本發(fā)明涉及在批量加工過程中透明聚合物板表面的微拱形透鏡陣列的一種加工方法，具體涉及一種應(yīng)用快速熱壓成型工藝的新型宏觀表面微拱形透鏡陣列的精密成型裝置及方法。

背景技術(shù)：

目前，亞克力、pc塑料等具有可塑性的聚合物材料的表面加工主要依賴絲網(wǎng)印刷，在其表面加工出圓弧微陣列更需采用磨削等工藝方法。這些加工方法存在非環(huán)境友好型、效率低下等問題。其主要弊端在于，現(xiàn)絲網(wǎng)印刷常用的油墨和腐蝕劑存在極為嚴重的環(huán)境污染問題，即便是新型的環(huán)保型原料，其中加入的稀釋劑對人類皮膚亦具有一定程度的刺激性和毒性；而磨削工藝雖能精確可控地加工出圓弧微陣列，但其生產(chǎn)加工周期長、工藝復雜，直接影響了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和效率。因此，采用表面微拱形透鏡陣列的快速熱壓精密成型方法，在一定工藝參數(shù)下，能夠可控地在1至10秒內(nèi)于工件表面加工出表面質(zhì)量好、形位精度高的微拱形透鏡陣列。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服工件表面微拱形陣列加工難度大、效率低的缺點，提出一種宏觀表面微拱形透鏡陣列的快速熱壓成型裝置及方法，該發(fā)明能夠高效地在亞克力等可塑性高分子材料的表面加工出質(zhì)量好、精度高的微拱形陣列，從而極大地降低了表面微拱形陣列的加工成本，并提高了生產(chǎn)效率。

本發(fā)明實現(xiàn)上述目的的技術(shù)方案為：

一種宏觀表面微拱形透鏡陣列的快速熱壓成型裝置，包括熱壓機，所述的熱壓機包括由上至下包括具有加熱裝置的上模板、下模板，所述的上模板上固定設(shè)置有熱壓模芯，所述的下模板上設(shè)置有用于固定透明聚合物板的工件支承件，所述熱壓模芯的工作表面被加工有微v槽陣列。

進一步地，所述的熱壓機采用具有液壓泵的液壓驅(qū)動機械。

進一步地，所述熱壓模芯通過連接件和螺栓固定連接上模板；所述工件支承件通過螺栓固定于熱壓機的下模板上。

進一步地，所述工件支承件上凸起設(shè)置有用于放置透明聚合物板的矩形平臺，起到定位作用。

進一步地，所述微v槽陣列的各微溝槽的深度為80～600μm、角度為60～120°、表面粗糙度為5～200nm。

一種采用如所述裝置的快速熱壓成型方法，包括步驟：

將待加工的透明聚合物板放置在工件支承件上；

下模板受到液壓泵提供的推力推動工件支撐件及透明聚合物板平穩(wěn)豎直向上運動；

當透明聚合物板上表面與溫度為80-200℃的熱壓模芯下表面相接觸后，液壓泵施壓使透明聚合物板受到15～90t的恒定壓力，同時開始記錄保壓時間；

經(jīng)過1～5s保壓后移除壓力，下模板連同工件支撐件及透明聚合物板平穩(wěn)緩慢下降，透明聚合物板的表面形成微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)；

取下透明聚合物板，完成一次快速熱壓成型工藝過程。

進一步地，將待加工的透明聚合物板放置在工件支承件上之前，還包括步驟：

通過加熱裝置將上模板加熱至80-200℃，等待15-20分鐘至溫度穩(wěn)定。

進一步地，所述透明聚合物板的軟化點為80～120℃，厚度為1～10mm。

進一步地，所述微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)的表面粗糙度達到10～60nm。

進一步地，所述微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括微槽角度α和高度h，所述微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)的高度h可以表達為：

h＝a×α^b×d^c×p^d×t^e×t^f，

其中，p為熱壓壓力，t為熱壓溫度，t為熱壓時間，a＝2.0～3.0×10^-10,b＝1.0～1.5,c＝0.2～0.6,d＝1.0～1.5,e＝2.5～3.0，f＝0.8～1.2為常數(shù)，與工作狀況有關(guān)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

