1、 新型 LED霧 燈 設計 與 射出成形 研究 報告人 :曾世昌 教授兼 院長 作者 :王衍超 , 曾世昌 台灣雲林科技大學 目錄 1/26 前言 研究動機 文獻回顧 實驗結果與討論 結論與未來展望 2 前言 傳統燈具大多以鹵素燈為光源 ， 其缺點有壽命短 、 光源效率低 、 溫度高 、 玻璃外殼易碎 、 含汞等有毒物質 ， 聚光性不足、 耗電量高等問題之外 ， 對環境的損害相對是巨大的 ， 然而另一個重要的新興產品半導體二極體 (Light-Emitting Diode, LED)的燈照明設備 ， 可能取代任何光源 ， 原因是它 具備低耗能 (僅約 10%)、 壽命長 (約為傳統燈泡的 10
2、倍 )、 反應速快(約 330倍 )、 體積小等優點 ， 於色彩 、 亮度 、 壽命 、 節能及環保訴求等均較傳統光源更具有發展優勢 。 高 LED 為現階段相當熱門的用替代光源 ， 汽機車霧燈最主要的功能是車輛在霧天或者雨天能見度受天氣影響時開啓的車輛燈具 ， 汽車的霧燈起到了提示的作用 。 霧燈照明必須具備投射角度光形以及均足夠的項前提 ， 要滿足這者 ， 高 LED即可滿足大功的照明設備 。 3 車用照明燈介紹 目前使用 LED 當光源應用於燈具設計的方式有二種： 多重反射鏡面車燈(MR , Multi-Reflector) 又稱作反射式車燈以及投射式車燈 ( Projection Sy
3、stem )又稱作透鏡式車燈。 多重反射鏡的製作方式為將一個拋物面割成許多的方形反射鏡， 每個反射鏡再改變其曲與旋轉角，將光線反射到需要的區域，並用堆疊的方式增強值而組合成需要之光形。 晶 鑽頭燈示意圖 4 投射式燈 (Projection System)，其設計方式為用橢圓反射面，將燈源置於橢圓的第一焦點，光線經過反射後集中至第二焦點，在第二焦點的位置放置擋板以製造出需要的截止線光形 ，並且再放置一個非球面凸透鏡於擋板前方，其焦點位於擋板位置，使光線能平射出。 投射 式車燈架構圖 車用照明燈介紹 5 研究動機 LED車用霧燈大多使用 投射式 與 反射式 的燈罩設計，但兩種設計方式各有其優缺點
4、。以反射式車燈為例， 光線經過多層反射面造成能量損耗，使投射面的強度減弱 ，對能量的使用效率很低 ;許多霧燈也沒有符合法規進行光學設計 ，容易造成對向駕駛者與前方駕駛，因為眩光造成意外事故。 本設計利用多段式的反射罩，並將 LED置於燈具中心，發光面朝前方，利用多段式的反射罩來處理 LED所發散出不同角度的光線；然而， 一般市售的球面透鏡多為聚焦所用，無法根據法規將光線分佈成一定的需求 ，所以設計新穎性的 穿透型光柵結構透鏡 ，使光強度的範圍符合歐洲經濟委員會所訂定不同區域之光的分佈強度，並可以穩定 照射光源的亮度和降低眩光 等優點。 並針對 LED霧燈為稜鏡透鏡實際透過射出成型方式，探討 P
5、C料於成型參數下如 複製度 及 翹曲 的影響。 彭偉捷 1於 2005年成功設計其車用 LED用霧燈雕塑完成的反射罩測試能量效率方面， TIR 透鏡頭燈勝過反射式鏡面頭燈。 反射 式鏡面頭燈 TIR 透鏡 (全反射透鏡 ) 文獻回顧光學設計類 6/26 文獻回顧塑膠製造類 鄭安益 2於 2009年單眼立體微稜鏡板之製作與檢驗研究中提到射出光學微稜鏡陣列體攝影機中，使用較高的成形溫度有助於成型品的複製度，而降低射出速度可減少剪切稀薄的現象，可使整體密度較為均勻。 B. Sha 3 2007以結晶材料及非結晶材料進行微米級的結構進行成型，並以不同的成型溫度以及射出速度探討成型性，發現在較高的成型溫
6、度有助於成型。 Cheng-Hsien Wu 4 2006利用田口方法設計實驗參數，並以傳統射出與射出壓縮進行具有 Grating結構之透鏡成型。在射出成型 (IM)微結構複製度的控制因子為成型溫度，而射出壓縮 (ICM)之控制因子為壓縮速度。 7/26 ECE R19 CLASS F3車用前霧燈規範 8/26 Designat ed li nes or zone s Vert ical positi on * / above h + bel ow h - Horiz ontal posi ti on * / le ft of v: - ri ght of v: + Lu m inous in
7、t ensity (i n cd) To com ply Point 1, 2 * / + 60 45 60 m ax All poi nts Point 3, 4 * / + 40 30 Point 5, 6 * / + 30 60 Point 7, 10 * / + 20 40 Point 8, 9 * / + 20 15 Line 1 * / + 8 - 26 to + 26 90 m ax All l ine Line 2 * / + 4 - 26 to + 26 105 m ax All l ine Line 3 + 2 - 26 to + 26 170 m ax All l ine
