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眼镜、相机和汽车前照灯等光学塑料部件在我们的日常生活中发挥着重要的作用。为了尽可能提高光学塑料的加工质量,ENGEL公司多年来一直进行着深入的研究。首先来看看智能手机行业的发展。自从这些多功能设备问世以来,相机的性能不断提升。照片越来越清晰,光照补偿也越来越好。2000年代初,第一款带摄像头的手机的传感器分辨率在30万像素范围内,而目前领先的智能手机制造商已推出了上亿像素的手机。此外,手机摄像头模块的数量正在稳步增加,从而可以通过软件具备的图像组合功能来进一步提高照片质量。由于单个摄像头模块又由多个光学镜头组成,因此这些微型部件质量的重要性显而易见。
随着一代代设备的增强,用智能手机拍摄的照片的质量不断提高,
而这也进一步提高了对塑料光学镜片的要求(© iStock)
高性能透明塑料——尤其是聚碳酸酯(PC)和环烯烃共聚物(COC)已在该细分市场成功取代了玻璃。关键原因是它们具有更轻的重量、更少的加工能源投入以及更低的制造成本。此外,极其精细复杂的结构也可通过注塑成型进行再现。
在光学镜片的制造过程中,主要存在两种产生缺陷的风险:
◆ 首先,镜片表面可能出现条痕或其他缺陷;
◆ 其次,镜片体积可能造成空洞等微小缺陷的产生。
虽然在标准的注塑成型过程中,空洞的形成可以通过优化工艺控制来避免,但其他微小缺陷可能会给用户带来更大的问题。其中特别严重的缺陷之一是所谓的“微孔”,即小于20μm的微缺陷,它们无法通过传统的光学显微镜检查发现。因此,ENGEL首先得找到针对此类缺陷的可靠测量方法并进行评估,然后才能对注塑工艺进行优化。
发现最微小的缺陷
具有更高光敏度的更高分辨率传感器和可用于极广数码变焦范围的相机模块的发展趋势,将可接受缺陷的尺寸减少到了人眼不可见甚至是显微镜不可见的范围内。为了发现这些缺陷,需要用到特殊的测量方法,其中光学相干断层扫描(OCT)技术在分辨率和测量时间方面都极具发展前景。
OCT能够提供有机材料和无机材料的高分辨率二维和三维图像,因此被视为等同于超声波测量的光学测量方法。借助白光干涉仪,它能够利用参考光束和样品散射光之间的干涉来创建深度剖面(图1)。光源(LS)通过分光镜(BS)形成了参考光束(RB)和射向样品的光束。通过检测器(CCD)上的衍射光栅(G)进行光谱分离之后,两道光束之间的干涉被检测到。根据所用光源的不同,1μm的纵向分辨率和0.5μm的横向分辨率都是有可能实现的。
图1:光学相干断层扫描(OCT)能够提供光散射样品微米级分辨率的二维和三维图像
(来源:德累斯顿工业大学;图:© Hanser)
OCT分析也有其自身问题。其中最大的挑战是所谓的“斑点”,它们因样品不可避免的前向散射而产生。它们在生成的图像上显示为白点,与所寻找的微孔非常相似。基于无损检测研究中心有限公司(Research Center for Non Destructive Testing GmbH)的初步研究,ENGEL与奥地利的约翰内斯开普勒林茨大学聚合物注塑成型技术和工艺自动化研究所共同制定了一个能够有效区分斑点和微孔的评估程序。只有通过该程序,智能手机摄像头的微孔问题才能被量化。
通过对随机抽取的镜片进行OCT测量(图2),我们可以在图片中央看到镜片的横截面。为了使微孔可见并可计数,体积扫描分层进行(图2中)。通过算法的应用,我们能够识别并去除斑点,最终发现微孔本身(图2右)。
图2:OCT测量的体绘图(左)——测量宽度:3mm,这个宽度足以识别镜片横截面。XY层也由此而来。
右图为去斑后的微孔 ©ENGEL
通过OCT测量和相应的评估算法相结合可以确定,尽管传统方式生产的智能手机摄像头在光学显微镜下看起来完美无瑕,其中却遍布着直径为10-20μm的微孔。测试过程中发现每个镜片都有1000多个微孔。
可定制的塑化是关键
微孔是气体造成的。尽管经过精心的材料调整和喂料,该问题仍然会在工艺中出现。可以明确的原因有两个:
首先是未溶解的较大气体夹杂物的分布,其次是较小孔隙的聚集。因此,开发工作的目标是找到排出熔体中气体的方法或防止气体夹杂的方法。
