專利名稱:制造精密微觀結(jié)構(gòu)的方法和裝置及用于制造該結(jié)構(gòu)的聚合物模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本申請(qǐng)享有美國臨時(shí)專利申請(qǐng)、序號(hào)60/485,268,題目是“制造精密微觀結(jié)構(gòu)的方法和裝置及用于制造該結(jié)構(gòu)的聚合物模具”的權(quán)益。
背景技術(shù):
在下列許多行業(yè)中已知的制造微觀結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)品是相當(dāng)重要的事。這些行業(yè)包括一大批有光學(xué)用途的結(jié)構(gòu)單元,諸如雙凸透鏡、Fresnel透鏡、光導(dǎo)向裝置、漫射器、定向反光膜、微透鏡陣列、亮度增強(qiáng)膜(BEF)以及發(fā)光二極管(LED)陣列。其它用途包括生物醫(yī)學(xué)部件、微射流產(chǎn)品、組織培養(yǎng)介質(zhì)、微機(jī)電部件(MEMS)、微聲學(xué)材料、化學(xué)機(jī)械刨床化(Chemical Mechanical Planerization),燃料電池、以及其它得益于高速、精密、微型制造技術(shù)的幾何結(jié)構(gòu),此技術(shù)在節(jié)省的成本下達(dá)到高批量的商品化。
由于模具費(fèi)用和制造時(shí)間的減少,本發(fā)明具有新的經(jīng)濟(jì)利益。它轉(zhuǎn)變成快速按比例放大和商品化,但也得益于那高于現(xiàn)有技術(shù)的制造速度。本發(fā)明的材料使用范圍也寬于現(xiàn)有技術(shù),包括熱塑性和熱固性聚合物,或可能層疊別的輔助相,或填充材料如陶瓷、玻璃或金屬粉末。在現(xiàn)有技術(shù)加工中這種活動(dòng)余地并不存在或?qū)е旅黠@的裝置磨損。本發(fā)明超出常用聚合物的狹窄范圍,給縮微印刷材料提供耐得住較高使用溫度的能力,或使之變成復(fù)合聚合物,改善其機(jī)、電或光學(xué)性能,這對(duì)一些最終用途明顯有益。
本發(fā)明采用一些商業(yè)上已知的技術(shù)來獲得新的成果。
按照本發(fā)明,聚合物產(chǎn)品可借助修改通稱的粉碎涂布方法依靠聚合物粉料的電積附來制造。此方法有時(shí)叫做無溶劑涂漆或干上漆,無須使用任何液體因而不必考慮有關(guān)空氣截留問題。粉料從底向上涂布到模具上,不會(huì)截留空氣,制造速度只受聚合物的熔融時(shí)間和固化速率制約。
粉料涂布業(yè)承擔(dān)金屬基底的涂布任務(wù)是眾所周知的,而“低溫快速固化”這一重大創(chuàng)新使粉料也可以涂布在溫度敏感性基底諸如木料和聚氯乙烯上。兩個(gè)主要的創(chuàng)新是Rohm and Haas Morton PowderCoatings(MPC)和Dupont Powder Coatings。用于粉料涂布方法的一些典型的聚合物有丙烯酸類塑料(非常耐天候老化)、環(huán)氧樹脂(用于管子、辦公用具)、環(huán)氧聚酯(用于照明器材、架子)、聚酯(用于鑲板、汽車配件與庭院設(shè)施)、以及硅桐(用于高溫用途如柵狀烤架)。
撒布粉料的涂布裝置是相當(dāng)精致的,而來自公司(如ITW-Gema和Wagner)的成套裝置提供一套把粉料靜電涂布到運(yùn)輸帶承載的零件上然后固化的自動(dòng)化裝置。特別有價(jià)值的是該裝置已設(shè)計(jì)成用于連續(xù)帶材(如帶卷)的涂布。粉料以較高的速率(20~30ft min)涂布到移動(dòng)鋼帶[厚50~200μm(0.002″~0.008″)]上然后固化并卷繞在卷筒上。此裝置大體上類似于本申請(qǐng)的制造微觀結(jié)構(gòu)連續(xù)滾柱。
常規(guī)的粉料涂層是在300°F和再高一點(diǎn)的溫度下熱固化的。這可用于金屬模具或高熔體溫度的聚合物模具的制造方法,而在一些情況下,使用溫度穩(wěn)定性低的聚合物模具有好處。在上述制造方法中,低溫粉料涂層就有用處。特別有價(jià)值的是最進(jìn)開發(fā)的UV粉料涂層(在低至125~175°F的溫度下1~5秒鐘固化)。低溫固化粉料涂層在下述情況下也有用處復(fù)合不同聚合物層得到的產(chǎn)品具有特定的理、化或光學(xué)性能。
粉料的粒徑在5~20μm范圍內(nèi),但可能得到更小的尺寸。獲得小粒徑的能力對(duì)本發(fā)明的一些實(shí)施方式來說是重要的,因?yàn)樵谝恍?yīng)用中,需要復(fù)制一種用高縱橫比或有很小功能外貌的微觀結(jié)構(gòu)。在高縱橫比外貌的情況下,有凹槽微觀結(jié)構(gòu)的模具僅寬10μm、深50μm(縱橫比5∶1),伴生的粉料必須足夠小來填充模具的凹槽孔。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種制造精密微觀結(jié)構(gòu)、納米結(jié)構(gòu)的方法和裝置及制造聚合物模具的方法。一般認(rèn)為微觀結(jié)構(gòu)是在0.0010英寸(250μm)~0.000393英寸(1μm)范圍之內(nèi),和納米結(jié)構(gòu)是在0.00000393英寸(0.001μm)以下。只是為了方便,用于本文中的術(shù)語微型結(jié)構(gòu)應(yīng)視為包括那些要求精密光學(xué)形狀的小型宏觀結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)的尺寸、角度和平面都要精密,諸如立體角反射、發(fā)光二極管的拋物面、光導(dǎo)的二面角及光學(xué)行業(yè)的人已知的其它結(jié)構(gòu)。在一些情況下,對(duì)成型一種精密光學(xué)形狀的復(fù)雜模型(較小型微觀結(jié)構(gòu)1mm~10mm),本發(fā)明也有很大效用。
