精確成形的制品的超聲輔助的模制以及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種用于制備精確成形的制品的超聲輔助的注模系統(tǒng)和方法。設(shè)置有超聲能量源以將振動(dòng)能施加至模具腔體，所述模具腔體連接至與熔化的（共）聚合物的源流體連通的至少一個(gè)門(mén)。將模具加熱至104-116℃的溫度，并將熔化的（共）聚合物注射至模具腔體中。在冷卻模具直至門(mén)內(nèi)的熔化的（共）聚合物已固化之后，將超聲能量施加至模具而不使門(mén)內(nèi)的已固化的（共）聚合物再熔化，直至溫度增加至116-122℃，由此顯著減小流致應(yīng)力。然后冷卻模具直至溫度減小至101-107℃，之后加熱模具直至溫度增加至116-122℃，由此顯著減小任何熱致應(yīng)力。冷卻模具直至熔化的（共）聚合物已固化，由此形成精確模制的塑料光學(xué)元件。
【專(zhuān)利說(shuō)明】精確成形的制品的超聲輔助的模制以及方法
[0001]相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2011年3月15日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/452,925的權(quán)益，該專(zhuān)利申請(qǐng)的公開(kāi)內(nèi)容以全文引用的方式并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本公開(kāi)涉及超聲輔助的模制方法和相關(guān)的精確成形的模制品，更特別地涉及用于制備精確成形的光學(xué)元件的超聲輔助的注模方法。
【背景技術(shù)】
[0004]模制品是眾所周知的并且得到廣泛的應(yīng)用。模制并隨后加工和處理具有在其中或其上形成的精密結(jié)構(gòu)的模制品可為挑戰(zhàn)性的。注模小的精密制品通常通過(guò)如下方式完成:將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體中，在熔化的(共)聚合物在模具腔體中的同時(shí)將另外的熱量施加至熔化的(共)聚合物足夠的時(shí)間，以使熔化的(共)聚合物流入模具腔體內(nèi)的小裂縫中，隨后冷卻模具以使熔化的(共)聚合物在模具腔體內(nèi)固化，由此形成注模制品。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]在一方面，本公開(kāi)描述了一種模制方法，其包括如下步驟:
[0006]提供注射模具，所述注射模具具有第一模具構(gòu)件和至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件，所述至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件能夠朝向和遠(yuǎn)離所述第一模具構(gòu)件移動(dòng)以關(guān)閉所述模具，其中模具腔體在所述第一或可移動(dòng)模具構(gòu)件中的至少一者中形成，所述腔體中具有至少一個(gè)門(mén)，另外其中設(shè)置有超聲能量源以將超聲能量施加至所述腔體；
[0007]關(guān)閉所述模具，由此將至少一個(gè)門(mén)流體連接至熔化的(共)聚合物源；
[0008]將模具加熱至104°C至116°C的模具溫度，所述模具溫度鄰近腔體測(cè)得；
[0009]之后通過(guò)關(guān)閉的模具的所述至少一個(gè)門(mén)將所述熔化的(共)聚合物注射至腔體中，以用所述熔化的(共)聚合物基本上裝填腔體和門(mén)；
[0010]使所述關(guān)閉的模具冷卻，直至門(mén)內(nèi)的所述熔化的(共)聚合物已固化；將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至所述關(guān)閉的模具的腔體中的熔化的(共)聚合物，而不使門(mén)內(nèi)的已固化的(共)聚合物再熔化，直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間，由此顯著減小在所述熔化的(共)聚合物中的任何流致應(yīng)力；
[0011]之后冷卻所述關(guān)閉的模具，直至模具溫度已減小至約101°C至107°C ;之后加熱所述關(guān)閉的模具，直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間，由此顯著減小在所述熔化的(共)聚合物中的任何熱致應(yīng)力；和
[0012]之后使所述模具冷卻，直至所述熔化的(共)聚合物已在模具內(nèi)固化，由此形成注豐吳制品。
[0013]在一些示例性實(shí)施例中，將模具加熱至104°C至116°C的模具溫度在關(guān)閉模具之后發(fā)生。在前述示例性模制方法中的任意個(gè)中，將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至關(guān)閉的模具的腔體中的熔化的(共)聚合物直至模具溫度已增加至116°C至122°C之間僅在使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的熔化的(共)聚合物已固化之后開(kāi)始。在一些示例性實(shí)施例中，將所述熔化的(共)聚合物注射至腔體內(nèi)還包括將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物。在某些示例性實(shí)施例中，使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已固化包括停止將超聲能量施加至腔體。
[0014]在前述模制方法的另外的示例性實(shí)施例中，通過(guò)關(guān)閉的模具的至少一個(gè)門(mén)將熔化的(共)聚合物注射至腔體中耗費(fèi)約0.5至約0.6秒。在一些示例性實(shí)施例中，使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已固化在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約2秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約61秒結(jié)束。
[0015]在另外的示例性實(shí)施例中，將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約61秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約80秒結(jié)束。在另外的示例性實(shí)施例中，使關(guān)閉的模具冷卻直至模具溫度已降低至約101°C至107°C在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約62秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約237秒結(jié)束。
[0016]在某些示例性實(shí)施例中，加熱關(guān)閉的模具直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約70秒至115秒開(kāi)始，并在加熱開(kāi)始之后約70秒至110秒結(jié)束。在一些示例性實(shí)施例中，從關(guān)閉模具直至(共)聚合物在模具內(nèi)已固化所逝去的總時(shí)間為至少約145秒，并小于約240秒。
[0017]在前述方面和實(shí)施例的一些特別的示例性實(shí)施例中，所述模制方法還包括通過(guò)脫模裝置從模具腔體中移出注模制品。在一些示例性實(shí)施例中，所述脫模裝置選自如下的一種或多種:脫模銷(xiāo)、升降器、脫模板或它們的組合。
[0018]在前述模制方法的另外的示例性實(shí)施例中，注射至腔體中的熔化的(共)聚合物的量大于裝填模具腔體所需的量，過(guò)量的(共)聚合物通過(guò)出口流出腔體。在某些示例性實(shí)施例中，將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體包括從歧管注射熔化的(共)聚合物。在一些示例性實(shí)施例中，入口門(mén)在模具腔體的一側(cè)的中心處。在其他示例性實(shí)施例中，從鄰接所述第一模具構(gòu)件的模具腔體的第一側(cè)將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體中，并從鄰接所述可移動(dòng)模具構(gòu)件的模具腔體的第二側(cè)施加超聲能量。
[0019]在前述模制方法的另外的示例性實(shí)施例中，加熱模具腔體使用如下方式進(jìn)行:電阻加熱、電磁感應(yīng)加熱、電介質(zhì)加熱、熱電加熱、通過(guò)施加超聲能量加熱、或它們的組合。在一些特定的示例性實(shí)施例中，加熱模具腔體使用電阻加熱進(jìn)行，且另外其中至少一個(gè)電阻加熱器靠近模具腔體設(shè)置，從而能夠以如下速率加熱模具腔體內(nèi)的(共)聚合物:所述速率足以使模具腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物的溫度以至少約13°C /分鐘的速率增加。
[0020]在前述模制方法中的任意個(gè)的某些示例性實(shí)施例中，所述模具包含選自如下的材料:鋼、不銹鋼、銅、鈹、招、其合金、或它們的組合。在一些示例性實(shí)施例中，超聲能量源包括超聲換能器，所述超聲換能器任選地包括共振焊頭、放大器、導(dǎo)波器或它們的組合中的至少一者。
[0021]在另一方面，本公開(kāi)描述了一種根據(jù)前述模制方法中的任意者制得的模制品。在一些示例性實(shí)施例中，所述模制品為選自如下的注模光學(xué)元件:透鏡、棱鏡、反射鏡、光管、衍射光柵或它們的組合。在某些示例性實(shí)施例中，所述模制品顯示出選自如下的至少一個(gè)有利特性:基本上不存在雙折射、基本上不存在殘余應(yīng)力、基本上不存在縮痕、基本上不存在接合痕跡、基本上不存在焊接線(xiàn)、基本上不存在空隙、或它們的組合。在一些特定的示例性實(shí)施例中，所述(共)聚合物包括(甲基)丙烯酸類(lèi)(共)聚合物。
[0022]已匯總了本發(fā)明的示例性實(shí)施例的各個(gè)方面和優(yōu)點(diǎn)。以上概述并非旨在描述本發(fā)明的每個(gè)圖示實(shí)施例或每項(xiàng)【具體實(shí)施方式】。隨后的附圖和【具體實(shí)施方式】將更具體地舉例說(shuō)明使用本文所公開(kāi)的原理的某些優(yōu)選實(shí)施例。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為根據(jù)本公開(kāi)的某些實(shí)施例的示例性精確成形的制品的透視圖。
[0024]圖2為根據(jù)本公開(kāi)的某些實(shí)施例的示例性注模系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖。
[0025]圖3為可用于實(shí)施本公開(kāi)的某些實(shí)施例的顯示為關(guān)閉位置的示例性的超聲輔助的注模系統(tǒng)的示意性側(cè)視圖，所述超聲輔助的注模系統(tǒng)包括第一模具構(gòu)件和至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件。
[0026]圖4為沿著可用于實(shí)施本公開(kāi)的某些實(shí)施例的圖3中的示例性的超聲輔助的注模系統(tǒng)的示例性第一模具構(gòu)件的視線(xiàn)4的透視圖。