8、 Line 4 + 1 - 26 to + 26 250 m ax All l ine Line 5 0 - 10 to + 10 340 m ax All l ine Line 6 - 2.5 - 10 to + 10 2,000 m in All l ine Line 7 - 6.0 - 10 to + 10 50 per cen t of m ax. on li ne 6 All l ine Line 8L and R * / - 1.5 to - 3.5 - 22 and + 22 80 0 m in One or m ore point s Line 9L and R * / - 1
9、.5 to - 4 .5 - 35 and + 35 320 m in One or m ore point s Zone D - 1 to - 3 - 10 to + 10 8,400 m ax W hole zone * / Th e co - or di na tes ar e speci fied in d egrees for an an gu l ar web wit h a v ertical po lar ax is. * / See parag rap h 6. 4.3.4. * / See parag rap h 6. 4.3.2. ECE R19 CLASS F3光強度分
10、布圖 前霧燈於 25m 處配光要求 R19 CLASS F3配光要求表 9 Trace pro 光學分析 霧燈透鏡設計 n s i n 1 s i n in ( 1 )nn i 光柵 光學示意圖 n：材料折射率 : 頂角角度 i: 入射角角度 : 反射角角度 : 反射角跟水平線的角度差 10 拋物面反射罩 將一拋物線繞著主軸（即對稱軸）旋轉 180o，所產生的曲面稱為拋物面，以拋物面作成反射面的鏡子即為拋物面鏡。 1. 拋物面鏡的幾何性質 1) 任一平行於主軸的光線入射至拋物面鏡（凹面），其反射光線必定通過拋物線的焦點。 2) 由光行進路徑的可逆性可知，若由拋物面鏡的焦點射出之光線，則經由鏡面
11、反射的光線必定平行於主軸 。 拋物面 示意圖 霧燈測試示意圖 11/15 25m Accept surface 3顆 XPE 的 LEDs，發光強度 190lm Micro prism lens 霧 燈測試示意圖 12/26 Trace pro 光學分析 霧燈透鏡設計 稜鏡 成品設計圖 單一個小稜鏡的寬度 W=2.00mm 稜鏡數量 中軸對稱，左右各 12個稜鏡 稜鏡的頂角 =60 稜鏡的深度 d=1.73mm 稜鏡 微結構尺寸圖 稜鏡 設計結果表 Unit:mm 105 13 Trace pro 光學分析 反射罩設計 在反射罩方面，光強度集中於垂直 +-20度，上下 的雜光範圍太大，導致不能
12、符合法規。 反射 罩設計光強度圖 反射 罩設計 3D示意圖 14 光學系統設計與模擬 1階反射罩加燈罩示意圖及光強配置圖 1階反射罩上下寬度較大，均勻度較為集中。 15 光學系統設計與模擬 2階反射罩上下寬度較為縮小，均勻度較為平均。 2階反射罩加燈罩示意圖及光強配置圖 16 光學系統設計與模擬 3階反射罩上下寬度更為縮小，均勻度更為平均。 3階反射罩加燈罩示意圖及光強配置圖 17 Trace pro 光學分析 霧燈組合設計 在霧燈組合設計中，已成功將強光集中 0-10度， 上下的雜光亮度已經下降可符合法規之需求。 霧 燈組合光強度圖 霧 燈組合設計 3D示意圖 Trace-pro光照度圖比較
13、分析 18/26 霧 燈組合設計光照度圖 反射 罩設計光照度圖 光強度分佈數據 19/26 表 3 光強度模擬測試數據表 射出成型實驗 - 成型模具設計製作 20/26 使用模座為喬茂標準模座大水口型式（ SA-2035-354080）為兩板模之型式。模具設計採一模一穴之設計型式，冷卻水路採四通直流水路進行冷卻。 成型 模具設計圖 母模面量測粗糙度 21/35 Ra = 0.045 m 公模仁量測粗糙度 22/35 線分析 ISO參數（單位： nm） Rp Rc Rq RSm 4325 1733 1335.4 259 Rv Rt Rsk Rdq 3521 7846.8 -0.3 68.5 Rz
