光学部件的注塑成型

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在注射模塑光学部件的过程中，由于不能在其表面进行标注，因此模腔压力的测定就受到了限制。但为了使用这个重要的过程参数来进行质量监控，人们采用了一种使用特殊测量销钉的非接触式测量方法来测量空腔压力。将流路耦合到pvT图中来开发新的加工监视技术。
此处并未包含质量上高端的光学组件，正相反，恰好只能用最高的质量水平来生产实际应用的光学部件。就棱镜而言，不仅其几何形状和表面结构起到了重要作用，而且生产的重复性也会大大影响诸如内应力或分子取向之类的产品内部性能。因此就个例而言，要在生产过程中评定产品光学性能的话，仅靠检查部件的几何形状或者以肉眼来检查部件表面是不够的。进行光学性能测定就显得更为重要。例如用Shack-Hartmann传感器(SHS)测得的波阵面的扭曲度就可以作为一个判定结果。可用数学方法推演出更为重要的质量函数。
对诸如注射模塑的连续生产过程而言，我们很难用上述的方法来进行光学测试。毫无疑问，必须将灵敏的测试装置从外部来进行安置，这是非常耗时的过程。并且这个过程中我们需要长时间的等待，直到得到测试结果为止。这会延迟整个生产顺序，特别是在开始阶段更是如此。一般来讲，在上述的时间段内机器必须停止工作。考虑到长的生产周期和机器成本，生产出废品是不可接受的。
制造光学部件的加工变型
在光学部件的注射成型过程中，模塑过程不仅对其几何形状有影响，而且对部件的内部性能有至关重要的影响。有关部件质量的研究表明，如由注塑模塑改为注塑-压缩模塑仅能稍微增加部件几何尺寸的精度。然而其光学特性则大概能提高7个因子，因而仅通过测试几何参数来评估部件的光学性能是不够的。因此证明注塑-压缩模塑成型是用来加工光学部件的一个适合方法。在加压过程中，在压缩相后直接施加压力相。压力以一个等同于均相分布压力被施加到部件表面。作为与常规的注塑-压缩模塑相关的不同变型的例子，下文将介绍注塑-加压及膨胀-压缩模塑。
常规注塑-压缩模塑
与标准注塑模塑成型相比，注塑-压缩模塑允许模具的流路/壁厚比高达500:1。在光学部件的表面没有转换流痕是很重要的。因此一个循环中的每个独立的过程和运动必须连续贯通。
在填充阶段，模具仅打开少许。缝隙大小相当于压缩冲程的值。塑料熔体被注入模具后，压缩过程就以螺杆位置为函数而开始了。由于模具是打开的，因此在注塑过程中其内部压力降低甚至完全消失。压缩阶段是通过一个位置可调节的螺杆来开始的。在模腔被完全充满之前，塑料熔体沿流路的末端流动，并且被随后的压缩阶段压缩，这也补偿了塑料的收缩。
如果模腔在填充的末段阶段已被充填满，则压缩阶段直接开始。利用一些机器上的设置，在这个阶段塑料熔体也可以沿与螺杆施压相反的方向被压回塑化单元内。用这个方法，能生产出没有熔接痕或将其选择性地转移到部件边缘区域的对熔接痕要求高的部件(壁厚比SA/SI≥3的棱镜，如凹面镜或者负弯月散射透镜)。
膨胀-压缩模塑
利用锁模单元来实现的膨胀-压缩模塑更适宜于横截面处壁厚保持不变的部件的生产。该加工方法的优点是填充模塑后并未将应力引入到生产的部件中，因为注塑过程中压力并不是通过螺杆来施加的，而是通过锁模来实现的。因而模腔内的压力是均匀的，并且塑料熔体能够几乎没有应力的被冷却，从而得到一种具有均匀微结构的部件。
跟标准的注塑成型方法一样，该方法的塑料熔体填充过程也是在闭合的模具中完成的。在膨胀阶段，可能锁模力逐渐降低的模具通过螺杆被打开到一个限定且可精确重复的位置。该位置控制所能达到的精度是能成产出壁厚具有重现性的部件的一个关键因素。压缩过程将模具的压缩型芯移到压缩位置。
当到达该位置时(直接在模具上进行测量)，压缩过程就开始了，同时填充过程立即停止。压缩和保压阶段由一个多阶段的锁模力/压缩力分布所组成。
