聚合物复杂形面光学器件精密注塑成型方法及装置与流程

本发明属于先进制造和光学制造中的精密光学注塑领域，特别是适用于复杂形面和厚壁聚合物光学器件注塑成型加工。

背景技术：

激光打印机中的f-theta扫描透镜、虚拟现实眼镜中的投影棱镜等厚壁复杂形面光学镜片和光场相机中的微透镜阵列等典型光学器件都是光电产品的关键成像元器件。微透镜阵列在机器人探测、微型飞行器系统、匀光和均匀成像等领域都有着广泛的应用。近年来非球面及自由曲面光学等已引起学者们的广泛关注。尽管不同应用领域中光学器件的设计各不相同，但它们具有本质上的共同点，就是形面复杂及壁厚不均。

对于复杂形面光学器件来说，厚度不均匀易导致加工过程中冷却不均匀。不均匀冷却会导致不均匀收缩，进而形成较大的残余应力、较低的面形精度并限制了有效的成像区域。为克服这一难题，国内外学者对其面形精度、残余应力及成像品质等进行了大量实验和理论研究。目前，保证面形精度的主要控制方法有精密模仁补偿与调整、注塑工艺优化、采用注塑压缩成型工艺等。常用控制残余应力的方法有变模温技术和退火等。尽管精密模仁补偿可一定程度上减小面形误差，但其重建及拟合困难，工艺稳定性不高，往往补偿效果并不显著。工艺优化可改善面形精度并减小残余应力，但影响因素众多，且当面形精度达到一定程度时，很难再有所改进。注塑压缩工艺有利于成型低内应力、高尺寸精度的薄壁光学器件，但会存在压缩过程中压力传递不均匀的情况，进而影响光学器件密度和折射率的均匀性，造成较大残余应力和双折射现象。此外，传统的注塑压缩工艺运动控制精度较低，无法满足精密光学器件厚度工差要求。变模温辅助成型和退火后处理有利于去除残余应力和双折射。目前，传统变模温系统冷却加热一般采用同一套冷却及加热水道，其模面温度均匀性、样品的冷却均匀性均不能得到很好的控制，无法在保证面形条件下，显著减小甚至消除残余应力。退火虽可消除应力，但处理时间长，残余应力释放会显著影响面形精度。从文献中还可以发现，目前光学器件精密注塑成型主要针对平凸球面透镜，对非球面及自由曲面等复杂形面研究较少。随着复杂形面在成像、照明和聚光等领域的广泛应用，复杂形面精密及超精密成型技术成为了研究前沿。由此可见，复杂形面光学器件，甚至是自由曲面光学器件的精密及超精密注塑成型技术极具挑战性，其方法及基础研究对光学产业的发展具有重要的意义及应用价值。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明旨在提出一种对于复杂形面聚合物光学器件的精密及超精密注塑成型方法，针对由厚度、面形等因素导致的体积收缩大、面形精度低和残余应力显著等问题，实现高面形精度、低残余应力聚合物光学器件的注塑成型。本发明采用的技术方案是，聚合物复杂形面光学器件精密注塑成型装置，由注塑机、模具、基于面形的多段变模温辅助成型系统和模内微动校形辅助成型系统组成。其中，基于面形的多段变模温辅助成型系统由变模温电源模块、变模温控制模块、加热元件、隔热元件、冷却水路和变模温传感模块实现，用于在充填和保压阶段，使模面温度高于材料玻璃态转变温度或接近材料熔融温度，减小聚合物注入模具时由于壁面剪切所引发的分子链取向，进而减小流动引发的残余应力；之后逐渐降低模具温度至材料粘弹态温度，与微动压缩相配合，实现特征复制；

模内微动校形辅助成型系统由微动电源模块、微动控制模块、微动压缩驱动器、成型隔热元件和微动传感模块组成，有两种运行方式：一是在冷却过程中，在粘弹态温度范围对材料进行微动压缩来精密调控样品面形及微纳米结构复制精度，并进一步释放热残余应力，然后在微动压缩状态下降低模具温度至材料的热变形温度以下；二是冷却样品至热变形温度成型预制件，然后升高模温至粘弹态温度，通过微动压缩下的材料蠕变实现面形校正，并进一步释放残余应力，之后在微动压缩状态下降低模具温度至材料的热变形温度以下。

