車窗外罩注射模具設(shè)計-塑料注塑模側(cè)抽芯1模2腔含proe三維及16張CAD圖帶開題報告.zip
車窗外罩注射模具設(shè)計-塑料注塑模側(cè)抽芯1模2腔含proe三維及16張CAD圖帶開題報告.zip,車窗,外罩,注射,模具設(shè)計,塑料,注塑,模側(cè)抽芯,proe,三維,16,CAD,開題,報告
外罩注射模具設(shè)計任務(wù)書
本課題目標:
作為塑料模塑成型關(guān)鍵的工藝裝備——注射模具在塑料注射成型中起著重要的作用，它直接決定著塑件的質(zhì)量，影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。因此，注射模具設(shè)計極其重要。本課題主要涉及到外罩注射模具設(shè)計。通過該課題的研究，學生能夠熟悉注射模具設(shè)計流程，鞏固所學專業(yè)知識，掌握文獻查詢方法及專業(yè)文獻翻譯，熟練應(yīng)用相關(guān)設(shè)計軟件，初步具有獨立設(shè)計一副注射模具的能力。
本課題的任務(wù)和要求:
1. 測繪塑件，完成塑件零件圖（含2D及3D圖）；要求測繪忠于原設(shè)計意圖，合理選擇尺寸、公差、表面粗糙度和塑件材料，繪制的塑件圖符合國家相關(guān)標準。
2. 一份開題報告：查閱相關(guān)文獻資料，完成開題報告。
3. 完成一副注射模具設(shè)計，完成模具總裝配圖1張（2D圖）（盡量按1:1繪制，2D圖一般為0號圖），成型零件（凸模、凹模按1:1繪制）及其他必要零件的零件圖（2D）（如側(cè)抽芯機構(gòu)零件、澆口套等）若干；要求繪制的模具圖樣完整，并合理確定尺寸、公差、表面粗糙度和材料與熱處理要求，符合工程制圖國家標準，同時盡量選擇模具標準件和符合國家標準的緊固與定位件。
4. 完成上述裝配圖、全部零件圖3D圖。
5. 編寫畢業(yè)設(shè)計說明書，要求格式符合學校統(tǒng)一要求。
6. 獨立完成與課題相關(guān)的英文資料翻譯，要求語句通順，專業(yè)術(shù)語正確。
7. 規(guī)整文檔，制作答辯PPT1份；在畢業(yè)設(shè)計后期，認真整理測繪與設(shè)計圖樣、開題報告、說明書、譯文等電子圖文文檔，按要求打印裝訂成冊，并對本次畢業(yè)設(shè)計做一個簡要的總結(jié)，充分做好畢業(yè)答辯準備。
8. 指導老師所指定的其它工作。
課題進度安排:
起止時間
任務(wù)內(nèi)容
2016年
11月16日～11月30日
測繪塑料制品零件圖（包括3D和2D圖）
12月1日～12月30日
查閱文獻、調(diào)研，初步確定模具設(shè)計方案和設(shè)計說明書大綱，完成開題報告。
2017年
1月1日～2月20日
確定模具設(shè)計方案，完成模具裝備草圖及零件草圖繪制。
2月21日～3月19日
繪制模具裝配圖和零件圖3D圖，完成設(shè)計說明書和初稿并打印，完成外文翻譯工作，中期檢查。
3月20日～4月2日
出模具裝配圖和零件圖2D圖并打印修改。
4月3日～4月30日
完善圖紙和設(shè)計說明書，完成答辯PPT，完成預(yù)答辯。
5月1日～5月15日
打印圖紙、設(shè)計說明書，答辯，完成答辯后的修改及相關(guān)文檔整理工作。
指導教師意見:
指導教師意見：
專業(yè)教學承辦單位意見：
專業(yè)教學承辦單位（公章）： 專業(yè)教學負責人（簽名）：
外罩注射模具設(shè)計開題報告
研究目的和意義:
模具工業(yè)是制造業(yè)中的一項基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)，同時本身又是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的重要領(lǐng)域。美國工業(yè)界認為“模具工業(yè)是美國工業(yè)的基石”：德國則認為是所有工業(yè)中的“關(guān)鍵工業(yè)”：日本模具協(xié)會也認為“模具是促進社會繁榮富裕的動力”，同時也是“整個工業(yè)發(fā)展的秘密”，是“進入富裕社會的原動力”。其模具年產(chǎn)值達到13000億日元，遠遠超過日本機床總產(chǎn)值9000億日元。如今，世界世界模具的工業(yè)發(fā)展已經(jīng)超過了新興的電子產(chǎn)業(yè)。由此可見模具工業(yè)在各國國民經(jīng)濟中的重要地位。
縱觀發(fā)達國家對模具工業(yè)認識與重視，我們感受到制造理念陳舊則是我國模具工業(yè)發(fā)展滯后的直接原因。模具水平的高低，決定著產(chǎn)品的質(zhì)量、效益和新產(chǎn)品的開發(fā)能力，已成為衡量一個國家制造水平高低的重要標志。因此，模具是國家重點鼓勵與支持發(fā)展的技術(shù)和產(chǎn)品，現(xiàn)代模具是多學科知識集聚的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的一部分，是國民經(jīng)濟的裝備產(chǎn)業(yè)，其技術(shù)、資金與勞動相對密集。目前，我國模具工業(yè)的當務(wù)之急是加快技術(shù)進步，調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，增加高檔模具的比重，質(zhì)中求效益，提高模具的國產(chǎn)化程度，減少對進口模具的依賴。
近年來，我國的模具產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值保持15%的年增長率，模具及模具標準件出口量不斷增加。我國模具行業(yè)的企業(yè)數(shù)量和職工總?cè)藬?shù)已躍居世界第一，模具行業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模已占世界總量的近10%，位居世界前列。因此，研究和發(fā)展模具技術(shù)，提高模具技術(shù)水平，對于促進國民經(jīng)濟的發(fā)展有著特別重要的意義。
基于現(xiàn)狀并結(jié)合本學校的教學特色，選用注射模作為本次畢業(yè)設(shè)計題目。通過畢業(yè)設(shè)計實習調(diào)研，完成該課題可對我們大學四年期間所學的知識進行一次較為全面的專業(yè)訓練。讓我們更快的適應(yīng)生產(chǎn)工作，并且培養(yǎng)自己綜合運用所學基礎(chǔ)和專業(yè)基本理論、基本方法分析和解決相關(guān)專業(yè)工程實際問題的能力，為我們以后走上工作崗位打下一個良好的基礎(chǔ)。
