臺灣博碩士論文加值系統

本研究以閉迴路控制系統結合射出成形製程應用於具離軸非球面反射式光學元件 (Off-Axial Aspherical Reflective Optical Element, OAAROE) 成形製程。透過整合射出機訊號、模具歷程資料、閉迴路微振動技術(Closed-Loop Micro Vibratile, CLMV)及變模溫系統(Varithermo Mold Temperature, VMT)結合射出成形方法。研究方式首先進行PI閉迴路控制PZT致動器，探討PI控制參數對於PZT響應狀況與上升時間(Raise time)，再結合先後兩組前饋控制器比較，使PZT致動器具有最快響應速度，上升時間為0.107秒。透過調整控制器參數及VMT參數探討對OAAROE之成形影響，並傳統射出成形、開迴路控制系統與閉迴路控制系統進行成形比較。以巨觀尺度探討離軸非球面之成形誤差；以微觀尺度探討微結構成形複製率。利用不同PI控制參數(Kc、Ti)探討微結構成形複製率影響，當模溫為100℃，Kc為4；Ti為0.001且Lead time為0.00245時，最高結構成形複製率為92.06%。同時運用VMT技術，有效改善因肉厚不均所形成翹曲變形缺陷，最大成形誤差由17.898μm降低至6.082μm。透過4組參數各200件試量產測試系統穩定性，證實系統保持極高均一性，代表成形系統穩定性。OAAROE以光學單頻譜檢測，多種單頻線譜皆有聚焦特徵，而雜散光檢測最小為5.84%。後續研究可由離軸非球面設計值與模仁及成品之殘餘誤差優化模仁設計，使OAAROE更有效提升。

This study aims to fabricate an off-axial aspherical reflective optical element(OAAROE) with micro-structure by closed-loop injection molding process. This process combines with the machine signal, molding data acquisition, closed-loop micro vibratile (CLMV) and varithermo mold temperature (VMT) methods. In this research, a Proportional-Integral (PI) controller has been combined with feedforward controller to control piezoelectrical actuator (PZT) in order to find the fastest response and the shortest raise time. Several control parameters to discuss the PZT response condition. The form error of OAAROE can be calculate in the macro scale, the groove filling ratio can be obtained in micro scale. From the experimental result, high mold temperature and controller parameter (Kc=4, Ti=0.001 and lead time=0.00245 min.) can achieve the micro groove filling ratio as 92.06%. The VMT method can reduce the form error from thickness difference of OAAROE part. From the pilot production test of 200 parts each by 4 conditions, the system can maintain high stability. In this study, the best stray light of samples is 5.84%. Further study can focus on form error between off-axial aspherical design value and measurement result of OAAROE in order to augment the off-axial aspherical core design.

摘要
ABSTRACT
誌謝
目錄
圖表目錄
第一章 緒論
1.1 研究背景
1.2 研究目的
1.3 研究方法
1.4 論文架構
第二章 文獻回顧
2.1 模內振動式射出壓縮成形相關文獻
2.2 模具溫度對射出成形影響相關文獻
2.3 壓電致動器控制相關文獻
2.4 相關專利回顧
2.5 文獻回顧總結
第三章 反射式光學元件製程技術介紹
3.1 離軸非球面形狀與量測
3.1.1 離軸非球面形狀
3.1.2 離軸非球面量測
3.2 射出成形製程介紹
3.3 閉迴路微振動式射出成形製程
3.3.1 壓電致動器特性與介紹
3.3.2 PID閉迴路控制理論
3.3.3 CLMV-IEM模型建立
3.4 變模溫射出成形製程
3.5 製程整合
3.6 液晶聚合物介紹
3.6.1 液晶聚合物-熱性質檢測方式
3.6.2 液晶聚合物-熱性質檢測結果
第四章 模流分析與模具設計
4.1 模流分析
4.1.1 Z軸翹曲變形與體積收縮率
4.1.2 微結構模擬分析結果
4.1.3 變模溫模擬分析
4.2 反射式光學元件模具與模仁設計
第五章 實驗設備與規劃
5.1 實驗設備
5.1.1 CLMV-IM控制系統
5.1.2 閉迴路微振動式模組
5.1.3 變模溫製程模組
5.1.4 射出成形製程相關設備
5.2 量測設備
5.3 實驗規劃
5.4 射出成形實驗流程規劃
5.4.1 閉迴路控制系統實驗參數訂定
5.4.2 變模溫系統參數設定
5.4.3 射出成形參數設定
5.4.4 產品取樣方式
5.4.5 短射實驗
5.4.6 成形視窗
5.5 PZT致動器檢測
5.5.1 PZT致動器-位移量與阻尼比測試
5.6 離軸非球面與微結構量測
5.6.1 離軸非球面量測
5.6.2 微結構成形複製率量測
5.7 光學檢測
5.7.1 鍍反射膜
5.7.2 光學檢測
第六章 實驗結果與討論
6.1 PZT閉迴路控制系統模內響應測試結果
6.2 變模溫系統溫度歷程測試結果
6.3 不同製程之模穴壓力變化結果
6.3.1 不同模具溫度之模穴壓力
6.3.2 不同閉迴路設定參數之模穴壓力
6.4 試量產系統穩定測試結果
6.5 SEM拍攝結果
6.5.1 VMT-IM拍攝結果
6.5.2 OLMV-IEM拍攝結果
6.5.3 CLMV-IEM拍攝結果
6.6 離軸非球面檢測結果
6.6.1 不同成形製程離軸非球面檢測結果
6.7 微結構複製率檢測結果
6.8 光學檢測結果
第七章 結論與建議
7.1 結論
7.2 建議
參考文獻
附錄A 壓電致動器PIEZOMECHANIK PST150/20/40
附錄B 塑膠材料特性表
附錄C 塑膠材料LCP特性表-MOLDEX3D
附錄D-1 模具設計圖-母模側
附錄D-2 模具設計圖-公模側
附錄D-3 模具設計圖
附錄E 模仁設計圖
附錄F 石英壓力感測器(KISTLER 6157B)
附錄G 電荷放大器(KISTLER 5039A)
附錄H 冰水模溫機(科基 KC-0502W)
附錄I 射出成形機 (FANUC ROBOSHOT Α-15IA)
附錄J 雷射掃描共軛焦顯微鏡
附錄K K-TYPE熱電偶反應測試
附錄L 微結構量測資料
附錄M 光學檢測結果

