[發明專利]聚合物復雜形面光學器件精密注塑成型方法及裝置

有效

• 申請號: 201710384687.7
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107310092B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 張楠;張皓洋;房豐洲
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B29C45/00
• 分類號: B29C45/00;B29C45/17;B29C45/78;B29C45/73;B29L11/00
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明屬于先進制造和光學制造中的精密光學注塑領域，針對由厚度、面形等因素導致的體積收縮大、面形精度低和殘余應力顯著等問題，為實現高面形精度、低殘余應力聚合物光學器件的注塑成型。本發明，聚合物復雜形面光學器件精密注塑成型方法及裝置，由注塑機、模具、基于面形的多段變模溫輔助成型系統和模內微動校形輔助成型系統組成。其中，基于面形的多段變模溫輔助成型系統由變模溫電源模塊、變模溫控制模塊、加熱元件、隔熱元件、冷卻水路和變模溫傳感模塊實現，用于在充填和保壓階段，使模面溫度高于材料玻璃態轉變溫度或接近材料熔融溫度；之后逐漸降低模具溫度至材料粘彈態溫度，實現特征復制。本發明主要應用于光學注塑場合。

技術領域

本發明屬于先進制造和光學制造中的精密光學注塑領域，特別是適用于復雜形面和厚壁聚合物光學器件注塑成型加工。

背景技術

激光打印機中的f-theta掃描透鏡、虛擬現實眼鏡中的投影棱鏡等厚壁復雜形面光學鏡片和光場相機中的微透鏡陣列等典型光學器件都是光電產品的關鍵成像元器件。微透鏡陣列在機器人探測、微型飛行器系統、勻光和均勻成像等領域都有著廣泛的應用。近年來非球面及自由曲面光學等已引起學者們的廣泛關注。盡管不同應用領域中光學器件的設計各不相同，但它們具有本質上的共同點，就是形面復雜及壁厚不均。

對于復雜形面光學器件來說，厚度不均勻易導致加工過程中冷卻不均勻。不均勻冷卻會導致不均勻收縮，進而形成較大的殘余應力、較低的面形精度并限制了有效的成像區域。為克服這一難題，國內外學者對其面形精度、殘余應力及成像品質等進行了大量實驗和理論研究。目前，保證面形精度的主要控制方法有精密模仁補償與調整、注塑工藝優化、采用注塑壓縮成型工藝等。常用控制殘余應力的方法有變模溫技術和退火等。盡管精密模仁補償可一定程度上減小面形誤差，但其重建及擬合困難，工藝穩定性不高，往往補償效果并不顯著。工藝優化可改善面形精度并減小殘余應力，但影響因素眾多，且當面形精度達到一定程度時，很難再有所改進。注塑壓縮工藝有利于成型低內應力、高尺寸精度的薄壁光學器件，但會存在壓縮過程中壓力傳遞不均勻的情況，進而影響光學器件密度和折射率的均勻性，造成較大殘余應力和雙折射現象。此外，傳統的注塑壓縮工藝運動控制精度較低，無法滿足精密光學器件厚度工差要求。變模溫輔助成型和退火后處理有利于去除殘余應力和雙折射。目前，傳統變模溫系統冷卻加熱一般采用同一套冷卻及加熱水道，其模面溫度均勻性、樣品的冷卻均勻性均不能得到很好的控制，無法在保證面形條件下，顯著減小甚至消除殘余應力。退火雖可消除應力，但處理時間長，殘余應力釋放會顯著影響面形精度。從文獻中還可以發現，目前光學器件精密注塑成型主要針對平凸球面透鏡，對非球面及自由曲面等復雜形面研究較少。隨著復雜形面在成像、照明和聚光等領域的廣泛應用，復雜形面精密及超精密成型技術成為了研究前沿。由此可見，復雜形面光學器件，甚至是自由曲面光學器件的精密及超精密注塑成型技術極具挑戰性，其方法及基礎研究對光學產業的發展具有重要的意義及應用價值。

發明內容

為克服現有技術的不足，本發明旨在提出一種對于復雜形面聚合物光學器件的精密及超精密注塑成型方法，針對由厚度、面形等因素導致的體積收縮大、面形精度低和殘余應力顯著等問題，實現高面形精度、低殘余應力聚合物光學器件的注塑成型。本發明采用的技術方案是，聚合物復雜形面光學器件精密注塑成型裝置，由注塑機、模具、基于面形的變模溫輔助成型系統和模內微動校形輔助成型系統組成。其中，基于面形的變模溫輔助成型系統由變模溫電源模塊、變模溫控制模塊、加熱元件、隔熱元件、冷卻水路和變模溫傳感模塊實現，用于在充填和保壓階段，使模面溫度高于材料玻璃態轉變溫度或接近材料熔融溫度，減小聚合物注入模具時由于壁面剪切所引發的分子鏈取向，進而減小流動引發的殘余應力；之后逐漸降低模具溫度至材料粘彈態溫度，與微動壓縮相配合，實現特征復制；