課題研究現(xiàn)狀:
隨著模具企業(yè)的設(shè)計和加工水平的提高，模具的制造正在從過去主要依靠鉗工的技藝而轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕揽考夹g(shù)。這一趨勢不但使得模具的標準化程度不斷提高而且使得模具精度越來越高，生產(chǎn)周期越來越短，鉗工比例越來越低，最終促進了整個模具工業(yè)水平的提高，同時也要加強塑膠模具工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。模具企業(yè)及其模具生產(chǎn)正在向信息化方向迅速發(fā)展。在信息社會中，作為一個高水平的現(xiàn)代模具企業(yè)，單單只是CAD/CAM的應(yīng)用已遠遠不夠。目前許多企業(yè)已經(jīng)采用了CAE、PDM、CAPP、RE、CIMS、ERP等技術(shù)及其他許多先進制造技術(shù)和虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
CAD/CAM/CAE技術(shù)的應(yīng)用上了一個新臺階，一些企業(yè)引進CAD/CAM系統(tǒng)，并能支持CAE技術(shù)對成形過程進行分析。近年來我國自主開發(fā)的塑料膜CAD/CAM系統(tǒng)有了很大發(fā)展，優(yōu)化模具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和型件的CAD/CAE/CAM，并使之趨于智能化，提高型件成形加工工藝和模具標準化水平，提高模具制造精度與質(zhì)量，降低型件表面研磨、拋光作業(yè)量和縮短制造周期。為適應(yīng)市場多樣化和個性化，應(yīng)用快速原型制造技術(shù)和快速制模技術(shù)，以快速制造成塑料注塑模，縮短新產(chǎn)品試制周期。這些是未來5～20年注塑模具生產(chǎn)技術(shù)的總體發(fā)展趨勢，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：?
1.提高大型、精密、復雜、長壽命模具的設(shè)計水平及比例。這是由于塑料模成型的制品日漸大型化、復雜化和高精度要求以及因高生產(chǎn)率要求而發(fā)展的一模多腔所致。?
2.在塑料模設(shè)計制造中全面推廣應(yīng)用CAD/CAM/CAE技術(shù)。CAD/CAM軟件的智能化程度將逐步提高；塑料制件及模具的3D設(shè)計與成型過程的3D分析將在我國塑料模具工業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。??
3.推廣應(yīng)用熱流道技術(shù)、氣輔注射成型技術(shù)和高壓注射成型技術(shù)。采用熱流道技術(shù)的模具可提高制件的生產(chǎn)率和質(zhì)量，并能大幅度節(jié)省塑料制件的原材料和節(jié)約能源，所以廣泛應(yīng)用這項技術(shù)是塑料模具的一大變革。制訂熱流道元器件的國家標準，積極生產(chǎn)價廉高質(zhì)量的元器件，是發(fā)展熱流道模具的關(guān)鍵。氣體輔助注射成型可在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，大幅度降低成本。氣體輔助注射成型比傳統(tǒng)的普通注射工藝有更多的工藝參數(shù)需要確定和控制，而且常用于較復雜的大型制品，模具設(shè)計和控制的難度較大，因此，開發(fā)氣體輔助成型流動分析軟件，顯得十分重要。另一方面為了確保塑料件精度，繼續(xù)研究開發(fā)高壓注射成型工藝與模具也非常重要。?
4.開發(fā)新的成型工藝和快速經(jīng)濟模具。以適應(yīng)多品種、少批量的生產(chǎn)方式。?
5.提高塑料模標準化水平和標準件的使用率。我國模具標準件水平和模具標準化程度仍較低，與國外差距甚大，在一定程度上制約著我國模具工業(yè)的發(fā)展，為提高模具質(zhì)量和降低模具制造成本，模具標準件的應(yīng)用要大力推廣。為此，首先要制訂統(tǒng)一的國家標準，并嚴格按標準生產(chǎn)；其次要逐步形成規(guī)模生產(chǎn)，提高商品化程度、提高標準件質(zhì)量、降低成本；再次是要進一步增加標準件的規(guī)格品種。
6.應(yīng)用優(yōu)質(zhì)材料和先進的表面處理技術(shù)對于提高模具壽命和質(zhì)量顯得十分必要。在成型工藝方面，多材質(zhì)塑料成行模、高效多色注塑模、鑲件互換結(jié)構(gòu)和抽芯脫模機構(gòu)的創(chuàng)新業(yè)取得了較大進展。氣體輔助注射成形技術(shù)的使用更趨成熟。熱流道模具開始推廣，有些單位還采用具有世界先進水平的高難度針閥式熱流道模具。
當前國內(nèi)外用于注塑模具方面的先進技術(shù)主要有以下幾種：
1. 氣體輔助注射成形技術(shù)??它是向模腔中注入經(jīng)準確計量的塑料熔體，在通過特殊的噴嘴向熔體中注入壓縮氣體，氣體在熔體內(nèi)沿阻力最小的方向前進，推動熔體充滿型腔并對熔體進行保壓，當氣體的壓力、注射時間合適的時候，則塑料會被壓力氣體壓在型腔壁上，形成一個中空、完整的塑件，待塑料熔體冷卻凝固后排去熔體內(nèi)的氣體，開模退出制品。氣體輔助注射成形技術(shù)的關(guān)鍵就是怎么合理的把握注入熔融的塑料的時間與充人氣體的時間的配合。氣體輔助注射可以應(yīng)用在除特別柔軟的塑料以外的任何熱塑性塑料和部分熱固性塑料。應(yīng)用氣體輔助注塑成型技術(shù)，可以提高產(chǎn)品強度、剛度、精度，消除縮影，提高制品表面質(zhì)量；降低注射成型壓力以減小產(chǎn)品成型應(yīng)力和翹曲，解決大尺寸和壁厚差別較大產(chǎn)品的變形問題；簡化澆注系統(tǒng)和模具設(shè)計，減少模具的重量．減少塑件產(chǎn)品的重量，減少成型時間以降低成本和提高成型效率等。氣體輔助成形周期可分為如下六個階段：塑料熔體填充階段、切換延遲時間、氣體注射階段、保壓階段、氣體釋放階段、推出階段。?
