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[研讨会论文] 150*150mm 太阳能聚光镜片模具及成形技术开发

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发表于 2011-8-18 10:32:08 | 显示全部楼层 |阅读模式

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150*150mm 太阳能聚光镜片模具及成形技术开发
DevelOPMent of Mold and Injection Molding Technology of 150mm Solar Concentrator Lens
陈伟仁 1、陈明源 1、郑颖聪 1、简瑞廷 1、蔡元勋 1、林惠萍 1
Wei-Ren Chen、Ming-Yuan Chen、Ying-Tsung Jeng、Jui-Ting Chien、Ying-Tsung Jeng、Hui-Ping Lin
1 金属工业研究发展中心
Metal Industries Research & Development Centre

中文摘要

本研究主要系开发 150*150mm 之塑料太阳能聚光镜片,运用于聚光型太阳能发电装置上,担 负将光能聚焦于砷化镓芯片之重责大任。其中模具设计开发及射出成形技术为主要探讨之内容, 本文的产品其特色为平均厚度 2.5mm 并采一模两穴之配置方式,而微结构深度分布 0.02~1.09mm 且为同心圆排列,模具开发前辅以 Moldex3D 模流分析软件仿真成形结果,以降低后续开模后产 品成型不良及减少模具设变之情况发生。

关键词: 模具、太阳能聚光镜片。

英文摘要
The research is the development of 150*150mm, plastic solar concentrator lenses, used in concentrating solar power generation facilities, responsible for the light focused on the GaAs wafer. The mold design and injection molding technology as the main content of this article. Featuring the products of an average thickness of 2.5mm and adopt a configuration mode of the two caves, while the depth of 0.02 ~ 1.09mm micro-structure and the distribution of the concentric circles, pre-analysis with software- Moldex3D in order to reduce the follow-up issue after the product forming mold and to reduce the change of design.

Keyword: mold, Solar Concentrator Lens.

               
 楼主| 发表于 2011-8-18 10:32:45 | 显示全部楼层
一、前言

在油价及能源的不断飙涨下,相关再生能源的研 究也随之增加,太阳能电池也是其中之一。为了 改善太阳能的光电转换效率并减少硅晶圆之使 用面积,高效率集光型的太阳光电系统为目前各 国研究的热门主题,集光型太阳能电池是菲涅尔 透镜集光镜片及太阳光追踪器的组合(如图 1~图
2 所示),其太阳能能量转换效率可达 35%,由于 集光型太阳能电池模块具有能量转换效率高、晶

片需求数少等特性,因此已成为未来发电厂的另
一可能选项。但是集光型太阳能模块中关键零件
--塑料集光镜片,目前面临到模具加工困难及微 结构射出成形缩水等问题,本案所开发之产品为 长宽 150*150mm、平均厚度 2.5mm 的塑料集光 镜片,材质为 PMMA,乃集光型太阳光电系统中 的关键零件,其功能为将太阳光聚焦于砷化镓晶 片上进行光能转换,故表面的微结构特征将影响 太阳光的集光效率,亦即塑料的充填转写率是左 右产品成形是否成功的重要关键。

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图 1、集光型太阳能发电模块                       图 2、核研所高雄「高聚光太阳能发电路竹示范场」


二、实验设备与方法

本研究乃是开发 150*150mm 太阳能集光镜 片之模具与射出成形技术,产品平均厚度 2.5mm、 微结构深度分布为 0.02~1.09mm(如图 3 所示), 固定间距 1.5mm,模穴采一模二穴配置,射出成 形采用 Mitsubishi VH 系列之 PMMA 材料,产品 简图如图 4 所示,模具设计初步先以 3D 软件建 构完成,其优点为可减少因传统 2D 构图产生视 角误差而造成模具设计失误,降低后续修模的机 会,另亦容易直接输出 3D 实体档案进行模流分 析以增加模具设计之最适化。另考虑本开发采用 的 PMMA 材料收缩率介于 0.2~0.6%,故于模具设 计时即先执行收缩补偿以免后续产品成形收缩 导致效能缩减,浇口则采用扇形浇口,浇道形状 为 U 字形,水路采用螺旋形通过模仁下方,母模侧为一进一出,公模侧(微结构侧)则为二进二出, 经实际成形结果发现水路设计方式针对成型品 的冷却效果佳,相关模具图面如图 5及图 6所示, 本案于模具加工前亦辅以模流分析软件进行流 动及冷却分析,以避免后续射出成形时发生短射、 结合线、严重翘曲变形及包风等现象发生。本案 所采用之模流分析软件 Moldex 3D 是由科盛科技 公司自行研发问世之一套功能强大之 CAE 软件, 其三维模流分析技术,可充分运用于各类型塑料 射出产品。利用实体混合网格,搭配高效能有限 体积计算方法,可精确预测产品制造的可行性与 建议出优化设计方案。即便产品属于粗厚件、 厚度差异大、甚或产品设计的几何结构相当复杂, 皆可真实呈现全三维模拟分析。模拟分析之网格 建构示意如图 7 所示,在为结构处须在做更细微 之网格以期能提高分析之准确率,导致总网格数 约达 164 万,完整分析时间约需耗费 8~9 小时(以3.0GHz 8 核心 CPU 运算,总内存数为 32Gb), 而所采用之射出成型制程参数如表一及图 8~10 所示 , 另 本研究所采用之射出成型设备为 Mitsubishi 220ton 之全电式射出机,并在无尘 等级达 10000 之空间进行试量产。最终之射出成型品再行以表面轮廓仪 Taylor Hobson 以尖端为40 度之探针进行微结构之量测,以验证产品射出 后之转写效果。(如图 10 及 11 所示)

