注射壓縮成型LED透鏡光學性能分析

杜遙雪，史 智，周 陽，殷小春

(1.五邑大學機電工程學院，廣東 江門 529020；2.華南理工大學聚合物新型成型裝備國家工程研究中心，廣州 510640)

0 前言

LED透鏡作為二次配光器件可以改善照明效果，廣泛應用于景觀、道路、家庭等的照明場合[1-3]。通過注射壓縮成型加工的LED透鏡，其內部殘余應力和翹曲變形顯著降低，型腔熔體壓力分布均勻使得透鏡的面形精度及透光率提高和折射率改善，低壓注射成型使得加工過程能耗降低[4-5]。因此相對于傳統的注射成型而言，注射壓縮成型的LED透鏡不論是成型精度還是光學精度都有十分優異的表現[6-7]。

為了提高注射壓縮成型LED透鏡的光學性能，本文采用與正交實驗相結合的穩健設計方法[8-10]，在正交試驗的基礎上進行信噪比分析，應用Moldflow2015軟件的注射壓縮功能模塊進行仿真，探討透鏡的折射率變化與其注射壓縮成型工藝參數之間的關系，找出其中關鍵的影響因素及最佳成型工藝參數組合，通過熱流道與冷流道注射壓縮成型透鏡的分析模擬與光學性能測試分析，達到提高LED透鏡光學性能的目的。

1 LED透鏡有限元模型

采用貝塞爾曲線構建自由曲面，通過光學設計建立非球面LED透鏡模型，透鏡最大的直徑和高度分別為36 mm和18 mm，其小孔的高度7 mm及內徑7 mm，拔模角為3 (° )。注射壓縮成型模具分流道板和型芯及成型加工透鏡的實物照片如圖1所示。澆口形式采用側澆口，其截面的寬度5 mm及高度1 mm，分流道截面的寬度4 mm及高度5 mm。采用實體網格類型對透鏡進行三維網格劃分，得到的四面體單元數為57 979個，透鏡的澆注系統及其有限元模型如圖2所示，透鏡材料選擇聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

(a)分流道板 (b)型芯 (c)透鏡圖1 實物照片Fig.1 Real photos

圖2 透鏡有限元模型Fig.2 Finite element model of the lens

2 實驗設計

本文通過Moldflow2015軟件對LED透鏡注射壓縮成型過程進行仿真，得到透鏡翹曲之后折射率中的更改，并對實驗方案進行穩健設計。這里選擇信噪比η的大小作為實驗結果的評價標準，其計算按式(1)進行：

(1)

式中n——實驗次數

yi——實驗結果

根據注射壓縮成型加工的特點，選擇7個工藝參數作為影響因素，每個因素選取3個水平，各參數的水平設計如表1所示。

按照表1的各因素水平進行L18(37)正交實驗矩陣的構造，將表2中18組實驗號對應的工藝參數輸入Moldflow軟件進行模擬，每組實驗號進行3次仿真實驗，再由式(1)將3次實驗透鏡翹曲之后折射率變化的計算結果記入表2。

表1 工藝參數及水平Tab.1 Process parameter and level

表2 正交實驗矩陣結果Tab.2 Orthogonal experiment matrix result

在上述每一組實驗中，每個因素在對應水平上的信噪比總和Kqi按式(2)計算：

(2)

式中q——實驗因素

i——因素水平

ηqi——相應因素水平的信噪比

計算因素波動時的極差Rq按式(3)計算：

Rq=Kqmax-Kqmin

(3)

式中Kqmax——相應因素水平最大的信噪比總和

Kqmin——相應因素水平最小的信噪比總和

每個因素信噪比總和最大的為該因素的最優水平，各因素最優水平的組合即最佳成型工藝參數組合。各因素中其極差最大者為該因素影響最大，由此可對各工藝參數影響成型質量的重要程度排序。根據表2中的結果并應用式(2)和式(3)，計算整理后得表3。

表3 信噪比分析結果Tab.3 Analytical result of the signal-to-noise ratio

3 實驗結果及分析

由表3可知，LED透鏡折射率變化最小的最佳成型工藝參數組合為A3B2C2D2E2F3G1。將該組合用Moldflow2015軟件模擬得到的透鏡折射率變化最大值0.000 273 0，均比表2中對應的18組工藝參數模擬得到的主要結果要小。對透鏡折射率變化影響最大的工藝參數為壓縮速度，注射速率次之，其余參數影響較小。壓縮速度的大小影響透鏡的翹曲變形，壓縮速度的加快會縮短壓縮過程, 熔體的溫度高而流動性好，從而降低透鏡折射率的變化。

圖3為優化前LED透鏡翹曲之后的折射率變化，圖4為優化后LED透鏡翹曲之后的折射率變化。由圖3可知，優化前折射率變化范圍為-0.000 119～0.000 488 9；由圖4可知，優化后的最佳成型工藝參數組合則為-0.000 125～0.000 273 0，其折射率變化比優化前的減小了44.2 %。采用最佳成型工藝參數由于增大壓縮速度和降低壓縮力與注射速率，使得透鏡壓縮時間與壓縮過程均縮短而折射率變化降低。