2.熱流道技術(shù)??它是通過加熱的辦法來保證流道和澆口的塑料保持熔融狀態(tài)。由于在流道附近或中心設(shè)有加熱棒和加熱圈，從注塑機噴出口到澆口的整個流道都處于高溫狀態(tài)，使流道中的塑料保持熔融，停機后一般不需要打開流道取出凝料，再開機時只需加熱流道到所需溫度即可。這一技術(shù)在大批量生產(chǎn)塑件、原材料較貴和產(chǎn)品質(zhì)量要求較高的情況下尤為適用。熱流道注塑成型技術(shù)應(yīng)用范圍很廣，基本上，適用于冷流道模具加工的塑料材料都可以使用熱流道模具加工，許多產(chǎn)品如手機殼、按鍵、面板、尺寸要求精密的機芯部件等都是采用熱流道技術(shù)成型。一個典型的熱流道系統(tǒng)一般由如下幾大部分組成：（1）熱流道板；（2）噴嘴；（3）溫度控制器；（4）輔助零件。?
3.反應(yīng)注射成形技術(shù)??它是將兩種或者兩種以上既有化學反應(yīng)活性的液態(tài)塑料（單體）同時以一定壓力輸入到混合器內(nèi)進行混合，在將均勻混合的液體迅速注入閉合的模具中，使其在型腔內(nèi)發(fā)生聚合反應(yīng)而固化，成為具有一定形狀和尺寸的塑料制品通常這種成形過程稱之為RIM。?
4.共注射成形技術(shù)??它是使用兩個或者兩個以上注射系統(tǒng)的注塑機，將不同品種或者不同色澤的塑料同時或者先后注射進入同一模具內(nèi)的成形方法。國內(nèi)使用的多為雙色注塑機。采用共注射成形方法生產(chǎn)塑料制品時，最重要的工藝參數(shù)是注射量、注射速度和模具溫度?？偟膩碚f注塑模在未來的的制造產(chǎn)業(yè)中將越來越占有重要的地位，而且也將會對冷沖壓模行業(yè)產(chǎn)生影響。
課題研究主要內(nèi)容、實施方案及創(chuàng)新點:
根據(jù)外罩的結(jié)構(gòu)形式。為了便于塑件順利脫模，動模采用脫模板推出，是為了實現(xiàn)迫使塑件留在動模，再利用動模上的推出機構(gòu)推出。 注塑模具宜選用單型腔，設(shè)計注塑模具的核心是確定收縮率，計算型腔的工作尺寸。
此次設(shè)計主要內(nèi)容需要完成一副注射模具設(shè)計，完成模具總裝配圖1張（2D圖）（盡量按1:1繪制，2D圖一般為0號圖），成型零件（凸模、凹模按1:1繪制）及其他必要零件的零件圖（2D）（如側(cè)抽芯機構(gòu)零件、澆口套等）若干；要求繪制的模具圖樣完整，并合理確定尺寸、公差、表面粗糙度和材料與熱處理要求，符合工程制圖國家標準，同時盡量選擇模具標準件和符合國家標準的緊固與定位件，以及一份設(shè)計說明書等。
實施方案：
1.緒論
（1）模具成型工業(yè)在生產(chǎn)中的重要地位
（2）塑料成型技術(shù)的發(fā)展趨勢
2.外罩的組成與工藝性分析
（1）尺寸和精度分析
（2）表面粗糙度分析
3．外罩注射成型工藝特性
（1）塑件的原材料分析
（2）塑件的體積和質(zhì)量計算
（3）注射成型工藝
（4）塑件的工藝參數(shù)的確定
4．模具設(shè)計
（1）型腔數(shù)量的確定
（2）分型面的設(shè)計及其選擇
（3）澆注系統(tǒng)設(shè)計（主流道、分流道、澆口形狀、冷料穴設(shè)計）
（4）頂出及抽芯機構(gòu)設(shè)計
（5）排氣方式
5．注射機的選擇
（1）根據(jù)理論注射量、鎖模力、模板外形尺寸、模架尺寸等參數(shù)選擇
6．零部件設(shè)計
（1）凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計
（2）凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計
（3）其他零部件設(shè)計
7.結(jié)論
8.參考文獻
創(chuàng)新點：能夠迅速獲得樣品，同時節(jié)省大量的模具試制材料費用，減少模具返修率，縮短生產(chǎn)周期，大大降低了模具成本。
課題進度安排:
1
2016年11月16 日～ 11 月 30 日
測繪塑料制品零件圖（包括3D和2D圖）
2
12月 1 日～ 12 月 30 日
查閱文獻、調(diào)研，初步確定模具設(shè)計方案和設(shè)計說明書大綱，完成開題報告。
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2017年1月 1 日～ 2 月 20 日
確定模具設(shè)計方案，完成模具裝配草圖及零件草圖繪制。
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2月 21日～ 3月 19 日
繪制模具裝配圖和零件圖3D圖，完成設(shè)計說明書初稿并打印，完成外文翻譯工作，中期檢查。
5
3月 20 日～ 4 月 2 日
出模具裝配圖和零件圖2D圖并打印修改
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4月 3 日～ 4 月 30 日
完善圖紙和設(shè)計說明書，完成答辯PPT，完成預(yù)答辯。
