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研究生: 賴昶順
Chang-Shun Lai
論文名稱: 含微結構之非軸對稱非球面反射式光學元件射出成形分析研究
Research on Micro-Structure Non-Axisymmetric Aspherical and Reflective Optical Element by Injection Molding Process
指導教授: 陳炤彰
Chao-Chang Chen
口試委員: 楊申語
Sen-Yeu Yang
黃國政
Kuo-Chang Huang
洪健翔
Chien-Hsiang Hung
黃忠偉
Jong-Woei Whang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 162
中文關鍵詞: 非軸對稱非球面反射式光學元件結構式光學元件變模溫微振動射出成形
外文關鍵詞: Non-Axisymmetric Aspherical (NAA), Reflective Optical Element (ROE), Structured Optics, Varithermo Mold Temperature (VMT), Micro Vibratile Injection Molding (MV-IM)
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  • 本研究以射出成形製作含微結構之非軸對稱非球面反射式光學元件(Reflective Optical Element, ROE),利用射出成形模具之資料擷取系統與壓電致動器控制系統結合變模溫技術(Varithermo Mold Temperature, VMT)與微振動技術(Micro Vibratile, MV)方法。研究方法首先以巨觀尺度成形探討含微結構之非軸對稱非球面形狀誤差分析,模仁經優化設計形狀誤差為0.92μm。以微觀尺度成形探討三款塑料液晶聚合物(Liquid Crystalline Polymer, LCP)、聚碳酸酯(Polycarbonate, PC)、聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)微結構表面形貌,其中LCP射出成形之ROE微結構表面形貌最佳。藉由壓電致動器輸入不同振動波形將影響微結構複製率,使用三角波複製率為57.14%,正弦波複製率為85.71%,方波複製率提昇至87.75%,結果皆優於傳統射出成形製程,在壓電致動器控制迴路系統,結果顯示壓電致動器頻率200Hz和振幅40V為理想工作狀態。ROE成品經光學頻譜檢測,成品出現聚焦跡象,雜散光比例約為3.3%,比先前研究改善74%。未來研究可發展壓電致動器閉迴路控制系統,有效提昇ROE之性能。


    This study aims to fabricate a non-axisymmetric aspherical (NAA) reflective optical element (ROE) with micro-structure by injection molding process. The molding data acquisition and control system of piezo actuator have been integrated with micro vibratile (MV) and varithermo mold temperature (VMT) methods as a novel injection molding system. In macro scale, the non-axisymmetric aspheric form error (Rt) can be lowered to 0.92μm after optimization. The morphology microstructure surface of ROE in micro scale will be molded with three different plastics materials, which are liquid crystalline polymer (LCP), polycarbonate (PC), and polyphenylene sulfide (PPS). From the result of surface morphology of LCP ROE has shown the best surface quality during the process. Experimental results also show that with different piezo actuator waveform the micro groove filling ratio (GFR) is varied. The GFR of triangle wave is 57.14%, sine wave is 85.71%; and square wave is 87.75%. It is obviously to see that the ROE with MV-VMT is better than that by conventional injection molding process. In control loop system, the best parameters are as following, piezoelectric actuator frequency 200Hz and amplitude 40V. Last but not the least, the stray light in this study is 3.3%, which is better than previous study as improved 74%. Further study can focus on close-loop control system in order to augment the ROE performance.