殷素峰，阮育煌，阮鋒

(1.東莞理工學院城市學院，智能制造學院，廣東東莞 523419； 2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣州 510641)

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

超薄導光板注射成型在型腔近澆口與遠澆口之間形成很大壓力差，使導光板近澆口處殘余應力集中、脫模厚度常大于設計厚度、微特征轉寫性相對較好，遠澆口殘余應力小、脫模厚度常小于設計厚度、微特征轉寫性差。

張娜等[1]研究了導光板的注射壓縮成型缺陷對導光板性能的影響，認為模具溫度和壓縮距離對導光板的性能影響較大。孫琦偉等[2]認為模具溫度的升高，模內不對稱冷卻加劇，會使平板件的殘余應力逐漸增大。王鑫等[3]認為在變模溫條件下，流動速率是微特征轉寫性的關鍵因素，合適的模具溫度會提升微特征轉寫質量。Li Jiquan等[4]研究認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]通過注塑壓縮工藝控制和參數優(yōu)化，提升了高深寬比幾何結構的成型質量。李鍇等[6]研究了導光板微透鏡結構尺寸及其加工方式對導光板光學性能及其成型質量的影響。王鑫等[7]依據不同的復制程度特征指標，發(fā)現熔體溫度、進膠流率和模具溫度對微透鏡特征陣列的復制程度影響較大。B. Fan等[8]通過分析光盤射出壓縮成型工藝，認為熱殘余應力對制品的光學性能有著很大影響。Y. B. Lee等[9]研究發(fā)現射出壓縮成型模具溫度與保壓壓力對光盤表層熱殘余應力影響很大，而Su Lijuan等[10]研究發(fā)現制件內部熱殘余應力對制件的光學性能有顯著的影響。國內外文獻主要集中在導光板注射成型中殘余應力、微特征轉寫性影響因素的研究，但對導光板注塑壓縮成型品質缺陷綜合性分析比較少見。筆者通過超薄導光板注射和注壓成型對比，詳細分析了注壓成型工藝對導光板成型殘余應力、制件厚度、微特征轉寫性的影響，進一步將變模溫技術與注壓成型相結合，極大展現了注壓成型工藝在改變超薄導光板綜合品質的優(yōu)越性。

1 實驗部分

1.1 殘余應力光學雙折射測量方法

由于殘余應力的存在，光線經過導光板會形成明暗相間雙折射應力紋，如圖1為雙折射光彈應力儀，從應力紋級數只能計算出應力第一主方向、第二主方向之差σ1-σ2，如果要計算出導光板某點等效應力需要如下步驟：

(1)將導光板置于測量平臺上，取下光彈儀的兩塊四分之一波片，將兩偏振鏡軸線正交放置，在平面正交偏振光場下，逆時針同步旋轉起偏鏡0，π／8，π／4，3π／8，共取四張。

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

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

圖1 光彈應力儀

1.2 主要設備及儀器

注塑成型機：ARBURG370S型，德國ARBURG公司；

多功能模溫控制機：TSW–1205型，拓斯達公司；

傳感器測量模腔壓力：PRIAMUS6001B型，瑞士PRIAMUS公司；

螺旋測微儀：Hitachi S4800型，美特斯公司；

掃描電子顯微鏡：S480型，日本Hitachi公司。

1.3 實驗試樣與方法

導光板試樣尺寸：114 mm×63 mm×0.4 mm，表面微特征設計尺寸為直徑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 導光板試樣

為對比不同工藝對導光板成型品質的影響，沿導光板中線取11個樣本點[11]，樣本點間距10 mm，利用應力儀、螺旋測微儀、電鏡分別測量計算樣本點殘余應力、試樣厚度、微特征高度。型腔近澆口、遠澆口處設置壓力傳感器，測量模具型腔壓力。

2 超薄導光板射出成型中導光板成型缺陷

超薄導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殘余應力，實驗表明，射出過程由于模腔近澆口、遠澆口處形成較大壓力差，近澆口處由于補縮殘余應力集中，脫模收縮率呈負值，使脫膜厚度常大于設計尺寸，但表面微特征因保壓壓力較大而轉寫性較好。遠澆口處由于冷卻速度快，保壓壓力傳遞效率差，熔體補縮困難，試件脫模收縮大，脫模厚度常小于設計厚度，微特征由于模腔壓力、溫度不足轉寫性差，但由于壓力傳遞效率差殘余應力較小。圖3為導光板雙折射應力紋，從圖中可知，近澆口處殘余應力高度集中。圖4為導光板近澆口、遠澆口微特征電鏡掃描形貌，從圖中可知，微特征轉寫性近澆口明顯好于遠澆口。