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5月 1 日～ 5月 15 日
打印圖紙、設(shè)計說明書，答辯，完成答辯后的修改及相關(guān)文檔整理工作。
主要參考文獻:
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指導教師意見:
指導教師：
專業(yè)教學承辦單位意見：
專業(yè)教學負責人（簽名）：
問題 1：澆口的選擇原則
答：
（1）澆口位置應(yīng)盡量選在分型面上，以便于模具加工及使用時澆口的清理；
（2）澆口位置距型腔各個部位的距離應(yīng)盡量一致，并使其流程最短；
（3）澆口位置應(yīng)保證塑料流入型腔時，對著型腔中寬敞，壁厚部位，以便 于塑料地流入；
（4）避免塑料在流入型腔時直沖型腔壁，型芯或嵌件，使塑料能盡快流入 到型腔各部位，并避免型芯或嵌件變形；
（5）盡量避免使制品產(chǎn)生熔接痕，或使其熔接痕產(chǎn)生在制品不重要部位；
（6）澆口位置及其塑料流入方向，應(yīng)使塑料在流入型腔時，能沿著型腔平 行方向均勻地流入，并有利于型腔內(nèi)氣體的排出；
（7）澆口應(yīng)設(shè)置在制件上最容易清除的部位，同時盡可能不影響制件的外 觀；
（8）應(yīng)有利于型腔內(nèi)部氣體排出；
（9）澆口處避免彎曲；
（10）避免產(chǎn)生蠕動。
問題 2：為什么選擇一模兩腔的結(jié)構(gòu)形式？
答：
（1）能大幅度提升注塑產(chǎn)品產(chǎn)能提升，據(jù)個人經(jīng)驗，一般都能提升 60-80% 產(chǎn)能（相對于一模一腔模具），減低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率；
（2）因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)問題（諸如塑膠件結(jié)構(gòu)較小等原因），設(shè)計一模兩腔，出 于產(chǎn)品注塑時，能夠順利走膠，改善注塑件品質(zhì)等。
其實目前做注射模具行業(yè)，一模兩腔的模具較多，而一模四腔的很少很少， 主要是因為出穴數(shù)多了，注塑是問題點也就多，所以說，不是出穴數(shù)越多越好， 是要有個度（在目前技術(shù)條件下）。
問題 3：怎樣使塑件快速冷卻？
答：
不同材料的塑料制件冷卻時間是不同的，為了在不影響塑料制件質(zhì)量的情況 下，可以（1）提高冷卻水的流量；（2）降低冷卻水的溫度；（3）盡量控制塑 料熔體的溫度，可以在澆口處加一個冷卻裝置。
設(shè)計中期檢查表
系別
學號
學生姓名
班級
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畢業(yè)設(shè)計（論文）題目
外罩注射模具設(shè)計
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DVD 拾取鏡頭三束光柵的注塑成型和注射壓縮成型
Cheng-Hsien Wu ?, Wei-Shiu Chen
摘要
本文目的在于研究注塑成型和注射壓縮成型在衍射光柵產(chǎn)生中的應(yīng)用。首先設(shè)計模具以便產(chǎn)生一個與固定襯套相連的衍射等級。驗證表明組合件具有良好衍射性能。集成光柵減少了組裝成本和誤差。然后應(yīng)用光刻法制作模具嵌件。并利用田口法和參數(shù)分析法研究模壓工藝參數(shù)對光柵質(zhì)量的影響。接著，介紹并比較結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計，制造以及通過注塑成型 (IM)和注射壓縮成型(ICM)的復制結(jié)果。結(jié)果表明 ICM光柵的衍射角比 IM光柵更精確。通過 ICM制作的光柵產(chǎn)生的翹曲比通過 ICM制作的光柵小很多。衍射圖說明在復制衍射光柵方面 ICM比IM工藝更好。
關(guān)鍵詞：注塑成型；注射壓縮成型；光柵；復制
1. 引言
光學拾取器的所有部件，包括記錄基板和許多組件，都要求有優(yōu)越的光學性能。這便要求形狀復制需十分精確且由模塑相關(guān)應(yīng)力引起的光學各向異性較低。
每當行波遇到尺寸與其波長類似的阻塞時，波中的一些能量便會被分散[1,2] 。如果該阻塞周期性出現(xiàn)或的確如果影響波傳播的任意參數(shù)有周期性變化，那么能量則向各個離散方向或衍射級分散，以這種方式發(fā)揮作用的結(jié)構(gòu)可被稱為衍射光柵。
播放器的光學拾取器中，衍射光學元件(DOE)不僅用來將主要激光束分割成尋跡追蹤的三個光束，而且使得返回光束向探測區(qū)域偏轉(zhuǎn)。制造光柵的傳統(tǒng)方法是在較好的光學表面上進行刻劃、拋光或壓花一系列凹槽[3]。
