變模溫注壓成型對(duì)超薄導(dǎo)光板品質(zhì)的探析與實(shí)踐

殷素峰，阮育煌，阮鋒

(1.東莞理工學(xué)院城市學(xué)院，智能制造學(xué)院，廣東東莞 523419； 2.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，廣州 510641)

超薄導(dǎo)光板是手機(jī)背光源的重要零件，其功能是利用表面微特征將側(cè)置點(diǎn)光源均勻反射為面光源，其射出成型流長(zhǎng)厚度比L／T (L：流動(dòng)長(zhǎng)度；T：塑件厚度)往往大于150以上，需要采用專(zhuān)用的高速高壓成型工藝，射壓、射速可達(dá)300 MPa、1 000 mm／s以上。

超薄導(dǎo)光板注射成型在型腔近澆口與遠(yuǎn)澆口之間形成很大壓力差，使導(dǎo)光板近澆口處殘余應(yīng)力集中、脫模厚度常大于設(shè)計(jì)厚度、微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性相對(duì)較好，遠(yuǎn)澆口殘余應(yīng)力小、脫模厚度常小于設(shè)計(jì)厚度、微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性差。

張娜等[1]研究了導(dǎo)光板的注射壓縮成型缺陷對(duì)導(dǎo)光板性能的影響，認(rèn)為模具溫度和壓縮距離對(duì)導(dǎo)光板的性能影響較大。孫琦偉等[2]認(rèn)為模具溫度的升高，模內(nèi)不對(duì)稱(chēng)冷卻加劇，會(huì)使平板件的殘余應(yīng)力逐漸增大。王鑫等[3]認(rèn)為在變模溫條件下，流動(dòng)速率是微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性的關(guān)鍵因素，合適的模具溫度會(huì)提升微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)質(zhì)量。Li Jiquan等[4]研究認(rèn)為在較高模具高溫下模塑件中的剪切層厚度減小，并隨著填充壓力降低更為顯著。M. Sortino等[5]通過(guò)注塑壓縮工藝控制和參數(shù)優(yōu)化，提升了高深寬比幾何結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。李鍇等[6]研究了導(dǎo)光板微透鏡結(jié)構(gòu)尺寸及其加工方式對(duì)導(dǎo)光板光學(xué)性能及其成型質(zhì)量的影響。王鑫等[7]依據(jù)不同的復(fù)制程度特征指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)熔體溫度、進(jìn)膠流率和模具溫度對(duì)微透鏡特征陣列的復(fù)制程度影響較大。B. Fan等[8]通過(guò)分析光盤(pán)射出壓縮成型工藝，認(rèn)為熱殘余應(yīng)力對(duì)制品的光學(xué)性能有著很大影響。Y. B. Lee等[9]研究發(fā)現(xiàn)射出壓縮成型模具溫度與保壓壓力對(duì)光盤(pán)表層熱殘余應(yīng)力影響很大，而Su Lijuan等[10]研究發(fā)現(xiàn)制件內(nèi)部熱殘余應(yīng)力對(duì)制件的光學(xué)性能有顯著的影響。國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)主要集中在導(dǎo)光板注射成型中殘余應(yīng)力、微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性影響因素的研究，但對(duì)導(dǎo)光板注塑壓縮成型品質(zhì)缺陷綜合性分析比較少見(jiàn)。筆者通過(guò)超薄導(dǎo)光板注射和注壓成型對(duì)比，詳細(xì)分析了注壓成型工藝對(duì)導(dǎo)光板成型殘余應(yīng)力、制件厚度、微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性的影響，進(jìn)一步將變模溫技術(shù)與注壓成型相結(jié)合，極大展現(xiàn)了注壓成型工藝在改變超薄導(dǎo)光板綜合品質(zhì)的優(yōu)越性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 殘余應(yīng)力光學(xué)雙折射測(cè)量方法