本發(fā)明的主要目的是提供一種制造有精確復(fù)制能力的聚合物膜的方法和裝置,由該聚合物膜復(fù)制出來的復(fù)合模具表面的至少一部分具有微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的尺寸。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種由聚合物層組成的產(chǎn)品,該層表面面積的至少一部分具有光學(xué)精密尺寸微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜陣列。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種含有微觀結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)模型(patterns)的模具成型方法,方法是電積附熱塑性或熱固性聚合物層(跟與不跟另一材料合為一體)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種連續(xù)成型、或用聚合物模具或用金屬模具、熱塑或熱固精密微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的裝置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是連續(xù)成型一種具有精密微觀結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的聚合物產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種在有多種硬或軟層的聚合物上成型精密微觀結(jié)構(gòu)的裝置和方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供多種由市場上買得到而不是常規(guī)配方的聚合物層制成的聚合物模具和微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是用貫通孔或通路來成型聚合物精密微觀結(jié)構(gòu)。
總之,提供一種有精確復(fù)制能力的聚合物膜的制造方法,由該聚合物膜復(fù)制出來的復(fù)合模具表面的至少一部分具有微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)尺寸,該方法包括下列步驟(a)把聚合物粉料“電積附”在打底的模具表面上;(b)使粉料固化成型為聚合物膜;和(c)取下聚合物膜。
再概括地說,提供一種連續(xù)制造有精確復(fù)制能力的聚合物膜料片的裝置,由該聚合物膜復(fù)制出來的復(fù)雜模具表面的至少一部分具有微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)尺寸,該裝置包括(a)聚合物粉層“電積附”在打底的模具表面用的裝置;(b)實(shí)施該粉層固化成型為聚合物膜用的裝置;和(c)使該膜更易從模具取下用的裝置。
再概括地說,提供一種包括一層聚合物膜的產(chǎn)品,該膜的一部分是光學(xué)精密尺寸微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜陣列的表面面積,其中該產(chǎn)品是通過使貼著模具表面電積附的粉層成型的,該模具表面劃定產(chǎn)品的至少一部分形狀。
本發(fā)明的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是使聚合物模具作為裝置的一部分成型為精密微觀結(jié)構(gòu)。由于許多這些聚合物粉特別是UV固化的一種能在低固化溫度下積附、聚合成模具,聚合物模具成為現(xiàn)有技術(shù)中金屬模具快速、便宜的備選項(xiàng)。
這種聚合物模具具有多種價(jià)格和操作方面的優(yōu)點(diǎn)。借助一種含高玻璃轉(zhuǎn)化聚合物或熱固化聚合物的模具制造,完成下列任務(wù)是可能的用US 4,486,363中的方法或一種改進(jìn)的熱壓花法,無法花費(fèi)金錢、時(shí)間來制作大滾筒金屬模具,來復(fù)制低玻璃轉(zhuǎn)化聚合物。
公開了用于制造聚合物模具的裝置和方法通過把聚合物粉層涂布在原微觀結(jié)構(gòu)模型上。制造原模型可用一些公認(rèn)的方法,諸如金剛石車削、劃線、深度活性離子蝕刻(DRIE)或提供這種模型的其它技術(shù)。原模型或其電鑄復(fù)制品可用來快速、便宜地制造聚合物復(fù)制品,用各行業(yè)已知的蓋瓦法來裝配。這些零件裝配成的大模具可與另外公開的裝配裝置(如沖切和定位部件)一起提供更大的模具用于制造微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
也已用圖說明,聚合物膜的切片能夠粘附到強(qiáng)固的背襯諸如不銹鋼或其它合適的基底上,該背襯就會(huì)給所得的復(fù)合材料補(bǔ)充強(qiáng)度、耐久性以及靜電導(dǎo)電性。
另一種制造聚合物模具的方法將是提供一個(gè)小型便宜的電鑄模芯,借助US 4,486,363或4,601,861中按比例縮小的一種裝置來制造任意長度的聚合物模具、甚至造連續(xù)滾柱。
再一種制造聚合物模具的方法將是首先制作一個(gè)和小傳動(dòng)皮帶一樣小的模具,然后涂布一層聚合物,該層將產(chǎn)生小模具的復(fù)制來提供任意想要長度的模具。
本技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)之一是,隨著粉料的積附,原模型或模具就從底部填高。用US 4,486,363和4,601,861中的壓花法制造聚合物模具時(shí)有必要把粘性聚合物(限于熱塑性的)從上部向下推,截留方法中的空氣。同壓花或鑄塑技術(shù)中察覺的高溫聚合物的粘度和表面張力或液體復(fù)制比較起來,按照本發(fā)明,在填裝亞微和納米級(jí)復(fù)雜外貌方面,小粒徑、特別是亞微和納米級(jí)微粒具有多種優(yōu)點(diǎn)。
另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是聚合物層可由熱固性或固化性聚合物制成,這類聚合物有很高的工作溫度和尺寸穩(wěn)定性。
用上面任一方法生產(chǎn)聚合物模具,各種工業(yè)來源的聚合物粉料都可用來或單獨(dú)制造復(fù)制零件、或連續(xù)制造繞在卷筒上的薄膜。