圖3 注射成型雙折射應力紋

圖4 注射成型近、遠澆口處微特征形貌

進行注射試驗，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切換設置為90%，保壓壓力分別取60%與30%。測量圖3樣本點殘余應力、試件厚度、微特征高度，如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 樣本點殘余應力

圖6 樣本點厚度

圖7 樣本點微特征高度

從圖5可知，注射成型導光板近澆口處殘余應力明顯高于遠澆口，降低保壓壓力可以有效降低近澆口處殘余應力。從圖6可知，由于保壓補縮，試件近澆口厚度高于遠澆口厚度，降低保壓壓力，樣本點厚度呈整體下移趨勢，難以保證近澆口、遠澆口樣本點厚度同時達到設計要求。從圖7可知，近澆口微特征轉寫性好于遠澆口，當降低保壓壓力時，遠澆口微特征轉寫性明顯變差。

從以上分析可知，超薄導光板在注射成型中殘余應力大，厚度不均勻、微特征轉寫性差，其成型工藝很難提升超薄導光板綜合品質。

3 超薄導光板注壓成型工藝對其品質的影響

注塑壓縮成型是將熔融塑料注入略微打開的型腔中，然后閉合模具、壓縮熔料充滿型腔。設計L9(43)正交實驗，選擇壓縮距離(A)、壓縮延遲(B)、模具溫度(C)、壓縮力(D)作為設計參數，每參數設置3水平如表1。將殘余應力、樣本點1和樣本點11處厚度差、微特征高度作為設計目標，共做9次實驗如表2。設計期望前兩個目標越小越好，后一個目標越大越好。通過計算，得設計參數對設計目標效應圖8、圖9、圖10。

表1 正交試驗設計參數

表2 正交試驗結果

圖8 殘余應力效應圖

圖9 厚度差效應圖

圖10 微特征高度效應圖

從圖8可知，對殘余應力影響極差大小順序為C＞B＞A＞D。超薄型腔中熔體冷卻快，壓縮延遲過大，熔體冷卻凝固，壓縮難度增加，使殘余應力較大；壓縮距離越大，熔體易進入型腔，高分子流動剪應力降低，殘余應力也隨之降低；模具溫度較高，使高分子更易松弛，有助于降低殘余應力；壓縮力過大，流動殘余應力不易釋放，壓縮力過小，壓縮速度低，易形成凝固層，都會引起較大殘余應力，因此，適當的壓縮力有助于殘余應力降低[13]。

從圖9可知，對近澆口、遠澆口厚度差影響極差大小順序為C＞B＞D＞A。壓縮延遲過小，熔體尚未充滿型腔，壓縮延遲過大，熔體冷卻凝固，都會使近、遠澆口厚度差變大，適當的延遲時間有利于近、遠澆口厚度一致；壓縮距離增大，熔體易進入型腔，熔體流動剪應力小，近、遠澆口脫模收縮較為一致，厚度差減小；壓縮力增大，有助于熔體腔內壓實，厚度差較小；模溫升高，有助于熔體腔內流動，厚度差較小。

從圖10可知，對微特征高度影響極差大小順序為A＞D＞C＞B。模具溫度較高，腔壁熔體不易冷卻，微特征轉寫性好；壓縮力大，微特征成型完整飽滿，轉寫性較好；壓縮延遲過大，熔體冷卻凝固，微特征轉寫性差。壓縮距離增大，熔體進入型腔較多，微特征轉寫性相對較好[14]。

由于導光板為光學元件，微特征成型、殘余應力對光的反射、投射至關重要，因此，參考圖8、圖9、圖10效應圖，選擇A3B3C2D1作為最佳工藝組合進行實驗，得圖3樣本點殘余應力、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殘余應力

