（广州导新模具注塑有限公司 广东广州）
摘要：主要介绍透镜产品在成型过程的研究，并分析塑料在型腔成型时的收缩变化，通过注塑工艺的设置和模具浇口方案的设计等方法来解决材料因收缩引起的缩痕问题
关键词：填充；收缩；工艺调节；浇口设计；冷却设计
Study on improving shrinkage risk of plastic thick plastic lenses
Ming Zhou
（DATAMATIC CNC ENGINEERING CO.，LTD. Guangzhou，guangdong）
Abstract：this paper mainly introduces the research of lens products in the molding process，and analyzes the shrinkage change of plastics in the molding cavity，and solves the shrinkage mark problem caused by the shrinkage of materials by means of injection molding process setting and mold gate design
Key words：Fill；Contraction；Process adjustment；The gate design；Cooling design
前言
透镜是用透明物质制成的表面为球面一部分的光学元件，镜头是由几片透镜组成的，有塑胶透镜（plastic）和玻璃透镜（glass）两种。其可广泛应用于天文、安防、车灯、数码相机、激光、光学仪器等各种领域。近几年，由于车灯行业的发展，很多车灯由原来的卤素灯改为LED灯，对透镜的折射率要求也有了变化，由原来的玻璃透镜改为塑胶透镜，所以塑胶透镜这类产品，就也随之得到不同程度的开发和应用。如车灯设计者对透镜制品的综合性能的要求伴随着行业的发展，也在逐步提高，对产品的外观要求也提出更高的要求。而缩痕、缩印是透镜类产品最常见缺陷之一，它不仅会降低制品的力学强度，而且还可能影响外观件的美观度。因此，研究缩痕的形成机理，找出影响缩痕出现的工艺参数，并根据此设计优化方案，尽可能减小甚至消除缩痕带来影响，就显得十分必要了。
要理解缩痕形成的原理，就要对塑料特性和注塑成型工艺要有一定的了解和认识。
一、塑料特性
透镜常用的材料为PC，代表性材料为Makrolon LED 2405，是属于聚碳酸酯类塑料，是良好的热塑性工程材料，具有良好的抗高温能力，其韧性强、抗冲击、阻燃B1级、成形收缩率低、尺寸安定性良好、高度透明性、无味无臭对人体无害符合卫生安全。材料的模具成型温度为100℃，塑料溶体温度为300℃，具体见图一材料注塑物理特性表。
图三 注塑过程胶料流动视图
图中的红色箭头表示熔化的塑料的流动方向，贴在型腔侧壁上的深蓝色层表示冻结的塑料层，绿色箭头表示从塑料熔体流入型腔侧壁的热流方向。
随着越来越多融化的塑料流过型腔，冻结层获得热量，模具失去（或吸收）热量。冻结层达到一定厚度时，就会到达到平衡和固定不动，这通常发生在注射成型过程的流动填充阶段。
2、保压阶段
当型腔填充到约体积95%的阶段之后，将由速度切换成保压阶段。在这一阶段中，注塑机将对塑料进一步的施加压力，一边将更多的材料注入型腔，直到打满型腔，再不断增加压力把产品打饱。此阶段的目的是减少收缩，并使收缩更加均匀，同时减少产品的整体翘曲。塑料填满模具型腔后，保压阶段开始，产品上密度的变化会驱使材料流动。如果零件一个区域的保压密度小于相邻区域，那么溶体胶料会将流入密度较小的区域，直至达到平衡。与填充阶段所受的影响因素类似，此流动会受到熔体压缩性和热膨胀的影响。
下图显示了填充阶段（左图）结束和保压阶段（右图）结束时状态的差异。
图四 产品在填充和保压阶段的密度状态
3、冷却阶段
虽然在填充阶段，与型腔侧壁相贴合的塑料便会开始冷却，但产品主体的冷却阶段实际上是从保压结束到开合模前的那段时间。此阶段是产品开始冷却至达到可以顶出状态所需的时间，但并非指产品的整体和流道都必须达到完全冻结状态，和产品中心的材料达到其转变温度，并随冷却时间的增长转变为固体。产品的冷却时间是会随产品的厚度变化而改变，厚度越大，冷却时间越长。一般来说，冷却时间约会与产品厚度的平方成正比，即厚度加倍，冷却时间增加4倍，但当厚度达到一定时，就不是单单能在时间上就能解决，还需要调整产品的工艺才可以达到。
三、产品缩痕的产生
在了解产品冷却的同时，我们还需要理解什么是缩痕，因为产品受到的冷却会直接影响到产品的缩痕，而缩痕的产生是在产品的表面，并在表面形成的局部凹陷。而缩痕的形成原理是在正常的情况下，塑料熔体以“喷泉流”的方式来填充模具的型腔，表层的熔体因接触相对较冷的型腔侧壁形成固化层，但芯层塑料却还处于熔融状态。在填充型腔结束后，表层塑料已经冷却固化，而芯层塑料才开始慢慢冷却，如果此时型腔内的熔融塑料没有得到足够的保压补偿，芯层塑料受到冷却收缩就会去拉扯表层已经冷却的塑料，才导致产品表层下凹形成缩痕。这通常会发生在局部壁厚较大的区域，如侧筋或胶厚不均的背面。而透镜缩痕的出现最大的原因是因为壁厚较大，因产品的壁厚不均才产生的收缩。
