車燈透鏡材料簡介

在車燈行業(yè)，選擇透鏡材料的主要考慮因素是透光率、耐高溫性和耐老化性、使用壽命周期等。車燈光學(xué)級塑料透鏡一般使用光學(xué)級PMMA、光學(xué)級PC等材料，光學(xué)級塑料的優(yōu)勢在于：技術(shù)簡單，制作成本低。缺點是：耐高溫和耐老化性相對較弱，PMMA耐溫一般不超過90℃（熱變形溫度105℃），PC耐溫不超過120℃（熱變形溫度135℃）。

玻璃透鏡的特性與塑料透鏡相反。玻璃透鏡透光率高，耐高溫性好，但是密度大，會增加車燈透鏡模組的重量，和汽車行業(yè)輕量化的目標(biāo)不符。由于玻璃軟化后的玻璃體這一特殊狀態(tài)，不易實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，另外模具造價高昂，加工周期長，精度不易控制，而且具有脆性，特別是對于厚度變化比較大的透鏡，意外的爆裂是無法預(yù)料與解決的。以現(xiàn)在可以實現(xiàn)的改良工藝，只能通過鍍膜或鋼化處理來提升玻璃的強度，但是經(jīng)過這些處理，玻璃透鏡的透光率會有所降低，也增加了成本。

硅膠透鏡綜合了上述透鏡的優(yōu)點，相對于傳統(tǒng)玻璃透鏡和塑料透鏡，在透光率、成型難度、耐老化性等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

硅膠透鏡優(yōu)點：

1. 耐溫度范圍：-40~250℃，并耐驟冷驟熱沖擊。

2. 柔性質(zhì)地，不易爆裂，防爆性能優(yōu)良。

3. 無毒，密度低，性能穩(wěn)定，透光率高達92%，耐候性能優(yōu)良。

4. 幾乎無殘留應(yīng)力，伸縮性良好，保證了光學(xué)特性的穩(wěn)定。

硅膠透鏡劣勢：

1. 原材料造價高，成本為傳統(tǒng)PC透鏡的1.5~3倍。

2. 現(xiàn)有透鏡注射成型技術(shù)的不成熟，進一步增加了硅膠透鏡的成本。

因此，硅膠透鏡的市場定位主要為：

1. 航空航天類照明燈具透鏡。
2. 礦燈或在易燃易爆、惡劣條件下的特種燈具透鏡。
3. 汽車，戶外燈具。
4. 常規(guī)LED室內(nèi)照明燈具。

圖1：硅膠透鏡在車燈外的應(yīng)用

ADB硅膠透鏡

對于ADB模組而言，2，3年前有很多機械式的ADB陰影方案。為了避免機械移動部件，提高ADB系統(tǒng)的反應(yīng)效率和系統(tǒng)可靠性，現(xiàn)在比較普遍應(yīng)用的是基于LED陣列的固態(tài)ADB模組，單顆 LED芯片獨立開關(guān)和控制：ADB功能的屏蔽陰影只需簡單的切換和變暗單顆LED即可，如下圖的84像素模組。

圖2：奔馳S-class上的84像素模組

固態(tài)ADB模組的一個非常關(guān)鍵部件是光學(xué)內(nèi)透鏡，通過全反射將光從每顆led光源引到外光學(xué)透鏡上。這個光學(xué)內(nèi)透鏡有幾個技術(shù)要求。首先，每顆LED芯片的光損失必須最小化，因此必須要求光學(xué)內(nèi)透鏡的對焦精度足夠好、材料的透明度和表面光潔度也足夠高。第二，必須保證不同LED之間的沒有串光，第三，由于緊挨led光源的高輻射高傳熱，透鏡材料必須有極佳的耐熱性。最后，為了防止不同LED之間的光型暗區(qū)，導(dǎo)光須的光學(xué)設(shè)計一般有明顯的倒扣。這對透鏡量產(chǎn)的生產(chǎn)工藝能力提出了挑戰(zhàn)。

上圖為一些常見ADB硅膠透鏡的示例，都可以看到有很多導(dǎo)光須，導(dǎo)光須的數(shù)量對應(yīng)于ADB的分區(qū)數(shù)量，硅膠透鏡的拔模方向為垂直方向，基本上可見有明顯的倒扣設(shè)計。

因此，從ADB模組的要求可以看出，ADB內(nèi)透鏡無法使用玻璃或熱塑性材料（PC、PMMA）等常用光學(xué)材料，而只有硅膠恰好滿足了上述所有技術(shù)需求。其實硅膠光學(xué)零件在其它領(lǐng)域上有著悠久的應(yīng)用歷史，但應(yīng)用在車燈ADB領(lǐng)域里還是有一些技術(shù)難度需要克服的。