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图 3、微结构分布简图                                          图 4、8.3 吋太阳能集光镜片外观图


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图 5、3D 模具设计图                              图 6、模具螺旋水路设计简图


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图 7、网格建构示意                                                    图 表一、射出成型制程参数表(模拟分析用)

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图 8、射出速度设定                                                  图 9、射出压力设定


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图 10、保压压力设定                                        图 11、表面轮廓仪及 40 度探针外廓图



               
               
 楼主| 发表于 2011-8-18 10:33:29 | 显示全部楼层
三、结果与讨论

在初步完成模具设计后,即将其配置进行模 流分析,以期了解其对产品成型后造成的影响, 本分析系针对充填、保压、冷却、翘曲变形等射 出成型过程及黏弹、光学等结果进行分析,充填 分析可藉由不同范围的流动波前图或是流动波 前动画,可看塑料在模穴中各时刻的充填情形, 预测缝合线及包封位置,且可判断是否会有短射 现象发生,提供排气孔位置安排等设计参考,保 压分析可显示充填结束瞬间各处的压力值,由流 道至充填末端渐减,最大压力值可提供射出机之 锁模力值。并判断压力分布是否均匀及显示压力 传递效果。评估模具中肉厚及温度对于压力分布 及损耗的影响。冷却分析则可预测在现阶段的设 计与加工设定下,冷却到可以脱模的时间,亦即 将塑件冷却至顶出温度所需的时间分布,并提供 冷却温度及时间等优化设定。翘曲变形分析为 显示塑件自充填/保压结束冷却至室温常压时的 体积收缩率值,提供成形条件其保压效果及翘曲 变形等之参考。充填之流动波前图如图 12 所示。 在进行初步的分析后,获得如下之分析结果:
1.   保压时间 4.5Sec 后,浇口部分尚未冻结,代 表可继续增加保压时间可以加强保压之效果, 如图 13 所示。
2.   保压压力分布如图 14 所示,可以看出产品末 端与浇口处压力不同,表示压力传递效果不 佳。
3.   从图 15 可看出,整体积收缩率较高为框架及 充填末端位置。
4.   冷却时间至 25Sec 时已可以将产品整体冷却 至顶出温度以下(如图 16 所示) ,建议将原始 冷却时间减少。
5.   产品在高度方向产生笑脸的翘曲趋势,量值在-1.087~0.625mm 之间。(如图 17 所示)
6.   由图 18~19 热总位移可以看出,冷却水路温 度设定差异,造成产品因冷却不均而导致的翘 曲问题。
7.   由图 20 总合光弹条纹结果可看出,产品在光 学性质上影响不大,这也是与材料 PMMA 之 光学性质相符,不易造成。 由模流分析之结果可看出目前的浇口浇道并不会产生短射情形,但在产品外围的微结构层 产生了翘曲变形的情况(如图 21 所示),但可藉 由加长保压时间来改善此缺陷,后续实际上线进 行射出成形时将会把此重点纳入考虑。而关于微 结构侧模仁制作部分,乃采用磷青铜进行表面超 精密加工后再行镀上化学镍层,以确保最高微结 构深度达 1.1mm 之加工性并同时兼具表面硬度, 以期模仁寿命可达最大化。但亦因此举于镀上化 学镍层后表面产生类疮疤(表面具坑洞或突起物) 及白雾(表面粗糙镀不佳产生的外观效果)等现 象(如图 22 所示),为此制程中最大之不良,除 影响后续成形品微结构侧的表面不良,亦直接影 响集光镜片之集光效果,并能提供后续开发者之 借镜。而若采用先镀上化学镍再进行超精密加工 之方式,受限于目前化学镍层最多厚度仅达 300 μm,而本案最大微结构深度已达 1100μm,故无 法适用此制程。为期产品内无缺陷产生以降低光 学性能,本制程系在无尘等级达 10000 之空间进 行试量产(如图 23 所示)。