本發(fā)明是常規(guī)粉料涂布材料典型成型的一個(gè)重大的改進(jìn),其中熱塑或熱固性的聚合物磨成微小粒徑,與顏料混合而顯色,和其它特設(shè)的添加劑以保證粘附到種種另外的基底上。本發(fā)明考慮到除掉顏料和增附劑從而給予常規(guī)粉料涂布裝置機(jī)會(huì)把純聚合物粉料電積附到模具上,粉料能夠在應(yīng)有位置固化,接著從連續(xù)薄膜的形式取下。
可根據(jù)成品品種要求來挑選市場上買得到或常規(guī)配制的聚合物粉料,所提出的要求包括物理性能、耐化學(xué)藥品性、耐天候能力、工作溫度、折射指數(shù)和透光度。
本發(fā)明最簡單的方式是采用現(xiàn)有技術(shù)(US 4,486,363和4,601,861)中的一種丙烯酸類或聚碳酸酯聚合物的粉料,把粉料靜電涂布到模具上,使此時(shí)固定在聚合物上的復(fù)制模型層固化并從模具取下模型層。由于對(duì)這兩種聚合物的需要,在光學(xué)和其它光量控制微觀結(jié)構(gòu)領(lǐng)域業(yè)已得到確認(rèn),它們將屬于本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式之列。
和制造聚合物模具的新型方法一起,本技術(shù)制造微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的主要優(yōu)點(diǎn)之一是,隨著粉料的積附,模具就從底部填高?,F(xiàn)有技術(shù)要求聚合物熔融,把所得的高粘液體從上向下推并截留方法中出現(xiàn)的空氣,這使其更難達(dá)到精密級(jí),而精密級(jí)卻是小型微觀和納米結(jié)構(gòu)的精密模型要求達(dá)到的。
采用粉料層充填模具的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是,微觀結(jié)構(gòu)外貌通常呈現(xiàn)在整個(gè)產(chǎn)品的小半個(gè)橫截面,能迅速充滿,接著層壓到厚背襯上因而不需要熔融和整個(gè)基底的成型。一個(gè)實(shí)例是亮度增強(qiáng)膜(BEF)用于提高筆記本電腦屏幕的亮度效率。此膜通常為0.006″(150μm)厚,具有微觀結(jié)構(gòu)其橫截面通常為0.005″(12μm)。按照本發(fā)明,不需要熔融和0.006″(150μm)聚碳酸酯的再次成型,只要該外貌用聚合物粉料復(fù)制、固化,接著層壓到聚碳酸酯背襯上。
另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是與現(xiàn)有技術(shù)相比的涂布速率和固化速率。粉料涂布、特別是連續(xù)粉料涂布(如帶卷鍍鋅薄鋼板)的典型行業(yè)速率可以是每分鐘20~30英尺(6~9米),寬度在8~10英尺(2.4~3米)以內(nèi)。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,不同的粉料配方可涂布成膜。想要得到微觀結(jié)構(gòu)的硬表面時(shí),粉料的初始層可以是尼龍或其它足夠硬的材料,繼之以按需增加他層。在固化期各層會(huì)熔成一體形成硬度梯度。有微觀結(jié)構(gòu)模型此時(shí)固定的熔合多層膜此時(shí)從模具取下。此成層技術(shù)對(duì)制造微針特別有用,該針的尖端要夠硬來刺穿表皮而其末端要有彈性、受力時(shí)不致剪斷。還能為其它物理性能,諸如彈性系數(shù)、線膨脹系數(shù)以及定制的化學(xué)性能,諸如耐酸、堿性、防濕性或耐溶劑基化學(xué)制品性等做同樣的事。
再一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,在聚合物層上形成精密貫通孔或微通路的裝置,做法是部分填充模具,讓微觀結(jié)構(gòu)的頂層無覆蓋。依靠軟聚合物背襯膜來保證填充粉料表面平坦并除掉少量模尖粉料。剛一固化,就可取下聚合物,依靠模具中突出的微觀結(jié)構(gòu)讓一種精密結(jié)構(gòu)貫通孔或通路成型。此法的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是讓孔道制成如模具結(jié)構(gòu)決定的種種形狀諸如圓形、三角形、正方形等以及斜削到任意度數(shù)。
又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)也是讓微觀結(jié)構(gòu)成型在脊形基底上。剛用聚合物粉填充模具就可層壓到脊形聚合物片材上,接著固化;從而把微觀結(jié)構(gòu)模型熔合成更厚的支承構(gòu)件。此優(yōu)點(diǎn)的一個(gè)實(shí)例是把透明的聚合物微棱柱層壓、接著熔合到脊形透明背襯的厚片材上。微觀結(jié)構(gòu)的典型距離可以是64μm高的微棱柱(0.0025″)熔合到0.375″脊形片材上。所得到的組合就會(huì)提供一種定向反光的微棱柱產(chǎn)品布滿折皺用作預(yù)制的路標(biāo)。通常,US 4,486,363和4,601,861中的微棱柱定向反光片材要先制造膠粘背襯,然后與作為剛性支承構(gòu)件的鋁片貼合。所述的新方法是把微棱柱直接貼到一種聚合物(如聚碳酸酯或另一個(gè)透明的耐沖擊聚合物;省去粘合與二次加工操作,顯著降低費(fèi)用和制造時(shí)間。
本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是避開須成型粒料和擠塑薄膜而直接從聚合方法取用聚合物粉料。這對(duì)那些先形成粉料然后粒料然后擠塑成膜的聚合物(如聚碳酸酯)是特別有利的。至于一些通常不形成粉料的聚合物,有利條件仍然是把聚合物研磨成粉料而不是把粒料擠塑成膜,然后設(shè)法復(fù)制該膜。
直接從聚合反應(yīng)器取用粉料的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在那些有助于提高光學(xué)性能(如整體吸光率和透光系數(shù))的擠塑和注塑方法中不需要添加劑。
雖然附圖描述了本發(fā)明最佳實(shí)施例,但它們僅僅是示例,并不作為對(duì)本發(fā)明范圍的限制??梢灶A(yù)知,本技術(shù)領(lǐng)域一般技術(shù)人員能夠根據(jù)本發(fā)明原理,做出各種變型、修改及進(jìn)一步的應(yīng)用而不同于前述示例,但是這些都屬于本發(fā)明的精神及范圍。
