■科盛科技技術支援處 / 鄧詠心 工程師
客戶簡介
- 客戶：東莞理工學院
- 國家：中國
- 產業：教育
- 解決方案：流動分析模組 Flow、保壓分析模組 Pack、冷卻分析模組 Cool、翹曲分析模組 Warp、Designer BLM、應力分析模組、光學分析模組
東莞理工學院是東莞第一所普通本科院校，2019年7月成為全省唯一省市共建新型高水準理工科大學示範校；2020年成功入選首批國家智慧財產權試點高校名單。
大綱
菲涅爾透鏡之鏡片表面一面為光面，另一面燒錄了由小到大的同心圓；也就是在透鏡的一側有等距的齒紋。透過這些齒紋，可以達到對指定光譜範圍的光帶通（反射或者折射）的作用。
傳統的打磨光學器材的帶通光學濾鏡造價昂貴。菲涅爾透鏡可以有效降低成本。東莞理工學院利用Moldex3D軟體優化菲涅爾透鏡水路設計，成功設計異型水路，使產品冷卻後溫度分佈均勻；結合正交試驗得到最佳成型工藝，優化產品成型週期，降低產品應力。最終協助企業降低生產成本，提高生產效率。
面臨的挑戰與應對
本次案例面臨的主要挑戰分別為「產品外觀避免有明顯縫合線、流痕等外觀缺陷」、「產品對表面精度要求較高，表面粗糙度須小於20nm」、「使產品冷卻後溫度分佈均勻，降低成型週期」，以及「降低產品內部殘留應力」。
對於上述提到的挑戰，陳磊博士等人使用Moldex3D Conformal Cooling及Stress等模組多次驗證普通水路與異型水路設計，不斷進行拓撲優化，使產品經冷卻後達到溫度均勻的目的後，再透過Moldex3D對光學及殘留應力的預測，進一步優化改善工藝，快速找到最佳成型工藝方案與水路方案，大大縮短了產品的研發週期，達到產學研的目的。帶來的效益如下：
- 找到最佳異型水路佈置方案，解決產品冷卻後溫度分佈不均的問題；
- 產品冷卻時間從15秒縮短至13秒；
- 有效控制縫合線溫度，降低其對產品外觀影響；
- 符合產品尺寸精度要求；
- 產品殘留應力低且均勻。
案例研究
與LED連接的LED透鏡是用於提高光的利用效率和發光效率，對外觀品質要求較高，應避免縫合線、流痕或其他表面缺陷；表面粗糙度也應小於20nm。在本研究中，原始的冷卻水路設計，如圖１(a)所示，會導致冷卻後溫度分佈不均，造成更大的翹曲及更高的熱殘留應力，且會拉長冷卻時間。原始冷卻系統的溫度和殘留應力分佈如圖1(b)和圖1(c)所示。可以發現，熱量聚集在球體中心，因此溫度和殘留應力變化很大，被視為光學元件的缺陷。
研究團隊採用3D列印的異型冷卻水路來優化冷卻效果，共開發了兩種不同的異型水路，如圖2(a)、(b)。圖2(a)中的設計用異型水路代替了擋板；圖2(b)的設計則是在縫合線附近增加了一個冷卻水路。
與原始設計相較，優化設計冷卻後溫度較低，分佈也較均勻（圖3）。預估冷卻時間會由15秒縮短至13秒，共縮短13%。異型水路（圖4）同時也改善了產品的殘留應力，達到更好的光學效能。
研究進一步使用偏光鏡進行實際成型實驗，以確定產品的光學特性，結果如圖5所示。光彈條紋僅出現在流道和澆口處，代表菲涅爾透鏡具有良好的光學品質，也驗證了Moldex3D模擬結果的可行性。
結果
東莞理工學院透過Moldex3D分析，優化異型水路的冷卻設計，解決了積熱問題，將冷卻時間從15秒縮短到13秒。同時也改善了產品的殘留應力和折射率，獲得更佳的光學品質。