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 V 圖目錄 XI 表目錄 XVIII 第一章 導論 1 1.1 研究背景 1 1.2 研究目的 2 1.3 研究方法 3 1.4 論文架構 4 第二章 文獻回顧 6 2.1 模內振動式射出成形相關文獻 6 2.2 模具溫度影響射出成形相關文獻 10 2.3 液晶聚合物(LCP)射出成形文獻回顧 16 2.4 相關專利回顧 18 2.5 文獻回顧總結 19 第三章 反射式光學元件製程技術介紹 22 3.1 非軸對稱非球面形狀 22 3.2 非軸對稱非球面量測與誤差補償 24 3.3 液晶聚合物介紹 29 3.3.1 液晶聚合物-熱性質檢測方式 30 3.3.2 液晶聚合物-熱性質檢測結果 32 3.4 三款材料表面形貌比較 34 3.5 射出成形製程介紹 35 3.5.1 射出成形製程模式 35 3.5.2 微振動式射出成形製程 35 3.5.3 壓電致動器規格與特性 36 3.5.4 變模溫射出成形製程 37 3.5.5 製程整合MV-VMT 37 第四章 反射式光學元件模具設計與分析 39 4.1 模流分析 39 4.1.1 Z軸翹曲位移量與體積收縮率 41 4.1.2 非球面模擬-Error map 46 4.1.3 微結構模擬分析結果 47 4.1.4 變模溫模擬分析結果 49 4.2 反射式光學元件模具與模仁設計 51 4.2.1 模具設計變更 55 4.2.2 模仁設計 59 4.3 模仁加工 61 第五章 MV-IM實驗設備與規劃 63 5.1 MV-IM實驗系統 63 5.1.1 MV-IM控制系統 63 5.1.2 模具設置 66 5.1.3 模內微振動式模組(MV) 67 5.1.4 變模溫製程模組(VMT) 71 5.1.5 射出成形相關設備 74 5.2 量測設備 75 5.3 實驗規劃 80 5.4 射出成形實驗流程 83 5.4.1 實驗參數訂定 83 5.4.2 取樣方法 85 5.4.3 短射實驗 85 5.4.4 成形視窗 87 5.5 非球面與微結構量測 88 5.5.1 非軸對稱非球面量測 88 5.5.2 微結構複製率量測 89 第六章 實驗結果與討論 91 6.1 PZT控制迴路之參數設定(MV-IM) 91 6.2 不同製程之模穴壓力探討 94 6.2.1 不同模具溫度之模穴壓力 94 6.2.2 不同振動波形之模穴壓力 95 6.3 非球面量測結果 96 6.3.1 Taylor Hobson形狀量測儀 96 6.3.2 Sensofar Neox 3D光學輪廓儀 97 6.4 微振動式射出成形結果 99 6.5 SEM檢測結果 101 6.5.1 拍攝取樣方法 101 6.5.2 VMT-IM拍攝結果 102 6.5.3 於不同振動波形MV-VMT-IM拍攝結果 102 6.6 鍍反射膜 104 6.7 光學檢測結果 104 第七章 結論與建議 112 7.1 結論 112 7.2 建議 114 參考文獻 115 附錄A 塑膠材料特性表 117 附錄B 塑膠材料LCP特性表-Moldex3D 118 附錄C 反射式光學元件模具BOM 119 附錄C-1 反射式光學元件模具設計圖-母模側 120 附錄C-2 反射式光學元件模具設計圖-公模側 121 附錄C-3 反射式光學元件模具設計圖 122 附錄C-4 反射式光學元件模具 123 附錄C-5 模仁設計圖/ROE成品圖 124 附錄D 圖控程式-LabVIEW 125 附錄E 石英壓力感測器KISTLER 6157B 126 附錄F 電荷放大器KISTLER 5039A 127 附錄G 壓電致動器Piezomechanik PSt150/20/40 128 附錄H 射出機(FANUC ROBOSHOT α-15iA) 129 附錄I 雷射掃描共軛焦顯微鏡-KEYENCE 130 附錄J 形狀量測儀-Form Taylorsurf 131 附錄K Sensofar Neox 3D光學輪廓儀 132 附錄L-1 微結構(成品_B2)量測資料 133 附錄L-2 微結構(成品_B2)量測資料 134 附錄L-3 微結構(成品_B2)量測資料 135 附錄L-4 微結構(成品_B2)量測資料 136 附錄L-5 微結構(成品_B2)量測資料 137 附錄L-6 微結構(成品_B2)量測資料 138 附錄M-1 ROE光學檢測測試結果-第一批(B1) 139 附錄M-2 ROE光學檢測測試結果-第二批(B1) 140 附錄M-3 ROE光學檢測測試結果-第二批(B2) 141

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