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研究生:王文裕
研究生(外文):Wen-Yu Wang
論文名稱:塑膠線性聚焦菲涅爾透鏡設計與分析
論文名稱(外文):The Study of Plastics Linearity Focuses the Fresnel Lens Design and the Analysis
指導教授:楊勝安楊勝安引用關係黃俊欽黃俊欽引用關係
指導教授(外文):Sheng-An YangChung-Ching Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄應用科技大學
系所名稱:模具工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:88
中文關鍵詞:菲涅爾透鏡田口方法光學模擬射出壓縮成型
外文關鍵詞:Fresnel lensTaguchi methodOptical simulationInjection compression molding
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在能源短缺的世代,再生能源的開發與應用如雨後春筍般為目前最熱門研究的課題。本研究利用設計一塑膠線性聚焦菲涅爾透鏡,目的將太陽光有效聚焦在長100 ㎜寬 15㎜的平板集熱器上。本研究旨在利用光學分析軟體Tropace分析4種不同傾角為60°、70°、80°、90°菲涅爾透鏡,比較光路、能量損失的情況及太陽光容許角度。最後以設計1為最終選擇。因透鏡流長/厚度比高達200,為超薄殼件。因此以模流分軟體Moldflow射壓模組,以翹曲值最小為品質目標。模擬塑膠線性聚焦菲涅爾透鏡之射出情況;結合田口實驗法並以模具溫度、融膠溫度、射出速率、保壓時間、保壓壓力、開模距離為控制因子,找出最佳參數組合為模具溫度58 ℃、熔膠溫度243 ℃、射出速率25 cm3/s、壓縮力30 ton、開模距離1.5 ㎜、保壓時間6 s其實最佳參數組合實驗結果翹曲值範圍為0.0192 mm~0.2102 mm。
As for the generation lacking energy, renewable energy sources development and application grow like mushroom for at present most popular research topic. This research aims to design a plastics linearity to made the Fresnel lens Goal sunlight effectively focusing on long 100 ㎜ wide 15㎜ plate collector. This research analyzes 4 kind of different inclination angles by using optical analysis software Tracepro for 60°, 70°, 80°, 90° the Fresnel lens. Compared with the path of rays, energy loss's situation and the sunlight allow the angle. The final choose is to take1as that one, because lens flow length/thickness ratio above 200 for ultra shell. Therefore the software Moldflow with the injection compression molding module, gives the smallest warpage value as the quality goal. The experiment design of Taguchi method is adopted to determine the influence of different process parameters (mold temperature, melt temperature, injection rate, packing time, clamp force, mold open distance). Finally the optimum parameter combination for the mold temperature 58℃, melt temperature 243 ℃, injection rate 25 cm3/s, clamp force 30 ton, mold open distance 1.5㎜, packing time 6s are found. Warpage the value scope is 0.0192 mm~0.2102 mm.
目 錄
中 文 摘 要 i
英 文 摘 要 ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
表目錄 iv
圖目錄 iv
第 一 章 緒 論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 1
1.3 菲涅爾透鏡簡介 2
1.4 田口實驗規劃法簡介 3
1.5 論文架構 3
第 二 章 基 本 原 理 與 文 獻 回 顧 8
2.1 基礎光學 8
2-1-1 折射與反射定律 8
2-2 輻射度學與光度學 9
2.3 集光器 11
2.3.1 平面型菲涅爾透鏡 11
2.3.2 拱型菲涅爾透鏡 12
2.4 射出成型簡介 14
2.5 射出壓縮成型簡介 15
2.6 田口實驗規劃法 16
2.7 文獻回顧 21
2.7.1 菲涅耳透鏡相關文獻 21
2.7.2 田口規劃法與射出成型相關文獻 23
第 三 章 研 究 方 法 29
3.1 研究步驟 29
3.2 實驗設備 29
3.2.1 Trace pro光學模擬軟體 29
3.2.2 Moldflow Plastics Insight 6.2 模流分析軟體 30
3.3 實驗設置 31
3.3.1 材料選擇 31
3.3.2 光源設定 31
3.3.3 塑膠線性聚焦菲涅爾透鏡幾何外觀 32
3.3.4 模流分析前處理 33
