搜索應(yīng)用先進(jìn)CAE工具 驗證光學(xué)產(chǎn)品翹曲及折射率
2017-04-21 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
應(yīng)用先進(jìn)CAE工具 驗證光學(xué)產(chǎn)品翹曲及折射率
客戶簡介
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隸屬于俄亥俄州立大學(xué)的精密工程實驗室,成立于2002年,目前成員包含五名博士生和幾位碩士生。實驗室主任Allen Yi教授在加入俄亥俄州大學(xué)前,曾任職于康寧精密透鏡公司,主要的研究領(lǐng)域為精密工程,特別著重在光學(xué)精密加工和微機械加工。俄亥俄州立大學(xué)的精密工程實驗室因研發(fā)價格實惠的自由曲面鏡片而著名全球。 (來源: https://www.osu.edu/
大綱
精密射出成型技術(shù)常用于大量生產(chǎn)平價的光學(xué)組件,但制造過程常會發(fā)生產(chǎn)品變形和折射率分布不均問題。實務(wù)上多利用有限元素法于來了解自由曲面的Alvarez鏡片在射出成型過程中受到的影響,并藉由干涉儀測量光學(xué)波前。此測量運用折射率匹配液來降低或消除鏡片的表面屈亮度,因此即便波前發(fā)生大偏移,也能夠透過一般的波前量測系統(tǒng)量測。此案例將透過Moldex3D分析表面變形和折射率分布對于波前的影響。
挑戰(zhàn)
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產(chǎn)品因熱收縮、不均勻的折射率分布和雙折射等光學(xué)質(zhì)量問題
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如何以有限元素法仿真成型過程
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如何分析自由曲面光學(xué)產(chǎn)品的精密射出成型制程
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驗證光學(xué)制品仿真結(jié)果
解決方案
Moldex3D提供自由曲面光學(xué)鏡片兩項關(guān)鍵且精確的參數(shù)模擬:產(chǎn)品翹曲及折射率;同時也能呈現(xiàn)充填、保壓、冷卻等階段真實三維的模擬結(jié)果。
效益
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加強對精密射出成型的自由曲面光學(xué)產(chǎn)品之質(zhì)量管控
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可視化并量測出幾何變形結(jié)果
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可視化并量測折射率變化
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了解產(chǎn)品表面變形和折射率如何影響前導(dǎo)波變化
案例研究
本案例目標(biāo)為藉由有限元素模型,計算出自由曲面光學(xué)產(chǎn)品的幾何變形和折射率,進(jìn)而測量前導(dǎo)波,用于評估精密射出鏡片的光學(xué)質(zhì)量,同時比較仿真和實際測量的結(jié)果,以了解CAE技術(shù)對于光學(xué)產(chǎn)品的仿真準(zhǔn)確度。
Moldex3D以HyperMesh網(wǎng)格建立三維有限元素模型,用來仿真產(chǎn)品變形和折射率分布(圖一)。本產(chǎn)品使用的材料為PMMA Plexiglas V825。Moldex3D可偵測并呈現(xiàn)產(chǎn)品的表面變形,以及不均勻的折射率分布(圖二)。接下來再以實際測量驗證,計算像差。
圖一 以十層六角柱網(wǎng)格建構(gòu)三維網(wǎng)格模型(左)以及流道系統(tǒng)(右)
圖二 精密射出成型之Alvarez鏡片(左)及其表面變形可視化結(jié)果(右)
由于本案例主要目的為驗證模擬結(jié)果(圖三及圖四),因此并未針對原始設(shè)計作變更,預(yù)期在往后的研究才會進(jìn)一步優(yōu)化此精密射出產(chǎn)品的設(shè)計。
圖三 精密射出成型之Alvarez鏡片表面變形模擬結(jié)果(左)與實際測量結(jié)果(右)比較
圖四 精密射出成型之Alvarez鏡片折射率分布模擬結(jié)果(左)與實際測量結(jié)果(右)比較
接下來將驗證自由曲面鏡片的前導(dǎo)波特征。首先以傳輸干涉儀系統(tǒng)設(shè)定,測量具有均勻折射率分布的未成型Alvarez鏡片的前導(dǎo)波,并將結(jié)果與名義前導(dǎo)波比較。同時也將鏡片浸入定折射率液體。若液體之折射率與鏡片表面折射率代表值相符合,則測量出的波前特征就代表鏡片內(nèi)部的折射率變化;相對地,若控制的折射率與表面折射率代表值不相符,則測量出的導(dǎo)前波特征主要就是由表面屈亮度所決定。
圖五 名義上的前導(dǎo)波(左)與實際測量的前導(dǎo)波(中),以及二者差異(右)
結(jié)果顯示波前偏差為15.89 λ,實際測量的數(shù)值則為15.8 λ。兩種局部的前導(dǎo)波特征之最大差異小于5%,差異最大的部分位于產(chǎn)品中央及角落處。由此可證,造成此差異的主要原因是精密射出成型產(chǎn)品的表面變形和折射率變化的綜合影響,與Moldex3D之前的的預(yù)測結(jié)果相符。
結(jié)果
透過Moldex3D的分析,可精確預(yù)測并觀察到精密射出成型之自由曲面光學(xué)產(chǎn)品的翹曲情形和折射率,幫助使用者更深入了解表面變形和折射率變化等潛在因素,是如何影響波前變化。Moldex3D的分析也發(fā)現(xiàn),具有均勻折射率分布的未變形Alvarez鏡片,以及折射率分布不均、變形的微射出Alvarez鏡片,兩者波前特征差異,主要肇因于折射率和表面變形的雙重影響。此外并能同時獲得充填、保壓、冷卻等階段的真實三維模擬結(jié)果。更重要的是,使用Moldex3D可以大幅縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,提供未來的研究許多極具價值的信息,包括應(yīng)力分析、雙折射分析、集成光學(xué)產(chǎn)品嵌件成型,以及藉由實驗設(shè)計法(DOE) 優(yōu)化射出制程、降低波前差異等等。
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