圖1原模型的棱邊簡圖,當(dāng)涂布熱塑性聚合物粉料并使之固化時(shí),提供一種薄膜,在膜面上有精確復(fù)制的原模型;圖1A原模型的棱邊簡圖,當(dāng)涂布UV固化性熱固性聚合物粉料并使之固化時(shí),提供一種薄膜,在膜面上有精確復(fù)制為原模型(或模具);圖2固化熱塑性聚合物膜的棱邊圖,該薄膜從原模型中取下,在膜面上有復(fù)制的精密微觀結(jié)構(gòu);圖2A UV固化熱固性聚合物膜的視圖,該薄膜從原模型中取下,在膜面上有復(fù)制的精密微觀結(jié)構(gòu);圖3復(fù)制聚合物膜的切下部分的透視圖,該膜已做成一條用作連續(xù)模具的薄軟引帶;圖4安裝好的模具部分的側(cè)視圖,用作滾柱驅(qū)動(dòng)的軟引帶;圖5裝置簡圖,使長距離的復(fù)制聚合物層用作模具;圖6一種現(xiàn)有技術(shù)裝置的結(jié)構(gòu)的簡圖,用來做長距離的聚合物模具;圖7裝置簡圖,用于制造多層連續(xù)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品;圖7A備選裝置簡圖,用于制造連續(xù)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品;圖8裝置簡圖,把微觀結(jié)構(gòu)膜的薄層層壓成脊形的基底上;圖8A裝置簡圖,把微結(jié)構(gòu)膜的薄層層壓到軟基底上;圖9裝置簡圖,用于制造一種許多聚合物層構(gòu)成的連續(xù)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品;圖10圖9中不同薄層的放大圖;圖11圖9中熔為一體的固化薄層的放大圖;圖12裝置簡圖,借助精密的貫通孔或通路來制造連續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品;圖12A復(fù)合層的分解圖,該復(fù)合層成型為精密貫通孔;圖12B底模層和頂聚合物層剝離的平面圖,顯露出帶有精密貫通孔的聚合物膜;圖12C帶有貫通孔的膜自上而下的概觀,由圖12的裝置成型的;圖12D圖12C中單一貫通孔的放大圖;
圖13裝置透視圖,用于二次加工兩側(cè)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品;圖14裝置端面圖,用于在全部初始電積附層上增涂粉料涂布層;圖15裝置透視圖,用于在初始電積附層之后涂布厚的粉料涂布層;圖16另一個(gè)裝置透視圖,用于在初始電積附層之后涂布厚的粉料涂布層。
具體實(shí)施例方式
參考圖1,展示一種聚合物模具部分的制造方法,包括一個(gè)用電積附鎳制成的原模型20,在其表面有典型的雙凸面微觀結(jié)構(gòu)。為生產(chǎn)這種裝置的金屬模具或裝置在光學(xué)工藝中是熟知的。
靜電聚焦電子槍21(如Wagner’s Corona PEM-C3 Manual SprayGun)用來涂布一層(0.004″)環(huán)氧基445-110-1 CORVELGREEN粉料23(來自Rohm and Haas Morton Powder Coatings,粒徑10μm)。用紅外源22(如電或氣IR源)在350°F(176℃)經(jīng)2min,使粉料23熔融、流動(dòng),接著固化成聚合物膜24。原模型20可用金屬或聚合物制成,只要所涂聚合物在所需固化溫度下是尺寸穩(wěn)定的。使用粉料形成聚合物層比起原模型來的一個(gè)主要好處是,當(dāng)粉料積附時(shí)它從底部填高模型,排除空氣截留,這是壓花或鑄造等現(xiàn)有技術(shù)所共有的一個(gè)難題。
通常,為保證粉料涂層的粘附,在粉料涂布前,要用增附化學(xué)浴對(duì)待涂基底做表面處理。不過就這個(gè)情況而言,由于目標(biāo)是熔融、固化、接著以一層在表面24上具有復(fù)制模型的薄膜形式取下該聚合物,原模型20的表面處理在粉料涂布前就被省略。而且,由于大多數(shù)粉料涂布產(chǎn)品有增附添加劑配方,每個(gè)產(chǎn)品必須化驗(yàn)以防它會(huì)和原模型或模具分離。在發(fā)現(xiàn)妨礙分離方法情況下增附添加劑可有意地從粉料配方中省略。
環(huán)氧基445-100-1CORVEL工作得很好但此方法不局限于用這種粉料。許多別的熱塑性塑料或熱固性聚合物粉料23(來自如Rohmand Haas Morton Powder Coatings或Dupont Powder Coatings)都是適用的。粉料品種、粒徑的選擇取決于成品的最終應(yīng)用。市場上買得到的為此應(yīng)用的粉料涂料的適用性是基于一些因素,包括化學(xué)、物理和光學(xué)性質(zhì),熔點(diǎn)和從模具基底剝離的能力。其中熱塑性塑料是聚酯、丙烯酸類塑料、聚氨酯、尼龍、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯和硅酮。其中熱固性塑料是環(huán)氧塑料、環(huán)氧聚酯、及UV固化性配方。
在使用一種由聚合方法直接制成的聚合物粉料方面還有一個(gè)沒有料到的重大優(yōu)點(diǎn)是免除在某些精密制造方法中的薄膜擠出,這對(duì)聚碳酸酯之類的聚合物特別有利,通常聚碳酸酯是先制成粉末,接著形成切粒,再熔融及壓入模頭擠出成膜。加之,其它市場上買得到的擠塑級(jí)熱塑性樹脂,通常不用作粉末涂料,諸如聚碳酸酯(來自GE Plastics)或丙烯酸類塑料(來自Ato Fina)能從切粒的形式買進(jìn),磨成粉末用于上述的靜電涂布。
參考圖2,環(huán)氧基445-110-1CORVEL固化聚合物膜24,在表面25上有雙凸面精密微觀結(jié)構(gòu)的情況下容易從原模型20中取下。在該表面上已精確地形成以雙凸面精密微觀結(jié)構(gòu)模型25。而且該分離的薄膜本身可用作模具來復(fù)制低熔點(diǎn)粉末。在此情況下,薄膜25的厚度為0.004英寸(100μm)。
取下的聚合物膜24的微觀檢驗(yàn)顯示,在聚合物上有精確復(fù)制的雙凸面模型25,該聚合物相當(dāng)柔韌,抗彎曲、易操作,可單獨(dú)作為模具使用。
