Transcript LED二次光學元件射出成形之實驗設計最佳化與
Slide 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 Chan 2
1國立台灣科技大學
2國立台灣科技大學
機械工程學系 教授
機械工程學系 研究生
中華民國一百年五月二十日
Department of Mechanical Engineering
Precision Manufacturing Lab
1
Slide 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
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
2
Slide 3
3D Design of TIR Lens for Molding
用於Moldex3D模擬分析的
模具及水路配置圖。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
3
Slide 4
Mold Filling and Cooling _TIR
充填模擬
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
冷卻後溫度分佈圖
4
Slide 5
Flow Front Analysis
Screw metering position: 15 mm
Injection speed: 8 mm/s (the 2nd stage)
Mold temperature: 100 ºC
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
5
Slide 6
Lens Defects in Molding
TIR透鏡之包封缺陷圖
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
6
Slide 7
Demonstration of LED Modules
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
7
Slide 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
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
8
Slide 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) A conventional halogen MR16; and (b) different kinds of LED
MR16s.
MR16組件爆炸圖
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
9
Slide 10
研究目的與方法
研究目的
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。
研究方法
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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
10
Slide 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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
11
Slide 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
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
12
Slide 13
成形材料
TEIJIN PC Panlite L-1225L (模擬)
黏度與剪切率圖
pvT圖
TEIJIN PC Panlite L-1225L (射出成形)
Property
Glass Transition
Temperature
Melt Flow Rate
Light transmission
Refractive index
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
Test Method
ISO 1133
ASTM D1003
ASTM D542
Value
Unit
158
℃
18
88
1.58
g/10 min
％
13
Slide 14
實驗設計
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。
因子、水準配置表
A.料溫(℃)
B.射速(㎜/s)
C.模溫(℃)
D.保壓(MPa)
Level1
275
6
105
70
Level2
285
8
115
80
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
Level3
295
10
125
90
L9(34)之直交表
Exp.
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
A
1
1
1
2
2
2
3
3
3
B
1
2
3
1
2
3
1
2
3
C
1
2
3
2
3
1
3
1
2
D
1
2
3
3
1
2
2
3
1
14
Slide 15
射出成形設備及模溫控制
FANUC α15-iA全電式射出成形機
烘料機
K type 電熱偶之溫度感測線
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
電熱棒及控制器
15
Slide 16
頂出機構及模具
電熱棒
套筒
頂出
實驗模具
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
16
Slide 17
短射實驗
Parameters
Mold Temperature
Melt Temperature
Injection Speed
Stage
1st
2nd
3rd
4th
Packing Pressure / Time 1st
Cooling time
10 ㎜
Value
117
285
22
1.7
6
4
86/4.5
72
0.76 s
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
14 ㎜
1.05 s
Unit
℃
℃
mm/s
MPa/s
s
18 ㎜
1.66 s
22 ㎜
2.06 s
32 ㎜
2.4 s
17
Slide 18
光彈影像檢測
入光面具有明
入光面應力分
顯的殘留應力
佈已明顯改善
不良品
良品
光彈影像量測系統
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
18
Slide 19
結果與討論
翹曲優化分析
Exp.
A
B
C
D
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
Sum1
Sum2
Sum3
Difference
Rank
1
1
1
2
2
2
3
3
3
0.298
0.361
0.326
0.063
1
1
2
3
1
2
3
1
2
3
0.356
0.312
0.317
0.044
3
1
2
3
2
3
1
3
1
2
0.308
0.362
0.316
0.054
2
1
2
3
3
1
2
2
3
1
0.347
0.312
0.326
0.035
4
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
平均翹曲
(㎜)
0.108
0.099
Level1
0.090
0.140
Level2
0.117
Level3
0.104
Delta
0.108
Rank
0.095
0.122
A
B
C
D
0.099
0.118
0.102
0.115
0.120
0.104
0.120
0.103
0.108
0.105
0.105
0.108
0.020
0.014
0.018
0.011
1
3
2
4
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結果與討論
殘餘應力分析
A
Exp.
