2.1 光學(xué)塑料材料

精密光學(xué)塑料注射成型技術(shù)的加工材料為塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚碳酸酯 (PC)、聚苯乙烯 (PS)、聚環(huán)烯烴共聚物 (COC) 和聚環(huán)烯烴聚合物 (COP) 等。這些材料因具有低成本、輕量化、高抗沖擊性和不弱于玻璃材料的光學(xué)性能被廣泛應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)中。但光學(xué)塑料材料的折射率小、高光學(xué)透過范圍窄、吸水率高，在運(yùn)輸和使用過程中易產(chǎn)生劃痕等外觀損傷。

光學(xué)塑料作為精密注塑成型技術(shù)的基礎(chǔ)，目前有多個(gè)研究發(fā)展方向：1) 高折射率和低散射；2) 高透明度和低色散；3) 高溫穩(wěn)定性；4) 新材料和制造技術(shù)。文章依次介紹了光學(xué)塑料材料在高折射率、寬光譜高透過率、低吸水性等方面的研究。

2.2 精密注塑成型磨具材料及加工

精密光學(xué)塑料注射成型技術(shù)中所使用的模具材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1）良好的加工性能；2）較高的耐磨性；3）較強(qiáng)的防變形性；4）較強(qiáng)的防外傷性。精密注塑成型模具由外模具和內(nèi)模芯組成。其中，模芯是模具的關(guān)鍵器件，一般采用超精密單點(diǎn)金剛石車削加工或者在不銹鋼基體上化學(xué)鍍鎳來(lái)生成。

2.3 仿真分析和精密注射成型工藝

隨著近些年來(lái)光學(xué)系統(tǒng)的逐步發(fā)展，精密光學(xué)系統(tǒng)要求塑料元件具備高光學(xué)質(zhì)量、高面形精度，小殘余應(yīng)力。如何提高面形精度，減少殘余應(yīng)力成為目前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

在精密光學(xué)塑料注射成型過程中，注射速度、填充時(shí)間、熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時(shí)間等參數(shù)一直是影響成型光學(xué)元件的殘余應(yīng)力和幾何變形的主要工藝參數(shù)。此前，優(yōu)化工藝參數(shù)一般采用迭代實(shí)驗(yàn)的方法，造成大量人力物力的浪費(fèi)。為此，通常采用 Moldflow、Moldex3d 等商業(yè)軟件對(duì)精密注塑成型過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝參數(shù)的高效優(yōu)化。

文章重點(diǎn)介紹了利用仿真軟件建模優(yōu)化塑料注射成型過程中的工藝參數(shù)以及分析內(nèi)應(yīng)力、內(nèi)部殘余應(yīng)力、應(yīng)力雙折射和翹曲等對(duì)光學(xué)元件質(zhì)量的影響。為了可重復(fù)生產(chǎn)具有高精度表面質(zhì)量的光學(xué)元件，文章進(jìn)一步描述了模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模芯補(bǔ)償、參數(shù)優(yōu)化和新型注射成型工藝等優(yōu)化方法。

在新型注射成型工藝方面，介紹了精密光學(xué)塑料注射壓縮成型技術(shù)（Injection compression molding, ICM）。在ICM中，型腔內(nèi)壓力較低，這使得熔融的光學(xué)塑料可以在低壓條件下立即進(jìn)入空腔的末端。再將融化的光學(xué)塑料注入型腔之后，進(jìn)行合模壓縮步驟。在合模運(yùn)動(dòng)期間，壓縮間隙減少，迫使熔體均勻地填充整個(gè)型腔，如圖5所示。這種技術(shù)結(jié)合了均勻的壓力分布和IM技術(shù)的自動(dòng)化操作，可以制造出具有優(yōu)異機(jī)械性能、低殘余應(yīng)力和嚴(yán)格公差的精密元件。

圖5.注塑成型和注塑壓縮成型的示意圖。(a)填充階段；(b)注塑壓縮成型通過添加模芯的壓縮操作

3.結(jié)論

精密玻璃模壓成型技術(shù)和精密光學(xué)塑料注射成型技術(shù)是非球面光學(xué)元件制造領(lǐng)域的兩種重要快速制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精確和經(jīng)濟(jì)的光學(xué)元件制造，為現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展提供了關(guān)鍵支持。制造形狀精度達(dá)到亞微米級(jí)的較厚復(fù)雜面型光學(xué)元件，同時(shí)保持高效率和低成本是未來(lái)的發(fā)展方向。文章最后展望了非球面光學(xué)元件的快速制造技術(shù)在材料體系開發(fā)、精確仿真模型建立與結(jié)果預(yù)測(cè)等方面的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

論文原文：王龍飛，胡雨旺，張澤光等. 非球面光學(xué)元件的快速制造技術(shù). 光電工程，2024，51(1): 230171.

Wang L F, Hu Y W, Zhang Z G, et al. Rapid manufacturing technology for aspheric optical elements. Opto-Electron Eng, 2024, 51(1): 230171.

鏈接：https://doi.org/10.12086/oee.2024.230171