ansys超聲波仿真塑膠的案例
超聲波塑膠件結構設計注意事項
超聲波塑膠件結構設計注意事項
塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（上）
圖：焊接的分類
02 塑膠的焊接
實際上，不止金屬可以焊接，塑膠也可以焊接，塑膠焊接的關鍵步驟就是首先需要把塑膠材料軟化，根據軟化的方式的不同，塑料焊接方法可分為通過外加熱源軟化、機械運動軟化、電磁作用軟化三種。
1、外加熱源
采用外加熱源方式軟化的焊接技術：熱板焊接、熱風焊接、熱棒和脈沖焊接；
2、機械運動
采用機械運動方式軟化的的焊接技術：摩擦焊接、超聲波焊接；
3、電磁作用
采用電磁效應作用軟化的焊接技術：高頻焊接、紅外線焊接、激光焊接；
以上三種軟化方式雖然具體的形式不一樣，但是本質是一樣的，就是通過加速塑膠內部分子的無規則運動，從而產生熱量而使得塑膠得到軟化。
以上塑膠焊接的方法中，應用最多的是超聲波焊接，這是因為其有非常高的焊接效率，超聲波焊接的整個過程在短短幾秒完成，與其他焊接方式相比，無需事先加熱工具，也無需長時間等待接頭固化或干燥。
03 超聲波焊接的原理
超聲波：是指頻率超過人耳聽覺范圍上限（20000Hz）的聲波。由于其頻率高，因而具有許多特點：首先是功率大，其能量比一般聲波大得多，因而可以用來切削、焊接、鉆孔等。
圖：超聲波的頻率范圍
超聲波焊接所用的設備是超聲波焊接機，其結構組成如下圖：
圖：超聲波焊接機的組成
塑膠超聲波焊接的過程：
首先，超聲波發生器將50 Hz或60 Hz電能轉換成 20~40 kHz的電能，被轉換的高頻電能通過換能器再次被轉換成為同等頻率的機械振動，由于此時的機械振動不會產生足夠的振動能量來使得塑膠件的焊接部位產生熱量融化，隨后機械振動再通過一套可以改變振幅的變幅器，機械振動的振幅被放大并傳遞到焊頭。
展開 塑膠件的結構設計：超聲波焊接篇（中）
04 超聲波焊接效果的影響因素
一、塑膠材料因素
上篇已經介紹的適合超聲波焊接的材料選擇，一般情況下兩種材料滿足Tg或熔點接近、化學相容性良好和熔體流動指數接近這三個條件，基本可認為是可焊接的，但需要注意以下幾點：
1、熱塑性塑膠又分為非結晶性（也叫無定形）塑膠和結晶性（或半結晶性）塑膠。
1）對于非結晶性塑膠，其分子排列無序、有明顯的使材料逐步變軟、熔化及至流動的溫度（Tg玻璃化溫度）。
2）對于結晶性塑膠，其分子排列有序，有明顯的熔點（Tm熔化溫度）和再度凝固點，在溫度達到熔點之前，半結晶塑料始終保持固態，當溫度達到熔點時，整個分子鏈開始移動，塑膠開始融化，如果此時熱量降低，塑膠很快就會凝固。圖3-106顯示了非晶塑料和半結晶塑料的熔化過程之間的差異。
同時，結晶性塑料常常有較高的熔點，需要很高的能量（高熔化熱度）才能把結晶型的結構打斷從而使材料從結晶狀態變為粘流狀態。因此，與非結晶性塑料相比，結晶性塑料更難焊接。為了獲得結晶塑料的更高焊接質量，通常需要考慮更多因素，例如更高的振幅，更短的焊接距離等，且為了集中超聲能量，超聲線的角度設計的更小或采用其他的超聲結構（剪切式）。
焊接過程中，結晶性（或半結晶性）塑料迅速熔化和迅速冷卻，焊縫處容易產生較多的非晶態（無定形）狀態塑料。如當產品在后續使用過程中在高溫下工作時，焊縫處非晶態（無定形）狀態塑料會逐步轉變成半結晶狀態，從而在焊縫處內部產生額外的結晶應力，可能會降低焊接強度。
所以，針對這一點，非結晶性塑膠塑膠比結晶性（或半結晶性）塑膠更適用于超聲波焊接。
2、同一材料之間熔點是相同的，從原理講是可以焊接的，但是當材料的熔點大于350℃時，不建議使用超聲焊接。
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韓鎮澤 | Ansys高級應用工程師
具備多年結構有限元仿真在不同領域的應用經驗。專注于PCB封裝結構可靠性方案，以及消費電子、半導體等行業應用。主要負責產品：Mechanical，Sherlock，PolymerFEM。
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技術鄰，是一家深耕工科制造業領域逾二十年的專業技術平臺。
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展開 Ansys Lumerical｜大尺寸超透鏡的光線追跡仿真
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前言
本文介紹了設計和模擬厘米尺度超透鏡的工作流程。
我們將一系列不同直徑的納米尺寸等級單元(以下稱為納米單元)在Lumerical中建模，使用RCWA方法對每種直徑的納米單元進行分析，建立納米元素直徑以及其誘發的相位和振幅關系數據庫。數據接下來被導入OpticStudio，以整合到光線追蹤系統中，借由超透鏡把準直光束聚焦。
超透鏡是由納米單元組成的先進光學結構，透過區域性調整單個單元，可以建立復雜的光學功能。然而，大規模仿真這種結構是一個真正的挑戰，因為它不是周期性的，它由大量的納米單元組成。此外，超透鏡本質上是基于波動光學的，但需要將它們整合到光線追蹤系統中。
此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學傳播（POP）工具可以評估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現出仿真所需的內存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內存能力的程度，會限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設計直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。在這個工作流程中，演示了我們可以在納米單元級別設計超表面，并將其組裝到厘米等級,并將超透鏡整合到OpticStudio的光線追蹤系統中。流程最后還提供了將超表面信息提取到GDS檔案中進行制造的步驟。
步驟1：定義相位目標
第一步是定義超透鏡相位目標的空間分布。由于大尺寸的超透鏡需要數量龐大的納米單元來構成，如果空間分布用位置的查表來表達，內存需求會超出一般CPU的負荷。在這個工作流程中，我們使用一個可解析定義的目標相位輪廓，例如球形或圓柱形輪廓。Ansys OpticStudio還可用于優化整個光學系統中超透鏡所需的波前，以便使用具有離散系數的函式（例如多項式）來定義目標相位。
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