由于殘余應(yīng)力的存在，光線(xiàn)經(jīng)過(guò)導(dǎo)光板會(huì)形成明暗相間雙折射應(yīng)力紋，如圖1為雙折射光彈應(yīng)力儀，從應(yīng)力紋級(jí)數(shù)只能計(jì)算出應(yīng)力第一主方向、第二主方向之差σ1-σ2，如果要計(jì)算出導(dǎo)光板某點(diǎn)等效應(yīng)力需要如下步驟：

(1)將導(dǎo)光板置于測(cè)量平臺(tái)上，取下光彈儀的兩塊四分之一波片，將兩偏振鏡軸線(xiàn)正交放置，在平面正交偏振光場(chǎng)下，逆時(shí)針同步旋轉(zhuǎn)起偏鏡0，π／8，π／4，3π／8，共取四張。

(2)在正交平面偏振場(chǎng)加入兩片四分之一波片，即得雙正交偏振光場(chǎng)。此時(shí)等傾線(xiàn)消除，只顯示等差線(xiàn)，在第一主應(yīng)力方向0，π／8，π／4，3π／8四個(gè)方向分別進(jìn)行相應(yīng)方向的等差線(xiàn)相移，再把四個(gè)方向獲得的相移圖拼接為全場(chǎng)的等差線(xiàn)相移圖像，共取16張圖像。

(3)利用前兩步獲得的等傾線(xiàn)圖與等差線(xiàn)圖，可得導(dǎo)光板上任一點(diǎn)的第一主方向應(yīng)力(σ1)與第二主方向應(yīng)力(σ2)，該點(diǎn)等效應(yīng)力由式1求出。

圖1 光彈應(yīng)力儀

1.2 主要設(shè)備及儀器

注塑成型機(jī)：ARBURG370S型，德國(guó)ARBURG公司；

多功能模溫控制機(jī)：TSW–1205型，拓斯達(dá)公司；

傳感器測(cè)量模腔壓力：PRIAMUS6001B型，瑞士PRIAMUS公司；

螺旋測(cè)微儀：Hitachi S4800型，美特斯公司；

掃描電子顯微鏡：S480型，日本Hitachi公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)試樣與方法

導(dǎo)光板試樣尺寸：114 mm×63 mm×0.4 mm，表面微特征設(shè)計(jì)尺寸為直徑80μm、高度40μm的微透鏡，材料為聚碳酸酯(PC) AD–5503，具體如圖2所示。

圖2 導(dǎo)光板試樣

為對(duì)比不同工藝對(duì)導(dǎo)光板成型品質(zhì)的影響，沿導(dǎo)光板中線(xiàn)取11個(gè)樣本點(diǎn)[11]，樣本點(diǎn)間距10 mm，利用應(yīng)力儀、螺旋測(cè)微儀、電鏡分別測(cè)量計(jì)算樣本點(diǎn)殘余應(yīng)力、試樣厚度、微特征高度。型腔近澆口、遠(yuǎn)澆口處設(shè)置壓力傳感器，測(cè)量模具型腔壓力。

2 超薄導(dǎo)光板射出成型中導(dǎo)光板成型缺陷

超薄導(dǎo)光板高速高壓注射成型[12]，使熔體高分子高度取向形成流動(dòng)殘余應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)表明，射出過(guò)程由于模腔近澆口、遠(yuǎn)澆口處形成較大壓力差，近澆口處由于補(bǔ)縮殘余應(yīng)力集中，脫模收縮率呈負(fù)值，使脫膜厚度常大于設(shè)計(jì)尺寸，但表面微特征因保壓壓力較大而轉(zhuǎn)寫(xiě)性較好。遠(yuǎn)澆口處由于冷卻速度快，保壓壓力傳遞效率差，熔體補(bǔ)縮困難，試件脫模收縮大，脫模厚度常小于設(shè)計(jì)厚度，微特征由于模腔壓力、溫度不足轉(zhuǎn)寫(xiě)性差，但由于壓力傳遞效率差殘余應(yīng)力較小。圖3為導(dǎo)光板雙折射應(yīng)力紋，從圖中可知，近澆口處殘余應(yīng)力高度集中。圖4為導(dǎo)光板近澆口、遠(yuǎn)澆口微特征電鏡掃描形貌，從圖中可知，微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性近澆口明顯好于遠(yuǎn)澆口。