[0027]圖5A為用于根據(jù)本公開(kāi)的某些實(shí)施例的超聲輔助的模制過(guò)程的示例性過(guò)程時(shí)間圖。
[0028]圖5B為在根據(jù)本公開(kāi)的某些實(shí)施例的示例性模制過(guò)程中使用圖5A所示的過(guò)程時(shí)間順序獲得的模具溫度和加熱器工作周期的圖。
[0029]圖6A-6B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖6A)和側(cè)視(圖6B)雙折射照片。
[0030]圖7A-7B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖7A)和側(cè)視(圖7B)雙折射照片。
[0031]圖8A-8B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖8A)和側(cè)視(圖SB)雙折射照片。
[0032]圖9A-9B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖9A)和側(cè)視(圖9B)雙折射照片。
[0033]圖10A-10C為根據(jù)常規(guī)的非超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(分光棱鏡)的仰視(圖10A)、側(cè)視(圖10B)和傾斜側(cè)視(IOC)雙折射照片。
[0034]圖11A-11C為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(分光棱鏡)的仰視(圖11A)、側(cè)視(圖11B)和傾斜側(cè)視(IlC)雙折射照片。
[0035]雖然以上說(shuō)明的可不按比例繪制的附圖示出了本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例，但是還可以想到其它的實(shí)施例，如在【具體實(shí)施方式】中所述。在所有情況下，本發(fā)明通過(guò)示例性實(shí)施例的表示而非通過(guò)表達(dá)限制來(lái)描述當(dāng)前公開(kāi)的發(fā)明。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以設(shè)計(jì)出許多其他的修改形式和實(shí)施例，這些修改形式和實(shí)施例也屬于本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)。
【具體實(shí)施方式】
[0036]如本說(shuō)明書(shū)和所附實(shí)施例中所用，單數(shù)形式“一(a、an)”和“該”包括多個(gè)指代物，除非內(nèi)容明確地另外指明。因此，例如，提及的包含“某種化合物”的細(xì)旦纖維包括兩種或多種化合物的混合物。如本說(shuō)明書(shū)和所附實(shí)施例中所用，術(shù)語(yǔ)“或”的含義一般來(lái)講包括“和/或”的含義，除非該內(nèi)容明確地另外指明。
[0037]如本說(shuō)明書(shū)所用，由端點(diǎn)表述的數(shù)值范圍包括歸入該范圍內(nèi)的所有數(shù)值(例如I至 5 包括 1、1.5、2、2.75,3,3.8、4 和 5)。
[0038]除非另外指明，否則在所有情況下，本說(shuō)明書(shū)和實(shí)施例中所使用的所有表達(dá)數(shù)量或成分、性質(zhì)測(cè)量等的數(shù)值均應(yīng)理解成由術(shù)語(yǔ)“約”所修飾。因此，除非有相反的指示，否則上述說(shuō)明書(shū)和所附實(shí)施例列表中所述的數(shù)值參數(shù)可以根據(jù)本領(lǐng)域技術(shù)人員利用本發(fā)明的教導(dǎo)內(nèi)容尋求獲得的所需性質(zhì)而有所變化。在最低程度上，每一個(gè)數(shù)值參數(shù)并不旨在限制等同原則在受權(quán)利要求書(shū)保護(hù)的實(shí)施例的保護(hù)范圍上的應(yīng)用，至少應(yīng)該根據(jù)所報(bào)告的數(shù)值的有效數(shù)位和通過(guò)慣常的四舍五入法來(lái)解釋每一個(gè)數(shù)值參數(shù)。
[0039]對(duì)于以下定義術(shù)語(yǔ)的術(shù)語(yǔ)表，整個(gè)申請(qǐng)應(yīng)以這些定義為準(zhǔn)，除非在權(quán)利要求書(shū)或說(shuō)明書(shū)中的別處提供不同的定義。
[0040]術(shù)語(yǔ)表
[0041]術(shù)語(yǔ)“(共)聚合物”是指均聚物或共聚物。
[0042]關(guān)于單體的術(shù)語(yǔ)“(甲基)丙烯酸類(lèi)”意指作為醇與丙烯酸或甲基丙烯酸(例如丙烯酸或甲基丙烯酸)的反應(yīng)產(chǎn)物形成的乙烯基官能化的烷基酯。關(guān)于(共)聚合物，所述術(shù)語(yǔ)意指通過(guò)聚合一種或多種(甲基)丙烯酸類(lèi)單體而形成的(共)聚合物。
[0043]術(shù)語(yǔ)“循環(huán)時(shí)間”是指從注模設(shè)備的關(guān)閉，同時(shí)載體幅材位于第一和可移動(dòng)模具構(gòu)件之間，直到引導(dǎo)載體幅材，將模制的制品或者制品從模具腔體區(qū)域移開(kāi)并且為下一次模制循環(huán)而定位部分載體幅材的時(shí)間。在每次模制循環(huán)過(guò)程中，循環(huán)時(shí)間應(yīng)當(dāng)足以使模具腔體(包括插件中的任何微腔體)基本上裝填熔化的(共)聚合物，并且隨后(共)聚合物足以冷卻至(共)聚合物軟化點(diǎn)以下。
[0044]結(jié)合模具，術(shù)語(yǔ)“特征”意指模具腔體內(nèi)的三維腔體、凹槽或凹陷，模具腔體可以至少部分地定義待模制的制品的形狀，例如棱鏡或者透鏡。
[0045]精密光學(xué)兀件(例如透鏡、反射鏡、棱鏡、分束器、偏振器、衍射光柵、光管等)在多種工業(yè)和消費(fèi)品中使用。例如，精密光學(xué)元件為電子顯示設(shè)備(例如，液晶顯示器和投影儀、電視、計(jì)算機(jī)顯示器、電子閱讀器、移動(dòng)電話(huà)、MP3播放器等)中的關(guān)鍵組件。受到希望降低這種設(shè)備的重量和制造成本的驅(qū)使，制造商近來(lái)已轉(zhuǎn)向使用模制塑料材料所形成的光學(xué)元件來(lái)代替常規(guī)用于這種光管理應(yīng)用中的更重且更昂貴的玻璃光學(xué)組件。
[0046]在精確模制的塑料光學(xué)元件的制造中的主要挑戰(zhàn)之一是需要滿(mǎn)足模制精確度和品質(zhì)的高標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)在高級(jí)光管理應(yīng)用中的所需產(chǎn)品性能要求。塑料光學(xué)部件的注模的常見(jiàn)操作通常涉及使用諸如精壓、注射壓縮、變溫響應(yīng)模制、慢伺服驅(qū)動(dòng)注塑，和/或它們的組合的方法。這種操作可用于模制簡(jiǎn)單的光學(xué)元件，如篩網(wǎng)、衍射光柵和一些簡(jiǎn)單的透鏡或反射鏡。
[0047]然而，在過(guò)去十年，光學(xué)件的復(fù)雜性由主要是平坦的或略微彎曲的光學(xué)表面演變成具有顯著量的空間彎曲以及厚的和薄的壁部分的光學(xué)表面，這限制了這種技術(shù)的適用性或使用。此外，目前光學(xué)部件具有顯著更嚴(yán)格的尺寸公差規(guī)格，所述更嚴(yán)格的尺寸公差規(guī)格甚至排除考慮這些公知技術(shù)中的數(shù)種。
[0048]本公開(kāi)描述了可用于制造精確模制的塑料光學(xué)組件(例如偏振分束器(PBS))的精確模制方法。盡管在本公開(kāi)中使用PBS作為示例性的精確模制的塑料光學(xué)元件，但應(yīng)了解本文公開(kāi)的方法和設(shè)備可有利地用于制備其他精密光學(xué)元件(例如透鏡、反射鏡、棱鏡、偏振器、衍射光柵、光管等)。
[0049]本文公開(kāi)的方法使用超聲能量來(lái)輔助注模具有不均勻壁厚的光學(xué)棱鏡的過(guò)程，所述光學(xué)棱鏡具有極高透光率、低霧度和最小雙折射率。在一些示例性實(shí)施例中，通過(guò)使用聲學(xué)調(diào)諧的金屬焊頭在模具中超聲振動(dòng)光學(xué)棱鏡腔體，有可能減少最終部件中熱致應(yīng)力和剪切致應(yīng)力的發(fā)生，并同時(shí)顯著減少注模循環(huán)時(shí)間。在模制過(guò)程中超聲能量結(jié)合局部模具溫度熱循環(huán)的使用能夠在商業(yè)上顯著改進(jìn)精確模制的塑料光學(xué)元件的光學(xué)雙折射，所述改進(jìn)也有助于經(jīng)由循環(huán)時(shí)間減少而使單位成本降低。
[0050]在一些不例性實(shí)施例中，本公開(kāi)不出了 一種用于超聲輔助注模具有不均勻壁厚的偏振分束器(PBS)棱鏡的過(guò)程的方法，所述偏振分束器棱鏡具有極高透光率、低霧度和最小雙折射率。通過(guò)使用聲學(xué)調(diào)諧的金屬焊頭在模具中超聲振動(dòng)光學(xué)棱鏡腔體，有可能減少最終部件中熱致應(yīng)力和剪切致應(yīng)力的發(fā)生，并同時(shí)顯著減少注模循環(huán)時(shí)間。
[0051]因此，在本文公開(kāi)的精確模制方法的示例性實(shí)施例中，通過(guò)使用施加的超聲能量和/或模具部件的EMI加熱作為模制循環(huán)的部分而協(xié)助模具特征的裝填。在(共)聚合物熔體已裝填模具腔體之后，將模具冷卻至低于(共)聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度以允許模制品從腔體脫模。在本發(fā)明過(guò)程中的過(guò)程參數(shù)的組合能夠獲得比本領(lǐng)域已知的模制循環(huán)時(shí)間更短的模制循環(huán)時(shí)間。本文公開(kāi)的方法和設(shè)備能夠獲得具有良好保真性(即，極小的模具特征的良好復(fù)制)的注模微結(jié)構(gòu)化制品(具有尺寸小于5 u m的特征)以及20秒或更少的模制循環(huán)時(shí)間。
[0052]模具的極小特征的裝填也由動(dòng)態(tài)模制溫度循環(huán)協(xié)助，所述動(dòng)態(tài)模制溫度循環(huán)控制熱傳遞裝置的使用以調(diào)節(jié)模制溫度。在動(dòng)態(tài)模制溫度循環(huán)中，首先將模具加熱至待注射的(共)聚合物的軟化溫度以上的溫度(例如，對(duì)于聚碳酸酯，149°C以上)。高模制溫度有助于使(共)聚合物熔體粘度保持較低，以利于裝填模具特征和使粘彈性起皮達(dá)到最少。在模制部件形成之后，將模具冷卻至軟化點(diǎn)以下以協(xié)助固化熔化的(共)聚合物。模具溫度熱循環(huán)的方法描述于PCT國(guó)際公布N0.W02005/082596和美國(guó)專(zhuān)利N0.5，376，317中。
[0053]模具加熱和冷卻的速率限制了動(dòng)態(tài)模制溫度循環(huán)的功效。高導(dǎo)熱材料(例如，鈹銅合金)可以用于提高熱轉(zhuǎn)換，但是熱轉(zhuǎn)換的速率受限于所使用的熱轉(zhuǎn)換介質(zhì)的特性，例如油。