1.本發(fā)明通過利用熱壓成型工藝代替現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷工藝，避開了污染環(huán)境的、對人體有刺激性和毒性的絲網(wǎng)印刷原料的使用，僅需使用電力即可進行加工，而無需對絲網(wǎng)印刷原料進行處理，且操作人員受傷的風險近乎將為零，從而體現(xiàn)其環(huán)境友好及人文關(guān)懷的特點，符合機械加工的發(fā)展方向；

2.本發(fā)明通過利用快速熱壓精密成型工藝代替現(xiàn)有的絲網(wǎng)印刷工藝及精密磨削技術(shù)，運用僅有微v溝槽陣列的熱壓模芯，在工件表面加工出擁有拱形曲面的微透鏡陣列，耗時僅為3至10秒，從而有效提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的快速熱壓成型裝置的裝配示意圖。

圖2為所述表面微拱形透鏡陣列的快速熱壓成型方法原理圖。

圖3為仿真的快速熱壓工藝過程中聚合物材料隨時間推移的位移變化圖。

圖4為所述熱壓模芯表面微溝槽的尺寸圖。

圖5為加工所得透明聚合物板立體示意圖。

圖6為應(yīng)用泰勒輪廓儀檢測實際加工所得透明聚合物板的表面輪廓圖。

圖中所示：1-上模板；2-下模板；3-熱壓模芯；4-透明聚合物板；5-連接件；6-工件支承件；7-微v槽陣列；8-微溝槽；9-微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步的說明，但本發(fā)明要求保護的范圍并不局限于此。

實施例一

如圖1所示，一種宏觀表面微拱形透鏡陣列的快速熱壓成型裝置，包括采用具有液壓泵的液壓驅(qū)動熱壓機，所述的熱壓機包括由上至下包括具有加熱裝置的上模板1、下模板2，所述的上模板上固定設(shè)置有熱壓模芯3，所述的下模板2上設(shè)置有用于固定透明聚合物板4的工件支承件6，所述的透明聚合物板4為亞克力板，所述熱壓模芯3的工作表面被加工有微v槽陣列7。

具體而言，所述熱壓模芯3通過連接件5和螺栓固定連接上模板1；所述工件支承件6通過螺栓固定于熱壓機的下模板2上。所述工件支承件6上凸起設(shè)置有用于放置亞克力板的矩形平臺，起到定位作用。

如圖4所示，本實施例的所述微v槽陣列7的各微溝槽8的設(shè)計深度為80～600μm、角度為60～120°、表面粗糙度為5～200nm，經(jīng)檢測，經(jīng)過三次精密磨削而得的熱壓模芯3，其微溝槽8的實際深度為101.8μm、角度為120.4°、寬度為355.5μm。

實施例二

現(xiàn)運用有限元分析軟件ansys對快速熱壓成型過程中亞克力材料隨時間的位移進行模擬仿真，驗證該成型方法的可行性。

如圖3所示，為快速熱壓工藝過程中亞克力材料隨時間推移的位移變化圖。其中，熱壓模芯1的材料選用結(jié)構(gòu)鋼，其各項物理性質(zhì)由軟件工程數(shù)據(jù)中默認給出；亞克力板的材料選用高分子聚合物，其各項參數(shù)需自行設(shè)定。結(jié)構(gòu)仿真的各項參數(shù)設(shè)置如表1所示。在熱壓模芯3溫度為120℃、亞克力板下表面所受壓強為92.156mpa的情況下，當保持壓力至5s，微拱形表面的亞克力材料位移可達約70μm，寬度約為微溝槽8寬度的1.2倍。

表1結(jié)構(gòu)仿真的各項參數(shù)設(shè)置

一種采用如所述裝置的快速熱壓成型方法，包括步驟：

步驟1、通過加熱裝置將上模板1加熱至120℃，等待20分鐘至溫度穩(wěn)定。

步驟2、將待加工的亞克力板放置在工件支承件6上；

步驟3、下模板2受到液壓泵提供的推力推動工件支撐件6及亞克力板平穩(wěn)豎直向上運動；

步驟4、當亞克力板上表面與溫度為120℃的熱壓模芯3下表面相接觸后，液壓泵施壓使亞克力板受到68.72t(壓強為92.156mpa)的恒定壓力，同時開始記錄保壓時間；