圖3 注射成型雙折射應(yīng)力紋

圖4 注射成型近、遠(yuǎn)澆口處微特征形貌

進(jìn)行注射試驗(yàn)，熔體溫度290℃，模具溫度100℃，射出速度800 mm／s，射出壓力160 MPa，鎖模力65 t，P／V切換設(shè)置為90%，保壓壓力分別取60%與30%。測(cè)量圖3樣本點(diǎn)殘余應(yīng)力、試件厚度、微特征高度，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 樣本點(diǎn)殘余應(yīng)力

圖6 樣本點(diǎn)厚度

圖7 樣本點(diǎn)微特征高度

從圖5可知，注射成型導(dǎo)光板近澆口處殘余應(yīng)力明顯高于遠(yuǎn)澆口，降低保壓壓力可以有效降低近澆口處殘余應(yīng)力。從圖6可知，由于保壓補(bǔ)縮，試件近澆口厚度高于遠(yuǎn)澆口厚度，降低保壓壓力，樣本點(diǎn)厚度呈整體下移趨勢(shì)，難以保證近澆口、遠(yuǎn)澆口樣本點(diǎn)厚度同時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從圖7可知，近澆口微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性好于遠(yuǎn)澆口，當(dāng)降低保壓壓力時(shí)，遠(yuǎn)澆口微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性明顯變差。

從以上分析可知，超薄導(dǎo)光板在注射成型中殘余應(yīng)力大，厚度不均勻、微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性差，其成型工藝很難提升超薄導(dǎo)光板綜合品質(zhì)。

3 超薄導(dǎo)光板注壓成型工藝對(duì)其品質(zhì)的影響

注塑壓縮成型是將熔融塑料注入略微打開(kāi)的型腔中，然后閉合模具、壓縮熔料充滿(mǎn)型腔。設(shè)計(jì)L9(43)正交實(shí)驗(yàn)，選擇壓縮距離(A)、壓縮延遲(B)、模具溫度(C)、壓縮力(D)作為設(shè)計(jì)參數(shù)，每參數(shù)設(shè)置3水平如表1。將殘余應(yīng)力、樣本點(diǎn)1和樣本點(diǎn)11處厚度差、微特征高度作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，共做9次實(shí)驗(yàn)如表2。設(shè)計(jì)期望前兩個(gè)目標(biāo)越小越好，后一個(gè)目標(biāo)越大越好。通過(guò)計(jì)算，得設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)效應(yīng)圖8、圖9、圖10。

表1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

圖8 殘余應(yīng)力效應(yīng)圖

圖9 厚度差效應(yīng)圖

圖10 微特征高度效應(yīng)圖

從圖8可知，對(duì)殘余應(yīng)力影響極差大小順序?yàn)镃＞B＞A＞D。超薄型腔中熔體冷卻快，壓縮延遲過(guò)大，熔體冷卻凝固，壓縮難度增加，使殘余應(yīng)力較大；壓縮距離越大，熔體易進(jìn)入型腔，高分子流動(dòng)剪應(yīng)力降低，殘余應(yīng)力也隨之降低；模具溫度較高，使高分子更易松弛，有助于降低殘余應(yīng)力；壓縮力過(guò)大，流動(dòng)殘余應(yīng)力不易釋放，壓縮力過(guò)小，壓縮速度低，易形成凝固層，都會(huì)引起較大殘余應(yīng)力，因此，適當(dāng)?shù)膲嚎s力有助于殘余應(yīng)力降低[13]。

從圖9可知，對(duì)近澆口、遠(yuǎn)澆口厚度差影響極差大小順序?yàn)镃＞B＞D＞A。壓縮延遲過(guò)小，熔體尚未充滿(mǎn)型腔，壓縮延遲過(guò)大，熔體冷卻凝固，都會(huì)使近、遠(yuǎn)澆口厚度差變大，適當(dāng)?shù)难舆t時(shí)間有利于近、遠(yuǎn)澆口厚度一致；壓縮距離增大，熔體易進(jìn)入型腔，熔體流動(dòng)剪應(yīng)力小，近、遠(yuǎn)澆口脫模收縮較為一致，厚度差減小；壓縮力增大，有助于熔體腔內(nèi)壓實(shí)，厚度差較??；模溫升高，有助于熔體腔內(nèi)流動(dòng)，厚度差較小。