3.4 田口實驗規劃 35
3.4.1 田口實驗流程圖 35
3.4.2 特性要因圖建立 35
3.4.3 控制因子與水準選擇 36
3.4.4 選擇直交表 37
3.4.5 干擾實驗 38
3.4.6 計算S/N比 39
3.4.7 變異數分析(ANOVA) 39
3.4.8 最佳因子組合與最佳理論值 39
第 四 章 結 果 與 討 論 56
4.1 光學模擬結果 56
4.1.1 光學模擬綜述 58
4.2 田口實驗規劃 59
4.2.1 干擾實驗結果探討 59
4.2.2 主實驗結果探討 60
4.2.3 田口實驗規劃綜述 62
4.3 模流分析結果 62
4.3.1 分子配向所引起之翹曲探討 63
4.3.2 體積收縮所引起之翹曲探討 63
4.3.3 模流分析綜述 65
第 五 章 結 論 與 未 來 研 究 展 望 87
5.1 結論 87
5.2 未來研究展望 88
參 考 文 獻 89

表目錄
表2-1 輻射度量與光度量 25
表3-1 不同材料的光學性質 41
表3-2 太陽光譜及透鏡光學一覽表 41
表3-3 4種線性聚焦菲涅爾透鏡 42
表3-4 成型機能量與注道口徑之關係 42
表3-5 3種澆口設計比較表 43
表3-6 平均產品厚度與水路管徑對照表 43
表3-7 控制因子水準配置表 44
表3-8 L8(26)直交表 44
表3-9 L18(36)直交表 45
表3-10 干擾因子水準配置概念表 45
表3-11 干擾因子水準配置表 46
表3-12 因子回應表 46
表3-13 變異數分析表 47
表3-14 變異數分析之重要性與誤差統合表 47
表4-1 L8干擾實驗翹曲值與S/N 比數據表 65
表4-2 干擾實驗品質特性回應表 65
表4-3 干擾實驗S/N 比回應表 65
表4-4 初步變異數分析表 66
表4-5 變異數分析第一次誤差統合表 66
表4-6 變異數分析第二次誤差統合表 66
表4-7 L18主實驗翹曲值與S/N 比數據表 67
表4-8 主實驗品質特性回應表 67
表4-9 主實驗S/N 比回應表 67
表4-10 初步變異數分析表 68
表4-11 變異數分析之重要性與誤差統合表 68
圖目錄
圖1-1 國際原油價格趨勢圖 5
圖1-2 全球10大議題 5
圖1-3 太陽能電池部份示意圖 6
圖1-4 太陽能平板集熱器示意圖 6
圖1-5 聚光與未聚光狀況太陽能電池面積的比較 6
圖1-6 平板式 Fresnel 透鏡示意圖(灰色部分) 7
圖2-1 反射與折射示意圖 25
圖2-2 溝槽向內菲涅爾透鏡示意圖 25
圖2-3 溝槽向外菲涅爾透鏡示意圖 26
圖2-4 拱形菲涅爾透鏡剖面圖 26
圖2-5 右側稜鏡示意圖 27
圖2-6 射出成型機構介紹 27
圖2-7 射出壓縮與射出成型比較 27
圖2-8 壓力控制模式 27
圖2-8 壓力控制模式 28
圖2-9 位置控制模式 28
圖2-10 產品/製程方塊圖 28
圖3-1 研究流程圖 48
圖3-2 序列性描光 49
圖3-3 非序列性描光 49
圖3-4 上為太陽光譜頻譜,中為在不同波長穿透情況,下為玻璃與PMMA在不同波長折射率的趨勢圖 50
圖3-5 不同材料的折射率與阿倍數比較圖 50
圖3-6 上為大氣層內外太陽光譜分佈圖 51
下為壓克力材料光穿透率比較圖 51
圖3-7 梯形流道斷面形狀及尺寸 51
圖3-8 扇形澆口 52
圖3-9 豎澆道、流道與澆口完成圖 52
圖3-10 冷卻管徑與管距之設置關係 52
圖3-11 模流分析水路建置圖 53
圖3-12 田口實驗流程圖 54
圖3-13 特性要因圖 54
圖3-14 塑膠線性聚焦菲涅爾透鏡成形視窗 55
圖4-1 設計1光線數1萬1千光路分析結果 70
圖4-2 傾角60度-光源角度0度偵測面能量分佈情況 70
圖4-3 傾角60度-光源角度1度偵測面能量分佈情況 70
圖4-4 傾角60度-光源角2度偵測面能量分佈情況 71
圖4-5 傾角60度-光源角度3度偵測面能量分佈情況 71
圖4-6 傾角60度-光源角度4度偵測面能量分佈情況 71
圖4-7 傾角60度-光源角度5度偵測面能量分佈情況 72
圖4-8 設計2光線數1萬1千光路分析結果 72
圖4-9 傾角70度-光源角度0度偵測面能量分佈情況 72
圖4-10 傾角70度-光源角度1度偵測面能量分佈情況 73
圖4-11 傾角70度-光源角度2度偵測面能量分佈情況 73
圖4-12 傾角70度-光源角度3度偵測面能量分佈情況 73
圖4-13 傾角70度-光源角度4度偵測面能量分佈情況 74
圖4-14 傾角70度-光源角度5度偵測面能量分佈情況 74
圖4-15 設計3光線數1萬1千光路分析結果 74
圖4-16 傾角80度-光源角度0度偵測面能量分佈情況 75
圖4-17 傾角80度-光源角度1度偵測面能量分佈情況 75
圖4-18 傾角80度-光源角度2度偵測面能量分佈情況 75
圖4-19 傾角80度-光源角度3度偵測面能量分佈情況 76
圖4-20 傾角80度-光源角度4度偵測面能量分佈情況 76
圖4-21 傾角80度-光源角度5度偵測面能量分佈情況 76
圖4-22 設計4光線數1萬1千光路分析結果 77
圖4-23 傾角90度-光源角度0度偵測面能量分佈情況 77
圖4-24 傾角90度-光源角度1度偵測面能量分佈情況 77
圖4-25 傾角90度-光源角度2度偵測面能量分佈情況 78
圖4-26 傾角90度-光源角度3度偵測面能量分佈情況 78
圖4-27 傾角90度-光源角度4度偵測面能量分佈情況 78
圖4-28 傾角90度-光源角度5度偵測面能量分佈情況 79
圖4-29 4種設計在不同光源入射角度下集光率比較 79
圖4-30 4種設計在不同光源入射角度下剩餘量能量比較 80
圖4-31 干擾實驗品質特性回應圖 80
圖4-32 干擾實驗S/N 比回應圖 81
圖4-33 主實驗品質特性回應圖 81
圖4-34 主實驗S/N 比回應圖 82
圖4-35 第3組實驗翹曲圖 82
圖4-36 第11組實驗翹曲圖 83
圖4-37 充填波前圖 83
圖4-38 熔膠分子配向圖 84
圖4-39 充填末端壓力分佈圖 84
圖4-40 剪切率比較圖 85
圖4-41 整體溫度比較圖 85
圖4-42 體積收縮率比較 85
圖4-43 塑料PMMA-PVT圖 86
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