母件通常是DOE原件通過一種或幾種高分辨率光刻步驟組合制造而成的金屬復制品[4,5]。制造原件的材料可為抗蝕劑、石英、硅或?qū)嵸|(zhì)上任意適合的高分辨率膜或基材。母件一般情況下由電鍍鎳原料制造，但是在有些情況下，其也可為其他材料如石英、塑料或其他金屬，或甚至原料本身。標準光柵首先由一層薄薄的非粘附材料（如金）覆蓋。然后是實質(zhì)層鋁。之后母件通過一層薄薄的低粘度樹脂膠結(jié)到經(jīng)過仔細清潔的復制坯料上，這使得樹脂在恒溫下聚合（通常是一個緩慢過程）。當樹脂固化后，復制品和母件分離。
作為 DOEs低成本，批量生產(chǎn)的主要技術(shù)，替代性復制方法如下。這里有三種替代性復制方法：母本鎳鑄造、壓花和注塑成型 (IM)。
鑄造方法中，在固態(tài)基板上應(yīng)用環(huán)氧樹脂薄膜。在室溫條件下熱固化環(huán)氧樹脂。該方法的主要弊端是固化時間長。還有一種特別感興趣的相關(guān)技術(shù)是將DOEs復制成涂覆在玻璃或聚合物基質(zhì)上的UV固化材料的薄層。
一種制造光柵復制品較快的方法是在一定壓力下使其從光滑的支承輥穿過加熱料筒壓印成塑料膜。通常情況下料筒有鎳電鍍包裹圍繞。因為這是一個連續(xù)工藝，單位成本最低，但是質(zhì)量卻僅限于學生試驗或更可能是裝飾設(shè)備，如全息圖。
注塑成型是一種經(jīng)典的低成本工藝，原則上可以通過將源于一個精密母件鎳電鍍復制品插入到合適模具中產(chǎn)生光柵。注塑光柵的精度通常受工藝成型條件的限制。所以研究人員應(yīng)更加努力識別影響充型行為的重要因素。
近年來，塑料已經(jīng)表現(xiàn)出巨大的商業(yè)潛能特別是在微結(jié)構(gòu)零件制造方面。注塑成型是制造塑料件的最重要工藝。雖然許多原型塑料微器材通過工程法如激光加工等制造，但是目前全球研究最多的還是微注塑成型法[6,7]。注塑成型的一個優(yōu)勢是，通過此我們可在一個自動化工藝的一次生產(chǎn)步驟中制成復雜的幾何形狀。許多微器材如手表和照相機組件、汽車碰撞、加速、距離傳感器、硬盤讀/寫頭、CD驅(qū)動器、醫(yī)療傳感器、泵、手術(shù)器械和電信組件等都已經(jīng)被成功地注塑成型。
注塑成型涉及將金屬聚合物注塑到一個模具中使得金屬可冷卻且固化形成一個塑料件。通常來說，這是一個三相工藝，即填充、壓緊和冷卻階段。當空腔穩(wěn)定后，產(chǎn)品則從模具中彈出。
盡管有許多優(yōu)勢，注塑成型工藝在模塑微結(jié)構(gòu)方面也有一些固有問題[8]。主要問題是微小腔中的熔融聚合物一接觸相對較冷的腔壁時便立即凍結(jié)。當模制具有較高縱橫比的微結(jié)構(gòu)時，情況會更糟糕。但是當熔化和模制溫度均高于正常值時便可實現(xiàn)最佳復制結(jié)果[9]。
注射壓縮成型(ICM) 也有很多優(yōu)點如降低成型壓力、減少殘余應(yīng)力、將分子取向最小化、均勻壓緊、減少不均勻收縮、克服凹痕和翹曲。減少密度變化并提高尺寸精度等。由于這些優(yōu)點，注射壓縮成型通常用來制造高精度尺寸部件，特別對光學部件來說無殘余應(yīng)力。
[7]沒有應(yīng)用微注塑機而是通過常規(guī)注塑成型法制造亞μm光柵光學元件。利用兩種不同工藝制成嵌件：SiO2中的反應(yīng)離子蝕刻(RIE)和電子束光刻，緊接著是鎳電鍍。模制溫度為140℃時不存在填充問題。然而， SEM顯微圖則顯示存在一定的形狀偏差，即結(jié)構(gòu)頂部比底部厚。光柵元件間距小于0.5 μm且深度超過1.5 μm。通過在兩個減速元件上分割功能，實際僅需一半填充深度。從而降低形狀偏差的影響。通過與聚碳酸酯注塑成型復制一個深度為2 μm間距為0.5 μm的光柵結(jié)構(gòu)。
試驗證明較高縱橫比的特性通常難以形成，但是按照設(shè)想，注塑成型的進一步優(yōu)化將解決這些困難[10]。Parashar等人[11]采用兩步驟工藝轉(zhuǎn)移復制玻璃中的結(jié)構(gòu)：首先，從一個母本結(jié)構(gòu)處獲得一個聚二甲基硅氧烷 (PDMS)復制品。然后，在PDMS軟復制品上施用一層溶膠凝膠材料，經(jīng)過干燥和退火后在玻璃中得到微-/納米-結(jié)構(gòu)。他們已經(jīng)在玻璃微-/納米-結(jié)構(gòu)的納米復制品中，創(chuàng)建了內(nèi)部開發(fā)的衍生自金屬醇鹽的溶膠凝膠材料的有效性。
Obi等人[12]提出了一種制造微結(jié)構(gòu)的復制方法。將UV固化溶膠凝膠作為一種基礎(chǔ)材料?；A(chǔ)的制造工藝涉及一個犧牲間隔層沉積和模式化以及模制和光刻步驟組合。該制造工藝可應(yīng)用于包含透鏡、衍射光學元件或波導的光學MEMS設(shè)備。
本文旨在研究 IM和 ICM工藝在衍射光柵產(chǎn)生中的應(yīng)用。此外應(yīng)用田口法和參數(shù)分析法研究成型參數(shù)對光柵質(zhì)量的影響。論文描述了結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計，制造以及通過IM和ICM工藝的復制結(jié)果。
2. 傳播衍射光柵
2.1 應(yīng)用實例---光學拾取器