參考圖1A,聚合物粉23是一種透明的UV固化性產(chǎn)品叫做NX3-9067Clear(來自Rohm and Haas Morton Powder Coatings)。在此情況下由于UV固化性聚合物23的固化溫度只有175°F(79℃),就使用聚合物原模型20。聚合物原模型20(Auto Haas DR100)是一種抗沖改性PMMA,在其表面上形成一種精密微棱柱結(jié)構(gòu)26。在涂布聚合物粉料23之前,把鋁層27蒸氣淀積在原模型表面20上,在粉料涂層涂布方法中協(xié)助防護(hù)靜電荷。此外,為此實(shí)驗(yàn),一種為改善聚合物粘附性的基底表面蝕刻的預(yù)處理也得以免除。用Wagner CoronaPEM-C3手動(dòng)噴射槍2A把聚合物粉料23涂布成0.0010″(250μm)厚層。用IR源6A把試樣加熱到175°F(79℃)經(jīng)2min以熔融聚合物粉,接著由UV源8(帶600W汞燈)固化2S。
相同條件對(duì)一種在其表面有雙凸面微觀結(jié)構(gòu)的用鎳制成的金屬基底也適用。唯一的例外是不需要真空金屬化層,因?yàn)榻饘倩妆旧韺?dǎo)電。
參考圖2A,在表面25上有精密微觀結(jié)構(gòu)的情況下,固化聚合物膜24容易與金屬化層27一道從原模型20中取下。特別重要的是,從微棱柱形的聚合物原模型取得的UV固化聚合物膜的復(fù)制精確性。這種微棱柱如果是在高尺寸公差范圍內(nèi)形成的,就有精密定向反光器的功用。通常,角度公差須保持2弧度或99.9%的所需幾何形狀,表面光滑度須在1000?;?.000003″以便精確地起作用。從原模型取下的聚合物膜24上微棱柱結(jié)構(gòu)的檢驗(yàn)證實(shí),它是有功能的定向反光器,因而是在它的尺寸公差精確度范圍內(nèi)的。而且,分離的薄膜可用來做隨后的復(fù)制。
參考圖3,固化聚合物膜24的許多部分(圖3中13個(gè))帶有微觀結(jié)構(gòu)模型25,切割、裝配成循環(huán)軟帶30用作模具。
參考圖4,圖3中的聚合物帶30相當(dāng)柔韌,用于由兩滾柱41驅(qū)動(dòng)的輥式輸送機(jī)40。一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式就會(huì)把這些部分粘合到一條強(qiáng)力金屬或聚合物背襯(如不銹鋼或Kapton膜42)上以便提高強(qiáng)度和耐用度。
與此裝置相似的用作薄膜壓花的現(xiàn)有技術(shù)或其它裝置可包括由此產(chǎn)生的薄膜作為模具,詳細(xì)公開在US Publication 20030232174(Dec18,2003),其主題內(nèi)容編列于此以供參考。
參考圖5,另一種方法制造一條需要此種模具的生產(chǎn)裝置的很長距離的聚合物模具是,首先制造一個(gè)很小的模具,直徑或許是12″(30.48cm)或更小一點(diǎn),用作循環(huán)軟帶40,接著靠涂布聚合物粉料21復(fù)制、用IR熱源或UV源來熔融、固化。然后固化膜從模具取下,并卷繞在卷筒28上。
參考圖6,再一種方法制造一條長距離的聚合物模具是靠調(diào)整現(xiàn)有技術(shù)壓花裝置的小型結(jié)構(gòu)(如US 4,486,363或4,601,861),這種結(jié)構(gòu)可用來制造長距離微觀結(jié)構(gòu)聚合物模具,供本申請(qǐng)中公開的裝置使用。擠塑聚合物膜[如GE 0.006″(150μm)聚碳酸酯50]與高熔點(diǎn)運(yùn)載膜[如0.002″(50μm)PENN51]一道用熱輥52加熱到425°F(137℃)。許多(圖6中4個(gè))加壓輥53在150psi(10.5bar),在輥式輸送機(jī)40,使聚合物流進(jìn)金屬模具30上的Fresnel模型。熱薄膜54此時(shí)隨著轉(zhuǎn)移到表面的模具模型被冷卻區(qū)55所固化,從模具31中取下,接著卷繞在卷筒28上。在本發(fā)明粉末技術(shù)中該壓花薄膜可用作打底的模具表面。
參考圖7,一種以較前能得到的更高速率來制造微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的方法包括使用圖5或圖6中所述的聚合物模具30,有相當(dāng)長的距離,用于輥式輸送機(jī)40(或許100英尺或更長一點(diǎn))這樣尺寸的模具就會(huì)提供許多粉料涂布區(qū)21(圖7中3個(gè))來涂布一層聚合物粉料23,和許多固化區(qū)22(圖7中3個(gè)),來實(shí)現(xiàn)50~100ft/min(16~33m/min)的速率。在熔融階段和最終固化之前的整個(gè)期間,許多壓平輥23(圖7中2個(gè))將調(diào)整熔融聚合物的流動(dòng)速率。接著成品呈分離的柔韌薄膜31的形態(tài)取下,然后卷繞在卷筒28上。該裝置中的循環(huán)速率只受限于(1)粉料涂布速率;(2)熔融、固化用IR源的長度。用同樣長度的模具,UV固化性聚合物會(huì)進(jìn)一步提高固化速率,每小時(shí)制造更多產(chǎn)品。
圖7A描述一種備選的方法制造精密微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品,該法與現(xiàn)有技術(shù)的金屬模具裝置不同,使用聚合物模具。該機(jī)械裝置大體上與US4,486,363和4,601,861[工作溫度300°F(149℃),工作壓力150psi(10.4bar),工作速度2ft(61cm)/min]的裝置相似。代替原文指示的金屬模具,一條軟聚合物膜30呈橢圓流程狀態(tài),用作現(xiàn)有技術(shù)裝置里的模具。在0.0060″(150μm)GE聚碳酸酯表面上的Fresnel模型用作橢圓形模具40,把該模型復(fù)制在一條來自Klocker型號(hào)PR-180-14的0.005″(125μm)PVC膜50上。把聚合物模具30和待復(fù)制的0.005″(125μm)PVC膜與一條高熔點(diǎn)運(yùn)載膜0.002″(50μm)PENN51一道喂入四個(gè)加壓輥53中的第一個(gè)中。用熱輥33給全部三條薄膜(30、50和51)加熱,同時(shí)加壓輥53使熔融PVC聚合物環(huán)行進(jìn)入橢圓形模具30上的模型。應(yīng)該注意,溫度150°F(66℃)只夠得上使薄膜50熔融,而不能使模具30或運(yùn)載膜51熔融。