圖3 優化前折射率Fig.3 Refractive index before optimization

圖4 優化后折射率Fig.4 Refractive index after optimization

4 熱流道注射壓縮成型工藝優化

采用熱流道加工的LED透鏡，通過主流道熱咀對澆注系統熔料狀態有效控制，能量損失少，材料利用效率高，體積收縮均勻及翹曲變形小，透鏡面形精度要求得到滿足。為此，在圖2冷流道澆注系統透鏡模型的基礎上，結合LED透鏡結構特點，將主流道設置為熱流道并近似與原冷流道的主流道尺寸相同，分流道仍為冷流道，其余結構尺寸不變，進行3D網格劃分。熱流道工藝參數及組合與冷流道的表1相同，采用穩健性優化方法，得到LED透鏡折射率變化最小的最佳成型工藝參數組合A3B2C2D2E2F3G1。

圖5 熱流道折射率Fig.5 Refractive index in the hot runner

通過對熱流道的最佳成型工藝參數組合模擬，得到圖5熱流道注射壓縮成型LED透鏡的折射率變化。由熱流道的圖5和冷流道的圖4可知，熱流道注射壓縮成型翹曲之后折射率變化范圍為-0.000 120～0.000 247 6，而冷流道的范圍為-0.000 125～0.000 273 0，采用熱流道的透鏡翹曲之后折射率變化降低9.3 %。這是因為熱流道能減小流道阻力，熔體在流道中的熱損失減少，相對冷流道而言熔體進入型腔前應力略有降低，進入型腔料溫略高些，減小了透鏡內部殘余應力，使得采用熱流道注射壓縮成型的透鏡翹曲之后折射率變化有所減小。

5 LED透鏡光學性能分析

LED透鏡的光通量、光效、光色等光學性能通過ZWL-9200GT型燈具綜合測試系統測量獲得，其中透鏡的透光率通過對LED光源入射光通量和出射光通量的測試得到。透光率是指透鏡透過光的效率，影響LED燈的視覺效果。透光率(T)按式(4)計算：

(4)

式中Φ1——所測透鏡的出射光通量，lm

Φ2——光源的入射光通量，lm

對未安裝透鏡的LED光源進行積分球測試可以得到入射光通量，對安裝成型加工透鏡的LED光源進行積分球測試可以得到出射光通量。測得未安裝透鏡的單個LED光源的光色結果如圖6所示，其中Φ2=90.88 lm。

圖6 單個光源光色Fig.6 Light color of the single photosource

圖7為冷流道注射壓縮成型LED透鏡的光色測試結果，其中Φ1=84.59 lm。圖8為熱流道注射壓縮成型LED透鏡的光色測試結果，其中Φ1=88.62 lm。由式(4)可知，冷流道透鏡的透光率為93.1 %，熱流道透鏡的透光率為97.5 %，即熱流道注射壓縮成型LED透鏡的透光率比冷流道的提高4.4 %，因此采用熱流道加工的透鏡透光率要高于冷流道的。這是因為熱流道能有效降低注射溫度和注射壓力，使得透鏡的內部殘余應力和翹曲變形減小而成型精度與光學性能提高。

圖7 冷流道透鏡光色Fig.7 Light color of the lens in the cold runner

圖8 熱流道透鏡光色Fig.8 Light color of the lens in the hot runner

采用杭州遠方光電信息股份有限公司GO-1900L型燈具配光曲線測試系統，可以得到在極坐標下，冷流道注射壓縮成型LED透鏡的配光曲線如圖9所示，其中最大光強590.3 cd；熱流道注射壓縮成型LED透鏡的配光曲線如圖10所示，其中最大光強665.3 cd。由此可知，熱流道注射壓縮成型LED透鏡的光強比冷流道的提高75 cd，采用熱流道加工的透鏡光強要高于冷流道的，因此對提高其光學性能有利。

圖9 冷流道透鏡配光曲線Fig.9 Light distribution curve of the lens in the cold runner

圖10 熱流道透鏡配光曲線Fig.10 Light distribution curve of the lens in the hot runner

6 結論

(1)針對注射壓縮成型的LED透鏡，采用L18(37)正交實驗矩陣及模擬優化獲得注射壓縮成型最佳成型工藝參數的組合為A3B2C2D2E2F3G1，工藝參數中的壓縮速度增大和注射速率降低，透鏡的內部殘余應力和折射率變化減小而光學性能提高；

(2)采用熱流道注射壓縮成型的透鏡與冷流道的相比，折射率變化降低，熱流道透鏡的透光率和光強分別比冷流道的提高4.4 %和75 cd，熱流道注射壓縮成型加工的LED透鏡在光學性能方面比冷流道的優越。

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