當激光束通過衍射光柵時，其被分割成中央明亮和多個側(cè)光束。CD利用中央光束和每側(cè)的一個光束進行系統(tǒng)追蹤?？紤]到CD播放器的一部分包含幾個軌道，如果光學頭在軌道上，那么主光束便集中在軌道上（凹坑和凸起），二次射束集中在陸地上。三個點彼此之間刻意偏移約20 μm。兩個附加探測器沿主四象限探測器放置以便拾取這些輔助光束。如果三個光束在軌道上，則兩個輔助光電探測器具有等量光，并且相當明亮，這是因為它們僅在陸地上追蹤。中央光束的亮度降低，因為其在陸地和凹坑處均進行追蹤。然而，如果光學頭偏離軌道，則中心點可得到更多光線(因為幾乎沒有凹坑偏離軌道)且側(cè)面探測器也將不平衡。
現(xiàn)代CD播放器中最常見的光學系統(tǒng)是三光束拾取器，如圖1所示。從激光二極管發(fā)射的光進入衍射光柵。光柵將入射光束轉(zhuǎn)化成中心峰值和一些副峰值。在追蹤機制中主要的中心峰值和兩個副峰值十分重要。三種光束穿過偏振光束分光器。這僅傳播平行于頁面的極化。此時，出現(xiàn)的光（現(xiàn)已與頁面平行極化）是平行的。平行光穿過λ/4板，將其轉(zhuǎn)化為圓偏振光，圓偏振光聚焦后射到盤上。如果光照射到地面上，其將被反射回物鏡。（如果光照射到凹坑，現(xiàn)在為一個凸起處，其不會被反射），然后光再次穿過 λ/4板。因為其以反方向照射，其將在垂直于原始光束的方向偏振（換句話說，現(xiàn)在光朝垂直于紙的方向偏振）。當這次垂直的偏振光遇到偏振光束分光器時，其將被反射（不像原來那樣傳播）。因此，其將通過聚焦透鏡反射，然后是柱面透鏡，接著便在光探測器陣列上成像。在自動聚焦機構(gòu)中柱面透鏡十分重要。
2.2 常見的光柵方程
傳輸衍射光柵是一個具有大量平行的幻燈片，并在其上繪制密集間隔縫隙（透明空間）。早期的載玻片是用碳覆蓋的用針尖蝕刻的玻璃載片--現(xiàn)在它們傾向于被印到幻燈片上。入射光顏色分離良好，因為根據(jù)光柵關(guān)系，不同波長的光以不同角度衍射（圖2）：
其中d是狹縫之間的距離，θ為衍射角，λ 光波長，且n為衍射級。
2.3 衍射效率
標準相位光柵的衍射效率，連續(xù)閃耀或多級逼近是衍射微光學中的一個基本問題。在幾乎所有的光柵應(yīng)用中，主要要求是高衍射效率。實踐中可實現(xiàn)的效率則取決于多個因素：所應(yīng)用制造技術(shù)的類型和性能，以及光柵周期與波長比，材料等。另外由于不存在唯一的衍射效率定義，所以實質(zhì)值也取決于衍射效率定義。因此對于文獻中呈現(xiàn)的結(jié)果，比較起來十分困難。
為了描述衍射光柵的性能，時常應(yīng)用兩個數(shù)字：
（1）總效率ηo,1
該總效率被定義為ηo,1 =一階強度/入射光強度
（2）衍射效率ηd,1
衍射效率被定義ηd,1 =一階強度/穿過非結(jié)構(gòu)話基板的投射光強度。
在第二個定義中，由于光柵界面表面粗糙度引起的損耗也包含在效率測量中。本研究中應(yīng)用衍射效率 ηd,1。
3. 試驗步驟
3.1 材料
本研究是使用的材料是聚甲基丙烯酸甲酯的高熱注射級（PMMA, CM-205，來自臺灣奇美公司）。熔體流動指數(shù) 1.8 g/10 min 且體積密度為1.19 g/cm3。建議的料筒溫度在210 到250 ?C之間，推薦的模具溫度在50 到70 ?C之間。材料在成型前使用除濕干燥機于90 ?C環(huán)境下預(yù)干燥4小時。
3.2 零件幾何體和模具設(shè)計
衍射光柵在玻璃基板上加工。加工后，光柵組裝成固定襯套（如圖3 所示）。組裝要求大量生產(chǎn)時間和人力成本。其還產(chǎn)生定位誤差和角度誤差，然后降低光學拾波器精確度。在該研究中，產(chǎn)品設(shè)計為光柵和套管的組合。整個部件直徑為7 mm。光柵部分直徑為4 mm，位于中心。鎳模具插件設(shè)計周期為20 μm。切口深度為1.5 μm。
中心澆口模架中安裝電鍍鎳模具嵌件如圖4所示。模具有兩個對稱腔位于澆口兩對邊。模板由S45C工具鋼制成。空腔通過一個澆口、兩個澆道和兩個扇形澆口進料，如圖5所示。澆口 48mm長直徑為5 mm。澆道的尺寸為 1.55 mm × 3.50 mm × 5.68 mm。
3.3 模具嵌件制造
我們的光刻工藝涉及光掩膜制造、晶片清洗、旋轉(zhuǎn)涂布、軟烘、曝光、曝光后烘烤、顯影和硬烘烤。
CAD程序中創(chuàng)建的包含特征設(shè)計的高分辨率透明度可作為光刻法中的掩膜。在本研究中，利用高分辨率激光打印機 (16,000 dpi)將掩膜圖案轉(zhuǎn)印到幻燈片上。
圖6為制造鎳電鍍模具嵌件步驟示意圖。硅晶片作為一個基板。為去除晶片表面污染物，晶片清潔便是一個必要步驟以便獲得高性能且高可靠性的產(chǎn)品，還能預(yù)防工藝設(shè)備污染。晶片表面在120 ?C 條件下用4:1 H2SO4/H2O2清洗10分鐘以去除有機污染物。而后用去離子（DI）水清潔晶片表面直至耐水性高于8 K。接著在室溫條件下 用50:1 H2O/HF處理10分鐘以去除化學氧化物。再次用去離子水清洗晶片表面。清洗后，旋轉(zhuǎn)基板并用加熱氮吹干，然后放置在熱板上（120℃條件下放置3分鐘）以便去除表面的任意水蒸氣。該步驟稱為烘烤脫水。
