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光學工程
非球面光學零件塑料成型技術
      光學塑料成型技術是當前制造塑料非球面光學零件的先進技術,它包括注射成型、鑄造成型和壓制成型等技術。光學塑料注射成型技術主要用來批量生產直徑為100毫米以下的非球面透鏡光學零件,也可制造微型透鏡陣列。而鑄造和壓制成型技術主要用于制造直徑為100毫米以上的非球面透鏡光學零件。
     塑料非球面光學零件由于具有重量輕、成本低,光學零件和安裝部件可以注塑成為一個整體從而節省裝配工作量,以及耐沖擊性能好等優點,在軍事、攝影、醫學、工業等領域有著非常廣闊的應用前景。例如,在美國AN/AVS-6型飛行員微光夜視眼鏡中就采用了9塊非球面塑料透鏡。另外,在AN/PVS-7步兵微光夜視眼鏡、HOT夜視眼鏡、“銅斑蛇”激光制導炮彈導引頭和其他光電制導導引頭、激光測距機、軍用望遠鏡以及各種照相機的取景器中也都采用了非球面塑料透鏡。美國TBE公司在制造某種末制導自動導引頭用非球面光學零件時,曾對幾種光學塑料透鏡成型技術做過經濟分析對比,認為采用注射成型技術制造非球面塑料光學透鏡費效比最佳。 
注射成型技術
     注射成型法是將經過加熱成為流體的定量的光學塑料注射到不銹鋼模具中,在加熱加壓條件下成型,后經冷卻固化后,打開模具便可獲得所需要的光學塑料零件的一種非球面光學塑料透鏡加工技術。該技術的關鍵環節是模具,由于光學塑料模壓成型的工作溫度要求較低,所以對模具的要求相對要比對玻璃模壓成型用模具的要求低一些。非球面模具超精密加工相當困難,通常加工都是首先在數控(NC)機床上將模具坯件面磨削成近似非球面,然后用范成精磨法逐步提高非球面的面形精度和表面粗糙度,最后再用拋光法加工成所要求的面形精度和表面粗糙度。然而,由于數控機床的加工精度較低,在模具加工過程中還需對模具反復地進行檢測和修改,逐步提高模具的精度,因而使模具的成本費用提高。為改變這種狀況,現在模具加工改用剛性好、分辨率高的計算機數控(CNC)超精密非球面加工機床和非球面均勻拋光機進行。首先用計算機數控超精密非球面加工機床,將模坯加工成面形精度達±0.1微米的非球面,然后用拋光機在保持非球面面形精度不變的條件下均勻地進行輕拋光,大約拋去0.01微米的厚度,使模具表面的粗糙度得到提高。
下面介紹一種由日本人研究開發的澆口密封成型法高精度塑料光學透鏡注射成型技術。
1.澆口密封成型法的原理
     澆口密封成型法,是一種向加熱至樹脂轉化溫度以上的金屬模具中注射熔融的樹脂(注入量應是:冷卻結束后打開模具時的樹脂的壓力剛好等于大氣的壓力的量)后迅速將澆口密封,等溫度和壓力均勻后,在相對容積一定、溫度-壓力均勻條件下,緩緩冷卻至樹脂的熱變形溫度以下后,打開模具取出壓型成品的成型方法。
首先,以大約130兆帕的高壓將高溫熔融的樹脂注射到模具中,在高溫(T1)條件下將澆口密封。密封在模具中的樹脂壓力在均勻化的過程中降至30兆帕(此時的溫度為比樹脂轉化溫度高一些的某一溫度T2)。此時只要模具單體能夠保持其合模力就不要打開模穴,從樹脂注入開始,經過一定的時間后,就可從壓型機的合模裝置上將單體模具取下。單體模具經過緩緩冷卻后才能開模取出壓型成品。
     澆口密封成型法的關鍵問題在于注射到模具中的300℃左右高溫的熔融樹脂如何以130兆帕的壓力將澆口密封死。其作法是,在注射樹脂之前,先將一個小球放置到金屬模具的澆口部。當向模具中注射熔融樹脂時,小球受到樹脂的擠壓就會從澆口部向靠近模穴的一側移動,這時在澆口部通往模穴的地方就會出現間隙,被注射的熔融樹脂便可從此間隙中流入到模穴中。當注射成型機停止向模穴中高壓注射樹脂后,由于壓差的原因,注射的樹脂瞬間會發生逆流現象,澆口部的小球就會被這種逆流的樹脂又從靠近模穴的一側推向模具的澆口處。此時小球憑借高壓的樹脂所產生的擠壓力將模具澆口堵死,完成澆口密封工作。
2.澆口密封成型法的成型工序
    澆口密封成型法的成型工序分4步進行:
(1)加熱工序。由金屬模具的外部進行傳熱加熱。從成型品的取出溫度開始,到樹脂轉化溫度止,用很短的時間進行加熱升溫,并使熱度做到均勻化。
(2)成型工序。向模具的模穴內注射熔融樹脂,待放置在模具澆口部的小球將模具澆口密封后,對金屬模具進行保溫,使溫度、壓力達到均勻化。
(3)緩冷工序。利用自行保持合模力的機構,一邊維持和模狀態一邊把壓型模具從壓型機上取下來。采用自然空氣冷卻或是強制空氣冷卻的方式,以每分鐘1~2℃的速度,對取下的單體壓型模具徐徐冷卻降溫。
(4)取出工序。從壓型模具中取出成型品。由于壓型模具早已從壓型機上取下,這時只要取下自行保持合模力的機構就能打開型模取出成型品。由于模具內的樹脂的壓力相當于大氣的壓力,所以只要打開突出分型面的部分,不需要推出裝置成型品就能離模。
3.澆口密封成型法的特征
    澆口密封成型法的關鍵要素是金屬模具的溫度和注射充填條件(徐徐降溫冷卻結束時的樹脂壓力剛好等于大氣壓力的條件)。因此,即使是壓型形狀和體積不同的壓型品,也無需改變注射時和冷卻結束時的金屬模具的溫度,只要能充分地保證有足夠的時間使溫度·壓力能達到均勻化,并保持緩慢降溫冷卻的速度,根據模具的模穴容積注射充填樹脂,就能進行高精度地復制。所以,只要按照模具的模穴容積分別控制注射充填量,就可以進行不同壓型產品的混合生產。
      澆口密封成型法是一種高精度的光學塑料壓型技術,通過對使用該成型法制作出的非球面反射鏡的形狀的檢測,得到的結果是:在±100毫米范圍內,反射面的彎曲(起伏)度在4微米以下,成型品的精度很高。

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