[0054]現(xiàn)在將具體參照附圖描述本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以對(duì)本發(fā)明的示例性實(shí)施例作出各種修改和更改。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實(shí)施例并不限于以下所述的示例性實(shí)施例，而是受權(quán)利要求書(shū)及其任何等同物中提出的限制約束。
[0055]精確模制的塑料光學(xué)元件
[0056]在一方面，本公開(kāi)提供了一種根據(jù)進(jìn)一步如下描述的模制方法中的任意者所制得的精確模制品。在一些示例性實(shí)施例中，所述精確模制品為選自如下的注模光學(xué)元件:透鏡、棱鏡、反射鏡、光管、衍射光柵或它們的組合。
[0057]現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，圖1提供了偏振分束器(PBS)棱鏡100的形式的示例性的精確模制的塑料光學(xué)元件的總體3D部件幾何形狀的透視圖。棱鏡由平坦背部平表面102以及一組曲面(非球面表面104和鞍形表面106)組成，所述曲面協(xié)助將由光源(例如發(fā)光二極管，圖中未顯75)發(fā)射的光引導(dǎo)通過(guò)透鏡(圖中未顯7)。非球面表面104和鞍形表面106在棱鏡邊緣110處結(jié)合?？墒褂萌芜x的光學(xué)平面108作為非球面表面104與平表面102之間的過(guò)渡。
[0058]當(dāng)棱鏡用作偏振分束器(例如微投影儀)時(shí)對(duì)于棱鏡100的性能重要的是，需要極度平坦的平表面102 (大約3微米(iim)平整度)，從而滿(mǎn)足非球面表面104和鞍形表面106的精確曲率要求，以及維持在模制部件的整個(gè)厚度(112)上的極低雙折射率。
[0059]遺憾的是，在使用常規(guī)注模方法模制塑料光學(xué)元件的過(guò)程中可引入多種物理缺陷(例如，針織線(xiàn)、空隙和縮痕)和/或光學(xué)缺陷(例如，由于當(dāng)將熔化的(共)聚合物通過(guò)模具門(mén)或?qū)⑷刍?共)聚合物通入模具的頂點(diǎn)或拐角時(shí)所產(chǎn)生的熱致殘余應(yīng)力和/或剪切致殘余應(yīng)力導(dǎo)致的雙折射率)。此外，盡管這種物理和光學(xué)缺陷通常在本領(lǐng)域是已知的，但導(dǎo)致這些缺陷的精確因素和控制這些缺陷的方法至今為止是未知的，且這種因素的確定以及用于控制精確模制的塑料光學(xué)元件中的物理和光學(xué)缺陷的方法在本公開(kāi)的范圍內(nèi)。
[0060]例如，在光學(xué)棱鏡上針織線(xiàn)形成的發(fā)生主要由在熔化的塑料進(jìn)入腔體時(shí)熔化的塑料的折疊所驅(qū)使。極低雷諾數(shù)流動(dòng)(?10_4)從根本上防止快速固化的粘稠樹(shù)脂在進(jìn)入冷的腔體時(shí)混合，因此針織線(xiàn)形成。空隙和縮痕引發(fā)源于快速不均勻收縮和不足以保持冷卻過(guò)程中塑料的比體積的變化的填充壓力。此外，塑料收縮的發(fā)生也導(dǎo)致熱致應(yīng)力，所述熱致應(yīng)力轉(zhuǎn)而導(dǎo)致雙折射和高的延遲水平。
[0061]通過(guò)在熔體注射過(guò)程中將超聲能量直接施加至模具腔體，有可能減小剪切致應(yīng)力和熱致應(yīng)力的影響，并同時(shí)能夠在特性粘度曲線(xiàn)的偽低應(yīng)力和偽高速度區(qū)域中操作。
[0062]對(duì)于使物理和/或光學(xué)缺陷達(dá)到最少重要的另一模制參數(shù)是冷卻時(shí)間。冷卻時(shí)間在本文定義為在 模具打開(kāi)和部件脫模之前在模具腔體中快速固化熔化的塑料所花費(fèi)的時(shí)間長(zhǎng)度。如同整個(gè)部件厚度的總體冷卻模型，皮和芯冷卻速率的預(yù)測(cè)模型也預(yù)測(cè)冷卻曲線(xiàn)的類(lèi)似趨勢(shì)。這些預(yù)測(cè)提出，在不存在超聲能量下，需要超過(guò)420秒的冷卻時(shí)間以確保最終部件不含任何部件畸變或物理缺陷。由于超聲能量有助于減少在從受熱圓筒進(jìn)入冷的模具腔體時(shí)相關(guān)的熱沖擊，因此在一些示例性實(shí)施例中，有可能降低基本上不含缺陷的精確模制品從模具中脫模之前所需的冷卻時(shí)間要求。
[0063]因此，在某些示例性實(shí)施例中，根據(jù)本公開(kāi)的精確模制品顯示出選自如下的至少一個(gè)有利特性:基本上不存在雙折射、基本上不存在殘余應(yīng)力、基本上不存在縮痕、基本上不存在接合痕跡、基本上不存在焊接線(xiàn)、基本上不存在空隙、或它們的組合。
[0064]精確模制的塑料光學(xué)元件的注模系統(tǒng)
[0065]在另一方面，本公開(kāi)描述了模制系統(tǒng)。圖2提供了根據(jù)本公開(kāi)的另一示例性實(shí)施例的示例性注模系統(tǒng)200的示意性側(cè)視圖。所述注模系統(tǒng)可安裝于基座202上。在所示實(shí)施例中，系統(tǒng)200包括用于接收待熔化的塑料材料(例如塑料小丸)的料斗204、用于提供系統(tǒng)200動(dòng)力的馬達(dá) 208、用于通過(guò)注射口 210將塑料材料熔化和進(jìn)料至其中安裝超聲焊頭(示于圖3)的注模設(shè)備212的受熱圓筒或室206。
[0066]圖3提供了可用于實(shí)施本公開(kāi)的某些實(shí)施例的顯示為關(guān)閉位置的示例性的超聲輔助的注塑模具212的示意性側(cè)視圖，所述超聲輔助的注塑模具212包括第一模具構(gòu)件224和至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件228。在所示實(shí)施例中，第一模具構(gòu)件224為靜止的(盡管其可為可移動(dòng)的)，且第二模具構(gòu)件228可遠(yuǎn)離第一模具構(gòu)件224移動(dòng)以有利于移除精確模制的塑料光學(xué)元件(未顯示)，或者朝向第一模具構(gòu)件224移動(dòng)以在模制操作過(guò)程中與模具面226形成密封。在一些示例性實(shí)施例中，將模具加熱至104°C至116°C的模具溫度在關(guān)閉模具之后發(fā)生。
[0067]在某些示例性實(shí)施例中，將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體中包括通過(guò)注射口210從歧管(圖中未顯示)注射熔化的(共)聚合物。所述歧管使熔化的(共)聚合物與在模具面226中形成的注入口 222流體連通，并與模具腔體100’(圖3中未顯示；參見(jiàn)圖4)流體連通。在注模操作過(guò)程中，注入口 222有利于將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體100’中。
[0068]注入口 222與注射口 210之間的流動(dòng)連通由熔化的(共)聚合物流動(dòng)通道220提供，當(dāng)在準(zhǔn)備模制操作以及在模制操作過(guò)程中第一模具構(gòu)件224的模具面226倚靠可移動(dòng)模具構(gòu)件228密封時(shí)，形成所述熔化的(共)聚合物流動(dòng)通道220。在一些示例性實(shí)施例中，通過(guò)將可移動(dòng)模具構(gòu)件228移動(dòng)至緊密臨近第一模具構(gòu)件224的表面，并使用注模機(jī)所提供的足夠的力夾緊模具構(gòu)件，從而在模具腔體100’的表面密封模具腔體100’。然后，在壓力下將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體100’中，以使用熔化的(共)聚合物裝填模具腔體 100，。
[0069]在圖3的所示實(shí)施例中，注模設(shè)備212的可移動(dòng)模具構(gòu)件228包括用于在熔化的(共)聚合物處于模具腔體100’中的同時(shí)將輔助能量施加至熔化的(共)聚合物的機(jī)構(gòu)。在所描述的實(shí)施例中，所述機(jī)構(gòu)為超聲焊頭214，其構(gòu)造為產(chǎn)生超聲振動(dòng)能量。在某些目前優(yōu)選的示例性實(shí)施例中，從鄰接可移動(dòng)模具構(gòu)件228的模具腔體100’的第一側(cè)面將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體100’中，并從鄰接第一模具構(gòu)件224的模具腔體100’的第二側(cè)面使用超聲能量源(例如，超聲焊頭214)施加超聲能量。
[0070]在一些示例性實(shí)施例中，超聲能量源包括超聲換能器218和至少一個(gè)共振超聲焊頭214，并具有任選的放大器216、任選的導(dǎo)波器218或它們的組合。超聲焊頭214優(yōu)選為實(shí)心的，但其可為中空的。用于焊頭的構(gòu)造材料是本領(lǐng)域的范圍內(nèi)的技術(shù)，但通常為鈦、鋁、鋼或陶瓷。在目前優(yōu)選的實(shí)施例中，由于所需精確模制的光學(xué)元件的表面光潔度要求，焊頭材料選擇為P-20鋼。
[0071]通常通過(guò)使用例如50至5，000瓦，更優(yōu)選100至4，500瓦，甚至更優(yōu)選150至4，000瓦的范圍內(nèi)的電源(圖中未顯示)而提供超聲能量，從而為超聲換能器218和218’提供所需頻率和振幅的電能。供應(yīng)至換能器218-218’的電能被轉(zhuǎn)化為超聲振動(dòng)能量，所述超聲振動(dòng)能量可使用放大器216和216’增強(qiáng)或放大，并經(jīng)由超聲焊頭214傳輸。
[0072]超聲能量的頻率可在5，000-60，OOOHz、優(yōu)選10，000-60，OOOHz、更優(yōu)選20，OOOHz-60, 000Hz、或甚至20，000-40, OOOHz的范圍內(nèi)。對(duì)于20，OOOHz的頻率，超聲焊頭214的峰到峰振動(dòng)振幅通常小于127 u m，并可小于51pm。焊頭振幅隨焊頭形狀和激發(fā)輸入而變化。已發(fā)現(xiàn)7.5至15pm范圍內(nèi)的振幅是特別有用的。在目前優(yōu)選的實(shí)施例中，超聲焊頭214構(gòu)造為使用1:1增益放大器提供超聲能量，在100%振幅下在焊頭表面處測(cè)得的最大位移為0.7密耳峰到峰。
[0073]超聲振動(dòng)能量被傳輸至模具腔體100’內(nèi)的熔化的(共)聚合物。在注模過(guò)程中(即，注模機(jī)從使用(共)聚合物熔體裝填模具腔體100’切換到在模具腔體100’內(nèi)產(chǎn)生壓力期間)，可在速度-壓力切換過(guò)程中使用超聲振動(dòng)。賦予熔化的(共)聚合物的超聲能量使材料進(jìn)一步在模具腔體100’內(nèi)流動(dòng)。
[0074]在圖3所示的一個(gè)示例性的目前優(yōu)選的實(shí)施例中，超聲焊頭214顯示為與第一模具構(gòu)件224相鄰設(shè)置。對(duì)應(yīng)于精確模制品(例如偏振分束器，圖3中未顯示)的幾何形狀的模具腔體(參見(jiàn)圖4中的100’ )在第一模具構(gòu)件224的模具面226中形成，使得超聲焊頭214可將超聲能量直接施加至第一模具構(gòu)件224的模具腔體100’。由于超聲焊頭214在操作過(guò)程中經(jīng)歷高的力載荷，并為了在第二模具構(gòu)件228關(guān)閉時(shí)使撓曲達(dá)到最小，焊頭優(yōu)選由兩個(gè)剛性安裝的放大器216和216’支撐，其中每個(gè)放大器連接至超聲能量換能器218和218’，如圖3所示。每個(gè)超聲能量換能器218和218’連接至超聲能量源(圖中未顯示)。
