复杂形面厚壁聚合物光学器件精密及超精密注塑成型方法的基础研究

Complex form thick optical lenses are key imaging elements of opto-electronic products. Thick wall causes problem of significant volumetric shrinkage, while the complex form surfaces lead to uneven cooling. As a result, it is very much difficult to achieve high form accuracy with significant low residual stress, which challenges precision manufacturing technology. This proposal aims at developing a precision/ultra-precsion injection molding approach using a combined method of conformal variotherm mold temperature control and in-mold micro compression to produce polymeric thick complex form optical lenses. Based on thick prism and f-theta freeform scan lenses, a conformal variotherm system is developed. The mechanism of relaxation of oriented molecules during filling and packing process is characterized based on experiments and numerical simulation. The mold temperature is used to control the orientated molecular relaxation developed during filling and packing stages. Additionally, the form error compensation mechanism under micron and submicron compression is studied by numerical simulation and experiments at viscoelastic state of the material. Long-term stability of form accuracy and residual stress on imaging quality and coating is also evaluated, where a process based optimization method is proposed to obtain stable optical elements for long-term use. This project will finally promote the fundamental study and process development of precision and ultra-precision manufacturing of plastic optics.

复杂形面厚壁光学镜片是虚拟可视系统及激光打印机等典型光电产品的关键成像元器件，由于其厚度大及面形复杂导致体积收缩大、面形精度低且残余应力显著，成为聚合物光学器件制造的难点。本项目提出了基于面形的变模温辅助成型及模内微动校形相结合的方法来实现厚壁复杂形面聚合物光学器件的精密与超精密注塑成型。项目以厚壁棱镜和自由曲面f-theta扫描透镜为研究载体，从形面的加热／冷却分段式变模温系统及模内微动校形系统基础分析入手，重点研究基于模温的流动引发分子取向的形成及抑制机制，以及聚合物材料在粘弹态温度下的微米及亚微米面形微动补偿机理和微动压缩条件下的模内残余应力释放机制。在此基础之上，研究了聚合物光学器件面形精度及残余应力的长期演化对成像品质及涂层的影响及其工艺控制方法。本研究推动了我国在聚合物光学器件精密及超精密制造领域的发展 。

作为一种可高效率、大批量制造聚合物元件的重要手段，精密注塑成型已被广泛应用于农业、机械、光电子和生物医疗等领域。聚合物元件表面结构的精密复制对元件性能起着至关重要的作用。如聚合物光学透镜等典型元件，需要同时保证良好的面形精度和表面质量以及较低的残余应力，这也对制造方法提出了挑战。首先，为避免传统模芯加工时金刚石刀头过快磨损，自主制备了镍磷复合镀层，并对其加工性能进行研究。搭建了一套10升不锈钢镀槽系统，在模具钢表面沉积了300微米厚度、内部无针孔的高磷镍磷合金，并使用单点金刚石切削获得了光学模芯表面。结合超精密铣削，加工了一种应用于光场成像的实用型微透镜阵列，作为研究对象。基于常规注塑工艺，通过由两个阶段组成的实验设计对工艺参数进行筛选和优化，并根据微透镜阵列的面形特征设计了变模温控制系统，以进一步提升成型质量。工艺监控数据和从几何精度、表面质量和应力双折射三方面的定性及定量评价结果表明，微透镜阵列的复制与工艺参数和机器动态响应具有直接联系。变模温辅助注塑成型工艺可在保证良好几何精度和表面质量的前提下，显著抑制残余应力。. 随后，开发了一种新型模内微动压缩系统，可在注塑成型过程中提供微米级压缩作用，其作用机制也分别在常规注塑成型和变模温辅助注塑成型条件下，从上述三方面进行了表征和研究。对微透镜阵列而言，该系统可对其残余应力和面形精度及表面质量的均匀性进行改善；对另一典型较大厚度非球面透镜而言，该系统也可对其面形复制精度进行提升。. 此外，对微尺度表面结构的充填机制进行探究，提出了一种包含熔体流动和蠕动变形的复合模型。通过重点研究微尺度下热传递系数、排气、壁面滑移和熔体凝固温度等因素的作用，结合工艺监控和实验与验证等手段，开发了描述微尺度表面结构充填行为的仿真策略，成功预测了多种表面结构的充填缺陷。本项目对聚合物元件精密制造的发展具有重要的理论意义及应用价值。