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陳炤彰 1 、 李豐吉 2 、 王志豪 2 、 詹家銘 2

「數位化模具技術」論文發表研討 會. LED 二次光學元件射出成形之實驗設計最佳化與光學特性探討 Experimented Study for Optimal Parameter and Optical Property of LED Lens by Injection Molding. 陳炤彰 1 、 李豐吉 2 、 王志豪 2 、 詹家銘 2 Chao-Chang A. Chen 1 , Feng-Chi Lee 2 , Chih-Hao Wang 2 , Chia-Ming Chan 2 1 國立台灣科技大學 機械工程學系 教授

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陳炤彰 1 、 李豐吉 2 、 王志豪 2 、 詹家銘 2

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Presentation Transcript

  1. 「數位化模具技術」論文發表研討會 LED二次光學元件射出成形之實驗設計最佳化與光學特性探討Experimented Study for Optimal Parameter and Optical Property of LED Lens by Injection Molding 陳炤彰1、李豐吉2、王志豪2、詹家銘2 Chao-Chang A. Chen 1 ,Feng-Chi Lee 2, Chih-Hao Wang 2, Chia-Ming Chan2 1國立台灣科技大學 機械工程學系 教授 2國立台灣科技大學 機械工程學系 研究生 中華民國一百年五月二十日

  2. Content • 先前研究 • 研究背景 • 研究目的與方法 • 實驗設備與流程 • 結果與討論 • 結論與建議 • Q&A

  3. 3D Design of TIR Lens for Molding 用於Moldex3D模擬分析的模具及水路配置圖。

  4. Mold Filling and Cooling _TIR 冷卻後溫度分佈圖 充填模擬

  5. Flow Front Analysis • Screw metering position: 15 mm • Injection speed: 8 mm/s (the 2nd stage) • Mold temperature: 100 ºC

  6. Lens Defects in Molding TIR透鏡之包封缺陷圖

  7. Demonstration of LED Modules

  8. 研究背景 • 應用LED光源之室內照明燈具為達到光均勻與考量人眼舒適性之目的，常需以二次光學元件設計作為光整形以達目的。 二次光學元件功能示意圖 Off-the-shelf TIR type lens for HBLEDs

  9. 何謂LED照明 • 最大外徑為2 英吋的帶多面反射罩的燈具，MR 是英文Multifaceted (Mirror) Reflector 的縮寫，意思是一種由多個反射面組合成的反射鏡，數字表示燈泡最大外形的尺寸，為1/8英吋的倍數。 (a) (b) • A conventional halogen MR16; and (b) different kinds of LED • MR16s. MR16組件爆炸圖

  10. 研究目的與方法 • 研究目的 • 研究方法 LED照明已明顯成為節能減碳趨勢，為提昇LED應用於室內照明燈具之光效率與使用壽命，針對MR16 (Multifaceted reflector, MR)照明燈具之二次光學元件進行相關研究。以縮小發光角度及提升照度為目標，利用光學設計軟體先進行光學設計，期望在提升發光效率的條件下，縮小發光角度。 利用模流分析軟體，在優化殘留應力及翹曲值的前提下，針對二次光學元件射出成形之殘留應力、收縮與翹曲、光彈影像等進行分析，再由實際射出成形，探討模擬與實際成品間的差異性。

  11. 光學設計 設計時需考慮到透鏡在入光面及側壁反射面的形狀及角度；因此，在進行光學模擬時，針對入光面與側面進行優化，入光面是加上球面聚集小角度的光線，側面則是利用拋物面來達到內全反射的效果。

  12. 光學設計 經由優化後之TIR透鏡發光角度為19o 光強度分佈圖

  13. 成形材料 • TEIJIN PC Panlite L-1225L (模擬) • TEIJIN PC Panlite L-1225L (射出成形) 黏度與剪切率圖 pvT圖

  14. 實驗設計 • 因子、水準配置表 由於成品係屬厚件，在成形上需考慮的因子很多，本實驗設計訂定重要因子分別為塑料溫度、射出速度、模具溫度及保壓壓力等四個因子，模擬所需的因子及水準，如因子、水準配置表所示。 • L9(34)之直交表

  15. 射出成形設備及模溫控制 FANUC α15-iA全電式射出成形機 K type 電熱偶之溫度感測線 電熱棒及控制器 烘料機

  16. 頂出機構及模具 電熱棒 套筒頂出 實驗模具

  17. 短射實驗 18 ㎜ 1.66s 22 ㎜ 2.06s 10㎜ 0.76s 32 ㎜ 2.4s 14㎜ 1.05s

  18. 光彈影像檢測 入光面具有明 顯的殘留應力 入光面應力分 佈已明顯改善 不良品 良品 光彈影像量測系統

  19. 結果與討論 • 翹曲優化分析

  20. 結果與討論 • 殘餘應力分析 • 最佳化參數之組合

  21. 結果與討論 分析結果與實驗結果比對 殘留應力分佈圖

  22. 結論 • 在MR16光學元件成形當中，影響成品翹曲最大的因子為塑料溫度，其次是模具溫度、射出速度及保壓壓力。 • 在影響成品殘留應力最大因子為射出速度，其次才是保壓壓力、塑料溫度及模具溫度。 • 透過模流分析可以得知，在透鏡成形當中，較大的殘留應力集中在澆口，原因在於澆品斷面積較小，在射出的瞬間，分子有明顯的配向性且由於剪切劇烈，導致澆口處殘留應力較高的情形發生。 • 在射出成形的過程當中，可以藉由光彈影像檢測，不斷的修正製程參數，以使得成品能得到較佳的品質。 • 透過本研究，可藉由模流分析與實際射出成形之比較，其成品在光彈影像檢測系統下的光彈影像，得知兩者的光彈條紋分佈極為相似。

  23. 建議 • 可針對出光效率的部分進行探討，並提高其效率。 • 可應用變模溫技術於射出成形，或是射出壓縮成形與一般射出成形進行比對。 • 可在模具內裝置壓力感測器，以擷取模內壓力變化，確保成品品質穩定性。

  24. 應用實例

  25. Acknowledgement • 感謝教育部數位化模具教學資源中心及洋鑫科技股份有限公司提供相關技術資料及經費協助。

  26. Thanks for your kind attention! Q&A 製造分析實驗室 Manufacturing Analysis Laboratory 精密製造實驗室 Precision Manufacturing Laboratory http://www.me.ntust.edu.tw/pml/

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