為了提高對硅晶片的抗粘附性，通常應(yīng)用六甲基二硅烷(HMDS)。通過在室溫下旋轉(zhuǎn)將HMDS應(yīng)用到晶片上。在 90 ?C條件下將晶片置于熱板上2分鐘以便干燥HMDS。下一步驟中將抗蝕劑旋轉(zhuǎn)到晶片上，該步驟應(yīng)在施用HMDS后立即進行。本研究使用AZ9260，正性抗蝕劑。當晶片旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生一個均勻?qū)?，此時該抗蝕劑配發(fā)到晶片上。旋涂機的旋轉(zhuǎn)速度增加到 500 rpm，并以 500 rpm/s的加速度加速10s。另外30秒中，旋涂機的旋轉(zhuǎn)速度和加速度分別為300rpm和300rpm / s。該步驟中旋轉(zhuǎn)速度決定了抗蝕劑的最終厚度（本研究中約為50 μm）。
光刻法中的下一步驟為預(yù)烘烤，預(yù)烘烤條件取決于光刻膠厚度。本研究中基板在50 ?C環(huán)境下置放在水平熱板上10分鐘并在90 ?C環(huán)境下置放10分鐘。預(yù)烘烤步驟要達到三個目標。首先，大量蒸發(fā)抗蝕劑中的剩余溶劑。其次，抗蝕劑的粘合性得到改善。最后，通過熱松弛可釋放抗蝕劑中的應(yīng)力。然后基板逐漸冷卻到室溫，以便使殘余應(yīng)力最小化。下一步驟為晶片曝光，其可分為三種基本方法：即接觸曬印、接近式曝光和投影曝光。接觸曬印是最早也是最簡單的曬印工藝。掩膜曬印面朝下放置在與晶片抗蝕層直接接觸的地方。然后閃光通過掩膜發(fā)生抗蝕劑曝光。利用接觸式光刻機將掩膜與圖案對準(Karl Suss MA-6)。掩膜與晶片之間的硬性接觸可損害掩膜和抗蝕層。盡管如此，本研究中應(yīng)用接觸式曬印實現(xiàn)高分辨率曬印能力，曝光時間為3分鐘。
下一步驟為曝光后烘烤(PEB)。該步驟在90 ?C條件下進行1分鐘。PEB后，基板再次逐漸冷卻到室溫以便使應(yīng)力最小化并防止抗蝕劑破裂?；褰櫟胶@影劑(1:3 AZ400K/DI 水) 的燒杯中約5分鐘，所有特征被開發(fā)后，在新鮮 DI水中清洗光刻膠并用氮吹干。這樣便產(chǎn)生了一個具有正性功能的 AZ9260模具嵌件。
光刻工藝的最后一步是后烘烤用來硬化抗蝕劑并改善其抗蝕刻性。該步驟在 110 ?C條件下進行10分鐘，后烘烤的光刻膠模具在注塑成型中其耐高壓和溫度能力沒有金屬強。這里光刻膠模具用作鎳模具電鍍的一種圖案。濺射一薄金層以便為鎳生長創(chuàng)建一個導電區(qū)域。
表面用淺色硫酸在60 ?C條件下進行預(yù)處理，并用DI 水清洗。在50 ?C，pH等于4，低電流密度4 A/dm2 條件下進行電鍍以便在鎳模具中使內(nèi)部應(yīng)力最小化。電鍍后，用超聲波振動器剝離光刻膠，將鎳結(jié)構(gòu)置于丙酮中并用DI水清洗。整個工藝不到2天完成（包括1小時光刻和40小時電鍍）。
3.4 成型
利用注塑機進行成型操作(FANUC ROBOSHOT S-2000i50A)。該機器可提供高達50噸的夾緊力。螺桿直徑為 22 mm，最大進樣量為29 cm3。該注塑機可提供ICM 工藝和IM 工藝。
每組工藝條件下，進行10次試驗以確保樣品收集前工藝的穩(wěn)定性。如果在前10次運行中沒有觀察到明顯變化，則在接下來5次運行中收集成型部件作為產(chǎn)品表征的樣品。
3.5 質(zhì)量測量
衍射光柵的兩個主要性能使衍射角度的準確性和衍射效率。試驗裝置如圖7所示，用于測量衍射效率和衍射角度。 He–Ne置放在精確的旋轉(zhuǎn)分度臺上并指向臺中心。測試光柵置放在臺中心。光柵具有指向性這樣激光束可垂直于光柵表面。功率計和光電探測器結(jié)合用來測量光強度。首先將旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至光電探測器接收最大強度的方向。即，0階光線在光電探測器中心準確輻照。然后將旋轉(zhuǎn)臺調(diào)零。其次，將旋轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)至1階光線在光電探測器中心準確輻照的方向。旋轉(zhuǎn)角度為+1階的衍射角，實驗結(jié)果表明?1階的衍射角與+1階衍射角十分接近。因此，本研究中僅測量+1階的衍射角。
4. 田口參數(shù)設(shè)計
研究分析并比較了工藝參數(shù)對注塑成型光柵和注射壓縮成型光柵衍射角的影響。這里應(yīng)用田口法，找出每個因素的貢獻率并測定在兩個成型工藝中驅(qū)動有效因素的參數(shù)最佳組合，以便得到具有最精確衍射角的產(chǎn)品。
分析中，信噪(S/N) 比是統(tǒng)計量表示響應(yīng)信號功率處以由于噪聲引起信號變化的功率。 S/N的最大化導致對噪聲敏感的任何性能將最小化。為優(yōu)化IM和ICM衍射光柵，我們可用“名義上最佳”的方程進行分析：
其中μ 是平均性能，σ 為標準偏差，yi測量的性質(zhì)， n為每次測試試驗中樣品數(shù)量。然后總結(jié)具有最大S/N比的最佳因子水平，這將在噪聲范圍內(nèi)使靈敏度最小化。
