行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
具特殊結構之塑膠光學元件精微成形技術研究
研究成果報告(精簡版)
計 畫 類 別 ： 個別型 計 畫 編 號 ： NSC 96-2221-E-151-045- 執 行 期 間 ： 96 年 08 月 01 日至 97 年 11 月 30 日 執 行 單 位 ： 國立高雄應用科技大學模具工程系 計 畫 主 持 人 ： 吳政憲 計畫參與人員： 碩士班研究生-兼任助理人員：鄭竹宏 碩士班研究生-兼任助理人員：吳士杰 碩士班研究生-兼任助理人員：洪智仁 報 告 附 件 ： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 公 開 資 訊 ： 本計畫涉及專利或其他智慧財產權，2 年後可公開查詢中 華 民 國 98 年 01 月 04 日
附件一
行政院國家科學委員會補助專題研究計畫
▉ 成 果 報 告
□期中進度報告
具特殊結構之塑膠光學元件精微成形技術研究
計畫類別：▉ 個別型計畫 □ 整合型計畫
計畫編號：
NSC 96-2221-E-151 -045
執行期間：96 年 8 月 1 日至 97 年 11 月 30 日
計畫主持人：
吳政憲
計畫參與人員：
吳士杰、洪智仁、鄭竹宏
成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：▉精簡報告 □完整報告
本成果報告包括以下應繳交之附件：
□赴國外出差或研習心得報告一份
□赴大陸地區出差或研習心得報告一份
▉出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份
□國際合作研究計畫國外研究報告書一份
處理方式：除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、
列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢
□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢
執行單位：
國立高雄應用科技大學
中華民國九十七年十二月三十一日
第1 頁中文摘要 本計畫發展自由曲面光均勻器，結合儀科中心的光學分析技術來設計光學元件、精密 鑽石微加工技術來製作模仁、精密的檢測設備與技術，再加上本研究群塑膠微成形技術之 研發，獲取最佳的設計參數與量產技術。本計畫以微射出成形，經由成形元件的光學性質 檢測，進行最佳化設計與分析。 在模仁部分以碳化鎢或 STAVAX 等超硬合金為基材鍍上無電解鎳，再以鑽石車削無 電解鎳表面而得到所需的鏡面，組裝模具並進行微射出成形的研究。量測自由曲面透鏡塑 膠成品的外形輪廓，探討不同製程參數對光學元件品質的影響，探討此製程的複製性，並 進行最佳化分析。主要目標是成形技術之建立，因此只採用一種塑膠材料PMMA。 關鍵字:射出成形、微透鏡、最佳化 Abstract
The goal of this project is to develop a non-periodic variable-curvature micro-lens array. The objective of this project is to investigate the replication technology for these plastic optical elements.
Free-form elements were designed with laser parameter and ray-tracing method. Precision diamond turning was applied to fabricate the mold inserts. Injection molding was investigated for their replication ability. The injection molded optical elements were found to have good replication. The optical quality was also satisfactory.