圖12 最佳工藝組合樣本點微特征高度

圖13 最佳工藝組合樣本點厚度

從圖11可知，注壓成型殘余應力整體偏小，近澆口樣本點1殘余應力為10.01 MPa，遠澆口樣本點11殘余應力為7.52 MPa，其差值僅2.49 MPa。樣本點6處殘余應力略為凸顯，是因為中間收縮較慢，熱應力較為集中。

從圖12可知，注壓成型近澆口厚度略高于遠澆口，樣本點1厚度為0.406 mm，樣本點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澆口，樣本點1高度為0.039 mm，樣本點11高度為0.038 mm，其差值僅0.001 mm，整體轉寫性較好。

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

圖14 注壓成型雙折射應力紋

圖15 注壓成型微特征形貌

4 超薄導光板變模溫注壓成型

從以上分析可以了解到，模具溫度對微特征轉寫質量影響顯著，為了進一步改善微特征轉寫性，增強導光板光學特性。在注壓成型中結合變模溫技術，通過模具溫度控制提升微特征轉寫質量。

在注壓最佳工藝組合A3B3C2D1基礎上，結合變模溫進行實驗。導光板材料PC AD–5503的頂出溫度為133℃，設定動態(tài)變模溫為140～90℃，采用PRIAMUS 6001B壓電感測器測量圖2中T1，T2位置壓力，測量結果與定模溫成型結果對比如圖16a、圖16b。

從圖16a、圖16b可知，注壓成型工藝結合變模溫技術能夠有效地縮減制件型腔近澆口、遠澆口壓力差[15]，能夠獲得較小且分布均勻的殘余應力，制件微特征成型更為飽滿且表面較為光滑，成型質量高。如圖17、圖18為變模溫注壓成型導光板雙折射應力紋及微特征轉寫形貌。

變模溫注壓工藝能夠將初始模具溫度設定更高，如試驗中設定為140℃，高于頂出壓力133℃。通過模具溫度控制，熔體初始進入型腔后腔壁冷卻慢，更利于表面微特征轉寫成型。且初始模溫高，能夠使高分子充分松弛，熔體流動充分，壓力傳遞效果好，型腔內近澆口、遠澆口壓力分布更趨一致，導光板成型殘余應力更小、分布更均勻，隨著壓力的降低，應力釋放充分，微特征定型質量好。

圖16 固定模溫與動態(tài)模溫模內壓力測量

圖17 變模溫注壓成型雙折射應力紋

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比，計算測量圖3中樣本點1～11位置處的殘余應力、厚度、微特征高度均值和標準差，如圖19a、圖19b、圖19c所示。從圖19a可知，三種工藝方案中，注射成型殘余應力均值最大，且標注差最大，注壓成型次之，而變模溫注壓成型殘余應力均值最小，且標注差也最小，顯示了注壓成型工藝對減小導光板殘余應力、提高殘余應力分布均勻性更有效果，而變模溫技術會進一步降低殘余應力均值，且其分布均勻性也有一定提升。

圖19 不同工藝方案導光板品質對比

從圖19b可知，三種工藝方案中，射出成型樣本點厚度均值超出設計尺寸，標準差大，尺寸分布分散。注壓工藝與變模溫注壓工藝樣本點厚度均接近設計值，標準差均較小，尺寸分布集中，變模溫注壓工藝略好但差距不大，說明變模溫技術對厚度影響不太顯著。

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，且標注差最大，說明射壓成型微特征轉寫性最差。注壓成型和變模溫注壓成型工藝微特征轉寫均較好，二者標準差相近，但變模溫注壓成型微特征高度均值更接近設計值。說明變模溫注壓成型工藝對微特征轉寫作用顯著。

5 結論

針對超薄導光板射出成型、注壓成型、變模溫注壓成型工藝的對比得出如下結論：

(1)超薄導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，導致導光板應力集中，型腔前、后端厚度不均、微特征轉寫較差。

(2)注壓成型型腔厚度較大，熔體易進入型腔，分子取向弱，殘余應力小。合適的壓縮力與延遲時間是保證應力分布、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寫質量的主要因素，模溫高，熔體冷卻慢、易流動，高分子松弛效果好，有利于減小殘余應力、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、遠澆口壓力差，通過模溫控制，使導光板平面內殘余應力趨于更小且分布均勻、微特征轉寫性更佳。