微动压缩的行程通过微动压缩驱动器内集成的电阻应变片进行测量，能够进行单向模内微动校形或多向模内微动校形。

聚合物复杂形面光学器件精密注塑成型方法，由注塑工艺、变温工艺及校形工艺组成，其中变温工艺与基于面形的多段变模温辅助成型系统相对应，校形工艺与模内微动校形辅助成型系统相对应；注塑工艺由塑化、注射、保压、冷却、开模、顶出及合模组成，其中塑化与冷却、开模及顶出工艺环节并行；同时，在一个注塑循环中，变温工艺由线圈加热、水道冷却和线圈加热环节组成，校形工艺由微动压缩/执行和微动压缩/释放环节组成；注塑工艺、变温工艺和校形工艺并行进行；

模具内基于面形的变模温辅助成型通过设计加热和冷却系统来实现，加热及冷却系统包括加热元件、隔热元件及冷却水路，加热方式可以在电磁感应加热、陶瓷加热、液体加热中选择，冷却方式可以在液体冷却和气体冷却中选择；对于自由曲面面形变化较大的情况，加热、冷却系统及其封装需根据光学元件面形变化设计为三维结构；整体加热及冷却系统集成在定模模仁、动模模仁上，模仁外部安装陶瓷隔热套筒，来实现模仁快速升温及冷却；变模温传感模块可在温度传感器、压力传感器和温度及压力传感器中选择，从而对模内温度和压力进行测量；基于面形变温辅助成型系统采用与注塑工艺相似的时序控制方法，通过注塑机注射信号进行触发，通过变模温电源模块供电，通过变模温控制模块驱动加热和冷却系统工作，并通过变模温传感模块采集模内温度数据；根据模腔内温度及压力测量数据，确保模腔内压力不超过微动校形系统的最大输出压力。

通过精密微动压缩系统的执行装置启动微动压缩，模具内微动校形系统由微动压缩驱动器和隔热元件构成，配合动模模仁进行微动校形；微动传感模块在电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器中选择，从而对微动压缩的行程进行测量，配合微动压缩驱动器在厚度公差范围内对样品进行校形。

对光学器件来说，材料玻璃态温度较高，实际使用时，微动压缩驱动器和微动传感模块可在室温至140℃范围内工作。微动校形过程需要一定压力，在保证压电陶瓷伸缩范围内，校形压力设置为～1000n。整个校形工艺通过微动电源模块供电，通过注塑机注塑信号进行触发，通过微动控制模块驱动微动压缩驱动器工作，并通过微动传感模块采集微动压缩位移数据；微动校形的启动根据模腔温度及压力数值变化来确定，通过时序延迟进行启动，校形参数包括校形压力、校形时间和校形温度；微动压缩辅助校形有两种运行方式：一是在冷却过程中，在粘弹态温度范围对材料进行微动压缩来精密调控样品面形及微纳米结构复制精度，并进一步释放热残余应力，然后在微动压缩状态下降低模具温度至材料的热变形温度以下；二是冷却样品至热变形温度成型预制件，然后升高模温至粘弹态温度，通过微动压缩下的材料蠕变实现面形校正，并进一步释放残余应力，之后在微动压缩状态下降低模具温度至材料的热变形温度以下；一方面保证模面与模仁在冷却过程中的紧密接触，实现面形校正或对微细结构的精密复制；另一方面，为进一步消除冷却不均匀产生的残余应力，在样品冷却完成后，升高温度，保持一定模腔压力，进行进一步面形校正及回火，从而进一步消除冷却收缩产生的面形误差及残余应力。

变温工艺和校形工艺既与整个注塑工艺相匹配，又是单独的工作单元，可分别用于不同的超精密镜片成型或者微纳米特征复制；此外，针对不同形式的光学元件，可灵活使用基于面形的变温工艺及微动校形工艺。

本发明的特点及有益效果是：

(1)本发明中，根据不同光学器件的形面特征，针对性采用基于面形的变模温辅助成型系统，可在注射及保压过程中通过控制模温、保温时间等来主动调节取向分子松弛过程，减小流动引发的残余应力，并在冷却阶段减小由于冷却不均匀产生的残余应力，进而有效改善双折射现象。

(2)本发明中，根据不同光学器件的光学面设置，模内微动校形系统可对聚合物材料在单向或多向进行微米及亚微米级模内微动压缩，并在材料粘弹性变形的同时，对微米及亚微米级面形误差进行补偿，或者对微纳米结构复制精度进行校正。

(3)本发明中，模内微动校形系统具有工作温度上限高(～150℃)的特点，可加工各种级别的光学级聚合物树脂，注塑成型过程中微动压缩位移和注塑成型压力参数的原位获取，不需要额外冷却，降低了系统的成本。