步驟5、經(jīng)過5s保壓后移除壓力，下模板2連同工件支撐件6及亞克力板平穩(wěn)緩慢下降，亞克力板的表面形成微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9；

步驟6、取下亞克力板，完成一次快速熱壓成型工藝過程，從下壓到完成一次快速熱壓成型工藝過程總用時約為9s。

具體而言，所述亞克力板的軟化點為80～120℃，厚度為3mm。

具體而言，所述微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9的表面粗糙度達到10～60nm。

具體而言，所述微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括微槽角度α和高度h，所述微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9的高度h可以表達為：

h＝a×α^b×d^c×p^d×t^e×t^f，

其中，p為熱壓壓力，t為熱壓溫度，t為熱壓時間，a＝2.0～3.0×10^-10,b＝1.0～1.5,c＝0.2～0.6,d＝1.0～1.5,e＝2.5～3.0，f＝0.8～1.2為常數(shù)，與工作狀況有關(guān)。

下面進行實際加工，利用精密微磨削技術(shù)在熱壓模芯1表面加工出角度為120°、深度為100μm的微v槽陣列7。如圖2所示，由于工藝原因，當加熱的熱壓模芯1與亞克力板接觸后，熔融狀態(tài)的聚合物材料不可能完全填充模芯的微v槽陣列7中，而填充入微v槽陣列7的部分在表面張力的作用下呈表面光滑的拱形。

本實施例中，通過將經(jīng)過精密磨削而得的熱壓模芯3、經(jīng)過設(shè)計加工而得的熱壓模芯的連接件5、工件支承件6及經(jīng)過激光切割而得的亞克力板(尺寸為87×84×3mm)分別安裝于熱壓機的上、下模板進行加工，以驗證所述宏觀表面微拱形透鏡陣列的快速熱壓成型方法的可行性。此外，通過利用泰勒輪廓儀對實際加工而得的亞克力板進行表面輪廓檢測，探究所述成型方法所得的微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9的表面成型情況(如圖5)。

如圖6所示，使用泰勒輪廓儀對快速熱壓成型后的亞克力板表面進行輪廓檢測?？梢?，所得微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9的深度分別為63.96μm、63.43μm，微拱形的寬度分別為433.00μm、431.50μm，擬合微拱形半徑分別為0.235mm、0.240mm，且所測輪廓的表面粗糙度為0.0437μm。實際加工所得結(jié)果與仿真所得結(jié)果相近，但由于熱壓機的溫度傳感器位于其上模板1內(nèi)，熱壓模芯3下表面實際溫度應(yīng)略低于120℃，故深度較仿真稍淺、寬度較仿真稍大。

本發(fā)明的工作原理是：熱壓模芯3表面具有深度為80～600μm、角度為60～120°和表面粗糙度為5～200nm的微v槽陣列7。在加工過程中，熱壓模芯3被加熱至80～200℃，與亞克力板表面接觸后開始施壓，聚合物材料受熱呈半熔融狀態(tài)并逐漸擠壓填充至熱壓模芯3的微v槽陣列7的內(nèi)腔，隨后快速脫模。填充的部分在表面張力的作用下形成表面質(zhì)量優(yōu)秀的微拱形，進而獲得導光效果優(yōu)良的微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9。

實現(xiàn)本發(fā)明所述的表面微拱形透鏡陣列快速熱壓精密成型方法的關(guān)鍵技術(shù)包括以下兩點：

1.建立各項工藝參數(shù)與亞克力板表面微拱形透鏡陣列9各項指標的耦合規(guī)律。為了使表面加工出的微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9的高度、寬度、半徑等指標可控，需進行多次重復試驗，建立施壓壓力、溫度及保壓時間與微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9的高度、寬度及半徑之間的關(guān)系；

2.熱壓模芯3表面微結(jié)構(gòu)的加工。為了精準地加工出所需高度、寬度、半徑和分布密度的微拱形透鏡陣列結(jié)構(gòu)9，必須通過精密磨削技術(shù)在熱壓模芯3表面加工出微v溝槽陣列7，其溝槽的深度、寬度和分布密度須與所需圓弧微陣列的各項指標相吻合。

上述為本發(fā)明較佳的實施方式和實施例，但本發(fā)明的實施方式并不受上述內(nèi)容的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。