A
B
C
D
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
Sum1
Sum2
Sum3
Difference
Rank
1
1
1
2
2
2
3
3
3
22.20
19.64
20.08
2.55
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
21.90
16.19
23.83
7.63
1
1
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1
3
1
2
20.67
19.72
21.52
1.80
4
1
2
3
3
1
2
2
3
1
19.14
19.45
23.33
4.18
2
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
B
殘餘應力 Level1
7.40
7.30
(MPa)
Level2
6.54
5.39
7.33
Level3
6.69
7.94
5.21
Delta
0.85
2.54
9.65
Rank
3
1
7.56
4.86
7.22
最佳化參數之組合
7.01
6.12
6.95
A
B
C
D
C
D
6.89
6.38
6.57
6.48
7.17
7.77
0.6
1.39
4
2
平均翹曲
(㎜)
殘餘應力
(MPa)
V1
A1
B2
C1
D2
0.098
6.65
V2
A2
B2
C2
D1
0.115
4.47
V3
A1.5
B2
0.106
4.99
C1.5 D1.5
20
Slide 21
結果與討論
分析結果與實驗結果比對
殘留應力分佈圖
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
21
Slide 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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
22
Slide 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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
23
Slide 24
應用實例
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
24
Slide 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
。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
25
Slide 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/
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
26
「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
2國立台灣科技大學
機械工程學系 教授
機械工程學系 研究生
中華民國一百年五月二十日
Department of Mechanical Engineering
Precision Manufacturing Lab
1
Slide 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
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
2
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3D Design of TIR Lens for Molding
用於Moldex3D模擬分析的
模具及水路配置圖。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
3
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Mold Filling and Cooling _TIR
充填模擬
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
冷卻後溫度分佈圖
4
Slide 5
Flow Front Analysis
Screw metering position: 15 mm
Injection speed: 8 mm/s (the 2nd stage)
Mold temperature: 100 ºC
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
5
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Lens Defects in Molding
TIR透鏡之包封缺陷圖
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
6
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Demonstration of LED Modules
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
7
Slide 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
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
8
Slide 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) A conventional halogen MR16; and (b) different kinds of LED
MR16s.
MR16組件爆炸圖
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
9
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研究目的與方法
研究目的
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。
研究方法
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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
10
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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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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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
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
12
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成形材料
TEIJIN PC Panlite L-1225L (模擬)
黏度與剪切率圖
pvT圖
TEIJIN PC Panlite L-1225L (射出成形)
Property
Glass Transition
Temperature
Melt Flow Rate
Light transmission
Refractive index
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
Test Method
ISO 1133
ASTM D1003
ASTM D542
Value
Unit
158
℃
18
88
1.58
g/10 min
％
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實驗設計
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。
因子、水準配置表
A.料溫(℃)
B.射速(㎜/s)
C.模溫(℃)
D.保壓(MPa)
Level1
275
6
105
70
Level2
285
8
115
80
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
Level3
295
10
125
90
L9(34)之直交表
Exp.
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
A
1
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1
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射出成形設備及模溫控制
FANUC α15-iA全電式射出成形機
烘料機
K type 電熱偶之溫度感測線
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
電熱棒及控制器
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頂出機構及模具
電熱棒
套筒
頂出
實驗模具
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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短射實驗
Parameters
Mold Temperature
Melt Temperature
Injection Speed
Stage
1st
2nd
3rd
4th
Packing Pressure / Time 1st
Cooling time
10 ㎜
Value
117
285
22
1.7
6
4
86/4.5
72
0.76 s
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
14 ㎜
1.05 s
Unit
℃
℃
mm/s
MPa/s
s
18 ㎜
1.66 s
22 ㎜
2.06 s
32 ㎜
2.4 s
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光彈影像檢測
入光面具有明
入光面應力分
顯的殘留應力
佈已明顯改善
不良品
良品
光彈影像量測系統
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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結果與討論
翹曲優化分析
Exp.
A
B
C
D
L1
L2
L3
L4
L5
L6
L7
L8
L9
Sum1
Sum2
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Difference
Rank
1
1
1
2
2
2
3
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3
0.298
0.361
0.326
0.063
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1
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1
2
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0.356
0.312
0.317
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0.362
0.316
0.054
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0.347
0.312
0.326
0.035
4
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
平均翹曲
(㎜)
0.108
0.099
Level1
0.090
0.140
Level2
0.117
Level3
0.104
Delta
0.108
Rank
0.095
0.122
A
B
C
D
0.099
0.118
0.102
0.115
0.120
0.104
0.120
0.103
0.108
0.105
0.105
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0.020
0.014
0.018
0.011
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結果與討論
殘餘應力分析
A
Exp.
A
B
C
D
L1
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Sum1
Sum2
Sum3
Difference
Rank
1
1
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19.64
20.08
2.55
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19.72
21.52
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19.14
19.45
23.33
4.18
2
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
B
殘餘應力 Level1
7.40
7.30
(MPa)
Level2
6.54
5.39
7.33
Level3
6.69
7.94
5.21
Delta
0.85
2.54
9.65
Rank
3
1
7.56
4.86
7.22
最佳化參數之組合
7.01
6.12
6.95
A
B
C
D
C
D
6.89
6.38
6.57
6.48
7.17
7.77
0.6
1.39
4
2
平均翹曲
(㎜)
殘餘應力
(MPa)
V1
A1
B2
C1
D2
0.098
6.65
V2
A2
B2
C2
D1
0.115
4.47
V3
A1.5
B2
0.106
4.99
C1.5 D1.5
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結果與討論
分析結果與實驗結果比對
殘留應力分佈圖
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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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。
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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應用實例
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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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
。
Precision Manufacturing Lab
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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/
Precision Manufacturing Lab
ME.NTUST
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