四、解决办法
常用的方法是通过优化注塑保压时间、浇口位置与大小的定义、优化流道设计、优化运水的设计方案和更改材料。首先我们需要清楚缩痕产生的位置是在哪里（如图五所示），再做出相应的改善方案。
图6 产品胶厚和进胶口位置分布图
通过上图6的剖视图，不难看出产品存在较明显的较厚不均，透镜位置，胶厚达7mm，相对其他位置的较厚明显要高出不少。还有就是从进胶口到整个填充过程，塑料流动过程中会经过很多胶厚不均的位置，这样就造成产品的填充工艺复杂化，需要设置多段注塑。另一方面保压无法完全保压到位，这也是使透镜位置出现明显缩痕的主要原因，所以对壁厚的调整就需要在此变化位置进行优化调整。
以下是通过模流模拟塑料注射过程（以流动速度来模拟）：
图7 模流模拟塑料注射过程图
结合模拟和理论分析，在图中不难看出缩痕在透镜位置的原因：1、在A-E阶段，为产品整体填充阶段，在此阶段中，塑料溶体在型腔内属于流动体。2、在F-J阶段，产品胶厚较薄的位置，塑料已经开始冷却，表层已经冷却固化，塑料无法在型腔内部发生流动。正因为透镜的芯层的塑料还存在熔融状态，但表层的塑料已经开始冷却，芯层塑料在冷却收缩的同时，拉扯表层塑料，使产品形成缩痕（如图8所示）。所以在F-J阶段是产品发生缩痕的主要阶段，要优化缩痕问题就需要在此阶段前进行优化注塑工艺。
图9 产品壁厚调整位置
因为产品凸起的位置是透镜的光学特征，需要保持此特征不变，所以在壁厚方面通过调整图9粉色面位置的胶厚，把胶厚至2mm，使透镜接触的胶位和两透镜链接的胶位厚度做成一致，减少工艺调整的难度和减少塑料流动过程中通道厚度差的问题。通过产品部分位置的加厚处理，使产品除透镜位置外都达到了平均壁厚，在试模时可增加保压的时间，不会因局部位置已经冷却而无法继续保压，实际中发现产品缩痕问题可以得到明显的改善。
4.3浇口设计
对于透镜类产品的浇口应设计在壁厚大的区域，或者靠近缩痕出现的位置，这样有利于产品保压补缩。浇口的尺寸应足够大，以减缓浇口的冷却，使得更多的熔体能在保压阶段填充进去型腔，使产品可以得到最大程度的补缩。一般情况下，浇口的厚度应不小于壁厚的50%，最好能达到壁厚的80%。但针对此产品，浇口厚度最大也只能做到2mm，做到非透镜壁厚的最大值，浇口的宽度做到厚度的3-5倍即可满足注塑要求。
4.4流道设计
对于注塑模具来说，流道的选择优先选用圆形流道。因为圆形流道的有效截面积最大，流道的有效截面积越大，保压补缩的能力越强，制件的越不容易出现缩痕。而U型与半圆形流道都会存在压力损失，
通过设置不同流道大小和保压百分比进行方案对比，如图10所示。经过对比分析，产品缩痕得到了很好的改善，如图11所示。
1.加大流道的直径，由原来的Φ 6增加到Φ8。
2.加大浇口的尺寸，长度尺寸由原来的4mm增加到5mm，宽度尺寸由1.5增加到2mm。
3.保压百分比，由原来的压力最大值保压80%增加到120%。
图12 模流分析注塑工艺的设置
4.6模具冷却运水设计优化
模具设置的冷却运水也是对产品缩痕影响最为关键的因素，产品收缩与否，与运水的设计关系很大，所以在运水设计时需要注意的是冷却的均匀性，保证厚透镜周围都需要设置冷却运水。目的有两个：1、均匀的冷却运水，可以是产品的成型周期大大的缩短。2、减少厚透镜因冷却不足导致产品出现二次收缩产生缩痕。
五、结论：
厚透镜的缩痕问题，向来都是在模具注塑的一大通病，要完全解决此问题和达到透镜的配光要求，就需要从上述内容进行优化。从分析内容来看，影响透镜缩痕的因素主要有：壁厚、保压、成型工艺、流道与浇口的设计和冷却运水的设计。在分析透镜类产品时，优化产品的设计和模具结构的设计，以达到避免透镜缩痕的出现，使注塑出来的透镜产品能到达功能要求。本案例的透镜产品，除了光学要求外，还具有较精密的装备要求，但由于产品比较小，就没有考虑使用热流道进行注塑，同时也为了减低制造成本。在此光学透镜的案例中，简述了透镜类产品缩痕形成原理及优化方案。希望能给大家在解决透镜缩痕问题上有所启发，和为模具制造行业的发展带来帮助。
参考文献：
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[2]许鹤峰，陈言秋 注射模具设计要点与图例[M].北京：化学工业出版社，1998.
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[4]梁明昌 注塑成型工艺技术与生产管理.北京：化学工业出版社，2014
论文作者:周明
论文发表刊物:《河南电力》2018年23期
论文发表时间:2019/7/17
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