膨胀压缩模塑和注射-压缩模塑都能通过压缩模具的型芯而不是机器的锁模单元来改变压缩比例。然而这仅有在部件需要部分压缩的情况下才有意义。依赖于注塑模塑机械锁模单元的概念，然而压缩过程也可能仅通过型芯来完成。完全的液压拉杆锁模单元给用户提供了最灵活的选择。具有三维问题领域的工艺控制
在光学部件的生产过程中，必须对三维问题领域进行管理：必须将部件的几何、表面及光学性能列入到所需产品的质量评定中。这需要精确的过程控制，即推测已知的模具内的熔体状态和所存在的过程。作这些推测需要具有型腔压力方面的知识。因为型腔压力精确地反映了注塑成型期间的填充、压缩和保压阶段，这些信息在过程优化期间和加工及质量监控都是有帮助的。
在理想化的免保压注塑模塑中，理论上模腔是被等温填充的，熔体被压缩然后被等容冷却，这就意味着在这个阶段特定的体积是保持不变的(图1所示)。然而，这样一个填充操作将需要极高的压力，这不一定是可能实现的，因为该方法会施加应力到模具和机器上。
经典的pvT图示阐明了实际的加工过程(具有保压阶段的生产):
(1)在注射阶段(1-2)，压力在温度几乎保持不变(等温)下增加。
(2)在定容填充模腔的充填阶段结束后，就开始压缩阶段。熔体被压缩以确保生产的部件形状具有一定的重现性。
(3)一达到最大模腔压力，保压阶段就开始运行。其通过补充更多的材料补偿聚合物的高温收缩。也就是说部件体积的缩减是由于温度的降低而引起的。
(4)熔体在浇口区域处(密封点)的固化。逐步产生的热收缩为模腔内的压力降低到环境压力(5)提供了可能。该阶段(4-5)是等容的。
(5)模腔内部压力一达到环境压力，收缩过程就开始。
(6)部件温度降到环境温度。在(5-6)阶段的特定体积改变对应于加工收缩。
重要的是在注射模塑过程中，压力是由螺杆通过浇口逐点发射到部件上的。冷却效应使部件的外层流路方向凝固。这导致在压缩和保压阶段在部件内产生一个压力梯度，这导致了内应力的产生。
重要的是作为一个二维描述的pvT图示实际上仅给出了点的信息。那就意味着其并没有描述部件内沿流路方向的压力状态。然而对光学部件而言，沿其流路方向的内部性能稳定性对其质量是很重要的。这样不会诱导内部应力的产生。
为了确定部件的实际情况，pvT图示必须围绕流路被延伸到三维图(图3所示)。只有这样才能解释在标准注塑成型中，在部件内部存在非均相的压力状态，从而导致了内应力的产生。螺杆通过浇口逐点保压来补偿部件的收缩，这使得沿流路的每一点处于不同的pvT状态。在三维图示中，以一个面来代表加工曲线，并用于沿流路压力减小、温度降低的标准加工的描述。
作为膨胀压缩模塑的例子，理想的加工以一个等温填充阶段(1-2)运行，然后融入到膨胀阶段(2)。在这个阶段，模腔内压力达到最大值，并且该过程被恒压控制。在(4)中，压缩阶段也是以恒压的方式开始的。从(5)开始，该过程又是等压的，直到模腔压力降到环境压力或冷却环境温度(7)之下为止。在等压过程控制期间，该工艺流程是一个压力沿整个流路保持不变的平面。
从模腔被完全填满开始，该工艺按与标准注塑成型的充填阶段(1-2)相似的模式运行。由于沿流路的流动阻力增加，在注塑阶段整个流路不能以常压的方式来进行压缩。当加工由标准工艺转入到更高压力的压缩阶段时，在压缩期间压力保持不变(pvT图示中的3-5阶段)。注射-压缩模塑期间沿流路方向的压力降是通过运用大面积的压力来进行补偿的。因而为在模压阶段达到等压控制的压缩冲程的目标得以实现。
跟在标准注射模塑中的理想加工流动一样，这种理想化的流动也不能彻底的实现。那是由于部件外层的部分凝固而导致的。因而通常难以实现图中所描述的实际流动状态。