Keywords：injection molding, micro-lens, optimization
一、前言 光束整形器(勻光元件)(Beam Shaper)，目的在使雷射光源，將過此元件後，由原本高 斯分佈轉換為均勻分佈，即將雷射光源轉換為所需的光源分佈。利用商用光學設計軟體 OSLO 計算出相關參數，如圖一所示，最佳化所得的元件為一個平凹透鏡。 圖一、最佳化後的光學元件結構圖。 射出成形適用於大量且快速的生產塑膠或金屬元件，它可以一次形成複雜幾何的產 品，也可以利用模具的設計避免產品的二次加工，減低產品的成本與製作時間，其製程可 分為以下幾個階段： (1) 射出階段 － 將溫度提高到玻璃轉換溫度以上，藉由螺桿旋轉的推力將融膠推入模穴 中。 (2) 保壓階段 － 藉由噴嘴維持一定壓力，讓模穴內的融膠能獲得補充，降低產品的變形 量。
技術均具有較高的生產效率，而其成本也不高。因此若能透過正確的模具設計和製程的最 佳化，就可以得到不錯的光學元件，然而製程條件的決定是非常複雜的。 一般而言，假如鏡片收縮是均勻的，即使它導致鏡片的厚度或曲率和原設計有差異， 但是是較容易解決的問題。但實際上的收縮多是不均勻的，這會使鏡片的厚度和輪廓產生 無法接受的誤差，同時殘留應力也會導致此狀況加劇。對光學鏡片而言，微小的翹曲就會 產生相當大的形狀和尺寸誤差，導致光學性質改變。 二、實驗設備與步驟 2.1 實驗設備 本計畫使用Arburg 公司生產的 50 噸射出成形機(Allrounder 320C)做射出成形實驗。 至於熱壓成形，本研究使用自行研發設計的熱壓成形機，而規格為： (1) 最大熱壓力為 10 噸。 (2) 加熱最大面積 400mm×400mm，最大開模行程 350mm。 (3) 加熱方式為電熱棒加熱，溫度控制有兩組，最大加熱溫度 400℃。 (4) 氣冷式冰水機來控制模溫。 2.2 模具 2.2.1 射出成形模具 本模具採用二板式模具，如圖二。此類型模具為射出成型用模具的標準構造，模具構 造較簡單，且製作容易，本模具為節省成本，採模仁可替換的方式，增加模具的通用性， 此模仁亦可作為熱壓成形之模仁。 此類型模具的固定側固定於射出成型機的固定盤上。可動側固定於成型機的可動盤 上，射出成型完成開模時，成型品附著於可動側，再利用成型機的開模動作或油壓頂出裝 置，將成型品頂出。 模仁採用超精密加工機製作非球面輪廓，並進行鏡面處理，以確保成品的透明性，以 免影響光學性質。 圖二、射出成形模具組合圖 圖三、模仁圖 2.2.2 模流分析 第3 頁
塑膠產品的設計與模具有密切的關係，為了提高品質及降低成本，因此在開發模具之 前，會先於電腦模擬軟體之上預設各種狀況以發覺問題，藉以找出最佳成形參數及良好的 模具設計，來降低生產成本及模具設計成本，提高產品品質。勻光元件需要導光及透光的 良好，產品中間半徑2.5mm 的凹點，產品的平均收縮，必須更要求一致性，避免產品由於 體積收縮不均造成的翹曲變形，使產品的導光不夠平均散出，所以模擬保壓壓力曲線對於 產品體積收縮率的影響，降低體積收縮對於產品不良影響。 圖四、成品尺寸圖 圖五、成品網格圖 圖六、模擬壓力分析圖
圖七、模擬收縮圖 2.3 成品品質量測 塑膠在熱壓過程所複製出來的微結構尺寸和外形，和材料的流動性、熱性質和製程條 件有關，必須加以量測，以探討成形性之最佳化。產品可能會因為收縮不均而引起變形或 翹曲。例如在分子或纖維配向在平衡和垂直方向的差異、整體成品的模具冷卻不均衡、真 空度和空氣壓力的變化或因為成品厚度之變化而導致不均衡的冷卻速率。因內外體積收縮 率差異大而產生的殘留的張、壓應力大，也容易翹曲。模溫太低，殘留剪切應力大，又沒 有足夠的時間將殘餘應力釋放也是造成翹曲的主要原因之一。 經熱壓所獲得的成形品，以本校微機電中心或成大微奈米中心的掃瞄式電子顯微鏡 (SEM)、光學顯微鏡(OM)、原子力顯微鏡(AFM)和薄膜厚度測量儀(α-step)四種檢測設備來 觀察其成品輪廓和尺寸： (a)微結構外形觀察：以光學顯微鏡(OM)和掃描式電子顯微鏡(SEM)對模仁與成形品的外形 作觀察，經由SEM 和 OM 的觀察，可以得到成形品的微結構之實際外觀與成形性，然後 再比較是否與模仁上的微結構一致。 (b)殘留應力檢測：塑膠材料在加工過程產生的殘留應力，本研究將以本實驗室所自製之應 力偏光儀對成型品的殘留應力進行檢測分析。 三、結果與討論 3.1 表面輪廓量測 零線代表設計值，換言之表面輪廓越接近水平線(零線)，代表模仁加工後誤差越小，即 越接近設計值。模仁表面輪廓如圖八和九，透鏡的短射如圖十，透鏡成品如圖十一所示， 透鏡表面輪廓圖如圖十二所示。 圖八、模仁表面輪廓圖A 第5 頁
圖九、模仁表面輪廓圖B 圖十、短射實驗 圖十一、透鏡成品圖 圖十二、成品表面輪廓圖 3.2 光學檢測結果 圖十三所示為光學特性檢測裝置圖，我們使用輸出高斯參數為0.4mm 的氦氖雷射為光 源，直接照射所製作完成的光學元件，在距離光學元件128mm 的成像面檢測其照度分佈， 圖十四所示為檢測所得的照度分佈影像圖，由圖中可看出大致具有預期的結果，此圓形均 勻照度分佈圖的半徑為10mm。
成像平面 光學元件 圖十三、所製作元件光學特性檢測裝置圖 圖十四、在成像平面的均勻照度光斑的檢測結果 四、結論與自評 本研究在熱壓實驗部分，得到的結論包括： (1) 光學元件以射出成形來製作，複製性相當良好，光學檢測也可獲得很好的結果。 (2) 射出參數對成形結果有相當的影響，因此最佳化設計有其必要性。 (3) 可嘗試射出壓縮或熱壓成形，以互相比較其結果。 參與本計畫的研究生經由此研究過程，培養出規劃實驗、分析實驗結果與解決問題之 能力，對於目前正在撰寫畢業論文上有相當大之助益。 五、致謝 本研究承蒙國科會計畫補助，計畫編號：NSC 96-2221-E-151-045-。 第7 頁