模具制造難點

模具質(zhì)量對硅膠光學(xué)器件的性能有著至關(guān)重要的影響。由于硅膠的粘度非常低，因此硅膠內(nèi)透鏡的光學(xué)鑲件不能單獨分開加工，而必須整體加工和拋光。否則，將容易產(chǎn)生飛邊，可能對光學(xué)性能產(chǎn)生不可接受的缺陷。即便鑲件和主模具之間有4μm的間隙，仍會產(chǎn)生可見的飛邊。在注塑方面，硅膠透鏡的工藝比熱塑性塑料的注塑工藝更具挑戰(zhàn)性。由于在一個光學(xué)透鏡中有如此多的光學(xué)導(dǎo)光須，因此在加工鑲件時必須非常小心。特別是對高分辨率像素模組，由于光學(xué)導(dǎo)光須更多，在加工最后一個光學(xué)導(dǎo)光須時產(chǎn)生腐蝕或拋光失敗都會導(dǎo)致整個光學(xué)模具報廢。

對于光學(xué)導(dǎo)光須的模具表面拋光，手動拋光是不可避免的。然而，由于導(dǎo)光須處的模腔內(nèi)拋光直徑往往小于1mm、深度 20mm，且導(dǎo)光須的根部不允許倒角的情況下，怎么拋光模腔需要非常專業(yè)的拋光經(jīng)驗。而且拋光后的模腔表面無法通過直接測量來評定，因此拋光專家的經(jīng)驗和足夠試模的次數(shù)才能決定光學(xué)鑲件的質(zhì)量是否合格。

注射工藝難點

硅膠注射成型與傳統(tǒng)的熱塑性塑料注塑成型有很大不同。ADB內(nèi)透鏡上的硅膠是種雙組分材料的液體硅膠，硅膠的成型是熱聚合的結(jié)果。在注塑之前，液體硅膠的兩個組分即混合在一起，同時開始產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。硅膠液體被注入加熱的模具內(nèi)，使模具溫度升高，這進一步的加快了聚合反應(yīng)，反應(yīng)時間的多少與零件厚度無關(guān)。經(jīng)過幾分鐘的反應(yīng)時間，聚合反應(yīng)幾近完成，零件被從模具內(nèi)頂出。由于硅膠透鏡結(jié)構(gòu)柔軟，無法用小巧的夾持器抓取，而必須抓取硅膠面積大的部分，從而安全的從模具中取出。為了避免有硅膠碎片殘留在模具中，如由于注塑缺陷或注塑失敗的零件碎片，必須對所有導(dǎo)光須的模腔進行100%的檢查，如果檢測到飛邊或其他缺陷，并即刻停止注射工藝過程，來清除模具模腔并重新調(diào)整注射工藝。待檢測系統(tǒng)驗收合格后，將硅膠零件存放在托盤上，然后用于回火工藝。

圖3：全自動硅膠注射線示例。自動抓取后，即刻對零件進行自動檢查，以便檢測導(dǎo)光須的缺陷。

對于穩(wěn)定、無缺陷的硅膠透鏡生產(chǎn)，工藝參數(shù)的控制和調(diào)整必需特別注意。如果模具溫度過高，硅膠材料會產(chǎn)生部分降解，在拋光的模具模腔表面形成一層薄膜，會導(dǎo)致透鏡光學(xué)性能下降。在這種情況下，模具鑲件則需要手動拋光，由于硅膠透鏡的光學(xué)性能要求過于敏感，其他去除硅膠薄膜的手段都無法使用。

固化

即使把硅膠注塑時間不斷延長，仍會有還沒產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的硅單體。由于這些硅單體隨著時間的推移會產(chǎn)生氣體，導(dǎo)致相鄰表面有硅層的沉積，從而降低光學(xué)透鏡的性能。因此，必須對注塑后的硅膠透鏡進行固化處理，以去除這些沒反應(yīng)的硅單體。固化的溫度控制參數(shù)，例如固化持續(xù)時間、溫度等取決于硅膠材料的類型，固化時間可以在4到20小時之間。同時，由于硅膠零件的收縮也和固化工藝相關(guān)，因此在模具設(shè)計時，必須很仔細的設(shè)置收縮率。確定了模具收縮率之后，固化工藝則不能再隨意的更改，因為會影響最終硅膠透鏡的零件尺寸。因此，固化的工藝參數(shù)降低了硅膠透鏡和注射成型工藝的自由度。研究表面，在注塑過程中會有一些影響硅膠收縮率的方法，但在設(shè)計量產(chǎn)模具之前，對收縮率進行正確計算至關(guān)重要。

總結(jié)

在車燈自適應(yīng)ADB照明的新興應(yīng)用領(lǐng)域，可注塑光學(xué)硅膠透鏡提供了優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和前所未有的設(shè)計靈活性。由于硅膠提供了加工特性、光學(xué)性能和硬度的完美組合，以使復(fù)雜的光學(xué)產(chǎn)品得以生產(chǎn)出來，表面質(zhì)感和傳統(tǒng)的光學(xué)塑料沒有很大差別。這些特性有望提高ADB在汽車照明中的應(yīng)用，為光學(xué)設(shè)計人員重新定義未來汽車照明提供有價值的工具。

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