熱薄膜54,此時(shí)有轉(zhuǎn)印到表面的模型,再次被冷卻區(qū)55固化,PVC膜50和PENN運(yùn)載膜51此時(shí)一齊從模具56取下,接著卷繞在卷筒57上。
薄膜57的微觀檢驗(yàn)證明,F(xiàn)resnel模槽的復(fù)制令人滿意。用同一機(jī)械裝置和工況,用模槽線
給0.006″(150μm)聚砜膜劃線并用作模具在Auto Haas DR100耐沖改性PMMA上復(fù)制模型。微觀檢驗(yàn)證明,模槽模型的復(fù)制令人滿意。因此查明,高熔點(diǎn)聚合物模具諸如聚碳酸酯、聚砜等可用作模具,使低熔點(diǎn)基底諸如PVC、丙烯酸和其它低熔點(diǎn)聚合物精確地形成復(fù)制品。
參考圖8,脊形基底諸如0.375″(9.5mm)聚碳酸酯片材60可在輥61處層壓到由IR區(qū)21預(yù)熱的熔融微觀結(jié)構(gòu)膜62上,接著由IR區(qū)22固化。附有微觀結(jié)構(gòu)模型的固化聚合物然后就成為成品復(fù)合材料的主要部分。
參考圖8A,軟基底諸如0.006″(150μm)聚碳酸酯50可在輥51處層壓到由IR區(qū)22預(yù)熱的熔融微觀結(jié)構(gòu)膜52上。附有微觀結(jié)構(gòu)模型的固化聚合物在53處成為成品復(fù)合材料的主要部分。
參考圖9,一種用不同聚合物層組成的連續(xù)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制法的完成是借助涂布槍70用于第一層60,該層由IR加熱區(qū)71固化。涂布槍72涂布第二層61,由IR加熱區(qū)73固化。涂布槍74涂布下一層62,該層由IR固化區(qū)75固化等等,直到所有各層都被涂布和固化。然后把成品從模具63取下,并卷繞在卷筒64上。
圖10為圖9中的不同聚合物層的放大側(cè)視圖。涂布槍40把粉料41的第一層涂布到模具42上。第一層在IR或UV區(qū)44熔融、固化43。用涂布槍46涂布第二層45,該層在IR或UV區(qū)48熔融、固化。第三層49由涂布槍50涂布,該層在IR或UV區(qū)52熔融、固化。
參考圖11,各薄層(53、54、55)已熔為一體并從模具56呈一個(gè)整體薄膜的形態(tài)取下。
圖12用圖說明制造一種有貫通孔或通路的精密微觀結(jié)構(gòu)的優(yōu)選方法用涂布槍58把聚合物57粉層涂布到模具上使該層達(dá)到某預(yù)定高度,這樣就在IR固化區(qū)60的59處熔融之后只是部分地填充模具。聚乙烯、聚酯或其同類橡膠的軟聚合物片材61接著貼到表面62并壓入模具42使膜層61均勻地達(dá)到某一特定高度63,最后在UV或IR區(qū)64固化。然后可把片材61從那個(gè)有通路的薄膜上取下、分開。模具突出部59的形狀將是該通路形狀的決定因素。
圖12A為圖12B的側(cè)視圖,用圖說明使聚合物63部分地填充模具42,模具突出部透入聚合物膜的軟頂層。
圖12B為圖12A的側(cè)視圖,固化的粉料涂層59,冷卻之后,下面剝?nèi)ツ>卟糠?5,上面剝?nèi)ボ涰攲?1。所得到的聚合物膜層顯示,貫通孔精確地塑造成一個(gè)復(fù)制膜59的永久性外貌。
圖12C為圖12和圖12A中模具42的自上而下的部件分解圖,有精密貫通孔67的聚合物層66從該模具取下,該貫通孔是透過聚合物形成的。
圖12D為圖12C中貫通孔67的另一個(gè)部件分解圖。
圖13為裝置側(cè)視圖,用圖說明制造兩側(cè)微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的生產(chǎn)率。該裝置由一臺(tái)雙帶壓機(jī)組成,該機(jī)類似于德國Hymmen Gm6H ofBielefeld銷售的ISR和HPL型壓機(jī)。這些是連續(xù)加壓、高速、高壓加工機(jī)械。把兩條輸送帶62和65合并為一體,單獨(dú)的涂布槍63和60,把粉料涂布聚合物電積附在各條輸送帶上,接著借助一條較厚的襯底膜66層壓在上帶和下帶67之間,使積附在各帶上的涂層熔封。在此實(shí)例中,成品是卷繞在卷筒69上的兩側(cè)微觀結(jié)構(gòu)膜68。
此型雙帶壓機(jī)能夠高速[高達(dá)30~60ft/min(10~20m/min)或更高一點(diǎn)]加熱然后冷卻聚合物基底[厚達(dá)0.25″(2.54cm)]。裝置諸如所公開的雙帶壓機(jī)的加工溫度可以高達(dá)662°F(350℃),加工壓力可以高達(dá)1430psi(100bar)。擴(kuò)展到輸送帶整個(gè)表面高溫和高壓的結(jié)合,使這一裝置特別適于用作連續(xù)地制造微觀結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)聚合物層的生產(chǎn)手段。
圖14為由帶正電的屏蔽板組成的裝置的側(cè)視圖,此裝置用來促進(jìn)粉料實(shí)現(xiàn)對(duì)待涂基底表面實(shí)現(xiàn)高速碰撞。粉料涂布行業(yè)已知,當(dāng)粉料積附到0.005″(125μm)~0.006″(150μm)或更多一點(diǎn)時(shí),涂層的絕緣性將會(huì)使其增厚能力減弱,因?yàn)殪o電荷減少。在涂布初始的0.005″(125μm)~0.006″(150μm)并且固化以后,就可借助加速裝置來積累厚層。如果初始的涂層是熱的,就幫助后繼層粘附到初始層上,本技術(shù)特別有效。
圖15為機(jī)械裝置側(cè)視圖,用來把厚層涂蓋在初始的電積附粉料涂層上。重力給料器或類似器件80把粉料涂層81涂蓋在初始粉料涂層82的上面。計(jì)量刮刀83把粉料以一定的控制厚度84涂布,接著在IR或UV區(qū)85固化。這兩層熔為一體然后從模具86取下。
在初始層已涂蓋上“微觀外貌”并固化后,此類粉料涂布裝置就用來涂布聚合物厚層。由于初始電積附層此時(shí)已精確地復(fù)制微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu),涂料余額就可涂布在“宏觀截面”并熔合到初始層上。這樣,在必要時(shí)厚度能夠達(dá)到幾毫米,大于采用標(biāo)準(zhǔn)粉料涂布技術(shù)所得的額定值。
圖16為備選的機(jī)械裝置側(cè)視圖,也用來把厚層涂蓋在初始的電積附粉料涂層上。在此情況下,又用給料器80把粉料涂層81涂蓋在初始粉料涂層82的上面。計(jì)量輥83把粉料以一定的控制厚度84涂布,接著在IR或UV區(qū)85固化。