[0075]超聲焊頭214的十字焊頭構(gòu)造在圖3中示出。選擇十字焊頭以在腔體中支撐焊頭214，并仍然具有使由超聲焊頭214和相應(yīng)的放大器216和216’以及超聲能量換能器218和218’所形成的每個(gè)焊頭層疊件獨(dú)立地共振的方式，并同時(shí)使超聲能量換能器218和218’在第一模具構(gòu)件224外部保持它們各自的豎直和水平取向。使用具有螺栓(未顯示)的模具安裝孔233以將第一模具構(gòu)件224固定至超聲焊頭214。
[0076]圖3也顯示了超聲焊頭214相對(duì)于放大器216和216’以及超聲能量換能器218和218’進(jìn)行構(gòu)造，使得從超聲能量換能器218和218’發(fā)出的各自的超聲能量波217和217’的軸向波腹在靠近超聲焊頭214的軸向中心的波的交叉點(diǎn)處產(chǎn)生振動(dòng)波結(jié)，并在超聲焊頭214與放大器216和216’以及模具面226中的每一個(gè)的接合點(diǎn)處產(chǎn)生振動(dòng)波腹。
[0077]現(xiàn)在參照?qǐng)D4，沿著圖3的視線(xiàn)4更詳細(xì)地顯示了圖3的示例性第一模具構(gòu)件224的透視圖。在所示的示例性實(shí)施例中，第一模具構(gòu)件224包括入口門(mén)227，所述入口門(mén)227連接至注入口 222，通過(guò)入口流道225與模具腔體100’流體連通，所述入口流道225將熔化的(共)聚合物導(dǎo)入模具腔體100’中。在注模操作過(guò)程中，注入口 222有利于通過(guò)入口門(mén)227將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體100’中。在一些示例性實(shí)施例中，入口門(mén)227優(yōu)選設(shè)置于模具腔體的一側(cè)的中心處，或者靠近模具腔體的一側(cè)的中心設(shè)置，如圖4所示。
[0078]盡管單個(gè)入口門(mén)227顯示為靠近腔體100’的縱向側(cè)面的中心進(jìn)入腔體100’(為了說(shuō)明的目的，所述腔體100’顯示為具有圖1的光學(xué)分光棱鏡的形狀)，但也可使用多個(gè)入口門(mén)，和/或可存在用于一個(gè)或多個(gè)入口門(mén)的其他位置。因此，可理解遷移一個(gè)或多個(gè)門(mén)或者改變腔體100’的形狀在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)。
[0079]另外，如圖4所示，任選的冷料(cold slug)或立管223可與如圖4所示的注入口222流體連通設(shè)置，以有利于從入口流道225中去除氣體。任選的溢流流道231可與模具腔體100’流體連通設(shè)置，以有利于用熔化的(共)聚合物完全裝填模具腔體100’。任選的溢流流道231通過(guò)任選的出口門(mén)229連接至模具腔體100’。任選的溢流流道231可另外任選地與排氣孔通道(未顯示)流體連通設(shè)置，所述排氣孔通道與第一模具構(gòu)件224的外部流體連通。任選的溢流流道231可例如建立或成型至第一模具構(gòu)件224的模具面226中和/或第二模具構(gòu)件228的模具面中。
[0080]在一些示例性實(shí)施例中，入口流道225優(yōu)選擴(kuò)展至分型線(xiàn)的另一側(cè)，所述分型線(xiàn)在第一模具構(gòu)件224的模具面226倚靠可移動(dòng)模具構(gòu)件228密封時(shí)形成。因此,在一些這種目前優(yōu)選的實(shí)施例中，該修改可用于減小入口流道225中的壓降。該改變也可允許使用更低的裝填壓力，并因此允許模制部件中更小的殘余應(yīng)力。在另外的目前優(yōu)選的實(shí)施例中，可增大入口門(mén)227 (例如橫截面寬度或直徑)，以在(共)聚合物熔體進(jìn)入模具腔體100’時(shí)減少?lài)娚浜蛻?yīng)力產(chǎn)生。
[0081]超聲焊頭將超聲振動(dòng)能量傳遞至(共)聚合物熔體，使得(共)聚合物熔體更易于流動(dòng)至模具腔體100’中，并且在一些示例性實(shí)施例中，更易于流動(dòng)至在第一模具構(gòu)件224中形成的(和任選在可移動(dòng)模具構(gòu)件228中共形成的)注入口 222、入口門(mén)227、任選的冷料或立管223、任選的出口門(mén)229和任選的溢流流道231中。相比于其他門(mén)位置(例如在第一模具構(gòu)件224’的周邊)，靠近模具腔體100’設(shè)置入口門(mén)227具有降低將超聲振動(dòng)能量施加至入口門(mén)227和模具腔體100’所需的電功率(即瓦特?cái)?shù))的優(yōu)點(diǎn)。
[0082]入口門(mén)227導(dǎo)致在模制部件(圖中未顯示)上形成門(mén)凹槽(gate well)，這增加了模制部件的厚度以及因此增加了模制部件的冷卻時(shí)間，這可轉(zhuǎn)而在模制部件中產(chǎn)生與在冷卻模制部件時(shí)樹(shù)脂在門(mén)凹槽中收縮相關(guān)的更高的殘余應(yīng)力。在一些示例性實(shí)施例中，將超聲能量施加至第一模具構(gòu)件224可降低或消除由于模制制品冷卻時(shí)樹(shù)脂在門(mén)凹槽中收縮所導(dǎo)致的這些殘余應(yīng)力。
[0083]將超聲振動(dòng)能量施加至第一模具構(gòu)件224也可改進(jìn)在第一模具構(gòu)件224中形成的(和任選在可移動(dòng)模具構(gòu)件228中共形成的)注入口 222、入口流道225、入口門(mén)227、模具腔體100’、任選的冷料或立管223、任選的出口門(mén)229和任選的溢流流道231中夾帶空氣的排氣。應(yīng)了解，示例性的第一模具構(gòu)件224示于圖4，且許多替代模具腔體、注入口、門(mén)、立管和流道構(gòu)造(包括這些模具特征的數(shù)量和位置)是可能的，并在本領(lǐng)域技術(shù)人員的知識(shí)范圍內(nèi)。
[0084]在一些特定的示例性實(shí)施例中，模制設(shè)備還包括用于借助脫模裝置(圖中未顯示)從模具腔體100’中移出注模制品的裝置，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知。在一些示例性實(shí)施例中，所述脫模裝置選自如下的一種或多種:脫模銷(xiāo)、升降器、脫模板或它們的組合。
[0085]在一些示例性實(shí)施例中，第一模具構(gòu)件224和可移動(dòng)模具構(gòu)件228中的一者或兩者包含選自如下的材料:鋼、不銹鋼、銅、鈹、鋁、其合金、或它們的組合。優(yōu)選地，至少第一模具構(gòu)件224包含選自鋼、不銹鋼、銅、鈹、鋁、其合金、或它們的組合的材料，以實(shí)現(xiàn)進(jìn)出模具腔體100’的良好熱傳遞。
[0086]在將(共)聚合物熔體裝填和填充至模具腔體100’的過(guò)程中，模具腔體的金屬表面溫度取決于所用的特定的(共)聚合物。有利地，溫度足夠高以產(chǎn)生低熔體粘度來(lái)改進(jìn)(共)聚合物進(jìn)入模具腔體的流動(dòng)，但是溫度不足以降解(共)聚合物。用于模制(共)聚合物的典型模具溫度在裝填和填充過(guò)程中在約60°C至約20(TC，更優(yōu)選10(TC至190°C，甚至更優(yōu)選120°C至175°C的范圍內(nèi)；并且在模制部件從模具中脫模的過(guò)程中在65°C至120°C，更優(yōu)選70°C至110°C，甚至更優(yōu)選75°C至105°C的范圍內(nèi)。
[0087]溫度可通過(guò)任何合適的熱傳遞裝置進(jìn)行控制，例如靠近模具腔體100’設(shè)置的電阻加熱(例如設(shè)置的任選的電阻筒形加熱器232，例如，如圖4所示)。顯示為靠近模具腔體100’設(shè)置于第一模具構(gòu)件224中的任選的電阻筒形加熱器232可用于提供模具腔體100’的快速加熱。任選的電阻筒形加熱器優(yōu)選沿著矩形基座的兩個(gè)短邊，平行于棱柱形模具腔體100’的短邊設(shè)置，如圖4所示。
[0088]在一個(gè)目前優(yōu)選的實(shí)施例中，電阻筒形加熱器232相對(duì)于模具腔體100’設(shè)置，使得加熱器為模具腔體100’內(nèi)的(共)聚合物提供快速加熱。因此，在某些示例性實(shí)施例中，至少一個(gè)電阻筒形加熱器設(shè)置于模具腔體100’的約IOmm,更優(yōu)選9mm、8mm、7mm、5mm、4mm、3mm、2mm、Imm或甚至0.5mm或更小之內(nèi)。在某些這種目前優(yōu)選的實(shí)施例中，模具腔體100’中的(共)聚合物的快速加熱獲得了至少約5°C /sec、更優(yōu)選至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25 V /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔體100’中的(共)聚合物的溫度增加速率。
[0089]在另外的目前優(yōu)選的實(shí)施例中，將溫度傳感器(圖中未顯示)(例如熱電偶、熱敏電阻器、電阻溫度裝置(RTD)等)靠近模具腔體100’設(shè)置，以測(cè)量與模具腔體100’中的(共)聚合物的溫度更密切接近的溫度。因此，在某些示例性實(shí)施例中，至少一個(gè)溫度傳感器設(shè)置于模具腔體100’的約IOmm,更優(yōu)選9mm、8mm、7mm、5mm、4mm、3mm、2mm或甚至Imm之內(nèi)。
[0090]在一個(gè)特定實(shí)施例中，電阻加熱包括與第一模具構(gòu)件224 (圖4)電連接，并將電功率施加至第一模具構(gòu)件224，由此使用第一模具構(gòu)件224本身作為電阻加熱器。在這種布置中，可使用高電流低電壓變壓器(未顯示)，從而在例如約40-150安培和約0.5-4伏下為模具構(gòu)件224提供電力。
[0091]也可通過(guò)其他已知裝置另外地或可選擇地加熱或冷卻模具腔體，例如通過(guò)循環(huán)適當(dāng)?shù)臒醾鬟f流體以加熱或冷卻模具腔體100’中的(共)聚合物而對(duì)流加熱。因此，在另外的示例性實(shí)施例中，也可使用在緊密靠近模具腔體100’設(shè)置的一個(gè)或多個(gè)管(圖中未顯示)中循環(huán)的循環(huán)熱傳遞流體(例如用于加熱的在60°c -150°C溫度范圍內(nèi)的油，或用于冷卻的在27V _60°C溫度范圍內(nèi)的水)，所述循環(huán)熱傳遞流體或者代替電阻加熱器使用，或者在除了電阻加熱器之外使用。在其他示例性實(shí)施例中，可使用輻射能(例如施加的紅外輻射，如紅外燈或激光器)和/或來(lái)自外部對(duì)流熱源(例如強(qiáng)制空氣加熱器，如熱風(fēng)槍)的熱空氣流來(lái)加熱模具腔體100’中的(共)聚合物。
[0092]在這種示例性實(shí)施例中，可有利地實(shí)現(xiàn)模具腔體100’中的(共)聚合物的快速加熱和/或冷卻。在某些這種目前優(yōu)選的實(shí)施例中，模具腔體100’中的(共)聚合物的快速加熱獲得了至少約5°C /sec、更優(yōu)選至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25°C /sec、或甚至至少30°C/sec的模具腔體100’中的(共)聚合物的溫度增加速率。在其他這種目前優(yōu)選的實(shí)施例中，模具腔體100’中的(共)聚合物的快速冷卻獲得了至少約5°C /sec、更優(yōu)選至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25°C /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔體100’中的(共)聚合物的溫度減小速率。