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附件二 □ 可申請專利 ▉ 可技術移轉!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!日期：97年12月31日!國科會補助計畫
計畫名稱：具特殊結構之塑膠光學元件精微成形技術研究 計畫主持人：吳政憲 計畫編號：NSC 96-2221-E-151 -045 學門領域：機械固力技術/創作名稱
塑膠光學元件精微成形技術發明人/創作人
吳政憲 中文： 本技術是具特殊結構之塑膠光學元件的精微成形技術，包含模具設 計與製作、射出成形數值模擬、微結構的複製性量測、成形參數的 影響、光學檢測與分析等五部分。應用此技術，可製造出兼顧光學 性質、物理性能和成本之塑膠光學元件。技術說明
英文：This is a precision molding technology which can be applied to produce plastic optical elements with special features. It includes mold design and fabrication, simulation, replication measurement, parameter study and optical analysis. This can be conducted with the optimization of process parameters.
可利用之產業及
可開發之產品
可利用之產業:電子、電機、光電與生醫產業 可開發之產品:微機電和電腦周邊的相關產品技術特點
具特殊結構之塑膠光學元件精微成形技術可以改善成品複製性，並 改善其光學性質。推廣及運用的價值
應用在光電及製造產業，可增進產品的品質，提高其附加價值。 ※ 1.每項研發成果請填寫一式二份，一份隨成果報告送繳本會，一份送 貴單位 研發成果推廣單位（如技術移轉中心）。 ※ 2.本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。 ※ 3.本表若不敷使用，請自行影印使用。出席國際學術會議心得報告
計畫編號 NSC 96-2221-E-151-045 計畫名稱 具特殊結構之塑膠光學元件精微成形技術研究 出國人員姓名 服務機關及職稱 吳政憲 國立高雄應用科技大學模具工程系 副教授 會議時間地點 會議時間: 97 年 10 月 20 日~ 10 月 22 日會議地點: 美國俄亥俄州得頓市(Dayton, Ohio, USA)
會議名稱 4th International Conference on Composites Testing and Model Identification (CompTest 2008)
發表論文題目 Cheng-Hsien Wu and Ming-Yu Lin, “Effects of Injection Molding Parameters on the Weldline Strength of Thin-Wall Fiber-Reinforced Thermoplastics”
一、參加會議經過
CompTest國際研討會起源自2003年January在法國Châlons en Champagne舉辦， 2004年 September在英國Bristol舉辦。上一屆2006年April在葡萄牙Porto舉辦，吸引來自學術界、政府、 工業界超過100人參加。今年則在Dayton, Ohio (USA)舉行，此處正是萊特兄弟的家鄉。研討 會的主題包含和複合材料機械與物理性質模型的參數鑑別相關的所有領域。研討會的日期從 Monday, 20 Oct到Wednesday, 22 Oct共三天。
會議於10月19日開始報到，總共超過一百位來自世界各地的學者及研究人員參加，三天 的會程中共有12個session，約50篇口頭報告（oral）論文和70篇壁報（poster）論文，會議的 安排相當地充實，共有Testing, Fracture, Scaling Effects & Joints, Textile Composites, Structures, Full Field Techniques, Full Field Techniques, Fatigue & Durability, Damage Models, Virtual Field/Inverse Methods, Novel Methods等多個會場同時進行論文之口頭發表。星期二下午大會 舉辦National Composites Center的參觀。星期一晚上在Engineer's Club of Dayton有一個歡迎餐 會，星期二晚上則在世界聞名的National Museum of the U.S. Air Force裏舉辦一個盛大的晚宴。
本人和所指導的研究生(林銘育)在Testing I session發表一篇論文，題目是”Effects of Injection Molding Parameters on the Weldline Strength of Thin-Wall Fiber-Reinforced Thermoplastic”。
二、與會心得
筆者認為這次的研討會內容十分充實，而且與會者來自於世界各地，在參與全程會議後， 筆者認為這次會議的最大貢獻在於有很多最新的研究成果發表於下列領域：Forging,