在传统的注塑成型过程中,即便是塑化前后的压力释放也无法提供足够的灵活性来消除熔体中存在的气体。根据亨利定律,作用在塑料熔体上的压力与可溶解其中的气体量直接相关。因此,为了避免形成微缺陷,在加工过程中通过合理的工艺和压力管理来消除气体是显而易见的一步。其目的是创造更多对熔体施加压力的可能性。由于大量不同的材料和客户生产条件的差异,塑化工艺需进行高度定制。
图3:流程图:除了通过螺杆轴向前进产生背压(通过螺杆位置变化产生背压,左),压力还可以通过螺杆旋转产生
(通过螺杆旋转产生背压,右)(来源:ENGEL;图:© Hanser)
optimelt sequence软件就是研发工作的成果,它为塑化工艺的扩展提供了多种新模块。在第一个扩展阶段,该软件提供了定制机器程序的模块。其核心元素是可自由配置的塑化程序,该程序可作为附加程序编入流程。其中,塑化、用来关闭主动关闭止逆阀(型号:Smart-Shut)的螺杆反转动作或压力释放等步骤都被编入。施加背压的方法有两种。这种加压方式可以任意调整加压水平、持续时间和开始时间。
熔体压缩的可变性
除了通过螺杆轴向前进产生背压(通过螺杆位置变化产生背压),压力还可以通过螺杆旋转产生(通过螺杆旋转产生背压)(图3)。在通过螺杆位置变化产生背压的情况下,轴向行程发生了变化;而在通过螺杆旋转产生背压的情况下,螺杆是轴向固定的。值得注意的是,这些流程程序仅用作范例。它们极大地简化了实际程序,并且这个范例只是这些模块可以如何应用的多种可能性之一。借助模块化系统,用户可以根据需要灵活设计和调整流程。
图4:这些数字代表了各种情况下从每个镜片上检测到的微孔数量。该图清晰地表明,
利用optimelt sequence额外的压力应用可显著减少微孔数量(来源:ENGEL;图:© Hanser)
通过螺杆旋转产生背压的准确度需要重点关注。在这种压力产生过程中的流动过程是多样化的,经过简单思考就能想到,流向进料段的压力流与流向螺杆前端空间的阻力流的方向相对,这还没有考虑到经过螺纹的漏流和止逆环的作用。但是,ENGEL生产的电动注射单元能够在任意时间段内将背压保持在设定值±1%的范围内。optimelt sequence软件目前可用于电动注射单元。
微孔数量显著减少
该软件在光学镜片注塑成型过程中的优势已通过多个系列实验进行了研究。OCT分析已经证实,根据特定要求调整压力管理可显著减少微孔的数量。如图4所示,研发人员对各种情况下每个周期(每模)的镜片都进行了表征。各个柱形条表示不同的工艺参数,例如:加压水平和持续时间以及熔体加工过程中的时间点。这些数字代表了各种情况下从每个镜片上检测到的微孔数量。该图清晰地表明,利用optimelt sequence实现的额外的压力应用可显著减少微孔数量。软件带来的可变性实现了工艺和应用方面的更多优化。
图5:通过利用optimelt sequence,塑料镜片的微缺陷显著减少(右)。
左侧OCT截面中的镜片通过标准注塑成型工艺生产 ©ENGEL
为了更好地理解纯数字表征的实际意义,我们回到实践中(图5)。在OCT测量的层中,我们可以通过白点清晰地辨别出微缺陷。左图所示为通过标准注塑成型工艺生产的镜片,而右图则是通过新软件定制的流程来制造的镜片。
光导部件和机械受力部件的前景
由于缺陷的减少有助于光学性能的提升,因此除了智能手机之外,新软件还为制造透明塑料光学产品(例如:医疗技术领域)打开了巨大的潜力。ENGEL正在评估该技术在其他领域的应用,该技术整体上有助于改善注塑件的内部结构。光导结构件、厚壁透镜以及抬头显示器等其他应用也正在研究之中。特别在光导产品的应用中,因为光必须在产品内通过较长的距离,因此减少微缺陷可以带来显著的改进,例如:它有可能减少很难解决的导光条上的蓝光损耗。
optimelt sequence的另一个潜在应用是机械受力部件。在循环载荷作用下,裂纹通常从材料最小的缺陷处开始扩展。减少这些缺陷即可相应地提高疲劳强度。
本文翻译自KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
作者:Clemens Kastner,Norbert Müller
来源:荣格-《国际塑料商情》
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