14、 Ra Rku 7846.8 96.83 3.1 Ra = 0.096 m 23/26 LED霧燈微稜鏡透鏡背景資料 產品介紹 LED霧燈微稜鏡透鏡 厚度： 3.33mm 長 度： 105mm 寬 度： 61 mm A B C D 射出壓力 (%) 保壓壓力 (%) 保壓時間 (s) 射出速度 (%) Level_1 40 25 6 10 Level_2 45 30 8 15 Level_3 50 35 10 20 使用機台 震雄 SM-50 預測螺桿位置 =34.5 mm Total Volume= 21.8 cc 塑膠材料 PC AD-5503 田口實驗設變因子規畫表 原始成型條件 固定因
15、子 充填時間： 0.2 s 模具溫度 : 80 塑料溫度： 285 冷卻時間 : 25 s 1. 先以實際射出成品初步抓出參數為基準 (Level_1)，固定因子為塑料溫度為 285 ，模具溫度為 80 ，是依據塑料加工條件表，如下圖，冷卻時間設定為 25s，而設變因子為射出壓力、保壓壓力、保壓時間、射出速度。 24/35 LED霧燈微 稜鏡透鏡射出田口設計翹曲度望小 保壓時間設定 25/35 6.674-2.173=4.501s 2. 先以 Level_1的射出參數定義，保壓時間為澆口凝固時間，大約是 4.5秒左右，為了確保澆口凝固，所以保壓時間取 6、 8、 10s，作 為 3個水準。 L
16、9(34)直交表配置與分析數據 EXP. A B C D 最大值 最小值 Warpage MSD S/N 1 1 1 1 1 0.2210 -0.2688 0.4898 0.2399 6.1996 2 1 2 2 2 0.1553 -0.3746 0.5299 0.2808 5.5161 3 1 3 3 3 0.1302 -0.3425 0.4657 0.2169 6.6379 4 2 1 2 3 0.1589 -0.4043 0.5632 0.3172 4.9867 5 2 2 3 1 0.1208 -0.3482 0.4690 0.2200 6.5765 6 2 3 1 2 0.1302
17、-0.3425 0.4727 0.2234 6.5083 7 3 1 3 2 0.1285 -0.3494 0.4779 0.2284 6.4133 8 3 2 1 3 0.1673 -0.4162 0.5835 0.3405 4.6792 9 3 3 2 1 0.2515 -0.2795 0.5310 0.2820 5.4981 26/35 模擬值翹曲分析表 L9(34)S/N比回應表 27/35 S/N比 A B C D Level 1 6.0239 5.8665 6.0687 6.1459 Level 2 6.1179 5.8636 6.5426 5.8185 Level 3 5.530
18、2 5.9418 5.0607 5.7076 Effect 0.5877 0.0782 1.4819 0.4383 Rank 2 4 1 3 3.0000 3.5000 4.0000 4.5000 5.0000 5.5000 6.0000 6.5000 7.0000 7.5000 8.0000 A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 D1 D2 D3 數列 1 最佳因子組合 ： A2 B3 C2 D1 A ： Injection Pressure B ： Holding Pressure C ： Holding Time D ： Injection speed 變異數分析 變動
19、SS 自由度 DF 變異 V 變異比 F 純變動 S 貢獻度 % A 0.5979 2 0.298967 0.298967 0.5979 13.72065 B 0.0118 2 0.005892 0.005892 0.0118 0.270389 C 3.4366 2 1.718283 1.7183 3.4366 78.85812 D 0.3116 2 0.155814 0.1558 0.3116 7.150839 e 0 0 T 4.3579 8 4.3579 100 28/35 主要貢獻因子：最大貢獻因子為 保壓時間，貢獻度為 78.86 % 第 2貢獻因子為 射出壓力，貢獻度為 13.72 % 第 3貢獻因子為 射出速度，貢獻度為 7.15 % 成型參數比較 :最佳成型參數 A2 B1 C2 D3 翹曲 0.4306mm 相較於最差數 A2 B2 C3 D1 翹曲 0.5835mm 流動實驗比較 充填 18% 充填 42%
