注射成型中LED非球面透镜折射率变化的优化仿真

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Optimized Simulation of LED Aspherie LensRefractiveIndex Variety in Injection MoldingLUO Jia-sheng，DU Yao-xue，LI Ting(School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuyi University，Jiangmen 529020，China)Abstract：Sumipex HT55X polymethyl methacrylate was selected as the experiment lens material andLED aspheric lens was chosen as the simulation mode1.The simulation of LED lensrefractive indexvariety in injection molding was executed by the mold flow analysis software Mold Flow.Adopting theL16(4 )orthogonal experiment array，the efect of the five factors of mold temperatures，meltingtemperatures，holding pressure，holding time，and cooling time among the molding parameters on LEDlens refractive index variety was studied.The results show that：1)the holding pressure is theprincipal factor afecting the refractive index variety of LED lens，followed by cooling time，holdingtime，mold temperature，and melting temperature in a descending order；the optimum combinations ofprocessing parameters were as follows：molding temperature at 70℃，melting temperature at 260℃ ，holding pressure at 90 MPa，holding time at 1 0 S，cooling time at 1 4 S，and the average refractive收稿 日期 ：2013-03-12基金项目：广东省自然科学基金资助项目 ($2011010000411)作者简介：罗家胜 (1986- )，男，广东广州人，在读硕士生，从事机械设计及优化仿真分析研究；杜遥雪，教授，博士。硕士生导师，通信作者，从事模具CAD/CAM/CAE和聚合物加工研究。

第27卷 第 3期 罗家胜等：注射成型中LED非球面透镜折射率变化的优化仿真 47index variety at 0.0068；21 when the pressure was 50 MPa to 70 MPa，the lensrefractive indexvariety increased along with the rise of holding pressure；when the pressure was 70 MPa to 90 MPa，the lensrefractive index variety decreased along with the holding pressureS raise；when the pressurewas 90 MPa to l 20 MPa，the lensrefractive index variety did not change greatly；3)with high holdingpressure and increasing cooling time appropriately，the lenswarping distortion and volume shrinkagedecreased，and the inner remaining stress was improved，thus decreasing the LED lensrefractiveindex variety and enhancing its optical properties。

Key woTds：LED aspheric lens；injection molding；refractive index variety相对于球面透镜，非球面透镜具有独特的优势，如曲率半径随中心轴而变化 ，可用以改进光学品质、减少光学元件 、降低设计成本，它在数码相机、CD播放器、高端显微仪器等方面应用广泛.塑料光学元件的注射技术是项复杂的系统工程，为了获得亚微米的面形精度和纳米级的表面粗糙度，注射过程需要克服体积收缩、塑流线、应力双折射以及变形等工艺缺陷1.折射率是分析应力双折射工艺缺陷的重要指标，也是衡量LED透镜纯度和质量稳定性的重要指标，-般地 ，透镜的折射率变化越小，其光学性能越好 ，透镜的成型精度也越高.注射成型中，透镜内部的残余应力使透镜呈现出各向异性的特征，当光线穿过透镜时，平行于光的传播方向的偏振光波与垂直于光的传播方向的偏振光波在穿过制品后产生相位移；如果射人光学元件的光为偏振光 ，或穿过-个光学元件的光还需要穿过另外-个光学元件，偏振光会在传播的过程中出现光波的叠加或抵消，使光线在亮度上相互消长 ，产生明暗相间的干涉条纹 ，严重影响光学元件的成像效果.因此，透镜内部残余应力的存在是LED透镜产生折射率变化的主要原因。

在 LED非球面透镜的注射成型中，注射的温度、压力、时间以及保压的压力、时间和模具温度等工艺条件的选择是关键2-1.为研究注射成型工艺参数对 LED 非球面透镜折射率变化的影响，本文以LED非球面透镜折射率的变化作为质量目标，采用 CAE软件 Mold Flow翘曲拈中的 3D网格双折射分析”功能研究了成型参数中模具温度、熔体温度、保压压力、保压时间、冷却时间等 5个因素对透镜折射率变化的影响，找到了其中的关键因素，并得到了-组实验优化的工艺参数。

