2.1 光學塑料材料

精密光學塑料注射成型技術(shù)的加工材料為塑料材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚碳酸酯 (PC)、聚苯乙烯 (PS)、聚環(huán)烯烴共聚物 (COC) 和聚環(huán)烯烴聚合物 (COP) 等。這些材料因具有低成本、輕量化、高抗沖擊性和不弱于玻璃材料的光學性能被廣泛應用于各種光學系統(tǒng)中。但光學塑料材料的折射率小、高光學透過范圍窄、吸水率高，在運輸和使用過程中易產(chǎn)生劃痕等外觀損傷。

光學塑料作為精密注塑成型技術(shù)的基礎，目前有多個研究發(fā)展方向：1) 高折射率和低散射；2) 高透明度和低色散；3) 高溫穩(wěn)定性；4) 新材料和制造技術(shù)。文章依次介紹了光學塑料材料在高折射率、寬光譜高透過率、低吸水性等方面的研究。

2.2 精密注塑成型磨具材料及加工

精密光學塑料注射成型技術(shù)中所使用的模具材料應具有以下特點：1）良好的加工性能；2）較高的耐磨性；3）較強的防變形性；4）較強的防外傷性。精密注塑成型模具由外模具和內(nèi)模芯組成。其中，模芯是模具的關(guān)鍵器件，一般采用超精密單點金剛石車削加工或者在不銹鋼基體上化學鍍鎳來生成。

2.3 仿真分析和精密注射成型工藝

隨著近些年來光學系統(tǒng)的逐步發(fā)展，精密光學系統(tǒng)要求塑料元件具備高光學質(zhì)量、高面形精度，小殘余應力。如何提高面形精度，減少殘余應力成為目前研究的重點內(nèi)容。

在精密光學塑料注射成型過程中，注射速度、填充時間、熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和保壓時間等參數(shù)一直是影響成型光學元件的殘余應力和幾何變形的主要工藝參數(shù)。此前，優(yōu)化工藝參數(shù)一般采用迭代實驗的方法，造成大量人力物力的浪費。為此，通常采用 Moldflow、Moldex3d 等商業(yè)軟件對精密注塑成型過程進行數(shù)值模擬分析，進一步實現(xiàn)對工藝參數(shù)的高效優(yōu)化。

文章重點介紹了利用仿真軟件建模優(yōu)化塑料注射成型過程中的工藝參數(shù)以及分析內(nèi)應力、內(nèi)部殘余應力、應力雙折射和翹曲等對光學元件質(zhì)量的影響。為了可重復生產(chǎn)具有高精度表面質(zhì)量的光學元件，文章進一步描述了模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模芯補償、參數(shù)優(yōu)化和新型注射成型工藝等優(yōu)化方法。

在新型注射成型工藝方面，介紹了精密光學塑料注射壓縮成型技術(shù)（Injection compression molding, ICM）。在ICM中，型腔內(nèi)壓力較低，這使得熔融的光學塑料可以在低壓條件下立即進入空腔的末端。再將融化的光學塑料注入型腔之后，進行合模壓縮步驟。在合模運動期間，壓縮間隙減少，迫使熔體均勻地填充整個型腔，如圖5所示。這種技術(shù)結(jié)合了均勻的壓力分布和IM技術(shù)的自動化操作，可以制造出具有優(yōu)異機械性能、低殘余應力和嚴格公差的精密元件。

圖5.注塑成型和注塑壓縮成型的示意圖。(a)填充階段；(b)注塑壓縮成型通過添加模芯的壓縮操作

3.結(jié)論

精密玻璃模壓成型技術(shù)和精密光學塑料注射成型技術(shù)是非球面光學元件制造領(lǐng)域的兩種重要快速制造技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高效、精確和經(jīng)濟的光學元件制造，為現(xiàn)代光學系統(tǒng)的發(fā)展提供了關(guān)鍵支持。制造形狀精度達到亞微米級的較厚復雜面型光學元件，同時保持高效率和低成本是未來的發(fā)展方向。文章最后展望了非球面光學元件的快速制造技術(shù)在材料體系開發(fā)、精確仿真模型建立與結(jié)果預測等方面的未來發(fā)展趨勢。

論文原文：王龍飛，胡雨旺，張澤光等. 非球面光學元件的快速制造技術(shù). 光電工程，2024，51(1): 230171.

Wang L F, Hu Y W, Zhang Z G, et al. Rapid manufacturing technology for aspheric optical elements. Opto-Electron Eng, 2024, 51(1): 230171.

鏈接：https://doi.org/10.12086/oee.2024.230171