(4)本发明中，基于面形的变模温辅助成型和模内微动较形辅助成型可主动控制聚合物在模腔内成型过程中的温度及压力，且确保模面与聚合物在相变过程中保持紧密贴合，实现面形的精密复制、微纳米结构复制和光学器件的可控制造。

附图说明：

图1是加工工艺流程图。

图2是基于面形变温辅助成型及微动压缩校形的模具示意图。

图3是基于面形变温辅助成型及微动校形工艺条件下模内温度与压力变化曲线示意图。

图4是基于面形的变模温辅助成型示意图。

图5是单向模内微动校形示意图。

图6是多向模内微动校形示意图。

图7是微纳米结构模内微动压缩辅助充填示意图。

附图标记:1动模底座2推板3推杆固定板4垫块5推杆6微动压缩驱动器7动模支撑板8动模模板9定模板10定模支撑板11定位圈12浇口套13料把14温度及压力传感器15流道16定模模仁17器件ⅰ18加热元件19冷却水路20动模模仁21隔热元件22弹簧23器件ⅱ24形面ⅰ25基于面形的加热结构26基于面形的冷却结构27模具28器件ⅲ29形面ⅱ30器件ⅳ31形面ⅲ32形面ⅳ33形面ⅴ34器件ⅴ35微纳米结构

具体实施方式

本发明根据聚合物材料在注塑成型过程中的热变形历史及材料冷却相变的基本理论，结合基于面形的变模温辅助成型和模内微动校形辅助成型，实现低残余应力或无残余应力、高面形精度聚合物光学器件注塑成型。本发明也可以用于高纵深比微米及纳米结构的高精度复制。

本发明提出针对自由曲面等复杂面形特征，设计基于面形的快速加热及冷却系统，实现复杂形面均匀冷却，从而减小由冷却引发的残余应力。此外，对模面温度进行精细调控，与模内微动压缩相结合调控面形，实现保证面形条件下残余应力的进一步释放。在充填和保压阶段，使模面温度高于材料玻璃态转变温度或接近材料熔融温度，减小聚合物注入模具时由于壁面剪切所引发的分子链取向，进而减小流动引发的残余应力；之后逐渐降低模具温度至材料粘弹态温度，与微动压缩相配合，实现高精度特征复制。模内微动压缩针对复杂形面的面形误差、尺寸工差及微纳米结构等在微米及亚微米级复制精度的极端要求，与基于面形的变温系统相结合，在公差范围内对光学自由曲面元件进行面形及复制精度方面的校正。

本发明的聚合物光学器件精密及超精密注塑成型系统由注塑机、模具、基于面形的多段变模温辅助成型系统和模内微动校形辅助成型系统组成。基于面形的多段变模温辅助成型系统由变模温电源模块、变模温控制模块、加热元件、隔热元件、冷却水路和变模温传感模块组成。模内微动校形辅助成型系统由微动电源模块、微动控制模块、微动压缩驱动器、隔热元件和微动传感模块组成。

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的具体操作步骤如下：

(1)设计和制造基于面形的多段变模温辅助成型的加热及冷却系统和模内精密微动校形辅助成型系统。根据光学器件面形特征，对加热系统和冷却系统形状及分布进行设计和优化；根据光学元件设计和公差范围等参数选择合理的微动校形的执行装置。

(2)通过上位机可视化操作界面和与注塑机的通讯，集成模具温控系统、精密微动校形系统与注塑成型系统。

(3)全部系统就绪后，开始注塑成型。如图1所示，整个精密注塑成型工艺由注塑工艺、变温工艺及校形工艺组成，其中变温工艺与基于面形的多段变模温辅助成型系统相对应，校形工艺与模内微动校形辅助成型系统相对应。注塑工艺由塑化、注射、保压、冷却、开模、顶出及合模组成，其中塑化可与冷却、开模及顶出等工艺环节并行。同时，在一个注塑循环中，变温工艺由线圈加热、水道冷却和线圈加热环节组成，校形工艺由微动压缩(执行)和微动压缩(释放)环节组成。注塑工艺、变温工艺和校形工艺按照图1所示的时序并行进行。图2是基于面形变温辅助成型及微动压缩校形的模具示意图。模具内基于面形变模温辅助成型通过设计加热和冷却系统来实现。加热及冷却系统包括加热元件18、隔热元件21及冷却水路19。加热方式可以在电磁感应加热、陶瓷加热、液体加热中选择，冷却方式可以在液体冷却和气体冷却中选择对于自由曲面面形变化较大的情况，加热、冷却系统及其封装需根据光学元件面形变化设计为三维结构，以确保冷却的均匀性，减小冷却引发的残余应力，如图4所示。整体线圈及冷却水道的设计需要通过数值计算进行优化。整体加热及冷却系统集成在定模模仁16、动模模仁20上，模仁外部安装陶瓷隔热套筒，来实现模仁快速升温及冷却。变模温传感模块可在温度传感器、压力传感器和温度及压力传感器中选择。本发明中，模面温度采用集成的模内温度及压力传感器14进行测量。基于面形变温辅助成型系统采用与注塑工艺相似的时序控制方法，通过注塑机注射等信号进行触发，通过变模温电源模块供电，通过变模温控制模块驱动加热和冷却系统工作，并通过变模温传感模块采集模内温度数据。工艺参数包括模具温度、持续时间等。在注射及保压阶段，将模具温度加热至聚合物材料的玻璃态温度及以上，降低聚合物熔体充模流动引发分子取向及残余应力，同时阻止聚合物在模具表面形成快速冷凝层，改善微纳米结构的充填。根据模腔内温度及压力测量数据，确保模腔内压力不超过微动校形系统的最大输出压力；确保温度在处于材料的玻璃态温度以上，并且具有较好的流动性。