[0093]在可產(chǎn)生模具腔體100’中的(共)聚合物的快速加熱和冷卻的優(yōu)點(diǎn)的另一的示例性實(shí)施例中，也可使用緊密靠近模具腔體100’設(shè)置的電磁感應(yīng)(EMI)加熱器(圖中未顯示)來(lái)加熱模具腔體100’和/或圍繞模具腔體100’的金屬，所述電磁感應(yīng)加熱器或者代替電阻加熱器使用，或者在除了電阻加熱器之外使用。合適的EMI加熱器是本領(lǐng)域已知的，并通常包括含有電磁感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)線(xiàn)圈殼體。合適的EMI加熱設(shè)備可從諸如美國(guó)堪薩斯州維基塔的 MSI 自動(dòng)化公司(MSI Automation, Inc.，Wichita, Kansas, U.S.A)的公司購(gòu)得。典型的EMI加熱器具有1-5KW的功率，并且提供用于表面加熱的25-450KHZ范圍內(nèi)的輸出頻率。
[0094]在某些示例性實(shí)施例中，EMI加熱器靠近模具腔體100’設(shè)置，從而可實(shí)現(xiàn)模具腔體100’中的(共)聚合物的快速加熱和/或冷卻。例如，可以在接近模具腔體的位置將EMI加熱器置于第一模具構(gòu)件224內(nèi)。在某些這種目前優(yōu)選的實(shí)施例中，模具腔體100’中的(共)聚合物的快速加熱獲得了至少約5°C /sec、更優(yōu)選至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25 V /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔體100’中的(共)聚合物的溫度增加速率。在其他這種目前優(yōu)選的實(shí)施例中，模具腔體100’中的(共)聚合物的快速冷卻獲得了至少約5°C /sec、更優(yōu)選至少10°C /sec、至少15°C /sec、至少20°C /sec、至少25°C /sec、或甚至至少30°C /sec的模具腔體100’中的(共)聚合物的溫度減小速率。
[0095]在一些示例性實(shí)施例中，EMI加熱可有利地結(jié)合動(dòng)態(tài)模具溫度循環(huán)(如下進(jìn)一步討論)使用。在具有微米或者納米特征的制品(例如精密光學(xué)元件)的注模中，(共)聚合物熔體所暴露的表面的溫度可影響模制品的品質(zhì)，并且使用與動(dòng)態(tài)模制溫度循環(huán)組合的EMI加熱作為快速升高每一次模制循環(huán)的表面溫度的方法。
[0096]由于EMI加熱集中在模具腔體的表面上，因此在裝填模具腔體之后可發(fā)生快速的熱耗散(例如，進(jìn)入到周?chē)慕饘俸蜔醾鬟f流體的整體中)。通常，在約1.5至2_范圍內(nèi)的電磁感應(yīng)線(xiàn)圈殼體與模具板面之間的間隙產(chǎn)生大約類(lèi)似的溫度特征圖(即插件溫度相對(duì)于感應(yīng)線(xiàn)圈功率設(shè)定的曲線(xiàn));而在1016 U m的更小間隙下，在可相比的感應(yīng)活化時(shí)間(3-8秒)下，模具插件中的所得溫度增加更高。
[0097]用于精確模制的塑料光學(xué)元件的塑料材料
[0098]用在注模過(guò)程中用以制造模制品的(共)聚合物可包括基于性質(zhì)(如精確地復(fù)制模具腔體和插件所需圖案的能力、模制(共)聚合物的強(qiáng)度和韌性，以及模制(共)聚合物與預(yù)期用途的相容性)選擇的多種洪)聚合物。例如，可選擇(共)聚合物或(共)聚合物共混物。
[0099]在一些特定的示例性實(shí)施例中，所述(共)聚合物包括(甲基)丙烯酸類(lèi)(共)聚合物。
[0100]一些目前優(yōu)選的(共)聚合物材料可顯示出:大于5g/10min.、10g/10min.或20g/10min.的熔體流動(dòng)指數(shù)，其在300°C和1.2kg重量下通過(guò)ASTM D1238測(cè)得；大于100%的拉伸斷裂伸長(zhǎng)率(通過(guò)ASTM測(cè)試D638(2.0in/min.)測(cè)得);和大于5ft_lb/英寸的沖擊強(qiáng)度(通過(guò)ASTM D256，“缺口懸臂梁”23°C測(cè)得)。合適的(共)聚合物包括但不限于聚苯硫醚、聚碳酸酯(例如來(lái)自馬薩諸塞州皮茨菲爾德的沙伯基礎(chǔ)創(chuàng)新塑料公司(Sabic InnovativePlastics, Pittsfield, Massachussetts)的 LEXAN HPSlR 樹(shù)脂)、聚丙烯、縮醒、丙烯酸類(lèi)、聚醚酰亞胺、聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，以及這種(共)聚合物的共混物。
[0101]制備精確模制的塑料光學(xué)元件的方法
[0102]在其他示例性實(shí)施例中，本公開(kāi)描述了一種模制方法，其包括如下步驟:
[0103]提供注射模具，所述注射模具具有第一模具構(gòu)件和至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件，所述至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件能夠朝向和遠(yuǎn)離所述第一模具構(gòu)件移動(dòng)以關(guān)閉所述模具，其中模具腔體在所述第一或可移動(dòng)模具構(gòu)件中的至少一者中形成，所述腔體中具有至少一個(gè)門(mén)，另外其中設(shè)置有超聲能量源以將超聲能量施加至所述腔體；關(guān)閉所述模具，由此將所述至少一個(gè)門(mén)流體連接至熔化的(共)聚合物源；
[0104]將模具加熱至104°C至116°C的模具溫度，所述模具溫度鄰近腔體測(cè)得；之后通過(guò)關(guān)閉的模具的所述至少一個(gè)門(mén)將所述熔化的(共)聚合物注射至腔體中，以用所述熔化的(共)聚合物基本上填充腔體和門(mén)；
[0105]使所述關(guān)閉的模具冷卻，直至門(mén)內(nèi)的所述熔化的(共)聚合物已固化；將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至所述關(guān)閉的模具的腔體中的熔化的(共)聚合物而不使門(mén)內(nèi)的已固化的(共)聚合物再熔化，直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間，由此顯著減小在所述熔化的(共)聚合物中的任何流致應(yīng)力；之后冷卻所述關(guān)閉的模具，直至模具溫度已減小至約101°C至107°C ；
[0106]之后加熱所述關(guān)閉的模具，直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間，由此顯著減小在所述熔化的(共)聚合物中的任何熱致應(yīng)力；和
[0107]之后使所述模具冷卻，直至所述熔化的(共)聚合物已在模具內(nèi)固化，由此形成注豐旲制品。
[0108]在前述模制方法的另外的示例性實(shí)施例中，通過(guò)關(guān)閉的模具的至少一個(gè)門(mén)將熔化的(共)聚合物注射至腔體中耗費(fèi)約0.5至約0.6秒。在一些示例性實(shí)施例中，使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已固化在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約2秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約61秒結(jié)束。在另外的示例性實(shí)施例中，將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約61秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約80秒結(jié)束。
[0109]在另外的示例性實(shí)施例中，使關(guān)閉的模具冷卻直至模具溫度已降低至約iorc和107°C在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約62秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約237秒結(jié)束。在某些示例性實(shí)施例中，加熱關(guān)閉的模具直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約70秒至115秒開(kāi)始，并在加熱開(kāi)始之后約70秒至110秒結(jié)束。在一些示例性實(shí)施例中，從關(guān)閉模具直至(共)聚合物在模具內(nèi)已固化所逝去的總時(shí)間為至少約145秒，并小于約240秒。
[0110]在前述示例性模制方法中的任意個(gè)中，將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至關(guān)閉的模具的腔體中的熔化的(共)聚合物直至模具溫度已增加至116°c至122°C之間僅在使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的熔化的(共)聚合物已固化之后開(kāi)始。在一些示例性實(shí)施例中，將所述熔化的(共)聚合物注射至腔體內(nèi)還包括將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物。在某些示例性實(shí)施例中，使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已固化包括停止將超聲能量施加至腔體。
[0111]在前述模制方法的另外的示例性實(shí)施例中，注射至腔體中的熔化的(共)聚合物的量大于裝填模具腔體所需的量，過(guò)量的(共)聚合物通過(guò)出口流出腔體。
[0112]將(共)聚合物熔體注入模具腔體100’的部分可基于模具腔體內(nèi)達(dá)到某個(gè)壓力100’(“填充壓力”)。填充壓力(例如，在3.5至250兆帕(MPa)或34.5至138MPa范圍內(nèi))可施加有限的時(shí)間(稱(chēng)為“保持時(shí)間”)。在一些示例性實(shí)施例中，可使用至少約lOMPa，更優(yōu)選至少約50MPa，甚至更優(yōu)選至少約100MPa、150MPa或甚至200MPa的填充壓力來(lái)獲得模具腔體100’的均勻裝填。隨后，釋放填充壓力，將模具腔體內(nèi)的材料冷卻至通常為(共)聚合物軟化溫度或在(共)聚合物軟化溫度以下的脫模溫度。然后，分離模具構(gòu)件，并將模制品從模具腔體中脫離。
[0113]用于目前優(yōu)選的模制方法的可用的模制參數(shù)為:60-360mm/sec的注射速度；3.5-207MPa，更優(yōu)選103_138MPa的優(yōu)選填充壓力；0.5-10秒的保持時(shí)間；49° _150°C，優(yōu)選小于121°C的注射時(shí)的模具溫度(用于聚碳酸酯)；49° _138°C，優(yōu)選小于121°C的脫模時(shí)的模具溫度(用于聚碳酸酯)。在100%下在焊頭表面測(cè)得的最大振幅優(yōu)選為0.7密耳峰到峰。