從圖10可知，對(duì)微特征高度影響極差大小順序?yàn)锳＞D＞C＞B。模具溫度較高，腔壁熔體不易冷卻，微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性好；壓縮力大，微特征成型完整飽滿(mǎn)，轉(zhuǎn)寫(xiě)性較好；壓縮延遲過(guò)大，熔體冷卻凝固，微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性差。壓縮距離增大，熔體進(jìn)入型腔較多，微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性相對(duì)較好[14]。

由于導(dǎo)光板為光學(xué)元件，微特征成型、殘余應(yīng)力對(duì)光的反射、投射至關(guān)重要，因此，參考圖8、圖9、圖10效應(yīng)圖，選擇A3B3C2D1作為最佳工藝組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得圖3樣本點(diǎn)殘余應(yīng)力、厚度、微特征高度如圖11、圖12、圖13所示。

圖11 最佳工藝組合樣本點(diǎn)殘余應(yīng)力

圖12 最佳工藝組合樣本點(diǎn)微特征高度

圖13 最佳工藝組合樣本點(diǎn)厚度

從圖11可知，注壓成型殘余應(yīng)力整體偏小，近澆口樣本點(diǎn)1殘余應(yīng)力為10.01 MPa，遠(yuǎn)澆口樣本點(diǎn)11殘余應(yīng)力為7.52 MPa，其差值僅2.49 MPa。樣本點(diǎn)6處殘余應(yīng)力略為凸顯，是因?yàn)橹虚g收縮較慢，熱應(yīng)力較為集中。

從圖12可知，注壓成型近澆口厚度略高于遠(yuǎn)澆口，樣本點(diǎn)1厚度為0.406 mm，樣本點(diǎn)11厚度為0.396 mm，其差值僅0.010 mm。

從圖13可知，注壓成型微特征高度近澆口略高于遠(yuǎn)澆口，樣本點(diǎn)1高度為0.039 mm，樣本點(diǎn)11高度為0.038 mm，其差值僅0.001 mm，整體轉(zhuǎn)寫(xiě)性較好。

圖14為注塑壓縮雙折射應(yīng)力條紋，圖15為樣本點(diǎn)11位置微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)形貌，從圖11～圖15可以看出，與射出成型相比，殘余應(yīng)力更小、近澆口和遠(yuǎn)澆口厚度偏差更小，注塑壓縮微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性更好。

圖14 注壓成型雙折射應(yīng)力紋

圖15 注壓成型微特征形貌

4 超薄導(dǎo)光板變模溫注壓成型

從以上分析可以了解到，模具溫度對(duì)微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)質(zhì)量影響顯著，為了進(jìn)一步改善微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性，增強(qiáng)導(dǎo)光板光學(xué)特性。在注壓成型中結(jié)合變模溫技術(shù)，通過(guò)模具溫度控制提升微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)質(zhì)量。

在注壓最佳工藝組合A3B3C2D1基礎(chǔ)上，結(jié)合變模溫進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。導(dǎo)光板材料PC AD–5503的頂出溫度為133℃，設(shè)定動(dòng)態(tài)變模溫為140～90℃，采用PRIAMUS 6001B壓電感測(cè)器測(cè)量圖2中T1，T2位置壓力，測(cè)量結(jié)果與定模溫成型結(jié)果對(duì)比如圖16a、圖16b。

從圖16a、圖16b可知，注壓成型工藝結(jié)合變模溫技術(shù)能夠有效地縮減制件型腔近澆口、遠(yuǎn)澆口壓力差[15]，能夠獲得較小且分布均勻的殘余應(yīng)力，制件微特征成型更為飽滿(mǎn)且表面較為光滑，成型質(zhì)量高。如圖17、圖18為變模溫注壓成型導(dǎo)光板雙折射應(yīng)力紋及微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)形貌。