在上述条件满足的情况下，同时通过精密微动压缩系统的执行装置启动微动压缩。模具内微动校形系统由微动压缩驱动器6和隔热元件21构成，配合动模模仁20进行微动校形。微动传感模块可在电阻式传感器、电容式传感器和电感式传感器中选择。本发明中，微动压缩的行程通过微动压缩驱动器6内集成的电阻应变片进行测量。由于面形误差范围一般在十微米以内，不超出样品的厚度公差范围，因此，一般在厚度公差范围内对样品进行校形，以实现亚微米级的面形精度。对光学器件来说，材料玻璃态温度较高，例如环状聚烯烃(coce48r)玻璃态转变温度tg为～139℃。实际使用时，微动压缩系统可在较高温度下工作。微动校形过程需要一定压力，在保证压电陶瓷伸缩范围内，校形压力设置为～1000n。整个校形工艺通过微动电源模块供电，通过注塑机注塑信号进行触发，通过微动控制模块驱动微动压缩驱动器工作，并通过微动传感模块采集微动压缩位移数据。微动校形的启动可根据模腔温度及压力数值变化来确定，通过时序延迟进行启动。校形参数包括校形压力、校形时间和校形温度等。微动压缩辅助校形有两种运行方式：一是在冷却过程中，在粘弹态温度范围对材料进行微动压缩来精密调控样品面形及微纳米结构复制精度，并进一步释放热残余应力，然后在微动压缩状态下降低模具温度至材料的热变形温度以下；二是冷却样品至热变形温度成型预制件，然后升高模温至粘弹态温度，通过微动压缩下的材料蠕变实现面形校正，并进一步释放残余应力，之后在微动压缩状态下降低模具温度至材料的热变形温度以下。一方面保证模面与模仁在冷却过程中的紧密接触，实现面形校正或对微细结构的精密复制；另一方面，为进一步消除冷却不均匀产生的残余应力，在样品冷却完成后，升高温度，保持一定模腔压力，进行进一步面形校正及回火，从而进一步消除冷却收缩产生的面形误差及残余应力。模腔内温度及压力在完整工艺过程中的变化如图3所示，它与注塑工艺、变温工艺及校形工艺相匹配。

微动压缩的启动时机、模腔温度、维持压力的时间需根据光学器件的材料、面形、残余应力或微纳米结构复制情况确定，这是一个工艺优化的过程。

变温工艺和校形工艺既与整个注塑工艺相匹配，又是单独的工作单元，可分别用于不同的超精密镜片成型或者微纳米特征复制。此外，针对不同形式的光学元件，可灵活使用基于面形的变温工艺及微动校形工艺。如图5所示，对于单侧如形面ⅱ29具有较高精度和面形要求的器件ⅲ28，可在单侧形面ⅱ29侧进行如箭头方向所示的单向模内微动校形；如图6所示，对于如多侧如形面ⅲ31、形面ⅳ32和形面ⅴ33等具有较高精度和面形要求的器件ⅳ30，可在多侧形面ⅲ31、形面ⅳ32和形面ⅴ33侧进行如箭头方向所示的多向模内微动校形；如图3所示，对于具有如微纳米结构35之精度要求的器件ⅴ34，可在微纳米结构35侧进行如箭头方向所示的模内微动校形。

本工艺适用于典型的光学器件，例如微透镜阵列、菲涅尔透镜、立方相位板等自由曲面光学透镜的注塑成型，还适用于高纵深比的微纳米结构的复制。尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。