[0114]模制方法的意料不到的結(jié)果和優(yōu)點(diǎn)
[0115]在某些示例性實(shí)施例中，所述模制品顯示出選自如下的至少一個(gè)有利特性:基本上不存在雙折射、基本上不存在殘余應(yīng)力、基本上不存在縮痕、基本上不存在接合痕跡、基本上不存在焊接線(xiàn)、基本上不存在空隙、或它們的組合。
[0116]不希望受限于任何特定理論，目前據(jù)信，當(dāng)在本發(fā)明的模制過(guò)程中使用快速加熱和/或冷卻時(shí)，由于(共)聚合物熔體與模具腔體表面之間的溫差降低(相比于已知技術(shù))，因此所得模制品不會(huì)經(jīng)歷與在常規(guī)過(guò)程中模制的部件相同的程度的收縮。當(dāng)在45°正交偏振器下觀察時(shí)，在無(wú)快速加熱和/或冷卻下制得的制品顯示出干涉圖案，從而表明各向異性；然而，在偏振光下，使用如上所述的快速加熱和/或冷卻而制得的光學(xué)元件顯示出明顯不同的圖案，從而表明各向異性的降低。通過(guò)使用快速加熱和/或冷卻，由于收縮而導(dǎo)致的模具內(nèi)應(yīng)力可得以降低或甚至消除。
[0117]本發(fā)明的示例性實(shí)施例已在上文中進(jìn)行描述，且進(jìn)一步通過(guò)以下實(shí)例在下文中進(jìn)行說(shuō)明，不應(yīng)當(dāng)以任何方式將這些實(shí)例理解為對(duì)本發(fā)明范圍的限制。相反，應(yīng)當(dāng)清楚地理解，可以采取多種其它實(shí)施例、修改形式及其等同形式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本文的說(shuō)明之后，在不脫離本發(fā)明的精神和/或所附權(quán)利要求書(shū)的范圍的前提下，這些其它實(shí)施例、修改形式及其等同形式將顯而易見(jiàn)。
[0118]SM
[0119]如下實(shí)例旨在說(shuō)明在本公開(kāi)范圍內(nèi)的示例性實(shí)施例。雖然，闡述本發(fā)明廣義范圍的數(shù)值范圍和參數(shù)是近似值，但是在具體實(shí)施例中所列出的數(shù)值則是盡可能精確地報(bào)告的。然而，任何數(shù)值都固有地含有一定的誤差，這些誤差必定是由它們各自的試驗(yàn)測(cè)定中存在的標(biāo)準(zhǔn)偏差引起。在最低程度上，每一個(gè)數(shù)值參數(shù)并不旨在限制等同原則在權(quán)利要求書(shū)保護(hù)范圍上的應(yīng)用，至少應(yīng)該根據(jù)所記錄的數(shù)值的有效數(shù)位和通過(guò)慣常的四舍五入法來(lái)解釋每一個(gè)數(shù)值參數(shù)。
[0120]MM
[0121]在實(shí)例中使用兩種(共)聚合物:
[0122]Acrypet WF-100為光學(xué)級(jí)[極低霧度(0.5%)，高光學(xué)透射率(92.4%)]丙烯酸類(lèi)共聚物(可得自日本東京三菱塑料公司(Mitsubishi Plastics, Inc., Tokyo, Japan))。
[0123]Arkema V825-100為丙烯酸類(lèi)共聚物(可得自賓西法尼亞州費(fèi)城的阿科瑪公司(Arkema, Inc., Philadelphia, PA))。
[0124]測(cè)試方法
[0125]在間接照明下在模制品中目測(cè)觀察模制缺陷，如縮痕、針織線(xiàn)等。
[0126]使用入射偏振光目測(cè)評(píng)價(jià)模制部件內(nèi)的殘余應(yīng)力，從而通過(guò)一組正交偏振器觀察模制部件。該公知的雙折射測(cè)試模式通常描述于ASTMD4093-95 (2010)，“Standard TestMethod for Photoelastic Measurements of Birefringence and Residual Strains inTransparent or Translucent Plastic Materials (用于透明或半透明塑料材料中的雙折射率和殘余應(yīng)變的光彈性測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法)”中。測(cè)量殘余應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)為目測(cè)定性方法，其中部件評(píng)級(jí)為I至5 ;5為優(yōu)良，I為差。[0127]
[0128]使用通常如圖2-3所示的超聲輔助的注模設(shè)備212來(lái)模制精密光學(xué)部件(例如分光棱鏡)，如通常在圖1中所示。第一模具構(gòu)件224不配置任選的光學(xué)冷料或立管223，或任選的溢流流道231。電阻筒形加熱器232靠近模具腔體100’設(shè)置，以獲得模具腔體100’內(nèi)的(共)聚合物的快速加熱。
[0129]使用十字超聲焊頭214。如圖3所示，超聲焊頭214連接至兩個(gè)1:1正交設(shè)置的放大器216-216’，每個(gè)放大器216-216’連接至超聲換能器218-218’，每個(gè)超聲換能器218-218’轉(zhuǎn)而連接至電源。合適的超聲焊頭、放大器、換能器和電源是本領(lǐng)域公知的(參見(jiàn)例如美國(guó)專(zhuān)利 N0.5，017，311 (Furusawa 等人)；N0.6，464，485 (Iida 等人)；和 PCT 國(guó)際公布 N0.W02008/157592 (Ferguson 等人))。
[0130]在本公開(kāi)的示例性實(shí)施例中描述的超聲焊頭214由鈦制得。在100%振幅下在焊頭的模具面處測(cè)得的振幅確定為0.80密耳(20微米)峰到峰。為了在無(wú)載荷條件下啟動(dòng)焊頭，使用靠近第一模具構(gòu)件224設(shè)置的接近開(kāi)關(guān)，從而在模具開(kāi)始關(guān)閉時(shí)就將啟動(dòng)信號(hào)提供至每個(gè)超聲焊頭的超聲能量源。
[0131]制備性實(shí)例:
[0132]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以評(píng)價(jià)超聲參數(shù)的重要性，并評(píng)價(jià)其對(duì)物理性質(zhì)(如針織線(xiàn)和縮痕)以及光學(xué)性質(zhì)(如應(yīng)力)的影響。實(shí)驗(yàn)的因素為:預(yù)觸發(fā)的超聲振幅、壓力觸發(fā)的超聲振幅、壓力時(shí)間、冷卻時(shí)間和退火時(shí)間。當(dāng)在模具正在關(guān)閉且腔體正在填滿(mǎn)的同時(shí)焊頭開(kāi)始振動(dòng)時(shí)，在此情況中稱(chēng)為預(yù)觸發(fā)。預(yù)觸發(fā)時(shí)間保持恒定為6.45秒，同時(shí)振幅的量級(jí)為10%-64%。
[0133]在預(yù)觸發(fā)時(shí)間已逝去之后，將熔化的(共)聚合物注射至注入口 222，且模具腔體100’開(kāi)始裝填。注射速度保持恒定為(0.9in/sec)。一旦腔體充滿(mǎn)，則停止超聲振動(dòng)以協(xié)助使門(mén)凍結(jié)。一旦入口門(mén)凍結(jié)(即門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已固化)，則再次啟動(dòng)超聲振動(dòng)。這種將超聲振動(dòng)能量后觸發(fā)施加至模具腔體100’稱(chēng)為壓力觸發(fā)，并且在該實(shí)驗(yàn)中在10%-50%的量級(jí)內(nèi)變化。在模制循環(huán)的填充和保持階段過(guò)程中發(fā)生所述壓力觸發(fā)。壓力觸發(fā)時(shí)間相對(duì)于超聲能量施加至超聲焊頭的持續(xù)時(shí)間提及，并為10秒至155秒。
[0134]冷卻時(shí)間為30秒-300秒。在部件脫模之后，隨后將部件置入90 T的空氣對(duì)流烘箱中以為了退火的目的。退火時(shí)間為0-6.5分鐘(390秒)。模具的兩個(gè)半部的溫度保持恒定，并為如下:230 °F (約121°C)的模具A側(cè)(固定的第一模具構(gòu)件224)和250 °F (約121°C)的模具B側(cè)(可移動(dòng)模具構(gòu)件228)。在本文，第一模具構(gòu)件224在與模具腔體100’相對(duì)的側(cè)面(即模具的“A側(cè)”)上鄰接超聲焊頭。任意任選的另外的后模制退火在對(duì)流烘箱中在90 0F (約32 °C )下進(jìn)行約6分鐘。
[0135]進(jìn)行準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)以了解模制參數(shù)和對(duì)模具腔體施加超聲能量與所得模制部件幾何形狀和模制部件中的殘余應(yīng)力之間的關(guān)系。在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)中變化的模制參數(shù)的范圍如下:
[0136]1.預(yù)觸發(fā)振幅:10%_64%
[0137]2.壓力觸發(fā)振幅:10%_50%
[0138]3.冷卻時(shí)間:30秒-300秒
[0139]4.退火時(shí)間:0-390秒
[0140]5.壓力觸發(fā)時(shí)間:10秒-155秒
[0141]這些準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)如下測(cè)量:[0142]1.針織線(xiàn)在光學(xué)分光棱鏡中目測(cè)觀察
[0143]2.縮痕在光學(xué)分光棱鏡中目測(cè)觀察
[0144]3.當(dāng)從頂部觀察時(shí)(光學(xué)分光棱鏡倚靠于其平坦表面上),殘余應(yīng)力在光學(xué)分光棱鏡中目測(cè)觀察為雙折射。
[0145]4.當(dāng)從頂部觀察時(shí)(光學(xué)分光棱鏡倚靠于其側(cè)面上),殘余應(yīng)力在光學(xué)分光棱鏡中目測(cè)觀察為雙折射。
[0146]5.當(dāng)從光學(xué)分光棱鏡的平坦側(cè)面的拐角觀察時(shí)(光學(xué)分光棱鏡倚靠于其平坦表面上)，殘余應(yīng)力在光學(xué)分光棱鏡中目測(cè)觀察為雙折射。
[0147]發(fā)現(xiàn)四個(gè)變量對(duì)模制光學(xué)制品中的殘余應(yīng)力具有最大影響。第一是在裝填循環(huán)過(guò)程中超聲振動(dòng)能量的施加，其稱(chēng)為預(yù)觸發(fā)振幅。第二是壓力振幅，其為在模制循環(huán)的冷卻循環(huán)時(shí)間過(guò)程中施加的超聲振動(dòng)能量的振幅。冷卻時(shí)間和在循環(huán)結(jié)束時(shí)的退火為對(duì)模制品中的殘余應(yīng)力具有最大影響的兩個(gè)其他變量。進(jìn)行如下另外的觀察:
[0148]1.分析表明，超聲振動(dòng)的振幅為預(yù)觸發(fā)和壓力觸發(fā)兩者中的顯著因素。
[0149]2.施加至模具的超聲能量的時(shí)間(即預(yù)觸發(fā)和壓力觸發(fā)持續(xù)時(shí)間)影響縮痕線(xiàn)和毛邊形成。
[0150]3.在入口門(mén)完全凍結(jié)之后(即在入口門(mén)中的(共)聚合物已至少部分固化之后)開(kāi)始將超聲能量施加至模具腔體。這大大降低了毛邊量和對(duì)來(lái)自超聲能量電源供應(yīng)的峰值功率的需求。
