壓壓力和膨脹力的作用而被建立起來。從pvT圖上來看，該壓力保持一常數(shù)值。壓縮階段開始，緊接著是最終的脫模階段。
在成型的早期階段對質(zhì)量缺陷進(jìn)行識別
注射-壓縮成型已被證明是一種適用于光學(xué)部件生產(chǎn)的生產(chǎn)工藝。許多參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量有顯著影響，并只有腔內(nèi)壓力已知的情況下這些參數(shù)的變化才能被追蹤并被控制。在注射模塑期間，腔內(nèi)的壓力是壓縮力或鎖模力隨時間變化的函數(shù)。
無需通過對部件的光學(xué)性能進(jìn)行復(fù)雜的測試，而通過測定腔內(nèi)的壓力來對工藝進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控就能提供早期的部件性能信息。因此在生產(chǎn)車間不需要在產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷被檢測出來之前不必要花費較長的時間來生產(chǎn)次品。
上述結(jié)果已由一系列不同的實驗所驗證。這說明在光學(xué)部件的生產(chǎn)過程中，沿流路通路的pvT圖示，三維pvT圖示適于作為質(zhì)量監(jiān)控的參考曲線。在重新開始模塑時，參考曲線也具有使儀器能更快地達(dá)到優(yōu)化工作狀態(tài)的優(yōu)勢。
因而決定性的因素是模塑試驗和隨后的模塑優(yōu)化階段。確定理想的基本工藝需要經(jīng)典的模腔壓力測定。只有當(dāng)實現(xiàn)合理的工藝流程，部件才能受到了上述的光學(xué)性能測試。在使部件質(zhì)量達(dá)到所需要求的同時，參考曲線也使生產(chǎn)監(jiān)控-因而質(zhì)量監(jiān)控成為可能。