- 客戶：俄亥俄州立大學
- 國家：美國
- 產業：教育
- 解決方案：Moldex3D光學模組
大綱
精密射出成型技術常用於大量生產平價的光學元件，但製造過程常會發生產品變形和折射率分布不均問題。實務上多利用有限元素法於來了解自由曲面的Alvarez鏡片在射出成型過程中受到的影響，並藉由干涉儀測量光學波前。此測量運用折射率匹配液來降低或消除鏡片的表面屈光度，因此即便波前發生大偏移，也能夠透過一般的波前量測系統量測。此案例將透過Moldex3D分析表面變形和折射率分布對於波前的影響。
挑戰
- 產品因熱收縮、不均勻的折射率分布和雙折射等光學品質問題
- 如何以有限元素法模擬成型過程
- 如何分析自由曲面光學產品的精密射出成型製程
- 驗證光學製品模擬結果
解決方案
Moldex3D提供自由曲面光學鏡片兩項關鍵且精確的參數模擬：產品翹曲及折射率；同時也能呈現充填、保壓、冷卻等階段真實三維的模擬結果。
效益
- 加強對精密射出成型的自由曲面光學產品之品質管控
- 可視化並量測出幾何變形結果
- 可視化並量測折射率變化
- 了解產品表面變形和折射率如何影響前導波變化
案例研究
本案例目標為藉由有限元素模型，計算出自由曲面光學產品的幾何變形和折射率，進而測量前導波，用於評估精密射出鏡片的光學品質，同時比較模擬和實際測量的結果，以了解CAE技術對於光學產品的模擬準確度。
Moldex3D以HyperMesh網格建立三維有限元素模型，用來模擬產品變形和折射率分布(圖一)。本產品使用的材料為PMMA Plexiglas V825。Moldex3D可偵測並呈現產品的表面變形，以及不均勻的折射率分布(圖二)。接下來再以實際測量驗證，計算像差。
圖一 以十層六角柱網格建構三維網格模型(左)以及流道系統(右)
圖二 精密射出成型之Alvarez鏡片(左)及其表面變形可視化結果(右)
由於本案例主要目的為驗證模擬結果(圖三及圖四)，因此並未針對原始設計作變更，預期在往後的研究才會進一步優化此精密射出產品的設計。
圖三 精密射出成型之Alvarez鏡片表面變形模擬結果(左)與實際測量結果(右)比較
圖四 精密射出成型之Alvarez鏡片折射率分布模擬結果(左)與實際測量結果(右)比較
接下來將驗證自由曲面鏡片的前導波特徵。首先以傳輸干涉儀系統設定，測量具有均勻折射率分布的未成型Alvarez鏡片的前導波，並將結果與名義前導波比較。同時也將鏡片浸入定折射率液體。若液體之折射率與鏡片表面折射率代表值相符合，則測量出的波前特徵就代表鏡片內部的折射率變化；相對地，若控制的折射率與表面折射率代表值不相符，則測量出的導前波特徵主要就是由表面屈光度所決定。
圖五 名義上的前導波(左)與實際測量的前導波(中)，以及二者差異(右)
結果顯示波前偏差為15.89 λ，實際測量的數值則為15.8 λ。兩種局部的前導波特徵之最大差異小於5%，差異最大的部分位於產品中央及角落處。由此可證，造成此差異的主要原因是精密射出成型產品的表面變形和折射率變化的綜合影響，與Moldex3D之前的的預測結果相符。
結果
透過Moldex3D的分析，可精確預測並觀察到精密射出成型之自由曲面光學產品的翹曲情形和折射率，幫助使用者更深入了解表面變形和折射率變化等潛在因素，是如何影響波前變化。Moldex3D的分析也發現，具有均勻折射率分布的未變形Alvarez鏡片，以及折射率分布不均、變形的微射出Alvarez鏡片，兩者波前特徵差異，主要肇因於折射率和表面變形的雙重影響。此外並能同時獲得充填、保壓、冷卻等階段的真實三維模擬結果。更重要的是，使用Moldex3D可以大幅縮短產品研發週期，提供未來的研究許多極具價值的資訊，包括應力分析、雙折射分析、集成光學產品嵌件成型，以及藉由實驗設計法(DOE) 優化射出製程、降低波前差異等等。