[0151]4.加熱器相對(duì)于循環(huán)的時(shí)間同樣重要。
[0152]5.首先在模具中的(共)聚合物的保持時(shí)間過(guò)程中開(kāi)始超聲能量的施加。
[0153]6.由于超聲振動(dòng)能量的施加，模具腔體100’中的(共)聚合物的溫度快速上升。
[0154]7.應(yīng)注意，施加的超聲振動(dòng)能量的持續(xù)時(shí)間和振幅(％)影響該峰值溫度。施加更高振幅的超聲振動(dòng)能量更短的施加時(shí)間可獲得應(yīng)力的最佳降低。
[0155]8.在模具腔體100’中的(共)聚合物開(kāi)始冷卻之后，溫度達(dá)到設(shè)定值模具溫度；啟動(dòng)電阻筒形加熱器，以在模制過(guò)程的冷卻循環(huán)中保持恒定溫度。
[0156]9.通過(guò)在冷卻時(shí)間過(guò)程中使用筒形加熱器保持恒定溫度而降低模制部件中的殘余應(yīng)力。據(jù)信冷卻期間更長(zhǎng)的浸泡時(shí)間允許電阻筒形加熱器保持模具腔體100’中的(共)聚合物的恒定或接近恒定的溫度，由此降低模制品中的殘余應(yīng)力。
[0157]實(shí)例I
[0158]實(shí)例I示出了本公開(kāi)的目前優(yōu)選的實(shí)施例，其在如下條件下確定:
[0159]1.45% (0.35密耳或8.75微米峰到峰)的超聲焊頭振幅
[0160]2.20秒的超聲時(shí)間
[0161]3.70秒的加熱時(shí)間
[0162]4.115秒的加熱器延遲時(shí)間
[0163]在該實(shí)例中分開(kāi)使用Acrypet WF-100 (試驗(yàn)I)和Arkema V825-100 (試驗(yàn)2)。
[0164]圖5A為用于根據(jù)本公開(kāi)的某些實(shí)施例的超聲輔助的模制過(guò)程的示例性過(guò)程時(shí)間圖。圖5A中所示的時(shí)間圖表描述了用于延遲施加超聲振動(dòng)能量和延遲將電能施加至電阻筒形加熱器的時(shí)間。當(dāng)模具的兩個(gè)半部關(guān)閉時(shí)，使用接近開(kāi)關(guān)來(lái)預(yù)觸發(fā)超聲焊頭，以將超聲振動(dòng)能量施加至模具。通過(guò)在模具的兩個(gè)半部打開(kāi)時(shí)關(guān)閉該開(kāi)關(guān)，有可能在無(wú)載荷條件下調(diào)節(jié)超聲焊頭的振動(dòng)頻率，由此允許重調(diào)用于每個(gè)注模循環(huán)的焊頭，并允許更一致地將超聲振動(dòng)能量施加至模具腔體100’。
[0165]通過(guò)改變這些因素而生成樣品，并針對(duì)四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的響應(yīng)而評(píng)價(jià)樣品:在所有四個(gè)拐角處的應(yīng)力、門(mén)應(yīng)力、從頂側(cè)面觀察時(shí)部件中的應(yīng)力，以及從側(cè)面觀察時(shí)部件中的應(yīng)力。
[0166]在說(shuō)明性的示例性實(shí)施例中，設(shè)置有超聲能量源以從超聲焊頭214 (圖3)將超聲振動(dòng)能量施加至連接至至少一個(gè)入口門(mén)227的模具腔體100’(圖4)，所述至少一個(gè)入口門(mén)227與熔化的(共)聚合物源(例如注入口 222)流體連通。將模具預(yù)熱至104-116°C的溫度，并將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體100’中。
[0167]在冷卻模具直至入口門(mén)227內(nèi)的熔化的(共)聚合物已至少部分固化之后，將超聲能量施加至模具而不使入口門(mén)227內(nèi)的已固化的(共)聚合物再熔化，直至溫度增加至約116-122°C，由此顯著減小流致應(yīng)力。然后冷卻模具直至溫度減小至101-107°C，之后加熱模具直至溫度增加至116-122°C，由此顯著減小熱致應(yīng)力。然后冷卻模具直至熔化的(共)聚合物已固化，由此形成精確模制的塑料光學(xué)元件(或部件)。
[0168]圖5B為在根據(jù)本公開(kāi)的示例性實(shí)施例的示例性模制過(guò)程中使用圖5A所示的過(guò)程時(shí)間順序獲得的模具溫度和加熱器工作周期的圖。圖5B顯示了由于施加超聲振動(dòng)能量和筒形加熱器而產(chǎn)生的模具溫度的增加。其也顯示，當(dāng)在模制循環(huán)過(guò)程中加熱器啟動(dòng)以產(chǎn)生部件的浸泡時(shí)間(即加熱器工作周期，表示為百分比)時(shí)。在獲得圖5B所示的溫度測(cè)量中，熱電偶位于筒形加熱器與模具的B側(cè)(可移動(dòng)模具構(gòu)件228)中的腔體壁之間。
[0169]如圖5B所示，當(dāng)將熔化的(共)聚合物注射至模具中時(shí)，溫度(如由靠近模具腔體100’設(shè)置的熱電偶所測(cè)得)從其213 0F (約100.6°C)的預(yù)熱溫度增加至218 0F (約103°C)。隨后，(共)聚合物開(kāi)始冷卻。一旦達(dá)到213 T (約100.6°C)的初始溫度且門(mén)凍結(jié)(即門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已至少部分或甚至完全固化)，則再次啟動(dòng)超聲振動(dòng)能量。這使溫度增加(如由圖5B中的溫度增加所示)以接近(共)聚合物的峰值熱畸變溫度(約242 T或約140°C)。
[0170]在由熱電偶測(cè)得的腔體溫度達(dá)到約217 T (約103°C)之后，隨后允許模具腔體100’中的(共)聚合物的浸泡時(shí)間。在該浸泡時(shí)間之后，將電阻筒形加熱器通電以獲得與通過(guò)施加振動(dòng)超聲能量所獲得的類(lèi)似的峰值溫度245 T (約118°C)。在峰值溫度下，腔體溫度保持約70秒。圖5B中的下部曲線(xiàn)顯示了當(dāng)電阻筒形加熱器試圖保持240 T的設(shè)定值溫度時(shí)電阻筒形加熱器的工作周期。
[0171]即使通過(guò)使用熱循環(huán)和超聲振動(dòng)能量的施加而獲得了更短的循環(huán)時(shí)間，但在模制部件中可見(jiàn)到輕微霧度。為了改進(jìn)品質(zhì)，部件在90T (約32°C)下在對(duì)流烘箱中退火6分鐘。退火清除了模制部件的殘余霧度。退火并未給模制過(guò)程增加大量的循環(huán)時(shí)間，因?yàn)轭A(yù)期在制造中使用在模塑機(jī)之后設(shè)置的連續(xù)烘箱，其中第一部件推遲(offset) 6分鐘的時(shí)間，但之后的所有其他部件不推遲時(shí)間。因此，循環(huán)時(shí)間僅與模制循環(huán)時(shí)間相比。
[0172]聲波延遲和加熱器時(shí)間均在注射循環(huán)開(kāi)始時(shí)開(kāi)始，且信號(hào)來(lái)自鼓風(fēng)閥。一旦模具開(kāi)始關(guān)閉，就開(kāi)始計(jì)時(shí)。一旦獲得0.2秒的滑架建起速率(carriage built up rate),就開(kāi)始聲波延遲和加熱器延遲定時(shí)器。在60秒的延遲之后，啟動(dòng)超聲換能器218，并在115秒的延遲之后，啟動(dòng)電阻筒形加熱器。應(yīng)注意，用于超聲換能器和加熱器的兩個(gè)計(jì)時(shí)器同時(shí)運(yùn)行。還應(yīng)注意，整個(gè)注模循環(huán)時(shí)間(包括部件脫模)通常為僅約4分鐘。
[0173]由于可推斷退火并非影響針織線(xiàn)的主要變量，因此對(duì)于WF100和V825材料均需要更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間以獲得無(wú)針織線(xiàn)的可接受的部件。對(duì)于縮痕的消除，對(duì)于WFlOO和V825-100材料均優(yōu)選更長(zhǎng)的冷卻時(shí)間。V825-100的冷卻時(shí)間不響應(yīng)退火，而對(duì)于WF100，可使用超過(guò)大約6分鐘(360秒)的退火時(shí)間而縮短冷卻時(shí)間。
[0174]影響模制部件中的殘余應(yīng)力的主要因素是冷卻時(shí)間和冷卻階段過(guò)程中的超聲振幅，而影響部件幾何形狀的主要因素是冷卻時(shí)間和退火時(shí)間。對(duì)于WF100，影響拐角殘余應(yīng)力的兩個(gè)主要變量為冷卻時(shí)間和壓力觸發(fā)的振幅。在V825-100的情況中，主要變量為冷卻時(shí)間和退火時(shí)間，盡管WF100不產(chǎn)生模制精密光學(xué)組件的所需光學(xué)透明度。
[0175]對(duì)于WF100，影響側(cè)視殘余應(yīng)力的兩個(gè)主要變量為冷卻時(shí)間和壓力觸發(fā)的振幅。在V825-100的情況中，主要變量為冷卻時(shí)間和退火時(shí)間，似乎使用增加的退火時(shí)間可獲得V825-100的更好的光學(xué)透明度。對(duì)于WF100，影響俯視殘余應(yīng)力的兩個(gè)主要變量為冷卻時(shí)間和壓力觸發(fā)的振幅。在V825-100的情況中，主要變量為冷卻時(shí)間和退火時(shí)間，似乎使用增加的退火時(shí)間可獲得V825-100的更好的光學(xué)透明度。
[0176]對(duì)于WF100，冷卻時(shí)間為影響縮痕、針織線(xiàn)和應(yīng)力的主要變量。對(duì)于WF100，影響拐角應(yīng)力的主要變量為在模制過(guò)程中超聲振動(dòng)的使用。然而，不存在超聲以積極方式影響V825-100的確證。話(huà)雖如此，應(yīng)注意V825-100材料極為不同，可能是因?yàn)樾枰诒冗M(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的溫度更高的溫度下觀察施加超聲振動(dòng)能量的任何影響。諸如注射速度和/或門(mén)設(shè)計(jì)的模制參數(shù)也可不同地影響V825-100中的應(yīng)力。
[0177]圖6A-9B提供了在使用或不使用超聲能量下，偏振分光棱鏡形式的注模光學(xué)元件的一些代表性圖像。圖像在交叉偏振器下獲取，以清楚顯示部件中固有的雙折射。
[0178]圖6A-6B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖6A)和側(cè)視(圖6B)雙折射照片。圖6A-6B示出了由于單獨(dú)使用上述模具內(nèi)加熱而產(chǎn)生的模制缺陷和殘余應(yīng)力的有利減少。
[0179]圖7A-7B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖7A)和側(cè)視(圖7B)雙折射照片。圖7A-7B示出了由于使用上述模具內(nèi)加熱和上述后模制退火步驟而產(chǎn)生的模制缺陷和殘余應(yīng)力的有利減少。
[0180]圖8A-8B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖8A)和側(cè)視(圖8B)雙折射照片。圖8A-8B示出了由于使用上述模具內(nèi)加熱和上述的在模制過(guò)程中超聲振動(dòng)能量的施加而產(chǎn)生的模制缺陷和殘余應(yīng)力的有利減少。