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图 12、充塡之流动波前图                                    图 13、保压阶段产品温度分布情形

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图 14、保压压力分布图                                  图 15、体积收缩率分布图

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图 16、冷却阶段之产品温度分布图                  图 17、产品之翘曲趋势图

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图 18、产品之总位移变形图                                 图 19、模具冷却效应造成之产品变形图

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图 20、光弹条纹分布图图

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21、产品含微结构翘曲变形趋势

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图 22、模仁镀镍后产生白雾现象                 图 23、试模情况


               
               
 楼主| 发表于 2011-8-18 10:34:06 | 显示全部楼层
四、结论

本案乃开发一 150*150mm 之太阳能集光镜 片,开发工作从模具设计及加工、模流分析、射 出成形等一系列之工作,其中微结构侧之模仁加 工占开发成功与否极重要之因素,但其亦与模仁 微结构的设计具关联性,当然微结构之外形乃是 以光学设计之结果所定调,在此环环相扣且又性 质相异的设计及制程中,任一道过程均会影响产 品的效能,但这亦是藉由开发过程中不断进行尝试及修改方能产出的成果。
而本案于模具设计时间即以模流分析软件 辅助设计,以期能提早预知射出成型可能会产生 之缺陷及不良并提早避免,本研究藉由模流分析 所获得之结论为:
1.        产品的反射面中间呈现向上翘曲,会直接影 响到反射之结果。而基本上产品的翘曲趋势 以及齿型的体积收缩问题,皆都与保压的效 果均不均匀、有效不有效有直接关系。
2.        经过模具温度调整后,翘曲的问题并没有完 全解决。
3.        流率降低后,对于光学性质及残留应力情形 可能有所改善,但对于几何造型上,并没有 特别效果。
4.        经过增加保压时间后,保压压力有效到达产 品末端,使体积收缩率差异缩小,因此可看 到产品反射面中间区域能得到较平坦的结 果。
而由实际开发过程中发现,深达 1mm 的微结 构外形,将产生较明显的缩水现象,大大降低集 光效率,故建议以浅且等深度变动节距的微结构 设计,于射出成形后其聚光将会损失较少,且一 致的微结构外形亦较能减少产品的翘曲变形,减 少射出成形产品焦距变动的机率发生,而受限于 超精密加工之设备,采用先加工再行镀上化学镍 层之制程仍待商确(因产生白雾现象),后续尚须 不断检讨及测试较合适之微结构加工方式,并同 时进行光学分析以设计一较易加工制作之微沟 外形,以获得一较佳的光学及加工之平衡点。最 后所成型之产品如图 24 所示,实际之微结构量 测与设计值比对结果如图 25 所示,其翘曲变形 量已获得控制,较大之不良主要是转写率仍待改 善。

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图 24、150*150mm 太阳能集光镜片射出成形品           实线为设计齿形、虚线为 Taylor Hobson 实际量测外形
                                                                                     图 25、表面微结构量测与设计值比对结果


五、参考文献

[1] “Fresnel lenses” Fresnel Technologies,Inc.2003. [2]张永彦,“塑料模具设计学”全华科技图书股份有限公司,2005。
[3]张荣语,射出成形模具设计-模具设计-,高立图书 有限公司,2004。
[4]金属工业发展中心,“塑料射出成形模具设计”金 属工业发展中心,1990。
[5]吴俊煌,“塑料射出成形模具设计”台湾复文兴业 股份有限公司,1995。
[6]日刊工业社编 陈介聪译,“精密射出成形模具设 计与制作技术”台湾复文兴业股份有限公司,1995。
[7]科盛科技股份有限公司,Moldex3D 模流 分析技术与应用,全华图书股份有限公司(2007)

               
               
 楼主| 发表于 2011-8-18 10:35:38 | 显示全部楼层
本帖最后由 ACMT 于 2011-8-18 10:36 编辑

论文下载:
游客,如果您要查看本帖隐藏内容请回复

     
               
发表于 2011-8-24 17:53:28 | 显示全部楼层
謝謝樓主的分享
发表于 2011-8-29 17:32:53 | 显示全部楼层
謝謝分享
发表于 2011-8-30 10:47:36 | 显示全部楼层
kkkkkkkkkkkkkkk
发表于 2011-8-30 17:10:24 | 显示全部楼层
我要下載謝謝貴單位整理
发表于 2011-9-1 16:26:38 | 显示全部楼层
感谢整理~!

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