盡管對(duì)本發(fā)明,與優(yōu)選的實(shí)施方式一起,已經(jīng)做了描述,但本行業(yè)的人顯然可以借助本發(fā)明,在本發(fā)明的領(lǐng)域與范圍內(nèi)實(shí)行本發(fā)明的其它目的和進(jìn)一步的改進(jìn)。
本發(fā)明,就其各種實(shí)施方式和公開形式而論,很好地適應(yīng)所宣稱的目的和優(yōu)點(diǎn)和其它任務(wù)的達(dá)成。這些公開的詳情不應(yīng)被看作是對(duì)本發(fā)明的限制,除非這些詳情能夠當(dāng)作后附權(quán)利要求書的一部分。本發(fā)明的各個(gè)具體實(shí)施方式
其中對(duì)專項(xiàng)所有權(quán)或?qū)@麢?quán)提出要求如下。
權(quán)利要求
1.一種精確復(fù)制復(fù)合模具表面的聚合物膜的制造方法,該模具表面的至少一部分具有微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)尺寸,該方法包括下列步驟(a)把聚合物粉料電積附在打底的模具表面上;(b)使粉料固化、成型為聚合物膜;和(c)取下聚合物膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中聚合物粉料包括不是熱固性樹脂就是熱塑性樹脂。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其中熱塑性樹脂包括下列一種或多種丙烯酸類塑料、聚碳酸酯、聚酯、聚氨酯、尼龍、聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯或硅酮。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法,其中熱固性樹脂是一種下面的材料功能性環(huán)氧、環(huán)氧聚酯、硅酮及UV固化性聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中聚合物粉料主要包括商業(yè)純的材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中聚合物粉料主要由一種沒有任何添加劑的商業(yè)純材料組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中聚合物粉料包括一種另一相或填充材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中該聚合物膜是借助把粉料電積附到移動(dòng)模具表面連續(xù)成型的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中打底的模具是用一種聚合物材料制成的,該材料是借助把粉料電積附在帶有所需復(fù)雜模型的基底上成型的。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法,其中用來成型該模具的聚合物粉料的熔點(diǎn)高于用來成型該膜的聚合物材料的熔點(diǎn)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,該方法包括把該膜粘附到聚合材料的附加膜上的附加步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中該附加模具有不同于該最早提到的膜的組成和性能。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中該附加膜以連續(xù)的方式被粘附到該最早提到的膜上。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中該附加膜是用硬于該最早提到的膜的材料制成的。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中該附加膜是借助把聚合物粉料電積附到該最早提到的膜上,然后固化該附加膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法,其中該最早提到膜的厚度在0.001″(25μm)和0.020″(500μm)之間,該附加膜的厚度在0.001″(25μm)和0.020″(500μm)之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中該最早提到膜是UV固化性涂層,硬的熱塑性塑料如尼龍或聚砜,附加膜是由聚碳酸酯、丙烯酸類樹脂或聚氨酯制成的。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法,其中該附加膜的涂布法或者是用帶電模具和粉料涂布或者是用涂布刮刀或涂布輥。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中該粉料的粒徑足夠地小以使該膜的成型是借助把該粉料從底向上填充到該模具表面的已圖案化的凹槽中,結(jié)果事實(shí)上避免任何空氣的截留。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法,其中該粒徑的最大尺寸不大于約50μm。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法,其中該粒徑在約5~20μm范圍內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中使該模具表面成型為,在取下的膜上產(chǎn)生貫通孔或通路。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法,其中該通路的成型是借助用聚合物粉料部分地填充模具深度,接著借助把彈性材料層壓合到積附粉料表面,把粉料層壓成相當(dāng)均勻的平面,然后固化粉料成型為該膜。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中固化步驟是借助紫外或輻射完成的。
25.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中該膜的厚度在0.001″(25μm)和0.020″(500μm)之間。