工艺优化步骤光学部件压缩生产的pvT图示显示了工艺控制的基本过程，并在这里用于解释膨胀-压缩模塑工艺。在模腔被填满之后，必须对压缩柱塞的注射压力和力进行优化以使腔内的为一常数值。转到压缩生产工艺后，注射压力和力必须又被设定到腔内的常数压力值。如果腔内压力不能达到常数值，部件的光学性能就会降低。对优化工艺控制来讲，在光学部件的生产过程中测定模腔内的压力是必备的。此外，测定这个工艺参数可使优化该复杂的工艺变得简单得多。
在优化阶段，不同的腔内压力曲线被记录下来(图5所示)：其中最上面的图显示的是优化后的曲线。而在中间的图则表示膨胀阶段腔内的压力急剧降低。在这个阶段，作用在柱塞上的力太小，材料之间发生替换。必须增加该力到与腔内压力相当的一个常数值。图5底部的图则显示腔内的压力由于在压缩阶段没有对材料的收缩进行补偿而如何剧降的。更高的压缩力对该工艺更有利。
除了压力和力太小以外，腔内压力曲线也显示力太大或者注射、膨胀和压缩阶段之间的过渡不当。该曲线也提供了对优化测量有利的详细信息。
腔内压力的非接触式测量
显而易见的是，在光学部件的可见或者功能区不能有任何痕迹或者瑕疵。这就使得难以用传统的传感器来测定压力，因为它们是通过部件的表面来测定腔内的压力，从而可能会使部件产生压缩。一种可能的补救措施是制造更大尺寸的部件，从而使测量点偏移到部件的边缘区域(所需用到的部件的光学区域之外)。测量以后再用机械方法除去部件上多余的部分。但该方法并没有得到采纳，因为这会增加成本并降低(破坏)生产效率。
在腔内压力的非接触式测量方面，位于瑞士温特图尔市的奇石乐仪器股份公司已经开发出专用的销钉式测量传感器，并与位于德国慕尼黑的克劳斯玛菲塑料技术有限公司在一个用于棱镜生产的注射-压缩装置上成功实现了这一构想。该新型的传感器被整合到模具中，并被安放在模腔壁后面或压缩柱塞上，以此测量由模腔内压力对钢材的压缩。这种测量方法的建立使得在一个双腔测试模具中利用两个测量销钉感应器快速和便利地优化工艺控制成为可能。在生产过程中，棱镜的质量是依靠腔内的压力进行监控的。
图6所示分别为膨胀压缩模塑腔内压力曲线(棕色)、螺杆前部压力(黑色)和压缩柱塞处的压力(红色)。在注射阶段，模腔内压力一直增加直到其被填满为止。然后腔内的压力由于保压压力和膨胀力的作用而被建立起来。从pvT图上来看，该压力保持一常数值。压缩阶段开始，紧接着是最终的脱模阶段。
在成型的早期阶段对质量缺陷进行识别
注射-压缩成型已被证明是一种适用于光学部件生产的生产工艺。许多参数对产品质量有显著影响，并只有腔内压力已知的情况下这些参数的变化才能被追踪并被控制。在注射模塑期间，腔内的压力是压缩力或锁模力随时间变化的函数。
无需通过对部件的光学性能进行复杂的测试，而通过测定腔内的压力来对工艺进行连续监控就能提供早期的部件性能信息。因此在生产车间不需要在产品的质量缺陷被检测出来之前不必要花费较长的时间来生产次品。
上述结果已由一系列不同的实验所验证。这说明在光学部件的生产过程中，“沿流路通路的pvT图示”，“三维pvT图示”适于作为质量监控的参考曲线。在重新开始模塑时，参考曲线也具有使仪器能更快地达到优化工作状态的优势。
因而决定性的因素是模塑试验和随后的模塑优化阶段。确定理想的基本工艺需要“经典”的模腔压力测定。只有当实现合理的工艺流程，部件才能受到了上述的光学性能测试。在使部件质量达到所需要求的同时，参考曲线也使生产监控－因而质量监控成为可能。
展望
因为参考曲线是合光学性能相关联的，可以想像将来能用模腔压力作为压缩工艺的一个控制参数。为了这个目的，当前的模腔压力(真实状态)跟踪参考曲线(给定点的模腔压力曲线)的轨迹。利用适合的控制策略，将来机器也有可能完全自动调节来开始生产。这就不需要手动优化过程，因为生产过程中只需要给定模腔内压力的最大允许值。