[1] 賴昶順，"含微結構之非軸對稱非球面反射式光學元件射出成形分析研究"，國立台灣科技大學，機械工程系碩士論文，2016。
[2] 李豐吉，"多尺度複合式光學元件射出成形研究"，國立台灣科技大學，機械工程系碩士論文，2009。
[3] 王志豪，"振動式射壓於複合式光學元件射出成形之研究"，國立台灣科技大學，機械工程系碩士論文，2010。
[4] 詹家銘，"多尺度非球面陣列透鏡之振動式射出壓縮成形研究"，國立台灣科技大學，機械工程系碩士論文，2012。
[5] 游承凡，"微型光柵光學元件製造之射出成形研究"，國立台灣科技大學，機械工程系碩士論文，2015。
[6] Hattori, S., Nagato, K., Hamaguchi, T., and Nakao, M., "Rapid injection molding of high-aspect-ratio nanostructures." Microelectronic Engineering, vol. 87, pp. 1546-1549, 2010.
[7] Park, S. H., Lee, W. I., Moon, S. N., Yoo, Y. E., and Cho, Y. H. "Injection molding micro patterns with high aspect ratio using a polymeric flexible stamper. " eXPRESS Polym. Lett, 5(11), 950-958, 2011.
[8] Lucchetta, G., Sorgato, M., Carmignato, S., and Savio, E. "Investigating the technological limits of micro-injection molding in replicating high aspect ratio micro-structured surfaces. " CIRP Annals-Manufacturing Technology, 63(1), 521-524, 2014.
[9] Zhang, Aimin, Guoqun Zhao, and Yanjin Guan. "Effects of mold cavity temperature on surface quality and mechanical properties of nanoparticle‐filled polymer in rapid heat cycle molding." Journal of Applied Polymer Science 132.6, 2015.
[10] Meister, Steve, Andreas Seefried, and Dietmar Drummer. "Replication quality of micro structures in injection moulded thin wall parts using rapid tooling moulds." Microsystem Technologies 22.4: 687-698, 2016.
[11] Wang, Guilong, Guoqun Zhao, and Xiaoxin Wang. "Development and evaluation of a new rapid mold heating and cooling method for rapid heat cycle molding." International Journal of Heat and Mass Transfer 78: 99-111, 2014.
[12] Xiao, Cheng-Long, Han-Xiong Huang, and Xing Yang. "Development and application of rapid thermal cycling molding with electric heating for improving surface quality of microcellular injection molded parts." Applied Thermal Engineering 100: 478-489, 2016.
[13] De Santis, Felice, and Roberto Pantani. "Development of a rapid surface temperature variation system and application to micro-injection molding." Journal of Materials Processing Technology 237: 1-11, 2016.
[14] 陳承賢，"線性步進馬達結合壓電致動器之次微米定位控制"，國立中興大學，機械工程系碩士論文，2000。
[15] 陳信達，"壓電致動器之適性控制"，國立台灣科技大學，機械工程系碩士論文，2004。
[16] 陳必凱，"閉迴路微射出壓縮成形於複合式光學元件製作之研究"，國立台灣科技大學，機械工程系碩士論文，2010。
[17] Fung, Rong-Fong, and Wang-Chi Lin. "System identification and contour tracking of a plane-type 3-DOF precision positioning table." IEEE Transactions on Control Systems Technology 18.1: 22-34, 2010.
[18] 吳進寶，"應用ANSYS於壓電致動器及應變計感測器智能梁之主動振動控制模擬"，國立高雄應用科技大學，土木工程與防災科技研究所碩士論文，2010。
[19] Wang, Geng, Guoqiang Chen, and Fuzhong Bai. "High-speed and precision control of a piezoelectric positioner with hysteresis, resonance and disturbance compensation." Microsystem Technologies 22.10: 2499-2509, 2016.
[20] Arnott, Robin. "Method and apparatus for vibrating melt in an injection molding machine using active material elements.", U.S. Pat., Application US20050236729 A1, 2005.
[21] 伍秀菁，汪若文，林美吟，"光學元件精密製造與檢測"，國家實驗研究院儀器科技研究中心，新竹市，台灣，2007。
[22] Ogata Katsuhiko，莊政義譯，"現代控制工程"，台灣培生教育出版社，2011。
[23] 劉士榮，"高分子流變學"，滄海書局，2005。
[24] 張振添，"自動控制"，新文京開發出版股份有限公司，2015。
[25] 張子成，邢繼綱，"塑膠產品設計"，全華圖書，2008。