1 有限元模型选取已经设计好的 LED非球面透镜三维模型，主要尺寸为：大圆外径 16 mm，高 8.5 mm.将模型转为 STL格式后导入 MPI 6.1中并进行 3D网格划分，共有 139 054个四面体单元.采用单型腔分析，浇口采用矩形浇口，始端宽2 mm，始端高 1.5 mm，末端宽 3 mm，末端高 0.8 mm.图1是有 限元模 型。

2 材料及方法图 1 有限元模型2.1 实验材料采用 Sumitomo Chemical Company公司型号为 Sumipex HT55X的聚甲基丙烯酸甲脂 (PMMA)五邑大学学报 (自然科学版 ) 2013经为 LED非球面透镜材料.其推荐注塑参数 ：模具温度 60-80℃、熔体温度 220-260℃，制件顶出温度 9l℃，最大剪切应力 0.4 MPa，最大剪切速度 40 000 s～，未取向材料的折射率为 1.49，应力光学系数为-4.6Brewstor。

2.2 实验设计在正交实验 中，选取模具温度 (A)、熔体温度 (B)、保压压力 (C)、保压时间 (D)、冷却时间 (E)5个关键成型工艺参数作为实验因子，各实验因子选取 4个水平，参数水平设计如表 1所示.根据工艺参数和参数水平的数量选择 Ll6(4 )的正交实验表 ，所得的仿真数据结果如表 2所示。

衰 1 控制因子与水平表 2 实验正交矩阵与实验结果注：1，2，3，4分别代表 4个水平； 是某个工艺参数第f个水平下的质量 目标的平均值，如 K。(z。Z2z3z.)/40.023 7，其他质量目标平均值计算类似；R代表某个工艺参数影响下质量目标的g-t；z代表实验号为f的质量 目标结果，在 MPI软件选择结果菜单下的新建图工具。然后在弹出窗口的可用结果下选择 翘曲之后折射率中的更改”，得出LED非球面透镜折射率变化量三维云图，取其平均值作为质量目标结果；P为排序。

第27卷 第 3期 罗家胜等：注射成型中LED非球面透镜折射率变化的优化仿真 49在浇口冷凝之前，保压压力对塑件收缩率的大型分布都会产生影响.-般来说 ，保压压力持续到浇口凝固后即可停止，保压时间过长会造成能源浪费，保压时间过短会造成型腔内的压力大于流道内的压力而产生逆流现象，使塑件表面产生凹陷和残余应力[51.采用单因素仿真，改变保压压力值 ，其他工艺参数不变，研究保压压力对 LED非球面透镜折射率变化的影响，具体如表 3所示。

表 3 保压压力变化的单因素仿真实验 号 A/'C B/'C C/MPa D/s E/s Z3 结果分析由表 2知各参数对 LED非球面透镜折射率变化的影响程度为：保压压力>冷却时间>保压时间>模具温度>熔体温度.对试验结果进行因素方差分析和直观分析的结果见表 4，从表 4的贡献率可以看出，影响 LED非球面透镜折射率变化的主要因素为保压压力、冷却时间和保压时间，模具温度和熔体温度的影响较小。

表 4 折射率变化的方差分析表图 2为 5个因素与折射率变化的关系图，从图可以看出，保压压力对制品的折射率影响最大，保压压力越大，制品折射率的变化就越小.原因是，高的保压压力可通过压缩熔体来补偿熔体随温度下降而产生的收缩，使制品内部残余应力减小 ，从而减小折射率的变化.由图 2，最小折射率变化的工艺参数组合为 A2B4C4D3E4，即模具温度 70℃、熔体温度 260℃、保压压力 90MPa、参数因子图 2 因素与折射率变化的关系图8 4 2 l 9 8 2 9 5 5 0 l 4 6 3 2 m H 盯 ：兮O 0 O O 0 O O O O 0 O O O O O O ∞ ∞ ∞ 如 ∞ m 加O 0 0 0 O O O O m m m mi 1 l