微小光學零組件成功應用案例

應用CAE改善鏡頭模組之真圓度

作者：
林詠偉 陳翰威 趙秋柏
Yung-wei Lin Han-wei Chen Chiu-po Chao

科盛科技股份有限公司
CoreTech System Co., Ltd.

摘要：
現代的社會中，照相手機已成為一項人人必備的物品，且為達成輕巧與便利之目標，人們便不斷致力於微型化的研究，也因此即便是微小的差異，對所拍攝的影像也將造成極大的影響，而更增加了鏡頭模組在高精度上的要求，且在現今這競爭激烈的市場裡，產品必須具備快速生產以及高品質才能脫穎而出，傳統的開發模式已經不足克服相關產業的競爭，而本文則就鏡頭模組為例，說明如何利用先進的CAE模流分析技術輔助開發此零件，透過此方法，不僅增加研發的能量，提高產品的品質，並且降低開發成本，有效的提高產品的競爭力。

關鍵字： 模流分析、鏡頭模組、微型化、高精度、Moldex3D

一、前言
由於照相手機的蓬勃發展，使得人們不斷地追求照相手機的高畫素，且根據統計2008年市場上將會有20％左右的300萬畫素以上照相手機。也就是說，在2008年時，將會有4億組以上的手機鏡頭組市場，因此要如何快速生產以及還能同時具備高品質，就是能否脫穎而出的重點。
由於手機數位相機光學系統的取像元件間距非常狹窄而焦點深度又很淺，因此在製作上有相當高的困難度，量產時除需提高元件精度外，各重點部位也需作高精度的調整作業，藉此使製作誤差的影響降至最低。為達成微型化的目標，通常的作法為強化各鏡片群的能力，但卻也造成光學系統敏感度增加，即使是微小的誤差，都有可能造成偏心，對最終的光學性能產生不良影響，因此必須藉助設計技巧與經驗減低上述問題，本文則使用Moldex3d的分析，改善鏡頭套筒的真圓度，使誤差效應降至最低。

二、案例簡介
A. 產品說明：
在本文所提到的鏡頭模組，是一模一穴的產品，產品外形為圓柱型，直徑約39mm，高度約50mm，產品的主要厚度約0.6mm。
B. 問題焦點：
本產品主要是裝配在鏡頭模組的套筒部位，由於內部放置鏡片，為避免導致偏心的現象發生，對於套筒的真圓度要求較高，且產品又有強度的要求，故加入纖維做強化，因此需考慮到纖維配向對於變形的影響。
一般射出產品會由於結構的不同，體積收縮率的不同導致物件本身變形，可以經由過去的一些經驗，加以改善變形，但是加入纖維配向所造成的影響，會使得變形的成因更複雜，而且也不容易釐清影響變形的問題點。
C. 使用材料：
成型材料為PC + 20%GF
D. 加工條件：
充填時間：0.8 sec
塑料溫度：310 ℃
模具溫度：105 ℃

三、應用模流分析
本文利用模流分析軟體Moldex3D來分析產品的變形，透過軟體提供的分析資訊，可以將變形的原因區分出來，針對影響變形最主要的原因進行改善。此次分析為比較不同流道大小對流動波前的影響，原始的設計為進澆時間相同，原始設計流道大小如圖1所示，設計變更為將流道加大如圖2所示，利用其個別的分析結果，以期將真圓度提升。

四、分析步驟
1. 首先探討問題所在以及改進方式：
在此案例中，雖然進澆時間相同，但個別流動的速度不同，故導致整體的體積收縮率以及保壓壓力不一致，進而發生翹曲的狀況，為了控制整體的流動平衡狀況，以及縮短整體的工作時間，故先以2.5D Shell的方式加速分析，判斷出不同流道設計變更下，個別在產品內的流動狀況，再使用較佳的流道設計條件，以3D Solid做進一步的分析，深入探討，並用以解決問題。
2. 模擬分析結果說明
由圖3不分析纖維配向的結果，可發現產品本身的收縮不平均，此結果可能是由於產品本身的流動不平衡，導致保壓效果不平衡所造成的非均勻收縮，由於纖維排列的不同會造成翹曲變形的不同，要改善此現象，可利用加入纖維或是經由改變流道設計來修正，透過圖4與圖5，可說明纖維在產品內部的排列方式紅色部分是纖維被配向較高的部份，而纖維排列方式會造成品非等向性的收縮，但在此案例中，由圖6及圖7中可看出，有無計算纖維配向的收縮變化，此兩者在變形上並無顯著的差異。圖8為實際設出產品照片，為得知實際與模擬之差距，故量測真圓度作為比較依據，圖9為實際射出與模擬個別取其最大及最小外徑處，表一為實際射出與模擬結果真圓度比較數據，從表中可看出模擬結果與實際射出情況相似性相當高，更可證實分析所得之數據相當可靠，並可了解在本案例中，纖維配向並無法明顯改善此案例的收縮翹曲問題，所以須由改變流道設計來加以改善。為縮短分析時間，故使用Shell模組，作為設定流道大小的參考數據，用以加速分析流程，圖10為流道設計變更前流動波前圖，圖11為設計變更後的流動狀況，由此兩圖中比較，可看出整體的流動於設計變更後已相當平衡，圖12及圖13為設計變更前後所模擬出的翹曲變形圖，並且再更一步量測設計變更前後之真圓度比較，表二為模擬前後真圓度比較數據，設計變更後真圓度提升約可達20%，發現真圓度有明顯的改善結果。

五、結論
由以上的分析結果可以發現，對於此案例而言，纖維排向對整體的體積收縮變化影響並不大，所以必須由改變流道設計來改善整體的流動平衡，並進一步平衡其保壓效果，使不均勻收縮的現象消失，更進一步使其有較佳的真圓度。
本論文利用CAE模流分析來解析產品的問題，透過CAE的協助，可以預先了解產品問題發生的因素，透過工程師的經驗，進一步的做修正，並且在分析上獲得驗證，經由簡易的模流分析，可以有效的降低生產中可能發生的錯誤，提升產品開發的效率。而本文所探討的鏡頭模組，過去是綜合許多工程人員的經驗進行開發，而這些經驗並無法進行保存，使得經驗的傳承不易，而且無法提供資料給其他開發人員參考；藉由CAE的分析資料，可將產品開發中的Know-How保存。本文以鏡頭模組的套筒進行分析，可以解析造成產品變形的趨勢，以及變形的原因，而透過量化的數據，也可以找出較佳的澆口設計以及加工條件。

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