26.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中該模具是用一種聚合物材料制成的,該材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度高于成型在模具上的聚合物產(chǎn)品。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,該方法還包括把該膜層壓到厚的柔性背襯材料上,該層壓柔性材料可用作模具來成型復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)表面。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中該模具以50~100ft/min的速率移動(dòng)。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的方法,其中聚合物粉料直接取自聚合方法,不把大塊材料磨成粉料。
30.一種有模型形狀的聚合物膜的制造方法,該模型形狀至少包括一些小型宏觀結(jié)構(gòu)尺寸,該聚合物膜的至少一面具有膜面上下凹凸區(qū)的復(fù)雜模型,該制造方法包括下列步驟(a)把聚合物粉料電積附進(jìn)入朝向?qū)χ玫哪>弑砻鎱^(qū),該區(qū)限定成型的模型形狀;(b)使對(duì)置的表面通過固化站區(qū),粉料于此熔融,接著涂布;和(c)從對(duì)置的模具表面取下固化的膜。
31.根據(jù)權(quán)利要求30的方法,其中把電積附粉料涂布到第一模具表面,給粉料加熱到能流動(dòng)的狀態(tài),把第二模具表面從其對(duì)側(cè)涂布到該熔融粉料上,從而在該膜的相對(duì)側(cè)產(chǎn)生復(fù)雜模型,接著固化,從兩模具表面取下該膜。
32.一種制品,包括一層有光學(xué)精密尺寸的微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜陣列的表面區(qū)域部分的聚合物膜,其中該制品的成型是借助使一種電積附在模具表面上的粉料固化,該模具表面限定至少一部分該制品的形狀。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的制品,其中至少一部分該陣列包括貫穿于此的通路。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的制品,其中該制品至少附加一層粘附在該第一層的聚合物材料。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的制品,其中該附加層包括一種組份不同于該第一層聚合物的聚合物材料。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的制品,其中該聚合物材料的附加層比較硬,借以給該制品提供結(jié)構(gòu)完整性。
37.根據(jù)權(quán)利要求32的制品,其中該制品包括一個(gè)用于成型另外制品的模具。
38.根據(jù)權(quán)利要求32的制品,其中該聚合物材料是由一卷有該復(fù)雜陣列的重復(fù)區(qū)段的連續(xù)膜組成。
39.根據(jù)權(quán)利要求32的制品,其中該模具的成型是借助裝配許多該制品,以提供一條該復(fù)雜陣列中有重復(fù)模型的連續(xù)柔性輸帶。
40.根據(jù)權(quán)利要求32的制品,其中該膜有一條較該第一層厚的柔性背襯層給該膜提供強(qiáng)度。
41.一卷至少一部分具有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)模型的膜層的連續(xù)生產(chǎn)裝置,該裝置包括(a)一個(gè)在其表面有微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)模型的模具;(b)把聚合物粉料電積附到該表面上的裝置;(c)實(shí)施使該粉料固化、成型為膜的裝置,該膜上有想要的微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)模型;和(d)易于使該膜從該模具取下的裝置。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置,其中該模具的材料是一種熔點(diǎn)高于在其上成型的膜材料的聚合物。
43.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置,其中該模具以連續(xù)表面的形態(tài)通過積附該粉料的裝置,從而在連續(xù)的基礎(chǔ)上生產(chǎn)該膜。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的裝置,該裝置還包括用于把粉料附加層電積附到該第一層的裝置,和用于使該附加層固化的裝置。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的裝置,該裝置還包括用于把更加強(qiáng)硬的聚合物材料層層壓到該第一層上,提供一種其上有復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的較硬的聚合物制品。
46.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置,該裝置還包括一個(gè)和該第一模具模型互為互補(bǔ)的模型;用于使該附加模具與該電積附粉料在固化前嚙合在一起,借此來生產(chǎn)一種在該膜兩側(cè)都有模型的膜層。
全文摘要
提供一種有精確復(fù)制能力的聚合物膜的制造方法和裝置。把聚合物粉料電積附在打底的模具表面,接著使粉料固化、成型為膜。最后從模具表面取下該膜。
文檔編號(hào)B29C33/42GK1832852SQ200480022703
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2004年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月7日
發(fā)明者羅博特·M·普里克恩 申請(qǐng)人:10X技術(shù)有限公司