Microforming, Material removal process , Casting, FEA, Powder metallurgy, Rolling and Hydroforming, Sheet metal forming, Welding, MEMS, Drawing, Laser processing, Polishing, Injection molding, Extrusion, Tool life and coating, Non-traditional machining, Composites, Material property and formability, Bending and CAD, Grinding 、Thin film、Rolling and Hydroforming, Sheet metal forming, Tool life and coating, Non-traditional machining, Material property and formability, Welding, Material removal process 以及 Composites。於四天的會議中， 筆者有相當多的機會和來自於世界各地的研究學者，交換意見與討論，特別是針對目前筆者 從事的研究，得到很多好的建議和肯定。
三、建議 這是一次相當有規劃，內容充實的學術研討會，若能多鼓勵台灣的學者參與，對於加強 台灣在材料和加工技術領域的國際能見度必有相當的助益。若台灣爭取將來的主辦權，將會 激勵整個台灣學術界對此領域的研究，亦提升國家的研究形象。 四、攜回資料名稱及內容 此次本人攜回一片研討會的光碟，內容包括口頭報告論文的全文和壁報論文的摘要。
Effects of Injection Molding Parameters
on the Weldline Strength of Thin-Wall
Fiber-Reinforced Thermoplastics
Cheng-Hsien Wu
Department of Mold and Die Engineering,
National Kaohsiung University of Applied Sciences,
Kaohsiung 807, Taiwan
Email : [email protected]
and
Ming-Yu Lin
Department of Mechanical and Automation Engineering,
Da-Yeh University,
Introduction
Injection molding is the most important process to
manufacture plastic parts. A thinner wall section reduces part
weight. However, as the wall thickness of plastic parts
becomes thinner, the strength can be a problem.
Short-fiber-reinforced polymers are used increasingly
as a structural material. They not only provide superior
mechanical properties but they can also be easily molded
with very low cost. Mechanical properties of short fiber
reinforced thermoplastic injected components depend on
Experimental Design
Unfilled PA6 and reinforced PA6 with different fiber
contents were applied in this study. The mass percentages of
fiber in the reinforced PA6 are 15%, 33% and 45%,
respectively. The effect of part thickness on the mechanical
properties was investigated in this study.
The effects of thickness and weld line on the tensile
strength were investigated. Five process parameters were
also studied for their influences on the tensile strength. Melt
temperature, injection velocity, packing pressure, packing
time and mold temperature are investigated to study their
effects on the mechanical strength of specimens.
Mold Design for Tensile Specimens
Three spacers with thickness of 0.8mm, 1.0mm and 1.2mm were used to create
different cavity thickness. A film gate was applied to produce a unidirectional flow
and the samples were molded without weld lines. To produce injection molded
plates with adjacent weld lines, a rectangular block of 60mm width was inserted at
the center of the film gate. The thin molded plates were machined along or
perpendicular to the flow direction for standard specimens of tensile tests.
Y X 流道 X 流道