[0181]圖9A-9B為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(棱鏡)的仰視(圖9A)和側(cè)視(圖9B)雙折射照片。圖9A-9B示出了由于使用上述模具內(nèi)加熱、上述的在模制過(guò)程中超聲振動(dòng)能量的施加以及上述后模制退火步驟而產(chǎn)生的模制缺陷和殘余應(yīng)力的有利減少。
[0182]圖10A-10C為根據(jù)常規(guī)的非超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(分光棱鏡)的仰視(圖10A)、側(cè)視(圖10B)和傾斜側(cè)視(IOC)雙折射照片。
[0183]圖11A-11C為根據(jù)本公開(kāi)的示例性超聲輔助的注模方法制得的示例性精確成形的光學(xué)元件(分光棱鏡)的仰視(圖11A)、側(cè)視(圖11B)和傾斜側(cè)視(IlC)雙折射照片。
[0184]雖然本說(shuō)明書(shū)詳細(xì)描述了某些示例性實(shí)施例，但應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在理解上述內(nèi)容后，可以輕易設(shè)想這些實(shí)施例的更改形式、變型形式和等同形式。因此，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不應(yīng)不當(dāng)?shù)厥芟抻谝陨鲜境龅氖纠詫?shí)施例。此外，本文引用的所有出版物、公開(kāi)的專(zhuān)利申請(qǐng)和公布的專(zhuān)利均以引用方式全文并入本文，正如具體而單獨(dú)地指出各個(gè)單獨(dú)的出版物或?qū)＠家砸梅绞讲⑷氡疚牡某潭认嗤?。各個(gè)示例性實(shí)施例均已進(jìn)行了描述。這些實(shí)施例和其它實(shí)施例屬于以下列出的公開(kāi)的實(shí)施例的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種模制方法，其包括: 提供注射模具，所述注射模具具有第一模具構(gòu)件和至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件，所述至少一個(gè)可移動(dòng)模具構(gòu)件能夠朝向和遠(yuǎn)離所述第一模具構(gòu)件移動(dòng)以關(guān)閉所述模具，其中模具腔體在所述第一或可移動(dòng)模具構(gòu)件中的至少一者中形成，所述腔體中具有至少一個(gè)門(mén)，另外其中設(shè)置有超聲能量源以將超聲能量施加至所述腔體； 關(guān)閉所述模具，由此將所述至少一個(gè)門(mén)流體連接至熔化的(共)聚合物源； 將模具加熱至104°C至116°C的模具溫度，所述模具溫度鄰近腔體測(cè)得； 之后通過(guò)關(guān)閉的模具的所述至少一個(gè)門(mén)將所述熔化的(共)聚合物注射至腔體中，以用所述熔化的(共)聚合物基本上填充腔體和門(mén)； 使所述關(guān)閉的模具冷卻，直至門(mén)內(nèi)的所述熔化的(共)聚合物已固化； 將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至所述關(guān)閉的模具的腔體中的熔化的(共)聚合物而不使門(mén)內(nèi)的已固化的(共)聚合物再熔化，直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間，由此顯著減小在所述熔化的(共)聚合物中的任何流致應(yīng)力； 之后冷卻所述關(guān)閉的模具，直至模具溫度已減小至約101°C至107°C ； 之后加熱所述關(guān)閉的模具，直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間，由此顯著減小在所述熔化的(共)聚合物中的任何熱致應(yīng)力；和 之后使所述模具冷卻，直至所述熔化的(共)聚合物已在模具內(nèi)固化，由此形成注模制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模制方法，其中將模具加熱至104°C至116°C的模具溫度在關(guān)閉模具之后發(fā)生。
3.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至關(guān)閉的模具的腔體中的熔化的(共)聚合物直至模具溫度已增加至116°C至122°C之間僅在使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的熔化的(共)聚合物已固化之后開(kāi)始。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中將熔化的(共)聚合物注射至腔體中還包括將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的模制方法，其中使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已固化包括停止將超聲能量施加至腔體。
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中通過(guò)關(guān)閉的模具的所述至少一個(gè)門(mén)將熔化的(共)聚合物注射至腔體中耗費(fèi)約0.5至約0.6秒。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中使關(guān)閉的模具冷卻直至門(mén)內(nèi)的(共)聚合物已固化在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約2秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約61秒結(jié)束。
8.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中將來(lái)自所述超聲能量源的超聲能量施加至腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約61秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約80秒結(jié)束。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中使關(guān)閉的模具冷卻直至模具溫度已降低至約101°C至107°C在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約62秒開(kāi)始，并在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約237秒結(jié)束。
10.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中加熱關(guān)閉的模具直至模具溫度已增加至約116°C至122°C之間在開(kāi)始將熔化的(共)聚合物注射至腔體中之后約70秒至115秒開(kāi)始，并在加熱開(kāi)始之后約70秒至110秒結(jié)束。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中從關(guān)閉模具直至(共)聚合物在模具內(nèi)已固化所逝去的總時(shí)間為至少約145秒，并小于約240秒。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，還包括通過(guò)脫模裝置從模具腔體中移出注豐吳制品。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的模制方法，其中所述脫模裝置選自如下的一種或多種:脫模銷(xiāo)、升降器、脫模板或它們的組合。
14.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中注射至腔體中的熔化的(共)聚合物的量大于填充模具腔體所需的量，且過(guò)量的(共)聚合物通過(guò)出口流出腔體。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體中包括從歧管注射熔化的(共)聚合物。
16.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中入口門(mén)在模具腔體的一側(cè)的中心處。
17.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中從鄰接所述第一模具構(gòu)件的模具腔體的第一側(cè)將熔化的(共)聚合物注射至模具腔體中，并從鄰接所述可移動(dòng)模具構(gòu)件的模具腔體的第二側(cè)施加超聲能量。
18.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中加熱模具腔體使用如下方式進(jìn)行:電阻加熱、電磁感應(yīng)加熱、電介質(zhì)加熱、熱電加熱、通過(guò)施加超聲能量加熱、或它們的組合。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的模制方法，其中加熱模具腔體使用電阻加熱進(jìn)行，且其中至少一個(gè)電阻加熱器靠近所述模具腔體設(shè)置`，從而能夠以如下速率加熱模具腔體內(nèi)的(共)聚合物:所述速率足以使模具腔體內(nèi)的熔化的(共)聚合物的溫度以至少約13°C /分鐘的速率增加。
20.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中所述模具包含選自如下的材料:鋼、不銹鋼、銅、鈹、鋁、其合金、或它們的組合。
21.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的模制方法，其中所述超聲能量源包括超聲換能器，所述超聲換能器任選地包括共振焊頭、放大器、導(dǎo)波器或它們的組合中的至少一者。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的方法制得的模制品。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的模制品，其中所述模制品為選自如下的注模光學(xué)元件:透鏡、棱鏡、反射鏡、光管、衍射光柵或它們的組合。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的模制品，其中所述模制品顯示出選自如下的至少一個(gè)有利特性:基本上不存在雙折射、基本上不存在殘余應(yīng)力、基本上不存在縮痕、基本上不存在接合痕跡、基本上不存在焊接線(xiàn)、基本上不存在空隙、或它們的組合。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)制得的模制品，其中所述(共)聚合物包括(甲基)丙烯酸類(lèi)(共)聚合物。
【文檔編號(hào)】B29C45/78GK103442876SQ201280013587
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2012年3月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月15日
【發(fā)明者】斯坦利·倫登, 丹尼斯·E·弗格森, 唐納德·L·泊察爾特, 約瑟夫·S·沃納, 蒂莫西·J·羅韋爾, 彼得·T·本松, 薩蒂德?tīng)枴·納亞爾 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司