該實驗?zāi)康氖菧y定成型因素對衍射角和最佳因素組合的影響。通過這種最佳工藝條件，衍射角與理論值最接近。根據(jù)我們的最初測試和之前的文獻綜述[13–15]，兩種工藝選擇四個成型因素。注塑成型為熔融溫度、注射速度、成型溫度和壓緊壓力。每個因素都有三個級別，如表1所示，這是因為這些因素對結(jié)果的影響呈非線性變化。對于注射壓縮成型而言，選擇的四個因素為成型溫度、注射速度、壓縮速度和壓縮周期，如表2所示。根據(jù)每個參數(shù)等級，應(yīng)用 L9(34)正交表進行測試。
5. 結(jié)果
5.1 最佳成型參數(shù)組合
圖8和9分別描述了 IM和ICM工藝中工藝因素對衍射角精確度的影響。這些響應(yīng)圖說明各因素之間如何使精確度發(fā)生變化。從圖8可看出，在熔融溫度240 ?C，注射速度為150 mm/s，成型溫度為60 ?C，且壓緊壓力為100 MPa條件下因素各等級將產(chǎn)生最小誤差。最佳工藝條件下，進行四次確認測試，則測量的衍射角為 0.988?, 0.985?, 0.987?和 0.984? 平均值為0.986，相應(yīng)S/N比為54.65。確認測試中計算的 S/N 比位于確認區(qū)間內(nèi) [52.38, 83.42]。確認測試結(jié)果表明本研究中恰當應(yīng)用了田口法（表3和表4）。
5.2 成型因素對衍射角精確度的影響
在之前的分析中，每個因素對衍射角精確度整體影響的貢獻用百分比表示。對于 IM 光柵來說，成型溫度的影響最大，貢獻率為57.41%，其次為熔融溫度為19.23%，壓緊壓力 19.1%和注射速度 4.25%。而對于ICM光柵而言，壓縮速度的影響最大，貢獻率為55.7%，其次為壓縮周期為26.0%，注射速度14.3% 和成型溫度 4.02%。
5.3 IM 和ICM部件之間的比較
在各自最佳工藝條件下，通過 IM和ICM制造部件。我們通過比較 IM和 ICM部件質(zhì)量研究這兩種工藝。圖10描述了 IM 光柵和 ICM光柵的衍射性能。從圖中可看出ICM 光柵提供比IM光柵更集中的衍射圖案。這說明 ICM光柵的光學質(zhì)量比IM光柵好。此外，根據(jù)測量的衍射角和觀察的表面質(zhì)量研究光柵。接著，通過測量光柵表面的表面輪廓研究表面特性。
5.3.1 衍射角測量
激光波長為685 nm。本研究中衍射光柵的間距為40 μm。根據(jù)方程式（1）預(yù)測的衍射角為0.9812?。對IM工藝而言，確認測試的結(jié)果表明平均最佳衍射角為0.986?。而對于 ICM工藝而言，衍射角為0.983?，其與預(yù)測的衍射角更接近一些。
5.3.2 顯微鏡技術(shù)
掃描電子顯微鏡（JOEL，JSM-6400）中驗證模制光柵。首先將樣品切成小塊并用金在表面濺射，接著用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。圖11是 IM光柵和ICM光柵的SEM 顯微照片。它們的形狀和尺寸看起來類似。為了獲得更清晰的立體圖，我們使用另一臺顯微鏡（具有OPTEM Zoom 125光學系統(tǒng)的SONY Exwave HAD攝像機）。經(jīng)過仔細觀察發(fā)現(xiàn) ICM 光柵比IM光柵復制更好（圖12）。ICM光柵有一個邊緣比IM光柵更鋒利的凹槽。此外，IM光柵比ICM光柵含更多空隙。
5.3.3 表面輪廓測量
為測量微結(jié)構(gòu)輪廓，我們使用高性能表面輪廓儀（XP-2, Ambios Technology Inc.）測量 IM光柵和 ICM光柵。表面輪廓如圖13所示。在接近中心的光柵表面進行測量。光柵的中心點表示為表面輪廓的A點。在A點的17個周期處，表示為B點。兩個輪廓的A點和B點之間的水平距離約為 670 μm。周期也大致相同，但是對IM輪廓來說，兩點之間的垂直距離（23.6 μm）大于 ICM 輪廓的垂直距離（9.2 μm）。垂直偏差顯示光柵翹曲。結(jié)果表明 ICM光柵的翹曲比IM 光柵小得多。
6. 結(jié)論
本文旨在研究應(yīng)用 IM和ICM制造衍射光柵。文中利用田口法和參數(shù)分析探索模制參數(shù)對光柵質(zhì)量的影響。此外，研究描述了 結(jié)構(gòu)化模具表面的設(shè)計和制造以及IM 和ICM工藝復制結(jié)果。
根據(jù)實驗結(jié)果得出以下結(jié)論：
（1） 利用 IM和ICM工藝可制造衍射光柵。模具用來制造與固定襯套連接的衍射光柵。經(jīng)驗證實結(jié)合件具有良好的衍射性能。集成光柵消除了組裝成本和誤差。根據(jù)光刻工藝制造模具嵌件。
（2） 對于注塑成型的光柵而言，模具溫度影響最大，其次是熔融溫度、壓緊壓力和注射速度。而對于注射壓縮成型的光柵而言，壓縮速度影響最大，其次是壓縮周期、注射速度和模具溫度。
（3） 衍射圖案表明在復制一個衍射光柵方面 ICM工藝比IM更好。 ICM光柵衍射角比 IM光柵更精確。ICM工藝比注塑成型提供更精確的形狀復制。通過ICM制造的光柵，其產(chǎn)生的翹曲比IM制造的光柵小得多。
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