變模溫注壓工藝能夠?qū)⒊跏寄＞邷囟仍O(shè)定更高，如試驗(yàn)中設(shè)定為140℃，高于頂出壓力133℃。通過(guò)模具溫度控制，熔體初始進(jìn)入型腔后腔壁冷卻慢，更利于表面微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)成型。且初始模溫高，能夠使高分子充分松弛，熔體流動(dòng)充分，壓力傳遞效果好，型腔內(nèi)近澆口、遠(yuǎn)澆口壓力分布更趨一致，導(dǎo)光板成型殘余應(yīng)力更小、分布更均勻，隨著壓力的降低，應(yīng)力釋放充分，微特征定型質(zhì)量好。

圖16 固定模溫與動(dòng)態(tài)模溫模內(nèi)壓力測(cè)量

圖17 變模溫注壓成型雙折射應(yīng)力紋

圖18 變模溫注壓成型微特征形貌

將注射成型、注壓成型、變模溫注壓成型三種工藝方案對(duì)比，計(jì)算測(cè)量圖3中樣本點(diǎn)1～11位置處的殘余應(yīng)力、厚度、微特征高度均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖19a、圖19b、圖19c所示。從圖19a可知，三種工藝方案中，注射成型殘余應(yīng)力均值最大，且標(biāo)注差最大，注壓成型次之，而變模溫注壓成型殘余應(yīng)力均值最小，且標(biāo)注差也最小，顯示了注壓成型工藝對(duì)減小導(dǎo)光板殘余應(yīng)力、提高殘余應(yīng)力分布均勻性更有效果，而變模溫技術(shù)會(huì)進(jìn)一步降低殘余應(yīng)力均值，且其分布均勻性也有一定提升。

圖19 不同工藝方案導(dǎo)光板品質(zhì)對(duì)比

從圖19b可知，三種工藝方案中，射出成型樣本點(diǎn)厚度均值超出設(shè)計(jì)尺寸，標(biāo)準(zhǔn)差大，尺寸分布分散。注壓工藝與變模溫注壓工藝樣本點(diǎn)厚度均接近設(shè)計(jì)值，標(biāo)準(zhǔn)差均較小，尺寸分布集中，變模溫注壓工藝略好但差距不大，說(shuō)明變模溫技術(shù)對(duì)厚度影響不太顯著。

從圖19c可知，三種工藝方案中，注射成型微特征高度均值最小，且標(biāo)注差最大，說(shuō)明射壓成型微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性最差。注壓成型和變模溫注壓成型工藝微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)均較好，二者標(biāo)準(zhǔn)差相近，但變模溫注壓成型微特征高度均值更接近設(shè)計(jì)值。說(shuō)明變模溫注壓成型工藝對(duì)微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)作用顯著。

5 結(jié)論

針對(duì)超薄導(dǎo)光板射出成型、注壓成型、變模溫注壓成型工藝的對(duì)比得出如下結(jié)論：

(1)超薄導(dǎo)光板注射成型熔體冷卻快，熔體在高保壓作用下集中于澆口附近，導(dǎo)致導(dǎo)光板應(yīng)力集中，型腔前、后端厚度不均、微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)較差。

(2)注壓成型型腔厚度較大，熔體易進(jìn)入型腔，分子取向弱，殘余應(yīng)力小。合適的壓縮力與延遲時(shí)間是保證應(yīng)力分布、制品厚度均勻的重要因素。

(3)注壓成型中模具溫度是影響微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)質(zhì)量的主要因素，模溫高，熔體冷卻慢、易流動(dòng)，高分子松弛效果好，有利于減小殘余應(yīng)力、提升制品厚度均勻性。

(4)變模溫注壓成型能明顯地減小型腔近澆口、遠(yuǎn)澆口壓力差，通過(guò)模溫控制，使導(dǎo)光板平面內(nèi)殘余應(yīng)力趨于更小且分布均勻、微特征轉(zhuǎn)寫(xiě)性更佳。